Integriertes Metall-Kunststoff-Spritzgießen

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1 INSTITUT FÜR KUNSTSTOFFVERARBEITUNG IN INDUSTRIE UND HANDWERK AN DER RWTH AACHEN Integriertes Metall-Kunststoff-Spritzgießen Exzellenz durch Integration Die kürzeste Prozesskette für Elektronikanwendungen INSTITUT FÜR KUNSTSTOFFVERARBEITUNG IN INDUSTRIE UND HANDWERK AN DER RWTH AACHEN Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer

2 Das Projekt Die Herausforderung Durch die Kombination unterschiedlicher Verfahren hin zu Einstufenprozessen und die Kombination verschiedener Materialien in Multi-Material-Bauweise lässt sich die Funktionalität von Bauteilen deutlich steigern. Die dadurch erhöhte Wertschöpfung bei gleichzeitig rationellerer Fertigung hilft Unternehmen an Hochlohnstandorten wie Deutschland zukünftig wettbewerbsfähig zu bleiben. Im Bereich von Elektronikanwendungen werden metallische Werkstoffe in Kunststoffbauteile integriert, um diese mit elektrisch leitfähigen Bereichen zu funktionalisieren. Die Herstellung dieser Bauteile ist bisher durch zahlreiche Verfahrensschritte und/oder Einschränkungen in der erreichbaren Bauteilgeometrie gekennzeichnet. Das vom IKV im Rahmen des Exzellenzclusters Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer an der RWTH Aachen gemeinsam mit dem Industriepartner Krallmann entwickelte Integrierte Metall-Kunststoff Spritzgießen (IMKS) erlaubt nun die Herstellung komplexer Kunststoffbauteile mit integrierten metallischen Leiterbahnen in einer bisher unerreicht kurzen Prozesskette. Der Ansatz Zentraler Entwicklungsschwerpunkt ist die Kombination von Kunststoffspritzgießen und Metalldruckguss zu einem Multi-Material-Prozess. Um die Leiterbahnstrukturen auf einer Spritzgießmaschine auf einen Kunststoffträger aufspritzen zu können, ist gemeinsam mit der Firma Krallmann in Anlehnung an das Warmkammerdruckgießen von Metallen ein Zusatzaggregat entwickelt worden, das die Verarbeitung niedrig schmelzender Metalllegierungen auf Basis von Zinn, Silber und Kupfer ermöglicht. Zusatzaggregat zur Verarbeitung niedrig schmelzender Metalllegierungen Hybrides 3-Stationen- Indexplattenwerkzeug Das Metall wird dazu im flüssigen Zustand der Einspritzeinheit zugeführt. Durch eine spezielle Kolben-Injektionseinheit mit neuartigem Dichtkonzept und einer neu entwickelten Heißkanaltechnik lassen sich kleine Mengen der leicht fließenden Metalllegierung reproduzierbar und angusslos verarbeiten. Das industriereife Aggregat wird über die Steuerung des hydraulischen Kernzugs einer konventionellen Spritzgießmaschine betrieben und lässt sich daher ohne großen Aufwand in den Ablauf des Spritzgießprozesses integrieren. Durch ein 3-Stationen-Indexplattenwerkzeug des IKV-Partners Krallmann wird die Leistungsfähigkeit des Prozesses anhand der vollautomatischen Herstellung einer LED-Leuchte demonstriert. An der ersten Station wird der Leiterbahnträger aus transparentem Kunststoff hergestellt.

