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Reibprägen thermoplastischer Mikrostrukturen = Friction embossing of thermoplastic microstructures
2021
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-08-11
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-09034
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/828230/files/828230.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Reibprägen (frei) ; thermoplastische Mikrostrukturen (frei) ; Ultraschallheißprägen (frei) ; friction welding (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
In der vorliegenden Arbeit wird ein neues Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturen aus thermoplastischen Polymeren vorgestellt: das Reibprägen. Das Reibprägen hat Berührungspunkte mit den Verfahren Reibschweißen, Ultraschallheißprägen und Heißprägen ohne Ultraschall. Für das Reibprägen erreicht man ähnlich kurze Zykluszeiten wie beim Reibschweißen und Ultraschallheißprägen, kann aber auf größeren Oberflächen Mikrostrukturen mit gleichmäßigeren Eigenschaften herstellen. Der erste Teil der Arbeit umfasst Messungen der Wärmeverteilung beim Ultraschallprozess. Die Wärmeentwicklung sowie Kraftverteilung auf der Oberfläche von Polymerproben unter der Sonotrode einer Ultraschallschweißmaschine wurden mithilfe von pyro- und piezoelektrischen Polyvinylidenfluorid(PVDF)-Sensoren gemessen. Dabei wurden die PVDF-Sensoren sorgfältig charakterisiert, um die gemessene elektrische Messspannung aufgrund von Druck, Dehnung, Scherung und Temperaturänderung unterscheiden zu können. Die Untersuchungen zeigen, dass die Wärmeverteilung beim Ultraschallschweißen wegen der ungleichmäßigen Verteilung des Schweißdrucks ungleichmäßig verteilt ist. Um die Ultraschallprozesse zur Herstellung von Mikrostrukturen zu optimieren, wurde der Einfluss des Vorheizens des Werkzeugs analysiert. Es zeigte sich, dass sich mit steigender Vorheiztemperatur der Unterschied der Prägetiefe auf der Schweißoberfläche verringert. Ähnliche Messungen wurden auf einer Linearreibschweißmaschine und einer Zirkularreibschweißmaschine zur Messung von Scherspannung und Wärmeverteilung beim Reibschweißen durchgeführt. Das Messergebnis zeigt eine deutlich gleichmäßigere Wärmeverteilung beim Reibschweißen. Darüber hinaus wurden mittels PVDF-Sensoren die Zeit des pneumatischen Druckanstiegs, die Schubspannung, die durch Reibungswärme erzeugte Temperatur, die Abkühlzeiten, der Kontaktstoß, die Beschleunigungs- und Stoppzeiten der Schwingungen, die Vibrations- oder Rotationsfrequenz sowie die Rückzugszeit und -kraft der Linear- und Zirkularreibschweißmaschine gemessen. Danach wurde die Herstellung von thermoplastischen Mikrostrukturen durch Reibprägen untersucht. Die Formfüllung durch das neue Verfahren wurde durch vielfältige Gestaltungsvarianten bzw. Vorheizen des Werkzeugs optimiert. Durch Reibprägen mit einer Zirkularreibschweißmaschine wurden thermoplastische Mikrostrukturen in einem Arbeitsgang auf einer Oberfläche von 20 × 20 cm² hergestellt. Außerdem wurde ein Anwendungsbeispiel des Reibschweißprozesses untersucht und dargestellt. Im letzten Teil dieser Arbeit wurden Heißprägen mit und ohne Ultraschall, hinsichtlich der Formfüllung, Schrumpfung, Investitionskosten und Fertigungskosten mit dem Reibprägen verglichen.This paper presents a new process for the production of microstructures from thermoplastic polymers: friction embossing. Friction embossing has points of contact with the processes of friction welding, ultrasonic hot embossing and hot embossing without ultrasound. For friction embossing, similarly short cycle times as for friction welding and ultrasonic hot embossing can be achieved, but it can produce microstructures with more evenly properties on larger surfaces. The first part of the thesis comprises measurements of the heat distribution during the ultrasonic process. The heat generation and force distribution on the surface of polymer samples under the sonotrode of an ultrasonic welding machine were measured using pyro- and piezoelectric polyvinylidene fluoride (PVDF) sensors. The PVDF sensors were carefully characterized to distinguish the measured electrical voltage due to pressure, stretching, shear stress and temperature changes. The studies show that the heat distribution in ultrasonic welding is uneven due to the unevenly distribution of the amplitude of the ultrasonic vibrations of the sonotrode. In order to optimize ultrasonic processes for the production of microstructures, the influence of preheating the mold was analyzed. It was found that as the preheating temperature increases, the difference in embossing depth on the weld surface decreases. Similar measurements were performed to measure shear stress, temperature generated by friction heat, cooling times, contact stroke, vibration acceleration, stop times, vibration or rotation frequency, pullback time and pullback force of the linear and circular friction welding machine. In the second part of the thesis, the production of thermoplastic microstructures by friction embossing was investigated. Mold filling by the new process was optimized by a variety of tool designs or preheating of the mold. By friction embossing with a circular friction welding machine, thermoplastic microstructures were produced in one operation on a surface of 20 × 20 cm2. In addition, one application example of the friction welding process was investigated and presented. In the final part of this thesis, hot embossing with and without ultrasound are compared with friction embossing in terms of mold filling, shrinkage, investment costs and manufacturing costs.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
German
Externe Identnummern
HBZ: HT021085511
Interne Identnummern
RWTH-2021-09034
Datensatz-ID: 828230
Beteiligte Länder
Germany
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