Prozesstechnik (IPIM)

KUNSTSTOFF-BAUTEILE
MIT INTEGRIERTER
ZUSTANDSÜBERWACHUNG
Institut für Polymer Spritzgießtechnik und Prozessautomatisierung
Institut für Elektrische Messtechnik
Einleitung
In vielen Bereich des alltäglichen Lebens werden Metalle durch faserverstärkte Kunststoff-Bauteile substituiert. Speziell in der
Automobilindustrie trägt dies zu teils erheblichen Gewichtsreduktionen einzelner Bauteile und somit zu einer Veringerung des
Fahrzeuggesamtgewichts bei. In der Folge kann der Treibstoffverbrauch gesenkt und immer restriktivere Abgasnormen
eingehalten werden.
Werden sicherheitsrelevante metallische Strukturen (z.B. ein Bremspedal) durch Kunststoffbauteile ersetzt, kann es sinnvoll
sein, die auf das Bauteil wirkenden Belastungen zu überwachen. Diese Arbeit zeigt eine sehr einfache und kostengünstige
Variante eines solchen Systems sowie die Bauteilherstellung im Spritzgießverfahren.
Messtechnik (EMT)
Prozesstechnik (IPIM)
Die Verwendung funktionaler Tinten – bestehend aus z.B.
leitfähigen Nanopartikeln (Silber, Gold, Carbon Black,
PEDOT:PSS) in H2O gelöst – in einem Piezo- oder
Bubble-Jet Drucker ermöglichen die Herstellung von lowcost Sensoren und Aktoren.
Gedruckt wird mit einem kommerziell erhältlichen Drucker
auf Fotopapier. Gedruckte Ag-N (Silbernano-Partikel)
Schichten weisen ähnliche elektrische und mechanische
Eigenschaften wie ein Festkörper bestehend aus Silber
auf.
Die mit dem links beschriebenen Verfahren bedruckte Folie
wird in das Spritzgießwerkzeug eingelegt und über Vakuum
im Formnest gehalten. Während der Füllphase des
Spritzgießprozesses wird die Folie mit dem Dehnungsmesssteifen (DMS mit einer geeigneten Polymerschmelze
hinterspritzt. Handelsübliches Fotopapier weist eine
Polyethylen (PE) Schutzschicht auf, wodurch beim Hinterspritzen mit PE eine gute Haftung zwischen Fotopapier und
Bauteil entsteht.
Fotopapier
Schmelzestrom
Leiterbahnen
Abbildung 1.: Gedruckte Nanopartikel
Piezo-Jet gedruckte leitfähige Silberschicht
Abbildung 3.: Schmelzestrom beim
Hinterspritzen der Folie im Formnest
Zur Messung mechanischer Kräfte kommen Dehnungsmesstreifen zum Einsatz – leitfähige Materialien ändern
den elektrischen Widerstand bei Dehnung oder Stauchung
nach ∆𝑅/𝑅0 = 𝐾 ∙ 𝜀 = 𝐾 ∙ ∆𝑙/𝑙0 , obwohl die Änderung ∆𝑅
sehr klein ist kann diese mit einer elektronischen
Schaltung gut ausgewertet werden.
1.2
Linearer Bereich
Ausgleichsgerade (K = 3.004)
1
 R/R0 in ‰
0.8
Formnest
Bei Verwendung geeigneter Haftvermittler können aber
auch andere Polymertypen zum Hinterspritzen der Folie
verwendet werden.
Nach dem Erstarren der Schmelze in der Kavität wird das
Bauteil entformt, die mit dem DMS bedruckte Folie ist nun
fest mit dem Bauteil verbunden.
Bei einer Biegebelastung des Bauteils ändert sich die Länge
der Leiterbahn und somit der Wiederstand der leitfähigen
Struktur.
0.6
F
0.4
DMS
t
0.2
F0
-0.2
0
50
100
150
200
Dehnung =  l/l0 in ppm
250
300
F+
350
Abbildung 2.: links: Dehnungsmessstreifen mit Elektronik, rechts: Widerstandsänderung in Abhängigkeit der Dehnung
R
t
Abbildung 4.: Wiederstandänderung bei wechselnder Biegebeanspruchung
Adressee:
Ergebnisse
Institute für Polymer-Spritzgießtechnik und Prozessautomatisierung
Johannes Kepler Universität Linz
69
könnenAltenberger
mit derStraße
dargestellten
Methode sehr rasch und
4040 LINZ, Austria
Durch Einsatz handelsüblicher Drucker und Fotopapier
Kunststoffbauteile mit „Health Monitoring“ Funktionen versehen werden.
Klaus Straka, Thomas Mitterlehner, Georg Steinbichler, JKU / IPIM, Altenberger Straße 69, 4040 Linz, Austria
Christoph Beisteiner, Bernhard Zagar, JKU / EMT, Altenberger Straße 69, 4040 Linz, Austria
kostengünstig
www.jku.at/ipim
www.jku.at/emt