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Wirtschaftliche Fertigung mikrostrukturierter Formwerkzeuge für das Spritzgießen von hochwertigen Kunststoffbauteilen - QualiStruk3D

Abschlussbericht zum InnoNet-Verbundprojekt
 
: Winands, K.; Mescheder, H.

:
Fulltext (PDF; )

Aachen: Fraunhofer IPT, 2012, 73 pp.
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie BMWi
16IN0682
German
Report, Electronic Publication
Fraunhofer IPT ()

Abstract
Ziel des innoNet-Vorhabens QualiStruk3D war es, Prozess- und Systementwicklungen auf dem Feld der recht jungen Technologie Laserstrahlstrukturieren voranzutreiben, um diese Technologie für die Laseroberflächenstrukturierung von Formeinsätzen zur Herstellung hochwertiger, mikrostrukturierter Kunststoffspritzgussteile zu befähigen. Um dieses Gesamtziel zu erreichen, wurden während der Projektlaufzeit eine Vielzahl unterschiedlicher prozess-, system- und werkstoffseitiger Faktoren sowie deren Einfluss auf den Prozess und auf das Prozessergebnis in Bezug auf Geschwindigkeit, Qualität und Prozessstabilität untersucht. Um sicherzustellen, dass die Ergebnisse auch einen Bezug zur industriellen Anwendung hatten, wurden zu Projektbeginn die Anforderungen an die Prozesstechnologie und die Systemtechnik auf Basis einer Produktanalyse in enger Zusammenarbeit mit den Industriepartnern definiert. Hierbei wurden besonders die produktspezifischen Merkmale wie Werkstoffe, Strukturgeometrien und Oberflächenqualitäten in den Vordergrund gestellt. Davon ausgehend wurden verschiedenen Laserstrahlquellen anhand einer im Projekt entwickelten Vorgehensweise auf Eignung zur Laserstrukturierung von Werkzeugstählen qualifiziert. Die Prozessuntersuchungen wurden an einem Kaltarbeitsstahl (1.2738) und einem Warmarbeitsstahl (1.2343) im vergüteten Zustand durchgeführt. Der Einfluss unterschiedlicher Prozessparameter wurde mithilfe einer vollfaktoriellen Versuchsplanung systematisch untersucht. Hierbei wurden die Ergebnisgrößen Abtragrate, Oberflächen- bzw. Strukturqualität und Werkstoffbeeinflussung als Bewertungsgrößen definiert und Korrelationen zwischen den Eingangsparametern und den erzielten Ergebnissen herausgestellt. Ein wesentlicher Schwerpunkt der Untersuchungen zum Abtragverhalten lag in der Betrachtung der erzielbaren Oberflächenqualitäten und der Einfluss des thermischen Werkzeuges "Laserstrahl" auf den Grundwerkstoff. Zur Bewertung laserstrukturierter Oberflächen wurde dazu unter anderem das Klassifizierungssystem der sogenannten Qualitätsklassen eingeführt und in Form von Klassennormalien evaluiert. Seitens der Systemtechnik wurde ein prototypischer, digital angesteuerter Strahlaufweiter im Projekt erprobt, der eine doppelt so hohe Dynamik wie das analoge Vorgängermodell aufwies. Dadurch konnten bisherige Grenzen in Bezug auf die Bearbeitungsgeschwindigkeit bei der Bearbeitung komplex geformter Oberflächen überschritten und evaluiert werden. Zudem wurde ein vorhandenes CAM-System am Fraunhofer IPT weiterentwickelt, um die großflächige Oberflächenstrukturierung auch auf der datentechnischen Seite zu ermöglichen. Die Entwicklung der vollautomatischen Segmentierung und die Erweiterung der Lasersteuerung um eine weitere digitale 6. Kinematik-Achse sowie die Einbindung eines intelligenten Segmentierungsalgorithmus in das bestehende CAM-Modul machten die Strukturierung komplex geformter und großer Oberflächen möglich. Des Weiteren wurde im Rahmen des Projekts eine automatisierte Fokuslagenregelung entwickelt, mit der die Fokuslage besonders bei langandauernden Strukturiervorgängen überwacht und korrigiert werden konnte, wodurch die Erhöhung der Prozessstabilität erzielt wurde. Abschließend wurden eine Vielzahl von Formeinsätzen, d.h. Musterplatten und Demonstratoren, aus den beiden unterschiedlichen Stählen laserstrukturiert und deren Oberflächen mit zuvor definierten Strukturmustern versehen. Diese Musterplatten diensten als Basis für die Abmusterungsversuche am Kunststoffinstitut der Fachhochschule Südwestfalen. Die Oberflächen der laserstrukturierten Formeinsätze sowie der abgemusterten Kunststoffplatten wurden dort messtechnisch analysiert, um Zusammenhänge zwischen Werkzeug- und Bauteileigenschaften erschließen zu können.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-316163.html