hybridica Forum 2010

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1 hybridica Forum 2010 Hybrides Mehrkomponentenspritzgießen zur Herstellung elektrisch leitfähiger Kunststoffbauteile 10. November 2010, München Dipl.-Ing. Andreas Neuß Institut für Kunststoffverarbeitung an der RWTH Aachen (IKV)

2 Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) Gründung 1950 mit Unterstützung einer Fördervereinigung Angliederung an die RWTH Aachen Fördervereinigung mit 237 Mitgliedern Rohstoffhersteller Maschinenhersteller Kunststoffverarbeiter Forschungsinstitute Verbände Personal im IKV : 79 wissenschaftliche Angestellte 55 Angestellte in Laboren, Werkstätten, Verwaltung etc. 216 studentische Hilfskräfte (Stand: Januar 2010)

3 IKV-Standorte in Aachen Pontstraße Institutsleitung und Sekretariat Spritzgießen PUR-Technologie Ausbildung/Handwerk Seffenter Weg 201 Faserverstärkte Kunststoffe Extrusion und Weiterverarbeitung Formteilauslegung/Werkstofftechnik Zentrum für Kunststoffanalyse und -prüfung

4 Aufgaben des IKV Ausbildung Studierender zu Nachwuchskräften für Führungspositionen in Wirtschaft und Wissenschaft Förderung von Innovation durch praxisorientierte Forschung und Technologietransfer Berufliche Aus- und Weiterbildung Beinhaltet alle technologischen, werkstoffkundlichen, prüf- und anwendungstechnischen Fragestellungen auf dem Thermoplast-, Duroplast- und Elastomersektor

5 Durchgängigkeit der Forschungsund Entwicklungsschwerpunkte THERMOPLASTE, DUROPLASTE, ELASTOMERE, FASERVERSTÄRKTE KUNSTSTOFFE, SONDERWERKSTOFFE PRODUKT- ANFOR- DERUNGEN SPRITZGIESSEN, EXTRUSION, WEITERVERARBEITUNG, PRESSEN, SONDERVERFAHREN Stoffdaten, Werkstoffmodelle CAD, CAE, Gestaltungsund Auslegungsregeln SPC, Statistische Versuchsplanung Werkstoffauswahl Produktgestaltung und -auslegung Qualitätssicherung Werkstoffentwicklung Produktprototyp Prototypwerkzeug/ -maschine, CAM UMWELTSCHUTZ, RECYCLING CAD, CAE, Auslegungsregeln Fertigungsplanung, PPS, Maschinenauswahl Fertigung, Analyse komplexer, gekoppelter Prozesse Messen, Steuern, Regeln, Optimierung/ Sensorik/BDE Werkzeugund Maschinenauslegung Qualitätssensoren, -regelung PRODUKT BETRIEBSORGANISATION, FABRIKPLANUNG

6 Gliederung Kurzvorstellung IKV Einleitung und Motivation Materialauswahl Maschinen- und Werkzeugtechnik für den neuen hybriden Mehrkomponenten- Prozess Aktuelle Untersuchungen zur Herstellung von Metall/Kunststoff-Hybriden Erzielbare Leiterbahnquerschnitte und Leiterbahnlängen Elektrische Bauteileigenschaften Demonstrator Beheizbare Sportbrille Fazit und Ausblick

7 Elektrisch leitfähige Kunststoffbauteile Stand der Technik Herstellung elektrisch leitfähiger Bauteile für Leiterbahnen, Steckerverbindungen, Sensoren etc. Einsatz leitfähig ausgerüsteter Kunststoffe An-/ Um-/ Hinterspritzen von leitfähigen Einlegeteilen/Folien o.ä. Aufbringen leitfähiger Pfade/ Schichten o.ä. [Oechsler AG, TRW Automotive, 3D MID e.v., Engel]

8 Elektrisch leitfähige Kunststoffbauteile Stand der Technik Hybride Materialien Herstellung elektrisch leitfähiger Bauteile Einmischenfür vonleiterbahnen, Füllstoffen Steckerverbindungen, Sensoren etc. wie Ruß oder Graphit auf An-/ Um-/ Hinterspritzen Einsatz leitfähig einem Compounder Aufbringen leitfähiger von leitfähigen Einlegeausgerüsteter Pfade/ Schichten o.ä. Verarbeitung im Standardteilen/Folien o.ä. Kunststoffe Spritzgießen Geringere elektrische Leitfähigkeiten im Vergleich zu Metallen Hoher Füllstoffgehalt führt zu Schwierigkeiten bei der Verarbeitung Minimaler Leiterbahnquerschnitt begrenzt [Oechsler AG, TRW Automotive, 3D MID e.v., Engel]

