Multi-Technologie Produkte

 
Vision



Ein formalisierter, auf wissenschaftlichen Methoden basierender Ansatz, der die systematische Integration mehrerer Technologien in Produkte ermöglicht
Ziele
Phase 2
(1) Erschließung und Nutzung der Vorteile der Integration von Technologien in Produkte
(2) Entwicklung einer ganzheitlichen Entwurfs- und Qualifikationsmethodik (deterministische Beschreibungs-, Evaluations-, kybernetische Entwurfsmodelle) für integrierte Multi-Technologie Produkte

 

Im Rahmen des Forschungsbereichs wird basierend auf der Analyse der Produktionsprozesse in Bezug auf relevante Produkt- / Prozesszusammenhänge ein quantitatives und methodisches Verständnis der Produktgeneration erarbeitet. Die entsprechenden Zusammenhänge werden mit Hilfe von drei aus der ersten Förderperiode stammenden Beispielprodukten (mikrostrukturierte Kunststoffoptiken, elektronische Kunststoffbauteile, Strukturbauteile) bewertet und quantifiziert, um signifikante Abhängigkeiten, die die Basis für die Einordnung der verschiedenen integrierten Multi-Technologie Produktionssysteme liefern, zu identifizieren.

 
  Abbildung 1

Optische Bauteile

In diesem Testcase wird an der Entwicklung einer durchgängigen Prozesskette zur Erzeugung von monolithischen Kunststoffoptiken geforscht. In den letzten Jahren wurden die Arbeitsabläufe der Forschungspartner hinsichtlich der Prozesskette weiter verbessert. Es gelang keramische Hartstoffschichten mit geeigneten Eigenschaften für eine nachfolgende Laserstrukturierung und Abformung unterschiedlicher optischer Kunststoffe zu entwickeln. Die beschichteten Werkzeuge konnten im nächsten Prozessschritt erfolgreich mittels Lasertechnik nanostrukturiert werden. Im variothermen Spritzgießen gelang anschließend die Abformung entsprechend nanostrukturierter optischer Kunststoffbauteile. Abbildung 1 zeigt hybride optische Oberflächen auf Kunststoffbauteilen, die aus einem beschichteten und laserstrukturierten Spritzgießwerkzeugs nanostrukturiert abgeformt wurden.

Weitere Erkenntnisse hinsichtlich der Abformbarkeit komplexer Geometrien werden mit Hilfe eines aktuell in der Entwicklung befindlichen Demonstrators im weiteren Verlauf des Projektes erarbeitet. Das langfristige Ziel ist die Bereitstellung einer kompakten Produktionseinheit, die eine Spritzgießmaschine und eine thermische Spritzanlage mit zugehörigem Handling in einer Fertigungszelle vereinigt.

 
  Abbildung 2

Elektrische Kunststoffbauteile

Mit dem „In-Mold-Metal-Spraying (IMMS)“ soll die Inline-Applikation thermisch gespritzter Metallschichten auf Kunststoffbauteilen während des Spritzgießprozesses ermöglicht werden. Dadurch bietet diese Technologie die Möglichkeit, neue Designwege für metallisierte Kunststoffbauteile zu eröffnen sowie bereits existierende metallisierte Kunststoffbauteile kostengünstiger und effizienter herzustellen. Durch die Entwicklung eines modularen Spritzgusswerkzeuges konnte dieses Verfahren in 2015 näher an die Großserienreife herangeführt werden. Dabei wird die metallische Beschichtung zunächst auf einen Einleger aufgebracht und im Anschluss auf das Spritzgussbauteil transferiert. In Abbildung 2 sind die beiden Demonstratorbauteile dargestellt. Neben der erfolgreichen Transplantation komplexer Geometrien wurde der Einfluss unterschiedlicher Werkzeugstähle auf die Schichtübertragbarkeit sowie der Einfluss verschiedener Spritzgussparameter auf den Verzug der Kunststoffbauteile untersucht.

 
  Abbildung 3

Strukturbauteile

In Strukturbauteilen treten häufig überlagerte Belastungen auf. Ein Ansatz zur gewichtsoptimierten Herstellung komplexer Strukturbauteile ist das Multi-Material-Design, bei dem unterschiedliche Werkstoffe miteinander verbunden werden. Metall-Kunststoffverbunde verfügen dabei über ein besonders großes Potential. Die Verbindungsstellen stellen hierbei jedoch eine mögliche Schwachstelle dar. Konventionelle Verbindungsverfahren sind häufig mit dem Einsatz zusätzlicher Bauteile und somit steigendem Gewicht verbunden. Daher stellt die Entwicklung von Fügeverfahren für Metall-Kunststoff Hybrid-Strukturbauteile einen wichtigen Forschungsbedarf dar. Hierfür eignet sich besonders das thermische Direktfügen von Metall-Kunststoff Hybridbauteilen. In Abbildung 3 ist die Bruchfläche einer solchen Fügestelle nach zerstörender Prüfung dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass der Kunststoff im Bereich von Hinterschneidungen kohäsiv versagt und somit die Verbundfestigkeit in diesem Bereich nicht durch die Fügung bestimmt wird. Dazu wurde in 2015 ein neues Spritzgusswerkzeug zur Herstellung von Metall-Kunststoff Hybridbauteilen in Betrieb genommen.

 
  Prozess Urheberrecht: Quelle: Thilo Vogel

Die Arbeiten umfassen im Testcase Optische Bauteile eine weitere Verbesserung der Prozessschritte, Beschichten, Laserstrukturieren und Abformen sowie eine noch engere Verknüpfung der Prozesskette. Ein Ziel ist die Erzeugung einer Freiformfläche zur Projektion eines QR-Codes. Im Testcase „Elektrische Bauteile“ ist geplant, den Einfluss der Prozessparameter des thermischen Spritzens auf die Schichtübertragbarkeit tiefergehend zu untersuchen. Des Weiteren soll der Einsatz eines CO2-Schneestrahlsystems zur Reinigung der Werkzeugeinsätze geprüft werden. Im Testcase „Strukturbauteile“ ist unter anderem der Aufbau einer Anlage zur konduktiven Widerstandserwärmung zum thermischen Direktfügen geplant.

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Demonstrator "Monolithische Kunstoffoptiken"

Demonstrator "Strukturbauteile"

Demonstrator "Integration elektischer Funktionalität in Kunststoffbauteile"