Lubomír Zeman: Spritzgießen von Kunststoffen und Oberflächenqualität, 4. Teil

Oberflächenveredelungen von Kunststoffprodukten

Bisher haben wir über Oberflächenveredelungen gesprochen, die in der Technologie des Thermoplast-Spritzgießens verwendet werden – das Erzeugen der Oberflächengüte an den Formteilen des Spritzgießwerkzeugs und deren negative Übertragung auf die Sichtoberfläche des Spritzteils. In diesem Kapitel erwähne ich kurz andere Technologien, mit deren Hilfe Glanz und Narbungen direkt auf der Oberfläche von Thermoplastteilen erzeugt und natürlich das Ergebnis, zum Beispiel Glanz oder Rauheit, bewertet werden kann.

Laserpolieren von Kunststoffen

In der Bildgebungstechnik, in Autoscheinwerfern, werden immer häufiger asphärische – nicht kugelförmige – Oberflächen und Freiformflächen verwendet, die mit klassischen Poliertechniken durch Materialabtrag nur schwer zu polieren sind. 

Hier kann eine abtragsfreie, aufschmelzende Laserpoliertechnologie eingesetzt werden. Der Prozess basiert auf der Absorption der CO2-Laserstrahlung in einer dünnen Oberflächenschicht des zu polierenden Teils, wo eine Temperatur knapp unter der Verdampfungstemperatur des Materials erzeugt wird. Infolge dieser Temperatur wird die Viskosität des Materials in der dünnen Oberflächenschicht deutlich reduziert – das Material fließt – und die Oberflächenrauheit wird aufgrund der Oberflächenspannung geglättet – aufgeschmolzen – und eine Verringerung der Mikrorauheit erzielt.

Durch die Auswahl entsprechender Parameter wie Vorwärmtemperatur, Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls und Verteilung seiner Intensität kann der Anwender der Laserpoliertechnologie für Kunststoffe dieses Polieren flexibel für das Polieren praktisch aller Oberflächen einsetzen, auch für Oberflächen in inneren Bohrungen, wenn der Strahl mittels Deflektoren (Ablenkern) an die entsprechende Stelle geführt wird.

Die Poliergeschwindigkeit beträgt bis zu 10 cm2.s-1, was ca. 2-mal schneller ist als beim konventionellen Polieren, so dass vorteilhaft beispielsweise Linsen aus PC poliert werden können.

Mechanisches Narben von Kunststoffen 

Hierbei handelt es sich um das Erzeugen räumlicher Muster auf der Oberfläche von Kunststoffgegenständen. Das Prinzip des mechanischen Narbens besteht im Eindrücken einer beheizten Narbwalze oder eines Stempels in die kalte Oberfläche des Thermoplastgegenstandes.

Das umgekehrte Verfahren besteht darin, dass die Oberfläche des Thermoplastgegenstandes erwärmt wird und ein kaltes Narbwerkzeug hineingedrückt wird.

Eine plastische Oberfläche kann auch auf chemischem Wege erzeugt werden, beispielsweise wird durch Bedrucken mit Aktivatoren zur Zersetzung des jeweiligen Polymers auf der Oberfläche des Teils eine lokale Dickenänderung erzeugt.

Polieren von Kunststoffen 

Polieren ist das Gegenteil von Narben, da es um das Entfernen von Oberflächenunebenheiten geht. Die Oberfläche von Kunststoffteilen kann mechanisch, durch Lösungsmittel oder durch eine Flamme poliert werden – durch kurzes Überflammen mit einer rußfreien, zum Beispiel Wasserstoff-Flamme. 

Metallisieren von Kunststoffen 

Neben dem effektvollen Aussehen wird durch die Metallisierungstechnologie auch eine Verbesserung der physikalisch-mechanischen Eigenschaften erzielt: Die Dehnbarkeit, Schlagzähigkeit, Biegefestigkeit und Verschleißfestigkeit steigen, die Feuchtigkeitsaufnahme und Durchlässigkeit für Flüssigkeiten und Gase verringern sich, die Beständigkeit gegen Lösungsmittel und Öle nimmt zu, die Alterung des Kunststoffs wird begrenzt, die Wärmeformbeständigkeit erhöht sich, die Ummantelung am metallisierten Teil hat den Charakter eines Faradayschen Käfigs und kann daher zur elektrischen oder magnetischen Abschirmung dienen (Faradayscher Käfig = Prinzip, das auf der Erkenntnis beruht, dass sich die elektrische Ladung nur auf der Oberfläche des Leiters konzentriert, nicht in seinem Volumen, d. h. innerhalb des Leiters wirkt kein elektrisches Feld).

Einen entscheidenden Einfluss auf eine erfolgreiche Metallisierung von Kunststoffteilen hat eine geeignete Konstruktion der Teile sowie deren Fertigungstechnologie – entscheidend für die Haftung der Metallschicht am Kunststoff sind die technologischen Parameter seiner Herstellung und die Oberflächenbehandlung vor der Metallisierung.

Zur Metallisierung dient eine ganze Reihe von Verfahren:

• chemische Metallisierung - das Metall wird durch die Wirkung eines Reduktionsmittels, das entweder dauerhaft im Metallisierungsbad enthalten ist oder auf die bearbeitete Oberfläche der Kunststoffteile aufgebracht wird, aus einer Lösung des Metallsalzes auf der Oberfläche der Gegenstände abgeschieden; die Methode ist vorteilhaft für die Metallisierung auch komplexer Produkte mit Kupfer, Nickel, aber auch Silber oder Gold 
• galvanische Metallisierung - das Metall wird durch die Wirkung eines Gleichstroms aus einer Lösung abgeschieden - der Prozess der galvanischen Metallisierung besteht aus mehreren galvanischen Operationen: Aktivierung - Anätzen des thermoplastischen Basismaterials und Einbau kolloidaler Metallpartikel in die Kunststoffoberfläche; auf diesen Partikeln wird die erste Metallschicht in Form von chemischem Nickel erzeugt, einige Verfahren verwenden chemisches Kupfer, das im nächsten Schritt mit einer dünnen Schicht Immersionskupfer (Kupfer, Schwefelsäure, Inhibitoren) versehen wird, wodurch eine einheitliche Metallschicht erzielt wird, auf die weitere Metallschichten bereits auf klassischem elektrolytischem Wege aufgebracht werden - saures Verkupfern, halbglänzendes Vernickeln, glänzendes Vernickeln, satiniertes Vernickeln, eine Schicht aus mikroporösem Nickel und eine finale Schicht aus dekorativem Chrom - Trocknen des metallisierten Teils und Abnahme vom Metallisierungsgehänge; die Dicke der einzelnen Schichten bewegt sich von 0,0001 mm bis ca. 0,025 mm. Von den Thermoplasten sind für die Metallisierung am besten geeignet und am häufigsten verwendet amorphe Kunststoffe - ABS und PC/ABS, in geringerem Maße teilkristallines PA
• Vakuumbedampfung - Aufbringen, Aufdampfen dünner Metallschichten auf die Oberfläche von Kunststoffteilen mittels Vakuumsputterverfahren – Vakuum 10 E-3 Pa bis 1 Pa; üblicherweise werden Cu, Al, Ni und deren Legierungen gesputtert 
• thermisches Spritzen von Metallen - die Metallschmelze wird durch einen Luftstrom auf die Oberfläche des Teils aufgetragen
• eine Metallschicht kann auch aus der Gasphase durch Zersetzung von Dämpfen flüchtiger Metallverbindungen unter Wärmeeinwirkung oder durch thermisches Spritzen von Metallen erzeugt werden, deren Schmelztemperatur niedriger ist als die Zersetzungstemperatur des zu bearbeitenden Kunststoffs

Oberflächenschutz durch Beschichtung mit Kunststoffen oder Kunststoffpulvern

Hierbei wird die Beständigkeit bestimmter Kunststofftypen gegenüber chemischen und witterungsbedingten Einflüssen genutzt.

Der Oberflächenschutz insbesondere von Metallkonstruktionen, Maschinen und Anlagen, Bauwerken und Objekten steht vor allem im Zusammenhang mit Beschichtungsstoffen und deren Verarbeitungstechnologien.

Als Beschichtungsstoffe werden niederviskose Polymerlösungen (lösungsmittelhaltig), Dispersionen (Systeme, in denen Partikel eines Stoffes gleichmäßig in einem anderen Stoff verteilt sind), Pasten oder gegebenenfalls Lösungen von Reaktionsharzen (zweikomponentige Typen), Prepolymere usw. verwendet.
Am häufigsten werden Cellulosederivate, PVC, Acrylpolymere, Styrolpolymere und -copolymere, Polyvinylacetat, Polyurethane sowie Phenolformaldehyd-, Alkylphenol-, Silikon- und Cumaronharze eingesetzt.

Bei schwer löslichen Kunststoffen – PTFE und weitere Fluorpolymere, PVC und dessen Copolymere usw. – werden für die Beschichtung Dispersionen verwendet.

Für Oberflächenveredelungen können auch Kunststoffpulver eingesetzt werden, vor allem Polyolefine, insbesondere PE und Polyamide, am häufigsten PA 11.

Die Kunststoffe werden in Schichtdicken von wenigen zehn Mikrometern bis zu mehreren Millimetern aufgetragen:

• Flammspritzen – das pulverförmige Polymer wird mit einer Spritzpistole aufgetragen; das durch ein Trägergas beförderte Pulver wird in der Pistole in einer Sauerstoff-Acetylen-Flamme angeschmolzen und durch den Abgasstrom auf die erwärmte Oberfläche des zu bearbeitenden Teils geschleudert
• Wirbelsintern im Fließbett – das vorgewärmte Teil wird in eine Schicht aus wirbelndem Polymerpulver getaucht; eine Modifikation dieses Verfahrens ist das Bestreuen des erwärmten Gegenstandes mit Polymerpulver und dessen anschließendes Umwälzen
• Elektrostatisches Pulversprühen – das Polymerpulver wird durch einen Luftstrom aus einer mit Hochspannung – 50 kV bis 90 kV – verbundenen Spritzpistole versprüht; der zweite Pol ist der zu beschichtende Gegenstand
• Eine weitere Möglichkeit ist die Laminierung, die der Herstellung mehrschichtiger Produkte dient – analog zum Kaschieren, bei dem Kunststofffolien auf ein Trägermaterial laminiert werden
• Plattieren – Kunststofffolien werden durch Kleben mit Metallblechen verbunden

Die aufgetragenen Beschichtungen haben neben der Schutzfunktion auch ästhetische Funktionen.

Beflockung

Hierbei handelt es sich um ein technologisches Verfahren, bei dem auf der Oberfläche eines Produkts eine samtartige Struktur erzeugt wird, indem auf das Trägermaterial – Textilien, Papier, Kunststofffolien, Kunststoffhalbzeuge, Kunststoffteile – zunächst eine Schicht Klebstoff (Dispersions- oder Polyurethanklebstoffe) aufgetragen wird und anschließend in einem elektrostatischen Feld Schnittfasern (Baumwolle, Polyamid usw.) aus Kurzfasern auf die so behandelte Oberfläche gestreut werden. Das Sieb (Applikator), durch das die Fasern gestreut werden, bildet einen Pol (Pluspol) und der zu behandelnde Gegenstand ist geerdet. Die Fasern fallen in Richtung der elektrischen Feldlinien, d. h. senkrecht auf die Oberfläche, wo sie in der Klebstoffschicht haften bleiben. Die Fasern – Baumwolle, Viskose, Acetat, Polyamid – können eine Länge von 0,3 mm bis ca. 12 mm aufweisen.

Einfluss ausgewählter Parameter auf die Rauheit – Narbung der Oberfläche

Zu Beginn dieses Kapitels erinnern wir an die Richtwerte für die Oberflächenrauheit von Spritzgießwerkzeugen, die mit ausgewählten Bearbeitungstechnologien erreicht werden können – Tabelle 7.

Tabelle 7: Richtwerte für die Oberflächenrauheit von Spritzgießwerkzeugen in Abhängigkeit von deren Bearbeitungstechnologie

Mit der Problematik der Oberflächenrauheit von Spritzgießwerkzeugteilen im Verhältnis zur Technologie des Spritzgießens von Thermoplasten haben sich seinerzeit Mitarbeiter und Studenten der UTB in Zlín recht intensiv befasst. Ich erlaube mir, hier einige verallgemeinernde Schlussfolgerungen anzuführen.

Spritzgießparameter – Fließfähigkeit von Polymerschmelzen – Oberflächenqualität

Die Fließfähigkeit wurde durch das Einspritzen einer Polymerschmelze in ein Werkzeug bewertet, dessen Formkavität durch eine Archimedische Spirale definierter Abmessungen gebildet wurde. Das Maß der Fließfähigkeit war die Länge der Spirale. Die Ergebnisse sind in den Abbildungen 28, 29 und 30 dargestellt.

Abbildung 28: Einfluss der Größe des Anschnitts und der durch die jeweilige Bearbeitungstechnologie gegebenen Oberflächenqualität auf die Fließfähigkeit der Polymerschmelze, bewertet anhand der Länge der Archimedischen Spirale; links – Formkavität mit Spritzgussteil; rechts – Spritzgussteil der Archimedischen Spirale

Abbildung 29: Einfluss der Einspritzgeschwindigkeit und der durch die jeweilige Bearbeitungstechnologie gegebenen Oberflächenqualität auf das Fließvermögen der Polymerschmelze, bewertet durch die Länge der Archimedes-Spirale

Abbildung 30: Einfluss des Einspritzdrucks und der durch die jeweilige Bearbeitungstechnologie gegebenen Oberflächenqualität auf das Fließvermögen der Polymerschmelze, bewertet durch die Länge der Archimedes-Spirale

Kommentar - alle drei Parameter weisen bei ihren Höchstwerten die längsten Fließwege bei der Oberfläche mit der höchsten Rauheit auf. Betrachtet man bei Verwendung der höchsten Parameterwerte (bei anderen Stufen ist es ähnlich) die Unterschiede in der Spirallänge bei polierten Oberflächen und Oberflächen mit grober Narbung, ergibt sich ein durchschnittlicher Unterschied von ca. 6 %, was keinen signifikanten Wert darstellt. Aus meiner Sicht ist es daher nicht notwendig, sich mit der Problematik der Oberflächenqualität von Verteilerkanälen und Formteilen von Spritzgießwerkzeugen in Bezug auf den Fluss der Polymerschmelze in besonderem Maße zu befassen. 

Weitere ausgewählte Ergebnisse – Oberflächenrauheit - Bedingungen

Weitere kommentierte Ergebnisse wurden unter folgenden Bedingungen erzielt:

• gespritzte Materialien – amorph: ABS (drei Typen mit Schmelzindex 7,9 / 16,1 / 29,5 g/10 min. bei 220 °C und 10,0 kg Belastung), PC, PMMA; teilkristallin: PP, PA 66
• Material der Formkavität – Stahl ČSN 19552.4 (1.2343), Wärmeleitfähigkeit bei 20°C 25 W.m-1.K-1, Dural ČSN 424222 (AW-7075), Wärmeleitfähigkeit bei 20°C 150 W.m-1.K-1, Kupfer ČSN 423001 (CW0004A), Wärmeleitfähigkeit bei 20 °C 388 W.m-1.K-1
• Oberflächenqualität der Formkavität – aus allen drei Materialien der Formeinsätze wurden 10 Formkavitäten unter Anwendung desselben technologischen Verfahrens für jede Kavität hergestellt, zum Beispiel: 
  • Kavität 1 – alle drei Materialien der Formeinsätze für das Spritzgießwerkzeug – gedreht unter Verwendung von Prozessflüssigkeit, Schnitttiefe 0,10 mm, Vorschub 0,01 mm/U., Drehzahl 250 1/min.; manuelles Schleifen – Körnung 1200, 900, 600; Läpppaste mit Korngröße 45 und 25 µm; Polieren mit Watte und Paste mit Korngröße 5 µm, 1 µm und 0,5 µm bei einer Drehzahl von 1200 1/min.; Formkavitäten 1 bis 6 – als Fertigstellungsoperationen erfolgten Schleifen oder Läppen; Formeinsätze der Kavitäten 7 bis 10 – ihre Funktionsflächen wurden ausschließlich durch Drehen unter Anwendung verschiedener Vorschub- und Drehzahlwerte hergestellt

Die Oberflächenrauheit hat unter anderem auch einen Einfluss auf die visuelle Wahrnehmung der Rauheit, d.h. darauf, wie wir die Oberfläche wahrnehmen – Oberflächenglanz oder Oberflächenmattigkeit in ihrem Bereich, der durch die gegebenen Ra- und Rz-Werte definiert ist.  

Die Werte der Rauheit Ra und Rz, einschließlich der Standardabweichungen für die einzelnen Kavitäten – Kavität 1 bis 10 – und das gegebene Material, sind in den Tabellen 8 a, b, c aufgeführt.

Tabelle 8: Werte der Rauheit Ra und Rz, einschließlich der Standardabweichungen für die einzelnen Kavitäten – Kavität 1 bis 10 und das gegebene Material der Formkavitäten

Eine Auswahl der an der UTB in Zlín festgestellten Schlussfolgerungen wird nachfolgend in den entsprechenden Abbildungen und im folgenden Kommentar dokumentiert. Es handelt sich um den Einfluss ausgewählter Parameter auf die Oberflächenrauheit.

Einspritzdruck

Abbildung 31: Einfluss des Einspritzdruckwerts auf die Oberflächenqualität, definiert durch die Rauheitswerte Ra und Rz für das Material des Formeinsatzes Stahl 1.2343 und das gespritzte amorphe Material ABS Magnum 3453, 3D-Rauheit = Formeinsatz Nr. 1

Kommentar – Einspritzdruck 30 MPa – die Oberfläche besteht aus hohen Erhebungen und tiefen Vertiefungen – die Polymerschmelze ist nicht in der Lage, die Oberfläche der geläppten und polierten Flächen des Formeinsatzes zu kopieren, die Schmelze kopierte die Oberfläche keines der Formeinsätze und bildete ihre Funktionsfläche mit der gegebenen Rauheit unabhängig davon aus; Druck 60 MPa – niedrige und gleichmäßige Verteilung der Erhebungen und Vertiefungen – hier ist es notwendig, sich auch den Zusammenhang zwischen Einspritzdruck und Einspritzgeschwindigkeit bzw. dem eventuellen Profil der Einspritzgeschwindigkeit entlang der eingespritzten Schmelzedosis bewusst zu machen, wobei gilt, dass der Einspritzdruck so hoch sein muss, dass er bei der geforderten Einspritzgeschwindigkeit alle hydraulischen Widerstände überwinden kann, die den Fluss der Polymerschmelze im Verteiler des Spritzgießwerkzeugs und in seinen Formkavitäten behindern. Dies gilt auch für teilkristalline Materialien, wobei der Anteil des kristallinen Anteils Einfluss auf die Rauheit hat – siehe weiter – dies gilt für alle nachfolgend aufgeführten Kommentare.

Einspritzgeschwindigkeit

Abbildung 32: Einfluss der Einspritzgeschwindigkeit auf die Oberflächenqualität, definiert durch die Rauheitswerte Ra und Rz, für das Werkzeugeinsatzmaterial Stahl 1.2343 und den verarbeiteten amorphen Werkstoff ABS Magnum 3453, 3D-Rauheit = Werkzeugeinsatz Nr. 2 – gedreht, geschliffen, geläppt

Kommentar – Die 3D-Oberflächenprofile sind für beide Einspritzgeschwindigkeiten sehr ähnlich – allgemein gilt: Die Oberflächenrauheitswerte der Spritzgussteile erreichen für alle Werkzeugeinsätze und Einspritzgeschwindigkeiten sehr ähnliche Ergebnisse – sie weisen keine signifikanten Unterschiede auf – eine Änderung der Einspritzgeschwindigkeit hat keinen wesentlichen Einfluss auf die durch ihre Rauheit definierte Oberflächenqualität der Spritzgussteile. Der Zusammenhang zwischen Einspritzdruck und Einspritzgeschwindigkeit ist im Kommentar zu Abbildung 31 aufgeführt.

Druckniveau der Nachdruckphase

Abbildung 33: Einfluss des Druckniveaus in der Nachdruckphase des Spritzgießprozesses auf die Oberflächenqualität, definiert durch die Rauheitswerte Ra und Rz, für das Werkzeugeinsatzmaterial Stahl 1.2343 und den verarbeiteten amorphen Werkstoff ABS Magnum 3453, 3D-Rauheit = Werkzeugeinsatz Nr. 3 – funkenerodiert, geschliffen, geläppt

Kommentar – Das 3D-Rauheitsprofil ist bei niedrigem Nachdruck deutlich höher als bei höherem Nachdruck; ein niedriger Nachdruck war nicht in der Lage, die gewünschte Oberfläche des Werkzeugeinsatzes abzubilden, obwohl das Spritzgussteil gratfrei und ohne Einfallstellen war – der Nachdruckwert hat einen starken Einfluss auf die präzise Abbildung der Werkzeugeinsatzoberfläche – hier ist anzumerken, dass hohe Nachdruckwerte die Werkzeugsteifigkeit beeinflussen und den inneren Spannungsgehalt in den Spritzgussteilen erhöhen können.

Schmelzindex - MFI

Abbildung 34: Einfluss des Schmelzindex des verarbeiteten Materials auf die Oberflächenqualität, definiert durch die Rauheitswerte Ra und Rz, für das Werkzeugeinsatzmaterial Stahl 1.2343 und die verarbeiteten amorphen Werkstoffe ABS Magnum 3616 / 3453 / 8391, 3D-Rauheit = Werkzeugeinsatz Nr. 1

Kommentar – ABS 3616 mit niedrigem Schmelzindex (7,9 g/10 min. / 220 °C ; 10,0 kg) zeigt eine ungleichmäßige Struktur aus hohen Erhebungen und tiefen Vertiefungen, ABS 8391 mit hohem MFI (29,5 g/10 min. / 220 °C ; 10,0 kg – mit guter Fließfähigkeit) hat eine regelmäßige Struktur mit niedrigem Profil; der MFI bzw. die Viskosität der verarbeiteten Polymerschmelze hat einen signifikanten Einfluss auf die Oberflächenqualität des Spritzgussteils

Kristallinitätsgrad – Wärmeleitfähigkeit

Der Einfluss der übermolekularen Struktur (Kristallinitätsgrad) auf die Oberflächenqualität bei teilkristallinen Werkstoffen, der Vergleich mit amorphen Werkstoffen sowie der Einfluss der Wärmeleitfähigkeit der Werkzeugeinsatzmaterialien sind in den Abbildungen 35 und 36 sowie in Tabelle 9a, b, c dargestellt.

Tabelle 9: Einfluss der Wärmeleitfähigkeit polierter Werkzeugeinsatzmaterialien auf die Kristallinität – Kristallinitätsgrad – bei den teilkristallinen Werkstoffen PP und PA 66

Kommentar – Die Wärmeleitfähigkeit der Formnestmaterialien von Spritzgießwerkzeugen beeinflusst den Abkühlgradienten der Polymerschmelze und wirkt sich auf den Kristallinitätsgrad bei teilkristallinen Spritzgusswerkstoffen aus. Bei langsamer Abkühlung entstehen wenige Kristallisationskeime und umgekehrt – ein Beispiel findet sich in der Tabelle: Schmelztemperatur PA 66 280°C, PP 210°C, Abkühlzeit 30 s, gesamte Zykluszeit 56 s – der Abkühlgradient bei PA 66 ist niedrig, was zu einer langsamen Abkühlung und damit einem relativ geringeren Kristallinitätsgrad im Vergleich zu PP führt – bei Duraluminium und Cu führte die höhere Wärmeleitfähigkeit bei PA 66 zu einem gewissen Anstieg des Kristallinitätsgrades – man muss bedenken, dass ein geringerer Kristallinitätsgrad bei teilkristallinen Werkstoffen die Bildung größerer Sphärolithe ermöglicht und somit das Risiko interner Fehler in den Spritzgussteilen erhöht.

Amorphe Werkstoffe vs. teilkristalline Werkstoffe

Abbildung 35: Einfluss der übermolekularen Struktur auf die Oberflächenqualität, definiert durch die Rauheitswerte Ra und Rz, für die Werkzeugeinsatzmaterialien Stahl 1.2343, Duraluminium 424222 und Kupfer 423001 – Vergleich von amorphen Werkstoffen ( PC, PMMA ) und teilkristallinen Werkstoffen ( PP, PA 66 )

Kommentar – amorphe Materialien – PC, PMMA – kopieren bei polierten Oberflächen (Formeinsätze 1 bis 6) diese Oberflächen relativ genau – siehe Detailansicht in den inneren Rahmen; teilkristalline Materialien – PP, Stahl, 40,84 % kristalliner Anteil, PA 66, Stahl, 18,58 % kristalliner Anteil – weisen bei polierten Oberflächen eine bis zu 10-fach höhere Rauheit auf als amorphe Materialien, wobei die größten Abweichungen, aufgrund des hohen kristallinen Anteils, bei PP auftreten; bei raueren, gedrehten Oberflächen (Formeinsätze 7 bis 10) gleichen sich die Unterschiede zwischen amorphen und teilkristallinen Materialien mehr oder weniger aus – bei Formeinsätzen aus Duraluminium und Cu gilt dies ähnlich – Verallgemeinerung: Die Qualität der Oberflächenabbildung durch das Spritzgussteil hängt sowohl von der übermolekularen Struktur der Polymermaterialien (amorph vs. teilkristallin) als auch vom kristallinen Anteil bei teilkristallinen Materialien und der Größe der Sphärolithe ab.
Die oben im Kommentar zu Abbildung 35 angeführten Feststellungen werden durch die 3D-Rauheitsmessungen in Abbildung 36 belegt.

Abbildung 36: Einfluss der übermolekularen Struktur (amorph vs. teilkristallin) der Materialien PC und PP auf die 3D-Rauheit für den Formhohlraum 1 (gedrehte, geschliffene, gelappte, polierte Oberfläche) und das Material des Formhohlraums Stahl, Duraluminium, Cu

Kommentar – die Oberflächenqualität von Spritzgussteilen aus teilkristallinem PP und PA 66 ist im Hinblick auf die Qualität der Formhohlraumoberfläche wesentlich schlechter als bei amorphem PMMA – die Rauheitshöhe bei PP und PA 66 ist wesentlich größer, was durch die Bildung der kristallinen Struktur beim Abkühlen der Polymerschmelze und der Entstehung des Spritzgussteils verursacht wird – die Oberfläche wird im Gegensatz zu amorphen Materialien nicht gut abgebildet.

Material der Formhohlräume

Abbildung 37: Einfluss des Formhohlraummaterials auf die Oberflächenqualität, definiert durch die Rauheitswerte Ra und Rz für die Spritzgussmaterialien – amorphe PC, PMMA und teilkristalline PP, PA 66

Kommentar :

• PP – der Gehalt an kristallinem Anteil in Abhängigkeit vom Formhohlraummaterial liegt in einem relativ engen Bereich – Tabelle 9, ca. von 37 % bis 42 %; das Material der Formhohlräume hat in diesem Fall keinen signifikanten Einfluss auf die Kristallinität; bei Formhohlräumen mit hochwertigerer Oberfläche – Polieren – siehe innerer Rahmen, Hohlräume 1 bis 6 – ist die Streuung der Rauheit in Abhängigkeit vom Formhohlraummaterial ausgeprägter als bei den Hohlräumen 7 bis 10 – gedrehte Oberfläche mit unterschiedlichen Drehparametern
• PA 66 – der Unterschied im Gehalt des kristallinen Anteils ist ebenfalls nicht sehr ausgeprägt – Stahl 18,6 %, Cu 22 %, Duraluminium 23,5 % - bei Cu und Duraluminium zeigte sich der Einfluss der Wärmeleitfähigkeit; im Detailrahmen sehen wir, dass bei Formhohlräumen mit den höchsten Werten der Oberflächenqualität – Glanz – Hohlräume 1 bis 3 – eine ausgeprägte Rauheitsstreuung vorliegt, die mit sinkender Qualität – zunehmender Rauheit – nicht mehr so deutlich ist; daher können wir feststellen, dass PA 66 nicht in der Lage ist, hochglanzpolierte Formhohlraumoberflächen gut abzubilden
• PC – relativ sehr gute Abnahme bzw. Kopie der Formhohlraumoberflächen
• PMMA – das Material bildet hochwertige Oberflächen gut ab – 1 bis 6 ( 7 ); bei Hohlräumen mit höherer Oberflächenrauheit - 7 bis 10 – ist bereits eine Abhängigkeit vom Formhohlraummaterial sichtbar

Eine detailliertere Darstellung, die durch das Spritzgießen von PP in den hochglanzpolierten Formhohlraum 1 aus Stahl, Duraluminium und Cu gewonnen wurde, dokumentiert Abbildung 38.

Abbildung 38: Einfluss des Formhohlraummaterials auf die Oberflächenqualität des Spritzgussteils – Detail – PP, Hohlraum 1, Hochglanz – Unterschiede in der Höhe der Rauheitsprofile zeigen 2D-Schnitte in der X-Achse – Schnitt in Richtung parallel zum Fluss der Polymerschmelze im Formhohlraum des Spritzgießwerkzeugs

FAZIT – EINFLUSS AUSGEWÄHLTER PARAMETER DER SPRITZGUSSTECHNOLOGIE AUF DIE OBERFLÄCHENRAUHEIT VON THERMOPLAST-SPRITZGUSSTEILEN

Schlussfolgerungen: Die folgenden Schlussfolgerungen beziehen sich auf die Rauheit und spiegeln keine weiteren Zusammenhänge und Beziehungen zwischen technologischen Parametern des Spritzgießens wider

• die Oberflächenrauheit Ra und Rz von Thermoplast-Spritzgussteilen kann durch Änderung des Spritzdrucks beeinflusst werden
• die Oberflächenrauheit Ra und Rz von Thermoplast-Spritzgussteilen ist mehr oder weniger unabhängig vom Wert der Spritzgeschwindigkeit
• die Oberflächenrauheit Ra und Rz von Thermoplast-Spritzgussteilen kann durch Änderung des Nachdrucks im Spritzgießzyklus beeinflusst werden
• die Oberflächenrauheit Ra und Rz von Thermoplast-Spritzgussteilen hängt von der Viskosität (Fließfähigkeit) der eingespritzten Polymerschmelze ab
• die Oberflächenrauheit Ra und Rz von Thermoplast-Spritzgussteilen wird durch die übermolekulare Struktur des eingespritzten Polymermaterials beeinflusst – amorph vs. teilkristallin
• die Oberflächenrauheit Ra und Rz von Thermoplast-Spritzgussteilen wird bei teilkristallinen Materialien durch den Gehalt an kristallinem Anteil beeinflusst
• die Oberflächenrauheit Ra und Rz von Thermoplast-Spritzgussteilen ist vergleichsweise stark abhängig vom Material der Formeinsätze der Spritzgießwerkzeuge
• bei teilkristallinen Materialien wird deren Kristallinität durch das für die Herstellung der Formhohlraumteile der Spritzgießwerkzeuge verwendete Material beeinflusst
• einige Spritzgussmaterialien sind nicht für das Spritzgießen in hochglanzpolierte Formhohlräume geeignet, da sie nicht in der Lage sind, den Hochglanz abzubilden

Ende des vierten, letzten Teils.

Den ersten Teil finden Sie hier.
Den zweiten Teil finden Sie hier.
Den dritten Teil finden Sie hier.

Titelbild: R & D MOLD MACHINING s. r. o.