Sensormodule für die optimierte Herstellung von naturfaserverstärkten Kunststoffen im Spritzguss

Die Verarbeitung von naturfaserverstäkten Kunststoffen birgt neue Herausforderungen für die Spritzgusstechnologie. Der Verschleiß im Extruder und Werkzeugbereich erhöht sich durch die Integration von Naturfasern in der Kunststoffschmelze und die Findung optimaler Verarbeitungsparameter ist ebenfalls eine Herausforderung. Beide Ziele sollen mit der Integration von multifunktionalen Schichtsystemen direkt in das Spritzgusswerkzeug erfüllt werden. Diese Entwicklung hat ein großes Zukunftspotenzial, da neue Werkstoffverbunde z.B. für den Leichtbau sehr wichtig sind und aus ökologischer Sicht der Anteil an Kunststoff besonders bei Einwegprodukten des täglichen Lebens reduziert werden muss. Das Schichtsystem beginnt mit der Abscheidung einer thermoresistiven 6 µm dünnen Kohlenwasserstoffschicht in der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung (PACVD). Darauf werden Elektrodenstrukturen gefertigt, indem eine Chromschicht in einer physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) in einer Dicke von 200 nm mittels Fotolithografie und nass-chemischer Ätzung gefertigt werden. Es folgt eine elektrisch isolierende Zwischenschicht in einer Dicke von 1 µm. Diese kann einer mit Silizium und Sauerstoff modifizierte Kohlenwasserstoffschicht sein oder auch eine Aluminiumoxidschicht. Temperatursensorstrukturen werden aus Chrom (d=200 nm) in einem Vierleiter-Design gefertigt unter Anwendung von Fotolithografie und nasschemischer Ätzung. Diese Strukturen werden vor Verschleiß mit einer der zuvor genannten elektrischen Isolationsschichten in einer Dicke von 3 µm geschützt. Mit dem neuartigen verschleißbeständigen sensorischen Schichtsystem wird die Temperaturverteilung und die Fließdynamik der modifizierten Kunststoffschmelze mit Hilfe von beschichteten Stahleinsätzen direkt während des Spritzgussprozesses gemessen. Dabei tritt das Schichtsystem in direkten Kontakt mit der Schmelze. Die Sensormodule werden direkt an der Spritzgussdüse aber auch in den Mittel- und Randbereichen der Form eingebaut, so dass bestmöglich das Fließverhalten der Schmelze und die Temperaturverteilung in der Form gemessen werden kann. Es ist ebenso möglich die gesamt Spritzgussform mit dem multifunktionalen Schichtsystem zu beschichten, um ortsaufgelöst die Sensorstrukturen zu integrieren in Kombination mit einer vollflächigen Verschleißbeständigkeit zu gewährleisten.