de.wedoany.com-Bericht: Das Institut für Werkstofftechnik (IfW) der Universität Kassel hat eine automatisierte Produktionszelle für die beidseitige Spritzpräge-Umspritzung von Funktionsfolien entwickelt, die eine skalierbare Produktion mit kurzen Zykluszeiten ermöglicht. Durch das Spritzprägen können die auf die Folieneinleger wirkenden Druckbelastungen deutlich reduziert und Eigenspannungen minimiert werden, wodurch empfindliche Funktionsfolien wie elektrochrome Multischichtsysteme (ECD) in dreidimensional geformte Bauteile integriert werden können. Das Verfahren eignet sich auch für Funktionselemente wie kapazitive Sensoren, OLEDs und gedruckte Leiterbahnen.
Die Forscher beschichten flexible Polycarbonat(PC)-Folien mit ECD-Schichten, wodurch diese dreidimensional verformbar werden und sich für auf Knopfdruck abdunkelnde Helmvisiere oder Brillengläser eignen. Um das Schichtsystem in ein dreidimensionales Bauteil zu integrieren, wird das ECD beidseitig mit PC umspritzt. Die Produktionszelle integriert einen Sechs-Achs-Roboterarm (Typ: KR 16; Hersteller: KUKA), der die Funktionsfolie mittels Greifer aufnimmt und in ein Spritzprägewerkzeug mit 1+1-Kavitätenstruktur einlegt. Das Werkzeug wurde in Zusammenarbeit mit der Polar-Form Werkzeugbau GmbH entwickelt. Die Umspritzung der Folieneinleger erfolgt auf einer Zweikomponenten-Spritzgießmaschine (Typ: Allrounder 470 S; Hersteller: Arburg). Bei diesem Verfahren ist die Werkzeugkavität während der Schmelzeeinspritzung größer als das endgültige Bauteil, und der Nachdruck wird durch die Kompressionsfunktion des Werkzeugs gleichmäßig verteilt.
Im optischen Qualitätsvergleich zeigen spritzgegossene Bauteile in Angussnähe Bereiche mit stärkerer Lichtbrechung, die unter polarisiertem Licht Eigenspannungen oder Molekülorientierungen sichtbar machen. Das Spritzprägen hingegen kommt ohne Nachdruckphase aus und ermöglicht eine gleichmäßige Druckbeaufschlagung, wodurch Eigenspannungen minimiert werden. Die Messdaten zeigen, dass der Spitzenwert des Kavitätsinnendrucks beim Spritzgießen bei 301 bar liegt, beim Spritzprägen hingegen nur bei 88 bar, zudem sind die Verarbeitungstemperaturen niedriger. Dies ist für das temperatur- und druckempfindliche elektrochrome System von entscheidender Bedeutung.
Um das Spritzprägen zu adaptieren, passte das IfW-Team den ECD-Schichtaufbau an. Die ursprünglich verwendete leitfähige Elektrodenschicht aus Indiumzinnoxid (ITO) wies eine hohe Sprödigkeit auf und verursachte bei einer Schichtdicke von 280 µm aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnung bereits bei 35 °C Mikrorisse, die den Transmissionsgradunterschied beeinträchtigten. Die Forscher ersetzten ITO durch eine leitfähige organische PEDOT:PSS-Variante. Dieses Material weist zwar eine etwas geringere elektrische Leitfähigkeit und Transmission auf, hält jedoch den thermomechanischen Anforderungen stand und zeigt nach der Umspritzung keine Risse, wobei die Farbwechselqualität dem unbelasteten Zustand entspricht. Bei einer Spannung von 1 V wird im Hellzustand eine Transmission von 62 % erreicht, bei -2,5 V im Dunkelzustand 46 %, bei einer aktiven Fläche von 145 cm².
Die Forscher betonen, dass sich das Spritzprägen besonders für dünnwandige, transparente Anwendungen eignet und für die Verarbeitung empfindlicher Funktionsfolien geeignet ist. Neben ECDs kann es auch für Displays, kapazitive Sensoren, LEDs, OLEDs, Leiterplatten-Leiterbahnen und piezoelektrische Sensoren eingesetzt werden. Entscheidender Faktor ist, dass die thermischen Ausdehnungsunterschiede zwischen Substrat und Funktionsschicht sowie die Biegedehnung unterhalb der Rissinitiierungsdehnung der rissanfälligsten Schicht gehalten werden müssen. Darüber hinaus beteiligt sich das IfW an einem Projekt der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), das den Einfluss der beidseitigen Umspritzung und Verkapselung auf die Degradation der Schaltleistung von ECDs im Gebrauch untersucht.
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