Lubomír Zeman: Technologie des Spritzgießens von Thermoplasten und Gewichtsreduzierung von Spritzgussteilen, Teil 3

VORAUSSETZUNGEN FÜR DIE GEWICHTSREDUZIERUNG - TECHNOLOGIE DES SPRITZGIESSENS VON THERMOPLASTEN

Die klassische Technologie des Spritzgießens von Thermoplasten basiert auf thermischen Prozessen – es ist immer erforderlich, aus dem jeweiligen Spritzgießgranulat, das gegebenenfalls vorbehandelt – auf den vom Hersteller vorgeschriebenen Restfeuchtewert getrocknet und mit Additiven, zum Beispiel Farbkonzentrat oder Sekundärmaterial etc., vermischt wurde – reproduzierbar eine thermisch möglichst homogene (Homogenität = Einheitlichkeit, Gleichartigkeit) Schmelze im gesamten Volumen der Einspritzcharge vorzubereiten, die wir durch Anwendung von Einspritzdruck und Einspritzgeschwindigkeit möglichst schonend – ohne unnötige Scherbeanspruchung – in die temperierte Kavität des Spritzgießwerkzeugs befördern. In der Kavität versuchen wir durch die Nachdruckphase des Spritzgießprozesses – durch Druck- und Zeithöhe des Nachdrucks – die thermische Volumenkontraktion (Schwindung) zu eliminieren bzw. zu beseitigen, damit das Spritzgussteil nach dem Abkühlen und Auswerfen aus der Kavität des Spritzgießwerkzeugs die vorgeschriebenen Formen und Abmessungen sowie alle weiteren geforderten Qualitätsparameter aufweist.

Praktisch alle Modifikationen (Varianten, Änderungen) der Technologie des Spritzgießens von Thermoplasten basieren auf den oben genannten Prinzipien der klassischen Spritzgießtechnologie, aber nicht bei allen ist das Ergebnis ein Spritzgussteil mit reduziertem Gewicht. Zu den Technologien, die in der Lage sind, Spritzgussteile mit im Vergleich zur klassischen Spritzgießtechnologie reduziertem Gewicht zu spritzen, zählen:

- Mehrkomponentenspritzguss – Erstellung von Spritzgussteilen aus mehreren Polymermaterialien mit unterschiedlichen Eigenschaften

- Gasinnendruckspritzgießen (GIT – Gas Injection Technology) – Herstellung von hohlen Spritzgussteilen, wobei der Hohlraum durch den Druck von Inertgas erzeugt wird, Möglichkeit der Eliminierung von zum Beispiel Einfallstellen auf Sichtflächen oder verstärkten Kanten von Bauteilen, Gewichtsreduzierung des Spritzgussteils usw.

- Wasserinnendruckspritzgießen (WIT – Water Injection Technology) – eine Entsprechung der GIT-Technologie, die Wasser zur Erzeugung der Hohlräume nutzt – Beschleunigung des Prozesses, gleichmäßigere Qualität der inneren Oberflächen

- Herstellung von Spritzgussteilen mit geringen Wandstärken – ob es sich um Bauteile mit geringen Wandstärken handelt, entscheidet nicht der absolute Wert ihrer Stärke, sondern das Verhältnis der Wandstärke zur Fließlänge der Schmelze durch die Kavität des Spritzgießwerkzeugs mit der entsprechenden Stärke

- Spritzgießen von strukturell geschäumten Thermoplasten – bei Verwendung eines chemischen oder physikalischen Treibverfahrens Spritzgießen von Teilen mit einer kompakten Oberflächenschicht und einem Kern, der aus einer porösen Struktur gebildet wird – die Oberflächenqualität der Spritzgussteile ist nicht für Sichtanwendungen geeignet

- MuCell-Spritzgießtechnologie – die poröse Struktur entsteht bereits in der speziellen Plastifiziereinheit, das Spritzgussteil hat eine poröse Struktur im gesamten Querschnitt – die Oberflächenqualität ist nicht für Sichtanwendungen geeignet, bei Anforderungen an das Aussehen des Spritzgussteils sind Oberflächenbehandlungen erforderlich

- Technologie zur Herstellung von geschäumten Spritzgussteilen wie CELLMOULD, FOAMMELT etc.

- Mikrospritzgießen – Herstellung von präzisen Spritzgussteilen mit kleinen Abmessungen und Gewichten

- Ultraschall-Mikrospritzgießen mit hoher Präzision – das dosierte Material wird in der Kavität durch Ultraschall geschmolzen, was auch dessen Fließfähigkeit unterstützt

Modifikation des Standard-Spritzgießprozesses

Spritzgießtechnologie unter Verwendung von Heißkanalsystemen in Spritzgießwerkzeugen

Spritzgießwerkzeuge für Thermoplaste können nach verschiedenen Kriterien in Gruppen eingeteilt werden; eines der Kriterien ist die Einteilung nach dem Prinzip – Kaltkanal, Heißkanal – der Beförderung der Polymerschmelze in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs:

- Werkzeuge mit Kaltkanalsystemen – das Kaltkanalsystem hat die Temperatur des Spritzgießwerkzeugs und besteht üblicherweise aus Kanälen, die in der Hauptebene des Spritzgießwerkzeugs platziert sind, und nach der Beförderung der Polymerschmelze in die Kavität erstarrt das Material im Angusssystem ebenso wie das Spritzgussteil selbst, geht vom Schmelzezustand in die feste Phase über und wird am Ende der Kühlphase des Spritzgießzyklus zusammen mit dem Spritzgussteil aus dem Werkzeug ausgeworfen und ist zur weiteren Verarbeitung bereit (zum Beispiel zum mechanischen Recycling – Zerkleinern, gegebenenfalls mit anschließendem Compoundieren – Mischen mit weiteren Komponenten und Additiven – und ist für den nächsten Arbeitszyklus bereit – Überführung in die Polymerschmelze, Einspritzen in die Kavität usw. oder wird als Abfall betrachtet).

- Werkzeuge mit Heißkanalsystemen, manchmal auch als abfallfreie Systeme bezeichnet, die aus einem beheizten Verteilerblock und Heißkanaldüsen bestehen, deren Temperatur sicherstellt, dass die Charge des Polymermaterials in der Schmelzphase gehalten wird – die grundlegende Aufgabe des Heißkanalsystems des Spritzgießwerkzeugs besteht darin, in jedem Produktionszyklus die Polymerschmelze entweder direkt in die Kavität oder in einen zusätzlichen Kaltkanal (kombiniertes Angusssystem) zu leiten und sie im Angusssystem während der Produktion der entsprechenden Anzahl von Spritzgussteilen im Schmelzezustand zu halten. Dadurch werden Angussreste (Kaltkanäle) beseitigt oder minimiert, wobei gleichzeitig die Notwendigkeit, eine Abfallwirtschaft für den Umgang mit Angussresten zur Verfügung zu haben, deutlich verringert wird. Zudem reduziert sich die Notwendigkeit der nachträglichen Entfernung von Angussstellen von den Spritzgussteilen, und die Möglichkeit, die Nachdruckphase zu optimieren, wird erhöht, ohne die Gefahr, dass der Querschnitt des Angusses erstarrt, wie es bei Kaltkanalsystemen bei falscher Dimensionierung ihrer Querschnitte der Fall ist.

In Abbildung 2 sind zum Vergleich Schemata von Spritzgießwerkzeugen mit Kaltkanalsystem dargestellt – links ein sogenanntes Zwei-Platten- und Drei-Platten-Werkzeug, rechts ein Vierfachwerkzeug mit Heißkanalsystem und balancierten Fließwegen, die identische Fließwege der Polymerschmelze in die einzelnen Formnester gewährleisten.

Abbildung 2 : Vergleich von Spritzgießwerkzeugen mit Kaltkanalsystem – links ein sogenanntes Zwei-Platten- und Drei-Platten-Werkzeug, rechts ein Vierfachwerkzeug mit Heißkanalsystem und balancierten Fließwegen, die identische Fließwege der Polymerschmelze in die einzelnen Formnester gewährleisten

Eine der Varianten der Spritzgießtechnologie mit Heißkanalsystem ist das Kaskadenspritzgießen – Kaskadenspritzgießen (Kaskade = eine Reihe von hintereinander geschalteten Geräten, die eine technologische Einheit bilden) – ist eine Anordnung von nadelverschlossenen Heißkanaldüsen, die hintereinander in Reihe geschaltet und so gesteuert sind, dass die Befüllung der Formnester nacheinander erfolgt, sodass nur eine einzige Schmelzefront entsteht. Das Kaskadenspritzgießen wird insbesondere bei langen oder großflächigen Formteilen eingesetzt, wo es unter anderem die Entstehung von Bindenähten minimiert. Vorteilhaft lässt es sich auch für Formteile mit geringer Wandstärke im Verhältnis zur Fließweglänge der Polymerschmelze einsetzen – Materialersparnis. Das Schema des Kaskadenspritzgießens ist in Abbildung 3 dargestellt:

Abbildung 3 : Vergleich von Mehrfachspritzgießen (rechts) mit Kaskadenspritzgießen (links); bei mehreren Anspritzpunkten in einem Formteil breitet sich die Polymerschmelze von den einzelnen Anspritzpunkten in der Formkavität in Form von kreisförmigen Wellenfronten aus, deren Fronten zwangsläufig aufeinandertreffen und an der Kontaktstelle zweier bereits abgekühlter Fronten eine Bindenäht bilden (lokale Festigkeitsminderung, optischer Mangel, nicht zu beheben, nur das Entstehungsrisiko lässt sich verringern), wo auch die Gefahr von Lufteinschlüssen und der Entstehung einer Verbrennungsstelle am Formteil besteht; zur Beseitigung des beschriebenen Phänomens wird die Kaskadenspritzgießtechnologie (links) genutzt, wobei im Gegensatz zum Standardsystem der Formteilbefüllung (offene Anspritzpunkte) die Kaskadenspritzgießtechnologie mit nadelverschlossenen Heißkanaldüsen zum Einsatz kommt, dank der Steuerung der Nadelbewegung öffnen sich diese nacheinander (vom Rand oder von der Mitte aus), die Polymerschmelze bildet keine Wellenfronten, sondern fließt nacheinander ohne Entstehung von Bindenähten, dasselbe Prinzip lässt sich auch bei Formteilen mit großem Verhältnis von Wandstärke zu Fließweglänge in der Formkavität anwenden (vereinfacht gesagt bei geringer Wandstärke).

Aus dem Vergleich der genannten Verteilungssysteme für Spritzgießwerkzeuge gehen zwei Tatsachen hervor – der Einsatz eines Heißkanalsystems bedeutet eine Erhöhung der Kosten für das Spritzgießwerkzeug mit diesem System gegenüber einem Werkzeug mit Kaltkanalsystem, und Werkzeuge mit Heißkanalsystemen erfordern ein höheres Maß an Wissen sowohl bei Werkzeugeinstellern als auch beim Wartungspersonal für Spritzgießwerkzeuge, dies alles bei einer mehr oder weniger großen Einsparung an eingespritztem Material. Das gesamte wirtschaftliche Ergebnis des Einsatzes von Spritzgießwerkzeugen mit Heißkanalsystemen gegenüber Kaltkanalsystemen muss immer wirtschaftlich und betrieblich gut abgewogen werden.

Technologie des Mehrkomponenten-Spritzgießens von Thermoplasten – Spritzgießen von hybriden Bauteilen

Im Prinzip geht es um die Nutzung von Erkenntnissen aus der Standardtechnologie des Thermoplast-Spritzgießens, wobei üblicherweise eine Spritzgießmaschine mit mehreren Plastifiziereinheiten und ein für die gegebene Technologie konstruiertes Spritzgießwerkzeug verwendet werden, d. h. die Aufnahme mehrerer verschiedener oder gleicher, unterschiedlich modifizierter (zum Beispiel in unterschiedlicher Farbausführung) Materialien, um ein Formteil herzustellen, das aus verschiedenen Materialien zusammengesetzt ist, am häufigsten aus verschiedenen Materialien im Hinblick auf die Härte, zum Beispiel das Anspritzen von TPE-Material auf ein „hartes“ Trägermaterial.

Die genannten technologischen Verfahren, bei denen die Formkavität in Schritten nacheinander unter Nutzung des eigenen Kanalverteilungssystems für das gegebene erste Material und in weiteren Schritten mit weiteren Materialien, wiederum unter Nutzung deren Verteilungssysteme, befüllt wird, ermöglichen eine Verkürzung der Produktionszeiten, die Herstellung separater Teile und deren Montage entfällt. Die Technologien bieten weiterhin Vorteile bei der Lösung von Anforderungen an die Formeigenschaften von Teilen, einschließlich der Reduzierung ihres Gewichts, an die mechanischen Eigenschaften der Teile, an Schutz-, Dekoreigenschaften usw.    

Die Technologie des Mehrkomponenten-Spritzgießens von Thermoplasten lässt sich, basierend auf ihrem Prinzip, in drei Hauptgruppen unterteilen:

- Mehrkomponenten-Spritzgießen – das Prinzip dieser technologischen Spritzgießverfahren besteht im Einspritzen von zwei oder mehr Materialien in eine einzige Formkavität, wobei am Spritzgussteil keine präzisen Materialgrenzen definiert sind – zu diesem Technologiesegment zählen die Verfahren: Sandwich-Spritzgießen, Intervall-Spritzgießen, Marmorieren, sequenzielles Spritzgießen.

- Umspritzen, Einlegen, Anspritzen – in die Formkavität wird ein vorgefertigtes Bauteil oder mehrere Bauteile eingelegt, und während des Spritzgießprozesses erfolgt das Umspritzen des eingelegten Teils, das aus unterschiedlichen Materialien bestehen kann – Metall, Kunststoff, Textil usw. – zu diesen Spritzgießtechnologien zählen beispielsweise die Verfahren: Insert Moulding (IM), In-Mould Decoration (IMD), In-Mould Labeling (IML), Outsert Molding (OM), In-Mold Closing (IMC), In-Mould Assembly (IMA), Hybridspritzgießen – Thermoplast x Metall, Thermoplast x Thermoplast, Thermoplast x Verbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix, Moulded Interconnect Devices (MID), Three Dimensional Moulded Interconnect Devices (3D MID), Total Integrated Manufactured (TIM).

- Mehrkomponenten- – Mehrschritt- – Multimaterial-Spritzgießen – 2K, 3K, 4K usw. – das Verfahren ermöglicht das Spritzgießen von mehrfarbigen Teilen aus demselben Material oder von Teilen aus unterschiedlichen Materialien in gleicher oder unterschiedlicher Farbe, beziehungsweise Härte usw. Die Verbindungen sind unlösbar – genutzt wird der Fertigungsschwund, bei dem sich eine Komponente beim Aufspritzen mit der anderen verbindet – die Grenze zwischen den Materialien ist definiert, die Materialien müssen mischbar oder zumindest kompatibel sein (Kompatibilität = Fähigkeit zur Mischung, gegenseitige Verträglichkeit) und müssen Adhäsion, Haftung aufweisen.

Von den drei genannten Gruppen des Mehrkomponenten-Spritzgießens von Thermoplasten werden zur Gewichtsreduzierung von Teilen die Verfahren des Umspritzens, Einlegens und Anspritzens genutzt, wobei deren Prinzip mehr oder weniger gleich ist – in die Formkavität des Spritzgießwerkzeugs wird ein vorgefertigtes Bauteil oder mehrere Bauteile eingelegt und während des Spritzgießprozesses erfolgt das Umspritzen des eingelegten Teils, das aus verschiedenen Materialien – Metall, Kunststoff, Textil usw. – bestehen kann – mit Polymerschmelze.

Es wurde bereits erwähnt, dass ein Weg zur Gewichtsreduzierung die Nutzung von Thermoplasten in der Konstruktion von Teilen ist. Da jedoch in festigkeitsbeanspruchten Teilen die Nutzung reiner Thermoplaste aufgrund ihrer relativ niedrigen physikalisch-mechanischen Eigenschaften nicht möglich ist, geht man zu Hybridkonstruktionen über, bei denen Thermoplaste mit Metallteilen verbunden werden, zu lokaler Verstärkung von Spritzgussteilen aus Thermoplasten mit Faserverstärkungen, beispielsweise aus Kohlenstofffasern, zum Anspritzen von Funktionsformen aus Thermoplasten an vorgeformte Teile, die in das Spritzgießwerkzeug eingelegt werden, vorgeformt beispielsweise durch Thermoforming-Technologie oder Warmumformung oder durch Wärme und Vakuum, wobei die Teile aus verschiedenen Materialien gefertigt sein können, von mit Pflanzenfasern gefüllten Verbundwerkstoffen bis hin zu Verbundlaminatsystemen mit Glas- oder Kohlenstofffasern und thermoplastischer Matrix.

Die Nutzung von Verbundwerkstoffen mit thermoplastischer Matrix in Hybridkonstruktionsteilen verbindet den Vorteil eines effizienten Verarbeitungsprozesses – Einlegen des vorgeformten Teils aus dem Verbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix in das Spritzgießwerkzeug und dessen Umspritzen an den vorgesehenen Stellen mit einem funktionalen Polymerverbundwerkstoff – mit einer Konstruktion mit reduziertem Gewicht bei hoher Festigkeit und Zähigkeit, einschließlich Energieabsorption und der Möglichkeit, die Baugruppe dynamischer Beanspruchung auszusetzen.

Ein Beispiel für eine solche Lösung ist das Spritzgussteil Airbag-Gehäuse, ursprünglich aus PA 6 spritzgegossen, wobei das Gehäuse eine Wandstärke zwischen 3 mm und 4 mm aufwies. Die neue Lösung, die Bild 4 zeigt, ist eine Hybridkonstruktion, die vorgewärmtes Roving (Strang, Bündel aus Endlosfasern ohne Drehung mit hoher Festigkeit in Längsrichtung), 47 % mit PA 6 imprägnierte Glasfasern, kombiniert, das in das Werkzeug eingelegt und beim Schließen im Werkzeug geformt und mit einem Copolymer PA 6/PA 66 mit 40 % Glasfasern umspritzt wird. Mit dieser Lösung konnte das Gewicht des Teils um ca. 30 % reduziert werden, bei einer Teiledicke von 1 mm, was zudem aufgrund der verringerten Wandstärke aus Polymermaterial eine Verkürzung der Zykluszeit ermöglichte.

Bild 4: Spritzgießen von Hybrid-Konstruktionsspritzgussteilen – es handelt sich um die Verbindung mehrerer Fertigungsverfahren: Formen (vorgewärmtes Roving in Plattenform wird im Spritzgießwerkzeug beim Schließen des Werkzeugs in die durch die Formkonturen vorgegebene Form gebracht) und Kunststoffumformung (Spritzgießen von Verbundwerkstoffen mit thermoplastischer Matrix), vereint zu einer Fertigungseinheit – das Spritzgussteil Airbag-Gehäuse ist eine Hybridkonstruktion, die ein Roving aus PA 6 + 47 % Glasfasern kombiniert, das in das Werkzeug eingelegt und im Werkzeug geformt sowie funktional mit einem Verbund-Copolymer PA 6/PA 66 mit 40 % Glasfasern umspritzt wurde.

Technologie des Spritzgießens von strukturell geschäumten Thermoplasten

Die Technologie der Herstellung von strukturell geschäumten Thermoplasten – das Spritzgießen von Thermoplasten mit Schäumung – TSG, Thermoplastischer Schaumguss – in allen Varianten der technologischen Schäumungsverfahren – ist ein Spritzgießverfahren mit dem Ziel, das Gewicht der Spritzgussteile zu reduzieren, ihre isolierenden Eigenschaften zu verbessern, Eigenspannungen zu minimieren, Einfallstellen zu minimieren sowie gegebenenfalls die Härte der Spritzgussteile zu verringern.

Hinsichtlich der Fertigungstechnologie unterscheiden wir mehrere Prozesse, die zur Bildung einer geschäumten Struktur entweder ein physikalisches oder ein chemisches Treibmittel nutzen. Produkte aus Strukturschäumen haben meist eine kompakte Oberflächenschicht und einen geschäumten Kern. Kunststoffe, die für das Spritzgießen von Strukturschäumen verwendet werden, sind ABS, PA, PE, PPO, PC, PP, PS, PBT, PC/ABS, thermoplastische Elastomere usw. Am weitesten verbreitet ist das strukturelle Schäumen von Polypropylen und dessen Kompositen mit Talkum und Calciumcarbonat.

Polymerschäume als Untergruppe der geschäumten Werkstoffe lassen sich als künstlich erzeugte Dispersion (Verteilung) eines Gases in einer Polymermatrix definieren. Zur Erzeugung dienen Treibmittel, d. h. Additive, die während des Herstellungsprozesses Gase oder Dämpfe freisetzen. Treibmittel werden in chemische und physikalische unterteilt. Zur ersten Gruppe gehören Chemikalien, die sich unter Wärmeeinwirkung zu gasförmigen Produkten zersetzen, welche bei der Kunststoffverarbeitung durch Extrusion, Blasformen oder Spritzgießen eine Zellstruktur, den sogenannten Strukturschaum, bilden. Mit diesen Treibmitteln in einer Menge von bis zu 2 % kann jeder Kunststoff, einschließlich technischer Kunststoffe, geschäumt werden, jedoch nur bis zu einer Dichte von 0,2 g.cm-3 bis 0,8 g.cm-3. Zu den physikalischen Treibmitteln gehören chemische Verbindungen, die während des Schäumens ihren physikalischen Zustand ändern, zum Beispiel komprimierte verflüssigte Gase, die bei der Druckentlastung expandieren, oder flüchtige Stoffe, die in einen gasförmigen Zustand übergehen – zum Beispiel Methylchlorid, FCKW, CO2, Butan, Pentan, niedrigsiedende Alkohole, Ether usw. Sie werden in einer Menge von 5 % bis 10 % dosiert und sind in der Lage, den verwendeten Kunststoff auf 0,008 g.cm-3 bis 0,08 g.cm-3 zu schäumen.

Chemische Schäumung

Die Querschnittsstruktur der Wand eines mit chemischem Treibmittel strukturell geschäumten Spritzgussteils – kompakte Oberflächenschicht und geschäumter Kern – ist in Abbildung 5 dargestellt. Auf den Schnitten von PC-Spritzgussteilen, die – von oben nach unten – eine Formfüllzeit von 0,3 s; 0,6 s; 1,2 s; 1,5 s hatten, ist der Übergang der kompakten Oberflächenschicht – Skin – in den mittleren geschäumten Kern – Core – zu sehen; bei schneller Füllung sehen wir, dass die Skin-Schicht eine geringe Dicke aufweist und der Core aus Mikroschaum besteht, und mit der Verlangsamung der Geschwindigkeit bzw. der Füllzeit der Formkavität mit der Polymerschmelze samt chemischem Treibmittel nimmt die Dicke der Skin-Schicht zu und die Kernstruktur geht in Makroporen über.

Abbildung 5: Wandquerschnitt eines mit chemischem Treibmittel strukturell geschäumten Spritzgussteils, im Kern befindet sich eine unregelmäßige, zufällige Zellstruktur

Die kompakte Schicht auf beiden Seiten der Wand der Formkavität entstand aufgrund der schnellen Abkühlung der Polymerschmelze und garantiert dem Spritzgussteil seine Form, Steifigkeit sowie Beständigkeit gegen mechanische Belastung, chemische und thermische Einflüsse. Die mechanischen Eigenschaften nehmen über den Querschnitt von der Außenseite bis zur Mitte der Wand des Spritzgussteils ab. Die Außenflächen des Spritzgussteils haben keine hochwertige Optik, auch deshalb, weil ein gewisser Teil der Treibgase in die Umgebung entweicht ist und auf der Oberfläche des Spritzgussteils unregelmäßige Schlieren gebildet hat. Der Kern besteht aus einer relativ unregelmäßigen und desorientierten, zufälligen Struktur von Zellen, deren Volumen im Ergebnis die Dichte des Spritzgussteils bestimmt.

Strukturell geschäumte Spritzgussteile, die mit chemischen Treibmitteln geschäumt werden, können auf Standard-Spritzgießmaschinen mit Schneckenplastifizierung und ausreichender Einspritzgeschwindigkeit hergestellt werden.

Zu den Vorteilen strukturell geschäumter Spritzgussteile mit chemischen Treibmitteln, die in vielen Punkten auch mit den Vorteilen beim physikalischen Schäumen übereinstimmen, gehören zum Beispiel:

- einfache Herstellung von komplex geformten Spritzgussteilen

- Erzielung von Gewichtseinsparungen bei gleicher Steifigkeit – vorteilhaftes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis

- Reduzierung des Gewichts des Spritzgussteils

- Verringerung des Schwindungsverhaltens und der Neigung zu Verformungen

- Verbesserung der Wärme- und Schalldämmeigenschaften

- Eliminierung möglicher Einfallstellen

- geringer Eigenspannungsgehalt in den Spritzgießteilen

- Möglichkeit einer geringeren Festigkeitsauslegung der Spritzgießwerkzeuge

- gute Bearbeitbarkeit

- Schweißbarkeit mittels Technologie mit Zusatzdraht

- Möglichkeit, Standard-Spritzgießmaschinen zu verwenden

Zu den Nachteilen zählen:

- sichtbare Oberflächen der Spritzgießteile sind nicht völlig glatt und glänzend

- bestimmte feine Oberflächenstrukturen und Narbungen der Werkzeugkavität können nicht reproduziert werden

- äußere Sichtflächen weisen Schlieren sowie Fließ- und Gasmarkierungen auf

- im Vergleich zum Standardspritzgießen ist eine Verlängerung der Kühlzeit erforderlich

- eine gewisse Wanddickenbegrenzung der Spritzgießteile – in der Regel mehr als ca. 3 mm

- Notwendigkeit, große Anschnittquerschnitte zu verwenden – arbeitsintensive Entfernung der Angussreste

Physikalische Verfahren zum Leichtbau

Das Prinzip des physikalischen Leichtbaus ist nicht kompliziert – in die Polymerschmelze wird in der Plastifiziereinheit der Spritzgießmaschine ein flüssiges physikalisches Treibmittel dosiert, das thermisch zerfällt; es entstehen Dämpfe, die sich in der Polymerschmelze verteilen und nach deren Beförderung in die Werkzeugkavität, wenn der Druck abfällt, trennt sich die Gasphase ab und bildet eine relativ geordnete und feine zellige Struktur von Hohlräumen im Kern der Wandung des Spritzgießteils (Core). An der Kontaktfläche des Spritzgießteils, beziehungsweise seiner abkühlenden Polymerschmelze, mit der „kalten“ Wandung der Werkzeugkavität bildet sich, wie auch bei Spritzgießteilen, die mit chemischem Treibmittel hergestellt wurden, eine kompakte Schicht, die Skin – Abbildung 6. Abbildung 6 zeigt einen Querschnitt durch die Wandung eines strukturschaumgespritzten Teils mit physikalischem Treibmittel – im Gegensatz zum chemischen Treibmittel bildet das physikalische Treibmittel im Kern eine relativ feine und geordnete Zellstruktur.

Abbildung 6: Wandquerschnitt eines strukturschaumgespritzten Teils, physikalisches Treibmittel, im Kern befindet sich eine relativ feine und geordnete Zellstruktur

Dank der Entstehung einer relativ feinen Zellstruktur wird das Spritzgießen mit physikalischem Treibmittel als Technologie des mikrozellularen Spritzgießens von Thermoplasten bezeichnet. Das am häufigsten verwendete Treibgas ist Stickstoff (N2), seltener Kohlendioxid (CO2). Die Technologie erfordert im Gegensatz zum chemischen Schäumen eine spezielle Spritzgießeinheit mit Gasdosierung. Das Prinzip des mikrozellularen Spritzgießens besteht darin, in der Dosierung vor der Schneckenspitze in der Plastifizier- und Spritzgießeinheit der Spritzgießmaschine eine einphasige Mischung (Polymerschmelze + Gas) zu erzeugen und diese in die Werkzeugkavität zu befördern, wo sie expandiert. In die Plastifiziereinheit wird das Treibgas in Form eines überkritischen Fluids (SCF – Supercritical Fluid) dosiert.

Hauptvertreter dieser Technologie ist die MuCell-Technologie – Microcellular Foam Molding, bei der das Treibgas in der Form eines überkritischen Fluids (SCF – Supercritical Fluid) in die Plastifiziereinheit der Spritzgießmaschine dosiert wird. Die Technologie wird von der US-Firma Trexel Inc. verbreitet, die mit Herstellern von Spritzgießmaschinen zusammenarbeitet, beispielsweise mit den Firmen KraussMaffei oder Negri Bossi.

Eine ganze Reihe von Herstellern von Spritzgießmaschinen hat Spritzgießmaschinen für das mikrozellulare Spritzgießen entwickelt und vertreibt diese, basierend auf der MuCell-Technologie, unter eigenem Namen, beispielsweise Engel foammelt, Arburg ProFoam, Battenfeld Cellmould usw. Bestandteil der Lösung für das mikrozellulare Spritzgießen ist immer eine Spritzgieß- und Plastifiziereinheit mit einer Schnecke mit unterschiedlicher Konstruktion der Mischzonen und mit einer Verschlussdüse. Hinzu kommen eine Dosierdüse für die Dosierung von Inertgas und eine Quelle für das Druckgas. Um die Schaumreaktion auch am Ende des Fließwegs der Polymerschmelze in der Werkzeugkavität des Spritzgießwerkzeugs sicherzustellen, ist eine hohe Füllgeschwindigkeit der Kavität erforderlich, weshalb die Spritzgießmaschine über eine hohe Spritzleistung verfügen muss. Die MuCell-Technologie und ihre Varianten können auch für das Spritzgießen in Werkzeuge mit Heißkanal-Systemen verwendet werden.

Neben den Technologien, die von Herstellern von Spritzgießmaschinen angeboten werden, können auch Technologien anderer Hersteller genutzt werden, beispielsweise bietet die Schweizer Firma Sulzer Chemtech ihre Lösung unter dem Namen Optifoam an. Der Vorteil dieser Lösung liegt darin, dass sie keine speziellen Schneckenkonstruktionen oder Spritzgießeinheiten erfordert oder verwendet, sondern dass der Druckdosierer für das verflüssigte gasförmige Treibmittel als Zwischenglied zwischen dem Kopf der Spritzgießeinheit und der Verschlussdüse der Spritzgießmaschine angeordnet ist. In der Düse befindet sich zudem ein statischer Mischer aus Sinterkarbiden, und die Vermischung von Polymerschmelze und flüssigem Treibmittel erfolgt im statischen Mischer. Eine ähnliche Technologie bietet auch die deutsche Firma Demag Ergotech an.

Eine weitere Technologie für das strukturelle Schaumspritzgießen bietet die Firma Linde an. Ihre Anlage PLASTINUM Perfoamer für das mikrozelluläre Schaumspritzgießen von Thermoplasten besteht aus einem Trockner für das eingespritzte Granulat, in dem das Granulat auf den vorgeschriebenen Restfeuchtegehalt getrocknet und auf die erforderliche Temperatur temperiert wird. Das so vorbereitete Granulat wird mittels eines Unterdrucksaugers in eine Druckimprägniereinheit befördert, in der es unter Druck mit einem Treibmittel gesättigt wird, bei dem es sich um Kohlendioxid CO2 handelt. Die Menge an CO2, die das Granulat absorbiert, hängt vom spezifischen gesättigten Material, dem Sättigungsdruck, der Temperatur und der „Imprägnierzeit“ ab. Das Kohlendioxid wird aus Druckflaschen im gasförmigen Zustand entnommen oder kann in flüssigem Zustand angeliefert und in einer Kompressoreinheit vom flüssigen in den gasförmigen Zustand überführt werden. Nach der Sättigung des entsprechenden Materialvolumens in der Imprägniereinheit wird der Druck darin aufgehoben und das gesättigte Material in einen Vorratsbehälter transportiert, von wo aus es direkt in die Schnecken- und Plastifiziereinheit einer Standard-Spritzgießmaschine gefördert wird. Je nach Anlagengröße können mehrere Spritzgießmaschinen mit gesättigtem Material versorgt werden. Das Kohlendioxid verbleibt in dem so vorbereiteten Granulat für einen Zeitraum von etwa zwei Stunden. Die Methode ermöglicht eine Reduzierung des Bauteilgewichts um bis zu 60 %. Ein Vorteil der Methode ist die Tatsache, dass keine Mischschnecke verwendet wird, was sie auch für Thermoplaste geeignet macht, die aufgrund hoher Scherspannungen anfällig für Abbau oder Schädigung sind, wie zum Beispiel POM.

Zu den Technologien, die für das Spritzgießen von strukturell geschäumten Bauteilen aus Thermoplasten eingesetzt werden, zählt auch das Co-Spritzgießen (ähnlich der 2K-Technologie). Beim Co-Spritzgießen werden zwei Plastifiziereinheiten genutzt; in einer wird die klassische Polymerschmelze aufbereitet und in der anderen die Schmelze mit Treibmittel. Das Prinzip des Spritzgießprozesses beruht auf dem abwechselnden Einspritzen des Materials für die Bauteiloberfläche und dessen Kern in das Spritzgießwerkzeug, dessen Temperatur dem eingespritzten Material entspricht. Zuerst wird die Polymerschmelze eingespritzt, die den äußeren, sichtbaren Teil des Bauteils bildet, anschließend wird der geschäumte Kern in die Kavität eingespritzt und erneut wird klassische Schmelze nachgelegt. Das Ergebnis eines solchen Spritzgießvorgangs ist eine kompakte Bauteiloberfläche mit einem Schaumkern. Es ist logisch, dass das Verfahren umgekehrt werden kann, um ein Bauteil mit einer strukturell geschäumten Oberfläche und einem kompakten Kern herzustellen oder bei geeigneter Werkzeugkonstruktion in ein einziges Bauteil Schäume unterschiedlicher Härte einzuspritzen.

Technologie des Spritzgießens von strukturell geschäumten Thermoplasten im Vergleich zur Standardtechnologie des Thermoplast-Spritzgießens

Ich habe bereits erwähnt, dass einer der Hauptvorteile der Herstellung von strukturell geschäumten Bauteilen aus Thermoplasten die Gewichtseinsparung ist. Die Gewichtseinsparung lässt sich aus zwei Perspektiven betrachten, die in Wirklichkeit eine Einheit bilden. Einerseits ist dies die Einsparung von Material als Rohstoff für die Herstellung des gegebenen Bauteils, also die Senkung der Produktionskosten, und andererseits die Reduzierung des Bauteilgewichts, was unter anderem zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit beiträgt, inklusive damit verbundener Einsparungen, beispielsweise in der Automobilindustrie bei der Gewichtsreduzierung von Standard-, Hybrid- oder vollelektrischen Fahrzeugen. Nicht zuletzt ist hier auch der Umweltaspekt zu nennen.

Es ist eine allgemein bekannte Tatsache, dass kein Bauteil aus Thermoplast hergestellt werden kann, das keinerlei Restspannungen oder innere Spannungen aufweist. Eine der Ursachen für das Einbringen von Restspannungen in Bauteile aus Thermoplasten ist die Nachdruckphase des Spritzgießprozesses, die den Einfluss der Schwindung auf das Bauteil kompensiert und unter anderem auch dessen Maßgenauigkeit beeinflusst. Der Druck, beziehungsweise dessen Verlauf in der Nachdruckphase und die Dauer seiner Einwirkung, kann dazu beitragen, dass Druck im Bauteil „eingeschlossen“ wird, was nach dem Auswerfen aus der Werkzeugkavität zu Verformungen des Bauteils oder zur Bildung von Rissen an der Oberfläche des Bauteils (beispielsweise im Zusammenspiel mit einer tensoaktiven Umgebung) führen kann. Bei Technologien des Spritzgießens mit struktureller Schäumung ist die Situation im Vergleich zum Standard-Spritzgießen von Thermoplasten anders. Die Nachdruckphase des Spritzgießprozesses ist bei diesen Technologien unterdrückt (hat einen geringen Einfluss auf das Endprodukt) oder ist vollständig eliminiert; der Spritzgießprozess verwendet keine Nachdruckphase. Die durch die Nachdruckphase beeinflusste Schwindung wird hier durch die expandierenden Keime der Zellstruktur im Inneren des erstarrenden eingespritzten Materials kompensiert.

Die Oberflächenqualität – siehe Abbildung 7 – ist ein wesentlicher Nachteil aller Varianten der Technologie des Spritzgießens von strukturell geschäumten Bauteilen. Oberflächenmarkierungen und die Unmöglichkeit, die Narbungen der Werkzeugkavitäten abzubilden, werden durch das Entweichen des Treibgases über die Bauteiloberfläche vor dem Kontakt der Polymerschmelze mit der Oberfläche der Werkzeugkavität sowie durch die Bildung lokaler Zwischenschichten zwischen der Werkzeugoberfläche und der äußeren Oberfläche des geschäumten Bauteils verursacht.

Abbildung 7: Typisches Aussehen von strukturell geschäumten Spritzgießteilen

Um das genannte Problem zu beheben, kann beispielsweise die Co-Spritzgießtechnologie (siehe oben) oder eine Technologie aus dem Standard-Spritzgießen zur Minimierung der Entstehung von Bindenähten eingesetzt werden – das Vorwärmen der Formoberfläche des Spritzgießwerkzeugs vor dem Einspritzen der Polymerschmelze mit Treibmittel. Zum Vorwärmen können beispielsweise am Roboter angebrachte Infrarotstrahler verwendet werden, die bei geöffnetem Werkzeug nach dem Entformen des Spritzgießteils aus der Kavität dessen Oberfläche vorwärmen (diese Vorwärmmethode verlängert zwar den Spritzgießzyklus, erfordert jedoch keine spezielle Konstruktion des Spritzgießwerkzeugs). Eine weitere Möglichkeit ist die Nutzung einer in das Spritzgießwerkzeug integrierten Induktionserwärmung der Kavitätsoberfläche. Der Vorteil liegt in der schnellen Erwärmung der Sichtseite der Kavität durch induzierte Wirbelströme; die Erwärmung beginnt unmittelbar nach dem Entformen des Spritzgießteils, unabhängig von den Werkzeugbewegungen.

Neben den oben genannten Möglichkeiten zur Verbesserung der Qualität von Sichtflächen bei Spritzgießteilen mit Treibmitteln wird beim Spritzgießen mit der MuCell-Technologie die GGD-Technologie – Gasgegendruck-Verfahren – eingesetzt, eine Technologie zum Spritzgießen gegen einen Gasgegendruck (Stickstoff, trockene Luft) in der Kavität des Spritzgießwerkzeugs. Im Prinzip wird die Kavität vor Beginn der Füllung mit dem Gemisch aus Polymerschmelze + Gas im überkritischen Zustand (SCF) mit Druckgas befüllt, wobei der Gasdruck bis zu 80 bar betragen kann. Das Gemisch wird also gegen den Druck eines Gaspolsters in der Werkzeugkavität eingespritzt. Abhängig vom Füllverlauf der Kavität mit dem Gemisch wird der Druck im Polster geregelt und das Gas aus der Kavität abgelassen. Durch die Wirkung des Gegendrucks wird verhindert, dass das Treibgas über die Oberfläche des Spritzgießteils in den Raum zwischen Werkzeugwand und Bauteilwand eindringt, was zu einer glatteren Oberfläche des Spritzgießteils führt.

Der Hersteller von Heißkanalsystemen für Spritzgießwerkzeuge, die deutsche Firma INCOE, bietet die GAS-CORE-Technologie an, die wie die GGD-Technik darauf abzielt, die Oberflächenqualität strukturell geschäumter Spritzgießteile zu verbessern. Beim Einsatz der GAS-CORE-Technik erfolgt das physikalische Schäumen von Spritzgießteilen mit glatter, kompakter Oberfläche, die über ein Heißkanalsystem in die Kavität eingespritzt werden, in drei Schritten: Im ersten Schritt wird ein Teil der Polymerschmelze ohne Treibmittel in die Kavität eingespritzt; das Heißkanalsystem ist mit einem Druckdosierer für Inertgas und einer Mischkammer ausgestattet. In der Mischkammer erfolgt die Vermischung der Polymerschmelze mit Stickstoff oder Kohlendioxid, und das entstandene Gemisch wird über eine Heißkanaldüse in die Kavität eingespritzt; im dritten Schritt wird die Kavität erneut mit Polymerschmelze ohne Treibmittel aufgefüllt.      

Gas- und Wasserinnendruckspritzgießen – GIT- und WIT-Technologie

Einer der grundlegenden Ansätze für die Konstruktion von Spritzgießteilen aus Thermoplasten, die in den Konstruktionsrichtlinien für kunststoffgerechtes Design genannt werden, ist die Vermeidung von großen Wanddicken sowie von Wanddickenunterschieden im Bauteil. Neben der Erhöhung des Bauteilgewichts führt die Missachtung dieses Grundsatzes normalerweise zu einer deutlichen Verlängerung des Spritzgießzyklus (die Wanddicke geht bei der Berechnung der Abkühlzeit quadratisch ein, d. h. es handelt sich um eine exponentielle Abhängigkeit zwischen Abkühlzeit und Wanddicke), zu Einfallstellen (aufgrund von Materialanhäufungen kommt es zu einer stärkeren Schwindung, die in der Nachdruckphase möglicherweise nicht mehr kompensiert werden kann), zu Maßinstabilität und Verzug (unterschiedliche Wanddicken rufen unterschiedliche lokale Schwindungen hervor – abweichende Abmessungen und somit Verzug), zu einer ungerechtfertigten Erhöhung des Materialverbrauchs (Erhöhung von Preis und Gewicht des Spritzgießteils) usw. 

Wenn es aus funktionalen, gestalterischen oder anderen Gründen notwendig ist, Spritzgussteile mit großen Wandstärken zu konstruieren, sollte der jeweilige Konstrukteur auch andere Möglichkeiten der Bauteilkonstruktion und -fertigung in Betracht ziehen. Die Basis hierfür ist, anstelle von Materialanhäufungen ein verripptes Bauteil zu entwerfen oder, falls die Form die Ausbildung als Schale zulässt, beide Hälften separat zu fertigen (diese können eine geringe Wandstärke aufweisen oder verrippt sein) und diese anschließend zu verbinden (schweißen, kleben, Schnappverbindung, verschrauben etc.). Eine weitere Lösungsmöglichkeit ist ein Schieber im Spritzgießwerkzeug, der sich auf einem geraden oder gekrümmten Pfad bewegt, oder die Nutzung der Technologie des Spritzgießens mit verlorenen, ausschmelzbaren Kernen (Kernherstellung aus wasserlöslichem Thermoplast EVA, aus Wismut-Zinn-Legierungen, Schmelzpunkt 138 °C, Zinn-Antimon-Blei, Schmelzpunkt 187 °C etc.). Nicht zuletzt können Technologien zur strukturellen Leichtbauweise, siehe vorheriges Kapitel, oder das Gasinnendruck- bzw. Wasserinnendruck-Spritzgießen zum Einsatz kommen.

Das Gasinnendruck-Spritzgießen (GIT – Gas Injection Technology), üblicherweise mit druckbeaufschlagtem Stickstoff – ein inertes, nicht brennbares, chemisch neutrales Gas, bei dem keine Reaktion mit Polymerschmelzen und deren Additiven zu befürchten ist – ist eine Technologie, deren Prinzip darin besteht, dass an bestimmten Stellen der abkühlenden Polymerschmelze bzw. des Spritzgussteils ein unter Druck stehendes inertes Gas zugeführt wird, das in den Wänden des Teils innere Hohlräume erzeugt. Die GIT-Technologie kennt mehrere Varianten, wobei es sich im Grunde um zwei Ansätze handelt: den GIT-Prozess mit Teilfüllung, bei dem die Kavität auf einer Standard-Spritzgießmaschine nur teilweise mit Polymerschmelze gefüllt wird und in die abkühlende Schmelze entweder über die Maschinendüse oder einen Injektor am Spritzgießwerkzeug druckbeaufschlagter Stickstoff eingebracht wird, der Hohlräume erzeugt und gleichzeitig aufgrund des geregelten Drucks als Nachdruck fungiert. Der zweite Ansatz ist der GIT-Prozess mit Überlauf – auch hier werden Standard-Spritzgießmaschinen verwendet, aber als erster Schritt erfolgt die volumetrische Füllung der Kavität mit Polymerschmelze, gefolgt vom Umschalten auf Nachdruck; nach dessen Ende bläst der druckbeaufschlagte Stickstoff die Polymerschmelze im Kern des Teils aus der Kavität in einen zusätzlichen Überlaufbehälter, aus dem er zusammen mit dem Bauteil entformt wird. Der Stickstoffdruck kompensiert während der Abkühlzeit des Bauteils die Schwindung der abkühlenden Schmelze und unterstützt das Abformen der Kavitätsoberfläche. Mit der GIT-Technologie hergestellte Spritzgussteile sind in Abbildung 8 dargestellt.

Abbildung 8 : Mit GIT hergestellte Spritzgussteile – links: GIT mit Überlauf in einen Überlaufbehälter; rechts: GIT-Technologie und ihre Anwendung zur Kompensation von Schwindung und Einfallstellen

Neben dem Gasinnendruck-Spritzgießen kann auch eine Spritzgießtechnologie eingesetzt werden, bei der zur Herstellung hohler Spritzgussteile keine Gasunterstützung genutzt wird, sondern stattdessen unter Druck stehendes Wasser mittels Pumpe in den abkühlenden Kern aus Polymerschmelze in der Mitte des Bauteils geleitet wird – das Wasserinnendruck-Spritzgießen (WIT – Water Injection Technology). Die technologischen Prinzipien beider Thermoplast-Spritzgießverfahren sind ähnlich.

Genauso wie beim Gasinnendruck-Spritzgießen muss bei WIT (und hier noch notwendiger) vor dem Ende des Prozesses das Wasser entfernt werden. Zur Wasserentfernung gibt es zwei Ansätze, wobei beide mit der volumetrischen Füllung der Kavität mit Polymerschmelze und der anschließenden Dosierung von Druckwasser über die Düse der Spritzgießmaschine oder eine Fülldüse in der Werkzeugkavität arbeiten, bei der der Druck und Durchfluss (Geschwindigkeit) geregelt werden können – das Wasser wird aus dem Bauteil nach Ende seiner Funktion als Nachdruck- und Kühlphase des Spritzgießzyklus und nach Öffnen eines Ventils mit Druckluft ausgeblasen, oder das Wasser wird nach Ende der Nachdruck- und Kühlphase wieder mit einer Pumpe abgesaugt. Da im WIT-Prozess Wasser verwendet wird, muss bei thermoplastischen Kunststoffen, die zu hydrolytischem Abbau (Hydrolyse = Spaltung der Polymerkette durch Wasser) neigen, in kurzen Produktionszyklen mit perfekter Wasserentfernung aus den Spritzgussteilen gearbeitet werden.

Beim Vergleich beider Technologien lässt sich die Verkürzung der Zykluszeit bei der WIT-Technologie hervorheben (Wasser hat einen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten bei 20 °C und 1 bar von 0,604 W.m-1K-1 und eine spezifische Wärmekapazität von 4 182 J.kg-1K-1) gegenüber GIT (Stickstoff hat bei 20 °C und 1 bar einen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten von 0,0143 W.m-1K-1 und eine spezifische Wärmekapazität von 1 038 J.kg-1K-1). Ein weiterer Vorteil der Wassernutzung ist der positive Einfluss auf die Qualität der inneren Oberflächen hohler Spritzgussteile, die geglättet werden, zudem sind die Wanddicken gleichmäßiger – siehe Abbildung 9.

Abbildung 9 : Vergleich der Bildung innerer Hohlräume bei GIT- und WIT-Technologien – oben, unten: Schnitt durch ein mit WIT hergestelltes Kupplungspedal

Beide genannten Technologien – GIT, WIT – helfen bei geeigneter Anwendung, Folgendes zu lösen oder zu reduzieren:

- durch das Erzeugen gezielter Hohlräume wird der Materialverbrauch gesenkt

- sie verkürzen die Zykluszeit

- sie ermöglichen eine gute Abbildung der Oberflächen der Formnester, Minimierung von Einfallstellen

- sie sind für die Herstellung von Spritzgussteilen mit unterschiedlichen Wanddicken geeignet

- sie minimieren Verformungen der Spritzgussteile

- sie erhöhen die Maßhaltigkeit der Spritzgussteile

- sie ermöglichen die Herstellung von Spritzgussteilen mit geringen Wanddicken und langen Fließwegen der Polymerschmelze

- sie reduzieren die Notwendigkeit hoher Schließkräfte

Herstellung von Spritzgussteilen mit geringen Wanddicken

Auch bei Verwendung dieser Spritzgießtechnologie ist die Materialeinsparung und Produktionseffizienz, die Verkürzung der Zykluszeit sowie die Senkung der Kosten für die Aufbereitung der Polymerschmelze in der Spritzgießmaschine das Hauptziel. Bei Überlegungen zu dieser Spritzgießtechnologie muss geklärt werden, was sich hinter dem Begriff „geringe Wanddicke des Spritzgussteils“ verbirgt. Beim Spritzgießen von Teilen mit geringen Wanddicken dürfen wir nicht in klassischen Begriffen denken – wie etwa, dass eine geringe Wanddicke 0,6 mm bis 1,2 mm beträgt. Statt solcher Überlegungen müssen wir immer das Verhältnis zwischen der Fließweglänge der Polymerschmelze im Formnest des Spritzgießwerkzeugs zur Dicke dieses Fließwegs berücksichtigen. Erst dieses Verhältnis hat eine Aussagekraft darüber, was eine geringe Wanddicke des Spritzgussteils ist, wobei die Beurteilung immer auf das konkrete Teil und dessen Material bezogen werden muss.

Ebenso wie bei der Plastifizierung großer Volumina von Polymerschmelze gibt es auch beim Spritzgießen von Teilen mit geringen Wanddicken das Bestreben, in möglichst kurzer Zeit das entsprechende Volumen – die Dosierung – der Polymerschmelze vorzubereiten. Hierzu werden in beiden Fällen Barriereschnecken eingesetzt. Diese Schnecken haben im Gegensatz zu Standard-Drei-Zonen-Schnecken (Einzugszone unter dem Trichter, mittlere Kompressionszone, Dosier- und Mischzone) eine andere Konstruktion, die die Aufbereitung der Polymerschmelze beschleunigen und sie vor dem Schneckenvorraum dosieren soll. Die Barriereschnecke verfügt über eine Einzugszone, eine zweigängige Barriereschneckenzone für den schnellen Transport des schmelzenden Granulats in die unterschiedlich geformte Scher-Misch-Zone, aus der die Polymerschmelze in den Dosierraum vor dem Schneckenvorraum übergeht – siehe Abbildung 10.

Abbildung 10: Barriereplastifizierschnecke - die Barriereschnecke besitzt 2 Schneckengänge - im blauen Teil bleibt die Schmelze von ungeschmolzenem beziehungsweise angelaufenem Granulat getrennt – Einstellung der Heizzonen – blaue Kurve, die standardmäßige Drei-Zonen-Schnecke hat eine ansteigende Kurve vom Trichter zur Spritzdüse; Barriereschnecke, rote Kurve – die Einstellung der Temperaturen der einzelnen Zonen ist umgekehrt, von hoher Temperatur am Trichter zu niedriger an der Düse

Die Spritzeinheiten verfügen zudem, im Vergleich zu Standard-Spritzgießmaschinen, über höhere Spritzparameter – maximaler Spritzdruck bis ca. 3 500 bar und eine Einspritzgeschwindigkeit der Schnecke bis 2 000 mm.s-1.

Für eine effiziente Nutzung dieser Spritzgießtechnologie ist es notwendig, auch ein geeignetes Spritzgießmaterial zu haben, das eine hohe Fließfähigkeit aufweist, und aufgrund der hohen Spritzdrücke und Einspritzgeschwindigkeiten die Spritzgießwerkzeuge ausreichend zu dimensionieren, einschließlich der Platzierung und Fläche der Auswerfer (Gefahr von Verformungen beim Auswerfen). Bei Verwendung hoher Nachdruckwerte (kurzer Nachdruck, aber hohes Nachdruckniveau) wird auch der Materialschwund beeinflusst; zum Beispiel weist PC/ABS Bayblend T 65 MN bei einem Nachdruck von 300 bar einen Schwund von 0,77 % auf, bei 800 bar jedoch nur noch 0,3 %.

ENDE DES DRITTEN TEILS.

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