9 Elektrisch leitfähige Kunststoffbauteile Stand der Technik Hybride Materialien Hybride Prozesse Herstellung elektrisch leitfähiger Bauteile Sensoren etc. Einmischenfür vonleiterbahnen, Füllstoffen Steckerverbindungen, Herstellung elektrischer Leiterbahnen mit wie Ruß oder Graphit auf Leitfähigkeiten im Bereich von Metall An-/ Um-/ Hinterspritzen Einsatz leitfähig einem Compounder Aufbringen leitfähiger Stromtragfähigkeit von leitfähigen Einlege- anpassbar an den ausgerüsteter Pfade/ Schichten o.ä. Verarbeitung im Standardjeweiligen Anwendungsfall teilen/folien o.ä. Kunststoffe Spritzgießen Komplexe Prozesse aufgrund zahlreicher Geringere elektrische Verarbeitungsschritte Leitfähigkeiten im Vergleich Häufig kosten- und/oder zeitintensive Schritte zu Metallen wie Stanzen, Biegen, Galvanisieren oder Hoher Füllstoffgehalt führt Montieren als Bestandteil der Prozesskette zu Schwierigkeiten bei der Einschränkungen in der Produktivität oder der Verarbeitung erreichbaren geometrischen Komplexität der Bauteile Minimaler Leiterbahnquerschnitt begrenzt [Oechsler AG, TRW Automotive, 3D MID e.v., Engel]

10 Neuer Ansatz zur Herstellung von elektrisch leitfähigen Kunststoff/Metall-Bauteilen

12 Materialauswahl Die Kunststoffe dürfen durch die Verarbeitung der Metallkomponente nicht thermisch degradiert oder mechanisch unzulässig belastet werden. Die Thermoplaste müssen über eine ausreichende Wärmeformbeständigkeit verfügen (z.b.: Polyamid (PA), Polyethersulphon (PES)). Die Verarbeitungstemperatur der Metalle muss zum Temperaturbereich der Thermoplaste passen. Es werden so genannte niedrig schmelzende Metalllegierungen bestehend aus Zinn, Zink und Wismut eingesetzt. Durch geeignete Zusammensetzung können Schmelzpunkte zwischen nur 50 C und 250 C erreicht werden.

13 Elektrische Leitfähigkeit unterschiedlicher Materialien im Vergleich Silber, Kupfer Eisen, MCP200 Germanium Silizium Glas Diamant Quarz Leitfähigkeit [S/m] 10 8 Metalle metallfasergef. Compounds leitfähige Rußcompounds antistat. Rußcompounds Grenze elektrostat. Aufladung Kunststoffe Leiter Halbleiter Isolator

14 Physikalische und mechanische Eigenschaften der Legierung MCP 200 verglichen mit PA 6 MCP 200 PA 6 Viskosität [Pa*s] 0,01-0, Wärmeleitfähigkeit [W/(m*K)] 61 0,29 Spezifische Wärmekapazität [kj/(kg*k)] 0,24 1,95 Temperaturleitfähigkeit [mm 2 /s] 35 0,13 Zugfestigkeit [N/mm 2 ] 54,7 80 Bruchdehnung [%] 32,5 20 [MCP HEK GmbH]

16 Seitenaggregat zur Verarbeitung der niedrig schmelzenden Metalllegierung

17 Werkzeugtechnik Heißkanal Thermoplast Adapterplatte Aggregat Metalllegierung Düsenseite Anguss Metalllegierung Schließseite auswechselbarer Werkzeugeinsatz Anschnitt Metalllegierung

19 Untersuchungsschwerpunkte zur Herstellung elektrisch leitfähiger Kunststoffbauteile Verarbeitung der Metalllegierung Ermittlung optimaler Prozessbedingungen Zielgröße: Fließweglänge Leitfähige Kunststoffbauteile Einfluss der Prozessführung auf realisierbare Querschnitte Zielgröße: Elektrische Bauteileigenschaften Kontaktierung der Metalllegierung Verbundfestigkeit Einfluss der Prozessführung Einfluss der Makro-/Mikrogeometrie sowie von Oberflächenbehandlung (z.b. Plasma)

21 Einfluss von Prozessparametern auf die erzielbare Fließweglänge Geometrie: Fließmäander TWkz pein = 80 C = 100 bar TWkz pein = 100 C = 100 bar TWkz pein = 120 C = 100 bar TWkz pein = 140 C = 100 bar TWkz pein = 160 C = 50 bar TWkz pein = 160 C = 100 bar TWkz pein = 180 C = 100 bar Fließweg [mm]

23 Verbundmechanismen zwischen Kunststoffträger und niedrig schmelzender Metalllegierung Verbundfestigkeit [N] PBT GF30 zinkbeschichtet PBT GF30 laserstrukturiert PBT GF30 plasmabehandelt Keine Haftung zwischen Kunststoff und Metalllegierung bei Variation der Prozessparameter Herstellung eines klassischen Verbundes zwischen Kunststoff und Metalllegierung über Formschluss Einsatz von Vorbehandlungsmethoden Lasermikrostrukturierung Behandlung mit Atmosphärenplasma Beschichtung durch thermisches Spritzen

25 Herstellung eines Kunststoffträgers mit integrierter elektrischer Leiterbahn Trägerplatte aus PA 6.6 Trägerplatte mit integrierter Leiterbahn aus MCP 200 Schritt 1 Herstellen der Trägerplatte mittels Spritzgießen Geometrische Abmaße: 105 mm Länge, 125 mm Breite, 4 mm Dicke Material: Schulamid 66 GF 30 Schritt 2 Umsetzen der Kunststoff-Trägerplatte in die zweite Kavität Schritt 3 Herstellen der elektrischen Leiterbahn durch Überspritzen der Trägerplatte mit der niedrig schmelzenden Metalllegierung MCP 200

26 Erzielbare Fließweglängen der Leiterbahnen in Abhängigkeit des Leiterbahnquerschnitts Fließweg [mm] Maximale Fließweglänge 220 mm Querschnitt 1,5x1,5 mm 2 Querschnitt 0,5x0,5 mm Werkzeugtemperatur [ C]

27 Elektrische Bauteileigenschaften Begriffserklärung Spezifische elektrische Leitfähigkeit σ: Kehrwert des spezifischen elektrischen Widerstands ρ Verhältnis von Stromweglänge l zur Querschnittsfläche A und dem elektrischen Widerstand R 1 l S σ = = ρ A R m Stromtragfähigkeit: Stromstärke, mit der eine Leiterbahn durchflossen werden kann, bevor es zu thermischer Überlastung der Leiterbahn oder des Trägermaterials kommt Temperatur T ist die zu betrachtende Größe

28 Elektrische Leitfähigkeit in Abhängigkeit der Werkzeugtemperatur Spez. elektrische Leitfähigkeit [S/m] 8,0x10 6 6,0x10 6 4,0x10 6 2,0x10 6 0, Kunststoffträger mit elektrischer Leiterbahn l = 65 mm; A = 1,5x1,5 mm 2 Werkzeugtemperatur [ C]

29 Elektrische Leitfähigkeit in Abhängigkeit des Leiterbahnquerschnitts Werkzeugtemperatur 160 C Spez. elektrische Leitfähigkeit [S/m] 8,0x10 6 6,0x10 6 4,0x10 6 2,0x10 6 0,0 1,5x1,5 1,5x1 1x1,5 Leiterbahnquerschnitte 1,5x1,5 mm 2 1,5x1 mm 2 1x1,5 mm 2 Kunststoffträger Leiterbahnquerschnitt [mm 2 ] Leiterbahn

30 Thermographiebild des Probenkörpers mit Angabe der Messpunkte Messpunkte für den zeitlichen Temperaturverlauf Messlinie für den Temperaturverlauf über dem Bauteilquerschnitt [ C]

31 Zeitlicher Temperaturverlauf auf dem Probenkörper bei 10 A Stromstärke Querschnitt 1,5x1 mm 2 Temperatur [ C] 50 Leiterbahn Kunststoffträger Zeit [s]

32 Stromtragfähigkeit bei 10 A und unterschiedlichen Leiterbahnquerschnitten Temperatur [ C] 50 1,5x1,5 mm ,5x1 mm 2 1x1,5 mm Weg [mm] Leiterbahnquerschnitte 1,5x1,5 mm 2 1,5x1 mm 2 1x1,5 mm 2 Kunststoffträger Leiterbahn

34 Idee Demonstrator beheizbare Sportbrille

35 3-K-Spritzgießwerkzeug mit Indexplattentechnik Vollautomatische Herstellung der beheizbaren Sportbrille auf 3-Stationen Indexplattenwerkzeug Station 1 Herstellung der optischen Sichtscheibe und Umspritzen metallischer Kontaktpins Station 2 Einspritzen der Metalllegierung über Heißkanal und Kontaktierung der metallischen Pins Station 3 Herstellung des Rahmens und Entformung des Bauteils

36 Dynamische Werkzeugtemperierung zur Herstellung komplexer Leiterbahnstrukturen [GWK] Temperierung der einzelnen Stationen über separate Wasserkreisläufe Integration einer dynamischen Temperierung in die zweite Station des Indexplattenwerkzeugs Kombination aus Keramikbeheizung und konturnaher Kühlung mittels Wasser Schnelles Aufheizen auf Metallschmelzetemperatur vor dem Einspritzen und anschließendes rasches Abkühlen Erzielung hoher Fließweg/ Wanddickenverhältnisse im Bereich der metallischen Leiterbahn

38 Fazit und Ausblick Die Kombination von Kunststoff-Spritzgießen und Metalldruckgießen besitzt das Potenzial, die Produktperformance von Elektronikbauteilen zu erhöhen und zugleich die Prozesskette für deren Herstellung deutlich zu verkürzen. Eine Spritzgießmaschine ist um ein Aggregat zur Verarbeitung der niedrig schmelzenden Metalllegierung erweitert worden. Die Prozessparameter Werkzeugwandtemperatur und Einspritzgeschwindigkeit haben starken Einfluss auf die erzielbaren Leiterbahnlängen. Die elektrischen Eigenschaften der hergestellten Leiterplatten zeigen Potenzial zum Einsatz in Elektronikanwendungen. Umsetzung industrienaher Praxisbauteile Prüfung des Langzeitverhaltens (Temperaturwechselbelastung etc.)

39 hybridica Forum 2010 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Die vorgestellten Arbeiten wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Exzellenzclusters Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer finanziell gefördert.