Füllvorgang von mikrostrukturierten Spritzgießwerkzeugen und Vorhersage zur Strukturabformung

Mikrostrukturierte Kunststoffformteile werden für optische Anwendungen im Bereich des Lichtmanagements, für Plagiatschutz, zur Fluidmischung und -leitung in Labs-on-a-Chip und im Tissue Engineering verwendet. Für viele Anwendungen ist eine genaue Reproduzierung von definierten Geometrien notwendig. Dies stellt Entwickler und Produzenten von mikrostrukturierten Formteilen insbesondere im Spritzgießprozess vor Herausforderungen. Die in Kunststoff replizierten Strukturen entsprechen meist nicht den als Negativ in die Oberfläche des Spritzgießwerkzeugs eingebrachten Strukturen. Dies weckt den Wunsch nach einer Simulation des Abformprozesses bzw. nach der Vorhersage der abformbaren Strukturhöhen. Zu diesem Zweck werden Untersuchungen an mikrostrukturierten Formteilen durchgeführt, die für die Abformung relevanten Effekte identifiziert und die Wechselwirkung zwischen werkzeugseitiger Oberflächenstrukturierung, Abformung und Kavitätsfüllung betrachtet. Zur Vorhersage der Strukturabformung wird eine integrative Methode vorgestellt: Mittels einer kommerziell erhältlichen Simulationssoftware wird eine Füllsimulation der unstrukturierten Kavität durchgeführt. Als Ergebnis sind die simulierten Schmelzeeigenschaften vor dem Eintritt in die Mikrohohlräume bekannt und berücksichtigen die Einflüsse der Werkzeuggeometrie und des Materialverhaltens. Dazu wird ein physikalisches Modell für eine Kegel- und eine Linienstruktur hergeleitet, das den für die Strukturabformung notwendigen Schmelzedruck beschreibt. Mit der Definition des Abformpotenzials wird eine dimensionslose Kenngröße eingeführt, die die Fähigkeit von Kunststoffschmelze quantifiziert, Mikrostrukturen abzuformen. Eine Betrachtung der Auswirkung von mikrostrukturierten Werkzeugoberflächen liefert die Erkenntnis eines stark ausgeprägten und signifikanten Effekts der Struktur auf die Kavitätsfüllung. Bei einer geeigneten Wahl von Schmelzeviskosität und Strukturflächendichte kann eine deutliche Fließwegverlängerung sowie eine Reduzierung des Druckverlusts erreicht werden. Dies ist auf die Abhängigkeit der Kontaktfläche zwischen Schmelze und Werkzeug von der strukturierten Fläche und der Fließfähigkeit der Schmelze zurückzuführen. Das Wissen darüber, wie Mikrostrukturen die erreichbaren Fließweglängen, Druckverluste und Schmelzetemperaturen beeinflussen, kann in der Praxis genutzt werden, um bei gleicher Maschinentechnik längere Fließwege im Vergleich zu unstrukturierten Kavitäten zu erreichen.