3 Vor dem Umsetzen wird mithilfe des Roboters eine LED im Vorspritzling positioniert. In der folgenden, zweiten Station wird über eine Heißkanaldüse mit Nadelverschluss die niedrig schmelzende Metalllegierung direkt auf den transparenten Kunststoffträger aufgespritzt. Hohe Einspritzgeschwindigkeiten ermöglichen die Herstellung eines komplexen, filigranen Leiterbahnverlaufs mit hohen Fließweglängen. Am Ende der Leiterbahn wird die LED durch die Umspritzung mit der flüssigen Metalllegierung direkt kontaktiert. An der letzten, dritten Station wird die Leiterbahn mit einer zweiten Kunststoffkomponente überspritzt und dadurch vollständig gekapselt und damit elektrisch isoliert. Die 3K-LED-Leuchte wird auf einer Spritzgießmaschine von KraussMaffei mit einer Schließkraft von 1600 kn (Typ: CX /55) hergestellt. In die hybride Fertigungszelle ist darüber hinaus ein 6-Achsroboter integriert, der die LED einlegt und auch das fertige Bauteil entnimmt. Vorspritzling Leiterbahn Bauteil (LED-Leuchte) Die Vorteile für Elektronikanwendungen Der Demonstrator LED-Leuchte Die Prozesstechnik des Integrierten Metall-Kunststoff-Spritzgießens ermöglicht die Herstellung komplexer Elektronikanwendungen in einem einstufigen Prozess. Der Demonstrator LED-Leuchte kann nachbearbeitungsfrei und voll funktionsfähig aus dem Werkzeug entnommen werden. Durch Einlegen einer Knopfzellenbatterie wird die Leuchte eingeschaltet. Die LED-Leuchte vereint Aspekte wie eine effiziente Verarbeitung und hohe Stromtragfähigkeit bei zugleich hoher Geometriekomplexität und einfacher Kontaktierbarkeit der LED. Vorteile des IMKS auf einen Blick Die LED-Leuchte zeigt zahlreiche interessante Funktionen für Anwendungen im Elektronikbereich: Integration elektrisch leitfähiger, metallischer Leiterbahnen in einen Demonstrator zur Realisierung einer Leuchtfunktion prozesssichere Verarbeitung der Metalllegierung durch die neuentwickelte Aggregattechnik direkte Herstellung zweier potenzialgetrennter dreidimensionaler Leiterbahnen mit einer einzelnen Heißkanaldüse elektrische Kontaktierung metallischer Kontaktpins oder LEDs integrierte Batterieaufnahme zum Betrieb der Leuchte nacharbeitungsfreie Fertigung in automatisierter Fertigungszelle Integrierbarkeit der Anlagentechnik in eine konventionelle Spritzgießmaschine

4 Projektpartner Verfahrensentwicklung/ Gesamtprojekt: INSTITUT FÜR KUNSTSTOFFVERARBEITUNG IN INDUSTRIE UND HANDWERK AN DER RWTH AACHEN Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) Das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen ist mit mehr als 300 Mitarbeitern europaweit das größte Forschungs- und Ausbildungsinstitut auf dem Gebiet der Kunststofftechnik. Zentrale Forschungsaktivitäten sind die Verarbeitung, Werkstofftechnik und Bauteilauslegung von Kunststoffen und Kautschuken. Das IKV ist in Industrie und Forschung eng vernetzt. Vier Fachabteilungen, darunter eine für das Spritzgießen von Kunststoffen gehören zum Institut. Die Projekte und Projektpartner im Bereich Spritzgießen profitieren von einer außergewöhnlich langen Tradition und einem riesigen Erfahrungsschatz. Bereits seit der Gründung des Instituts im Jahre 1950 bildet das Spritzgießen einen Schwerpunkt der Aktivitäten des IKV. In den rund zwanzig Arbeitsgruppen der Abteilung Spritzgießen stehen heute neben Entwicklungen im Bereich der Werkzeug- und Verfahrenstechnik Schlüssel- und Zukunftstechnologien wie die Optik, die Hybridtechnik, die Nanound Mikrotechnik sowie die Medizintechnik im Fokus. Heute trägt eine Fördervereinigung mit mehr als 230 internationalen und nationalen Unternehmen und Institutionen aus der K-Branche das IKV. Leiter des Instituts und Inhaber des Lehrstuhls für Kunststoffverarbeitung der RWTH Aachen ist Prof. Dr.-Ing. Christian Hopmann.

5 Projektpartner Werkzeugtechnik und Metallaggregat Krallmann Gruppe Die Krallmann Gruppe bietet als Qualitäts- und Technologieführer Lösungen für die gesamte Prozesskette im Kunststoffspritzguss. Im Dialog mit seinen Kunden realisiert Krallmann wirtschaftliche Komplettlösungen und ist Partner in allen Fertigungsstufen: Beratung & Produktdesign Konstruktion und Werkzeugbau Automatisierung und Optimierung von Fertigungsprozessen Einfahren von Vorserien im Krallmann-Technikum Musterung und Produktion in der eigenen Spritzguss-Fertigung Krallmann verfügt wie kaum ein anderes Unternehmen über ein integriertes Erfahrungsspektrum im Werkzeugbau und fertigungstechnisch optimierten Kunststoffspritzguss. Krallmann produziert für die Automobilindustrie hochkomplexe Spezialwerkzeuge und Kunststoffhybridteile. Unternehmen der Medizintechnik beziehen anspruchsvolle Einlegeteile und Formen. Die Lebensmittel- und Kosmetikbranche verlässt sich auf hochkavitätige Schnellläufer-Werkzeuge mit kurzen Zykluszeiten und lässt Komponenten direkt bei Krallmann fertigen. Spritzgießmaschine und Industrieroboter KraussMaffei Technologies GmbH KraussMaffei zählt zu den weltweit führenden Herstellern für Kunststoffmaschinen und bietet als einziges Unternehmen drei wesentliche Maschinentechnologien für die Kunststoff und Gummi produzierende und verarbeitende Industrie an. Als Technologiepartner verknüpft das Unternehmen gezieltes Prozess- Know-how in den Verarbeitungsverfahren mit innovativer Maschinentechnik zu spezialisierten und integrierten Komplettlösungen. Unter dem Dach der KraussMaffei Gruppe sind die Marken Krauss- Maffei, KraussMaffei Berstorff und Netstal zusammengefasst. Das Spektrum der Spritzgieß- und der Reaktionstechnik deckt die Marke Krauss- Maffei ab, Lösungen in der Extrusionstechnik werden durch KraussMaffei Berstorff vertreten. Das Schweizer Tochterunternehmen Netstal hat sich als Premiumanbieter für hochpräzise Spritzgießmaschinen etabliert. Im Rahmen der Umsetzung des Integrierten Metall-Kunststoff- Spritzgießens haben die Partner KraussMaffei und Krallmann in enger Zusammenarbeit mit dem IKV eine Zweikomponenten-Spritzgießmaschine sowie die hybride Werkzeugtechnik zur Herstellung der LED-Leuchte auf die Bedürfnisse der spezifischen Prozesstechnik optimiert und die Automatisierung des Prozesses hin zu einer vollautomatischen Fertigungszelle umgesetzt.

6 Kontakt/weitere Infos Gerne setzen wir gemeinsam mit Ihnen Ihre Ideen zum Integrierten Metall-Kunststoff-Spritzgießen in einer konkreten Serienanwendung um. Wir freuen uns darauf. Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen Leiter Abteilung Spritzgießen / PUR-Technologie Dipl.-Ing. Andreas Neuß Pontstr. 49, Aachen Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0) neuss@ikv.rwth-aachen.de Krallmann Gruppe Krallmann Kunststoffverarbeitung GmbH Projektkoordination Michael Ganske Siemensstr. 24, Hiddenhausen Tel.: +49(0) Fax.: +49(0) m.ganske@krallmann.de KraussMaffei Technologies GmbH KraussMaffei Technologies GmbH Technologiemanager Multinject/SpinForm/TwinForm/MuCell Andreas Handschke Krauss-Maffei-Straße 2, München Tel.: + 49 (0) Fax: + 49 (0) andreas.handschke@kraussmaffei.com Projektrahmen Das hier vorgestellte IMKS Integriertes Metall-Kunststoff-Spritzgießen ist im Rahmen des Exzellenzclusters Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer der RWTH Aachen entwickelt worden. Das Projekt wird durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Weitere Informationen: