Entwicklung eines kombinierten Druck- und Spritzgießprozesses zur Herstellung von Metall-Kunststoff-Hybridbauteilen auf einer Mehrkomponentendruckgießmaschine

Messer, Patrick; Bührig-Polaczek, Andreas (Thesis advisor); Fehlbier, Martin (Thesis advisor)

Aachen : Gießerei-Institut der RWTH Aachen (2022)
Buch, Doktorarbeit

In: Ergebnisse aus Forschung und Entwicklung 33
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Kurzfassung

Druck- und Spritzguss weisen trotz deutlicher Unterschiede hinsichtlich der Verarbeitungstemperaturen der beiden Werkstoffe viele Parallelen und Gemeinsamkeiten auf. Hybridbauteile erlangen eine immer größere Bedeutung, wobei die damit verbundenen langen Prozessketten, mit vielen Zwischen- und Vorbereitungsschritten, aufwendig und damit kostenintensiv sind. Daher liegt es nahe, die beiden Prozesse unmittelbar miteinander innerhalb einer kompakten Fertigungszelle zu verknüpfen. Mit der Entwicklung des Mehrkomponenten-Druckgießens, d.h. der Kombination aus einer Druck- und einer Spritzgießmaschine zu einer Fertigungszelle, soll genau diese noch vorhandene Lücke geschlossen werden. Kern dieser Arbeit ist neben der Verknüpfung einer Anlagentechnik, einhergehend mit der Erarbeitung eines Gießwerkzeuges zur Herstellung von Verbundproben, die Identifikation von Einflussgrößen auf die Verbundausbildung. Die Erkenntnisse sollen genutzt werden, um damit ein grundlegendes Prozessverständnis für diese neue Technologie zu erarbeiten. Mittels isothermer Prozessführung können erstmalig im Mehrkomponenten-Druckgießen reproduzierbar Proben hergestellt werden, welche bei der mechanischen Prüfung eine mittlere Scherzugfestigkeit von 3,9 MPa einhergehend mit einer sehr geringen Standardabweichung (0,24 MPa) und daher einer sehr guten Wiederholgenauigkeit aufweisen. Eine reproduzierbare Herstellung von normiert prüfbaren Hybridbauteilen ist somit mit dem verwendeten Gießwerkzeug möglich. Gleichwohl bleibt festzuhalten, dass hinsichtlich der Höhe der erreichbaren Festigkeiten noch deutliches Steigerungspotential besteht. Die maximale und mittels Isothermie realisierbare Werkzeugtemperatur im Bereich der Fügezone (metallseitig ca. 205°C, kunststoffseitig ca. 150°C) liegt deutlich unter der Verarbeitungstemperatur des verwendeten Kunststoffes. Der limitierende Faktor hin zu höheren Temperaturen ist jedoch nach wie vor die fehlende Entformbarkeit des Kunststoffes bei höheren Temperaturen, wobei das grundlegende Dilemma (hohe Fügetemperaturen und gleichzeitig geringe Entformungstemperaturen) bei isothermer Prozessführung nicht gelöst werden kann. Eine Steigerung der Verbundfestigkeit durch Erhöhung der Werkzeugtemperatur während des Fügeprozesses setzt somit eine prozesssichere, variotherme Prozessführung voraus. So kann bei höheren Fügetemperaturen trotzdem eine ausreichend geringe Entformungstemperatur gewährleistet werden. Die im Rahmen der praktischen Versuche ermittelten Ergebnisse werden für die Konzipierung und Auslegung eines weiteren Kavitätseinsatzes (Hybrid III.1) genutzt. Hybrid III.1 ist für eine rein fluidbasierte variotherme Prozessführung ausgelegt, bei dem die geringe dynamisch zu temperierende Masse durch eine sehr kavitätsnahe Anordnung der Temperierung realisiert wird. Bei dem Kavitätseinsatz können Restriktionen der konventionellen Werkzeugfertigung umgangen werden, da der Einsatz für die additive Fertigung ausgelegt wird. Der Kavitätseinsatz Hybrid III.1 vereint die gesammelten Erkenntnisse in einem Werkzeugeinsatz, bei dem hohe Fügetemperaturen ohne elektrische Heizkomponenten im Werkzeug realisiert werden können, gleichzeitig aber durch einen sehr kavitätsnahen und zyklisch anzusteuernden "kalten" Temperierkanal die Prozesswärme kurzfristig für die Entformung abgeführt werden kann. Die zuletzt durchgeführten Simulationen mit Hybrid III.1 geben Anlass zu der Vermutung, dass über diesen additiv gefertigten Einsatz genau diese Dynamik erzielt werden kann und eine prozesssichere weitere Steigerung der Verbundfestigkeit zu erwarten ist.

Einrichtungen

• Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
• Lehrstuhl für Gießereiwesen und Gießerei-Institut [526110]