Intelligentere Kunststoffbauteile durch RFID-Technologie

Die Vernetzung in der Fertigung gewinnt zunehmend an Bedeutung und verleiht Technologien, mit denen produzierte Teile zurückverfolgt und einem Produkt zusätzliche Informationen zugewiesen werden können, ein enormes wirtschaftliches und technologisches Interesse. Die Nutzung der RFID-Technologie ermöglicht dies und befindet sich deshalb im Fokus vieler Anwender. Aktuell werden die RFID-Transponder zumeist noch manuell oder halbautomatisch auf die Produkte aufgebracht oder in mehrstufigen Prozessen in das Erzeugnis integriert. Dadurch steigen die Herstellungskosten der Produkte um ein Maß, welches den Einsatz der Technik in niedrig-preisigen Massenartikeln uninteressant macht. Die gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH hat zusammen mit sechs Partnern eine automatisierbare Technik zur Integration von RFID-Tags in Kunststoffbauteile entwickelt und erprobt.


Bild 1 Auswahl aus den im Projekt genutzten RFID-Tags im Vergleich zu einer 1-Eurocent-Münze; für die detaillierteren Spritzgussversuche wurden der NF-Tag (1. von links) und der HF-Tag (vierter von links) genutzt.

Bild 1
Auswahl aus den im Projekt genutzten RFID-Tags im Vergleich zu einer 1-Eurocent-Münze; für die detaillierteren Spritzgussversuche wurden der NF-Tag (1. von links) und der HF-Tag (vierter von links) genutzt.

Zur Auslegung von Form und Beschaffenheit der RFID-Tags wurden diese in Vorversuchen mittels Heißpresse, Duroplastpresse und Spritzgussmaschine hohen Temperaturen und Drücken ausgesetzt. Dabei stellte sich heraus, dass die Tags Temperaturen von 240 °C über einen Zeitraum von 60 s mühelos widerstehen und erst ein Anschmelzen des Backlackes um den Spulendraht zum Kurzschluss in der Spule führt. Auch die während des Spritzgießprozesses wirkenden Drücke stellen keinen limitierenden Faktor dar, so lange keine punktuellen Lasten auf den Tag wirken. Die Auslesereichweite der Tags wird durch die Integration in die Kunststoffschmelze nicht beeinflusst. Für die darauffolgenden Spritzgussversuche wurden die Tags im Verlauf des Projekts iterativ hinsichtlich Stabilität, Größe und Funktion an die Bedingungen im Spritzgussprozess angepasst. Zunächst kamen filigrane NFC-Tags (HF) und etwas kleinere RFID-Tags (NF) mit stabilerer Spule zum Einsatz (Bild 1).

Demonstratorwerkzeug ermöglicht gezielte Untersuchungen

Das eigens für das Projekt angefertigte Demonstratorwerkzeug wurde mit fixierender und schützender Werkzeugtechnik in Form einer hydraulisch verfahrbaren Hülse sowie mit einer an die Anforderungen im Thermoplast- und Duroplast-Spritzguss angepassten Temperierung und variablem Anschnitt ausgestattet. Die Musterungen wurden mit den Materialien PE-HD (Hostalen GD 4744), PP (Purell HP 570 R natur), PBT GF 30 (Celanex 2300 GV/30) und PPS GF 40 (Fortron 1140 L4) sowie mit BMC- und EP-Materialien durchgeführt, um ein breites, die spätere Anwendung im Projekt repräsentierendes Spektrum abzudecken und die Tags unterschiedlichen Belastungen (Temperatur/ Druck) auszusetzen.

Die Erfahrungen aus den Versuchen mit den thermoplastischen Materialien wurden anschließend auf den Duroplast- Spritzguss übertragen.
Für die Musterungen wurde die Spritzgussmaschine (Arburg 370S 500–100 mit 500 kN Schließkraft) vertikal gestellt, um das händische Einlegen der RFID-Tags in die Kavität zu vereinfachen. Zunächst sind die Tags innerhalb der Hülse platziert und eine Serie von Bauteilen unter gleichen Bedingungen gespritzt worden. Dabei musste bei jedem Material der Zeitpunkt zum Ziehen der Hülse ermittelt werden, sodass die Kavität noch vollständig gefüllt werden konnte, der Tag jedoch auf der Einlegeposition verblieb. Die filigranen HF-Tags wurden zwar durch die Kunststoffschmelze, unabhängig vom Material, deformiert, was jedoch nicht zwangsläufig zum Versagen der Tags führte. Erst wenn ein Bruch im Spulen- oder Bonddraht auftrat, konnten die Tags nicht mehr ausgelesen werden.

Bild 2 Auswerferseite der Werkzeugkavität mit C-Profil; Bauteil mit RFID-Tag, welches ohne (zweites Bild von links) und mit (drittes Bild von links) gespritzt wurde. Die Vergrößerung zeigt die exakte Platzierung des RFID-Tags im Bauteil durch das C-Profil.

Bild 2
Auswerferseite der Werkzeugkavität mit C-Profil; Bauteil mit RFID-Tag, welches ohne (zweites Bild von links) und mit (drittes Bild von links) gespritzt wurde. Die Vergrößerung zeigt die exakte Platzierung des RFID-Tags im Bauteil durch das C-Profil.

Die NF-RFID-Tags wiesen aufgrund der dickeren Spule eine höhere Stabilität auf und zeigten nur bei der Musterung mit PPS eine Deformation. Zudem stellte sich heraus, dass die hydraulisch fahrbare Hülse die Tags zwar vor der einströmenden Schmelze schützt, diese jedoch nicht zufriedenstellend auf der gewünschten Position halten kann (Bild 2, zweites Bild von links).

Fixierung durch ein C-Profil

Tabelle Vergleich des Anteils funktionsfähiger NF-RFID-Tags nach der Integration in das Kunststoffbauteil in Abhängigkeit vom Kunststoffmaterial, der Einlegeposition und der Stabilisierung durch den 2-Komponenten-Kleber (Werte sind als Tendenz zu sehen).

Tabelle
Vergleich des Anteils funktionsfähiger NF-RFID-Tags nach der Integration in das Kunststoffbauteil in Abhängigkeit vom Kunststoffmaterial, der Einlegeposition und der Stabilisierung durch den 2-Komponenten-Kleber (Werte sind als Tendenz zu sehen).

Aus diesem Grund wurde auf den Stift innerhalb der Hülse ein C-Profil aufgebracht, der den Tag in der Kavität hält und stabilisiert. Die NF-RFID-Tags konnten mit diesem Profil exakt auf Position gehalten werden (Bild 2, rechtes Bild), die HF-Tags waren für das Profil zu groß. Es ist jeweils eine Serie von Bauteilen mit den vier Materialien hergestellt worden. Dabei wurden die Tags immer mit den Bonddrähten zur Auswerferseite (AS) und dem Chip in der Öffnung des C-Profils eingelegt. Obwohl die Kunststoffbauteile mit integriertem Tag visuell betrachtet einwandfrei erschienen, entstand ein erheblicher Ausschuss in Abhängigkeit vom verwendeten Kunststoffmaterial. Die Ausfallquote konnte jedoch durch das Einlegen der Tags mit den Bonddrähten zur Düsenseite (DS) deutlich gesenkt werden (Tabelle).

Durch die veränderte Einlegposition veränderte sich bei Verwendung des PBT-Materials auch die Position des Tags im Bauteil. Lag der Tag beim Einlegen mit den Bonddrähten zur AS auf der Oberseite des Bauteils, liegt er beim Einlegen mit den Bonddrähten zur DS an der inneren Wand des Bauteils.
Da die sehr dünnen Bonddrähte eine Schwachstelle des Tags im Spritzgussprozess darstellen, wurden diese mit 2-Komponentenkleber stabilisiert. Weitere Musterungen mit den verklebten Tags wurden mit PE-HD und PBT, den Materialien, bei denen der größte Ausschluss anfiel, durchgeführt. Als Tendenz wurde deutlich, dass durch die Verklebung deutlich weniger Tags während des Spritzgussprozesses Schaden nahmen und die Einlegeposition (wenn überhaupt) nur noch einen geringen Einfluss hatte (Tabelle). Die Integration der Tags in PPS-Material war auch mit dem C-Profil nicht möglich. Die Spulen wurden sehr stark deformiert und die integrierten Tags waren nicht mehr auslesbar.

Entwicklung eines Trägermoduls

Bildartikel zu Bild 3_IWB_KINW.jpg

Bild 3
PPS Bauteil mit integriertem HF-RFID-Tag: links ohne Trägermodul, mit der auf das Trägermodul aufgewickelten Spule (oben links) konnte der Tag stabili
siert und unter Funktions
erhalt in das Bauteil integriert werden (rechts; Vorder- und Rückseite des Bauteils).

Daraufhin wurde ein Trägermodul entwickelt, durch das die NF- und HF-RFID-Tags in ihrer Form stabilisiert werden und welches die Positionierung der Tags im Werkzeug verbessert, sodass die Tags unter Funktionserhalt in die verwendeten Materialien integriert werden können. Dabei wird der Tag entweder in der Mitte des Trägermoduls fixiert oder die Spule auf das Trägermodul gewickelt, der Chip dann angebondet und auf dem Modul fixiert (Bild 3, oben links). Das Modul vereinfacht zudem die Automation und das Handling der Tags, da diese, je nach Konstruktion, vollautomatisch hergestellt und auch vollautomatisiert in das Spritzgießwerkzeug eingelegt werden könnten und eine entsprechend höhere Stabilität aufweisen. Für die Fertigung des Trägermoduls wurde ein weiteres Werkzeug hergestellt und die Bauteile aus ABS gespritzt. Im Anschluss fand die Nachbearbeitung der Trägermodule sowie die Verbindung der Tags mit dem Modul statt.
Für die Musterungen mit dem Trägermodul, die mit den vier ausgewählten thermoplastischen Materialien durchgeführt wurden, musste das C-Profil aus der Kavität entfernt werden. Für Vorabtests wurden 3-D-gedruckte Trägermodule verwendet, die sehr gut in die Bauteile integriert werden konnten, jedoch durch die hohen Temperaturen bei der PPS Verarbeitung splitterten. Die gespritzten Trägermodule jedoch konnten in alle vier thermoplastischen Materialien sehr gut integriert werden. Im Gegensatz zu den Tags ohne Trägermodul wurden die RFID-Tags mit Trägermodul sogar besser in das Kunststoffbauteil eingekapselt. Es gelang sogar die filigranen HF-RFID-Tags ohne Deformation und funktionstüchtig in die Bauteile aus PPS zu integrieren (Bild 3). Eine vollkommene Umspritzung der Tags war jedoch im Rahmen der Projektlaufzeit nicht mehr möglich.

Durch Resonanzfrequenzmessungen sowie Untersuchungen der Bauteile mittels Lichtmikroskopie und Computertomographie konnte als Versagensursache bei den in den verschiedenen Musterungen verwendeten Tags ein Bruch im Spulendraht ermittelt werden. Dieser muss also für die Integration der RFID-Tags in spritzgegossene Bauteile aus thermoplastischem Material zwingend stabilisiert werden.

Integration in duroplastische Bauteile

Bei der Integration der RFID-Tags in Bauteile aus duroplastischem Material, welche ebenfalls gespritzt wurden, arbeitete man mit einem horizontal öffnenden Werkzeug. Durch die höheren Werkzeugwandtemperaturen und die geringeren Einspritzdrücke wurden die Tags hier anderen Belastungen als im Thermoplastspritzguss ausgesetzt. Die Tags wurden ohne Trägermodul eingelegt und mit dem C-Profil in der Kavität fixiert. Mit einem BMC-Material konnten die NF-Tags unabhängig von der Einlegposition, prozesssicher und unter 100 % Funktionserhalt in die Bauteile integriert und dabei teilweise komplett eingekapselt werden. Die bei EP-Material notwendige, höhere Werkzeugwandtemperatur von 180 °C sorgte für ein Anschmelzen des Backlackes um den Spulendraht und damit zur Destabilisierung des Tags. In Abhängigkeit von der Einlegeposition (Bonddrähte zur DS oder AS) konnte eine Ausfallquote von 25 % beziehungsweise 40 % ermittelt werden. Durch Besprühen der Tags mit einem Hochtemperaturlack, der keinen Einfluss auf die Funktionsfähigkeit hatte, gelang eine Erhöhung der Tag-Stabilität sowie die Steigerung der Funktionsfähigkeit nach Integration ins Bauteil auf 100 %.

Fazit

Die RFID-Technologie bietet die Möglichkeit Kunststoffbauteile mit einer zusätzlichen Funktion auszustatten, sie innerhalb der Wertschöpfungskette nachzuverfolgen und mit einem Echtheitsmerkmal zu versehen. Die automatisierte Integration der Tags in Spritzgussteile ist möglich, wenn die RFID-Tags sowie das genutzte Werkzeug entsprechend ausgelegt sind. Der Chip und der Spulen-/Bonddraht müssen stabilisiert und im Falle des Duroplastspritzgusses gegen die hohen Werkzeugtemperaturen geschützt werden. Dazu sind Hochtemperaturlack und Trägermodul dienliche und erprobte Möglichkeiten. Durch die Automatisierung der Prozesskette – von der Herstellung der RFID-Tags über die Bereitstellung in Trays oder Magazinen und der automatisierten Zuführung in die Kavität – wird die Nutzung der Technik auch für Massenprodukte attraktiv. Eine Fortsetzung der Untersuchungen zur RFID-Tag-Integration in Kunststoffbauteile ist geplant.

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Kontakt:
Gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH
Mathildenstraße 22
58507 Lüdenscheid  
www.kunststoff-institut.de

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Danke
Wir danken den Projektpartnern (Fachhochschule Südwestfalen, IMS Gear GmbH, Meding GmbH, hr electronic GmbH, Formen- und Werkzeugbau Stedry GmbH, ISK Iserlohner Kunststofftechnologie GmbH) für die Zusammenarbeit.
Das Projekt wurde im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages.