Entformungsverhalten optimieren

Spritzgießtribometer für die schnelle Bewertung von Oberflächen

Neben der Geschwindigkeit des Kühlvorgangs entscheidet die Haftung zwischen Kavitätenoberfläche und spritzgegossenem Formteil über der Zuverlässigkeit der Entformung – und damit auch über die Zykluszeit. Erreicht wird das über funktionale Werkzeugoberflächen.

Um Verbesserungen beim Spritzgießen zu erreichen, sind praxisnahe Versuchsaufbauten erforderlich. © KIMW

Aber welche Oberfläche ist für meine konkreten Anforderungen die richtige Wahl? Wie muss die Oberfläche beschaffen sein? Ein am Kunststoff-Institut Lüdenscheid (KIMW) entwickeltes Spritzgießtribometer soll praxisnahe, schnelle, reproduzierbare und kostengünstige Analysen der Haftung von Thermoplasten und thermoplastische Elastomeren ermöglichen.

Spritzfrische, standardisierte Formteile werden direkt und ohne äußere Einflüsse oder Zeitverlust im Werkzeug vermessen. Sie bestehen aus einer tellerförmigen Messfläche mit rückseitiger Rippenstruktur und der Angussstange. Die Kavität befindet sich mit einem Federauswerfer vollständig auf der Düsenseite und wird nur vom metallischen Probekörper, der unterschiedliche Strukturen, Beschichtungen oder Werkzeugmaterialien aufweist, und einer ihn umgebenen Hülse auf der Auswerferseite abgeschlossen. Auf der Auswerferseite befindet sich die Messvorrichtung, die vor allem aus einer Welle besteht, an deren Ende der Probekörper eingespannt wird. Angetrieben von einem Hydraulikmotor drückt die die Welle pneumatisch in Richtung der Trennebene.

Nach Ablauf der Restkühlzeit, wenn im Serienprozess die Entformung startet, wird das Versuchswerkzeug auf einen Zwischenhub geöffnet. In dieser Position drückt der Federauswerfer das Formteil, das düsenseitig mit den Rippen gehalten wird, aus der Kavität in Richtung der Trennebene. Die Welle der Messeinheit drückt den Prüfkörper, der seit der Einspritzphase auf das Formteil gepresst wird, aus der Auswerferseite in Richtung Trennebene. Damit stehen Formteil und Prüfkörper frei zwischen den Werkzeugseiten, so dass nur noch die Prüfflächen von Formteil und Prüfkörpers in Kontakt.

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Haftvermögen unterschiedlicher Werkzeugoberflächen für den Kunststoff Polystyrol. © KIMW

Im zweiten Schritt folgt die Drehbewegung der Welle auf der Auswerferseite um 180 Grad. So werden Haft- und Gleitmomente ermittelt, die das Entformungsverhalten exemplarisch beschreiben. Kennwerte aus der Messung ist zum einen das maximale Haftmoment, jener Zeitpunkt, an dem die Haftung bei der Scherbewegung versagt. Zum anderen ist das Integral relevant, der auf die Scherbewegung folgende Gleitbereich. An dieser Stelle wird von der Entformungsleistung gesprochen, die als Messwert aufgezeichnet wird.

Messwerkzeug und Messmethode unterliegen bekannten Grenzwerten aus Messaufbau und Drehbewegung. Es lassen sich Werkzeugwandtemperaturen zwischen 13 140 Grad Celsius gefahren werden. Um die Reproduzierbarkeit sicherzustellen, ist diese separat temperiert. Mit der Messmethode sind auch weiche Werkstoffe bis Shore A Härte 30 verarbeitbar.

Da die Messwerte in situ aufgezeichnet werden und eine Ansicht bereits während des laufenden Spritzgießprozesses möglich ist, sind verfahrensbedingte Einflüsse frühzeitig erkennbar und gegebenenfalls Optimierungsmaßnahmen möglich. Die beiden Messwerte Drehmoment und Anpresskraft werden nach der Musterung mit den Werten unterschiedlicher Messreihen verglichen. Die Ergebnissen liefern eine quantitative Aussage über das Entformungsverhalten / Reibverhalten zwischen einem Kunststoff und verschiedenen Werkzeugoberflächen.

Materialien und Oberflächen bewerten
Eine Vielzahl untersuchter Werkzeugoberflächen mit unterschiedlichen Strukturen und Beschichtungen weisen auf ein komplexes Haftungsverhalten der Kunststoffe hin. Tendenziell lassen sich die in der Praxis verwendeten Kunststoffe in gut, mittel und schlecht haftende Typen gruppieren. Die Untersuchung startet mit Verwendung einer Referenz, die den industriellen Standard wiederspiegelt. Das Institut nutzt dafür eine hochglanzpolierte Stahloberfläche des Warmarbeitsstahls 1.2343 mit hoher Zähigkeit und Warmfestigkeit. Beispielhaft zeigt der technische Kunststoff POM ein eher geringes Haftungsverhalten. Ein Polypropylen (PP) haftet deutlich stärker.

Untersuchte Beschichtungen zeigen abhängig vom Kunststoff unterschiedliches Haftungsverhalten. Im Vergleich zu einer polierten, unbeschichteten Werkzeugoberfläche sind die Haftmomente für den thermoplastischen Kunststoff Polyoxymethylen (POM) durchschnittlich nur wenig beeinflusst. Die Ergebnisse für den Kunststoff PP weisen auf eine signifikant reduzierte Haftung für die Schichtvarianten Zirkonium- und Aluminiumoxid hin.

Auch der Einsatz strukturierter Werkzeugoberflächen schafft eine nachhaltige Veränderung des Haftungsverhaltens. Exemplarisch wurde die Wirkung unterschiedlich strukturierter Werkzeugoberflächen auf das Entformungsverhalten und der Bauteilqualität auf das Entformungsverhalten von Polystyrol-Bauteilen untersucht. Untersucht wurden industriell verfügbare Schichttechnologien (strukturierte Chromschicht Topochrom), sowie Strukturierungstechniken (Laser- Strahl-, Schleifbearbeitung, Erodiertechnologie und Polier- und Ätztechniken). Die geschliffene und hochglanzpolierte Oberfläche weisen mit durchschnittlich 2,5 Newtonmeter das höchste Haftvermögen auf. Die polierte und mit CrN beschichtete und die ätztechnisch hergestellte Oberfläche weisen mit durchschnittlich 1,5 bis 1,7 Newtonmeter ein um 50 Prozent geringeres Haftvermögen auf.

Praxisnahe Prüfungen
Die Haftung von Kunststoffen an Werkzeugoberflächen hängt von einer Vielzahl von Einflussgrößen ab. Hohe Wirkung haben der Kunststofftyp mit seiner Additivierung, die Verfahrens- und Werkzeugparameter sowie die Art der Formteilqualität und -auslegung. Aufgrund des komplexen Zusammenspiels der Stellgrößen haben sich Modelle, die nur auf einen Einflussfaktor wie der Benetzbarkeit von Werkzeugoberflächen abzielten, nur zu einer geringen Korrelation mit den tatsächlichen Haftverhalten geführt. Mit dem Konzept des KIMW-F steht ein kostengünstiges und kurzfristig anwendbares Instrument zur Ermittlung von bestgeeigneten Oberflächentechnologien zur Reduzierung von Haftkräften zur Verfügung. Die Messergebnisse sind praxisnah und werden im hohen Maße durch den Kunststoff und seine Additivierung beeinflusst.

Die Forschungsstelle nutzt das Tribometer für eine gezielte Entwicklung von antiadhäsiven Oberflächenstrukturen und Beschichtung ausgewählter Kunststoffgruppen. Die Ermittlung der Daten und der daraus resultierenden Empfehlung wird als Dienstleistung für Werkzeughersteller und kunststoffverarbeitende Unternehmen angeboten.

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