TPE im Schaum-Spritzguss sicher verarbeiten

Schaumspritzguss 2.0

Mit robusteren und weniger komplexeren Technologien zum Schaum-Spritzguss lassen sich nicht nur die Leichtbau-Potenziale weiter ausschöpfen: Es sind Lösungen zur Verbesserung der Oberflächengüte bis zum Hochglanz, zur partiellen Kombination von Kompakt- und Schaumspritzgussbereichen in einem Formteil und zum Schäumen thermoplastischer Elastomere möglich. Letztere wurden in Kooperation zwischen Wittmann Battenfeld mit dem bayerischen Technologieunternehmen Schaumform entwickelt.

Strukturschaumteile mit Hochglanz-Oberflächen sind als Ergebnis einer gemeinsamen Entwicklung von Maschinenhersteller und Verarbeiter möglich geworden. (Bild: Reinhard Bauer)

Die Schaum-Spritzgießtechnik ist kein neues Verfahren. Anwendungen, bei denen chemische Substanzen wie Azodicarbonamid oder Phenyltetrazol dem Kunststoffgranulat zugemischt und einplastifiziert werden, die nach dem Einspritzen in die Formkavität Treibgase freisetzen, sind seit rund 50 Jahren bekannt und im Produktionseinsatz. Da der Expansionsdruck der chemisch abgespaltenen Gase nur zwischen etwa 15 und 40 bar liegt, ist deren Anwendung auf relativ dickwandige Bauteile mit kurzen Fließwegen beschränkt.

Das später entwickelte Schäumen durch Zugabe von Inertgas, meist Stickstoff, ermöglicht höhere Expansionsdrücke im Bereich von 100 bis 200 bar. Somit kann das Leichtbaupotenzial des Schaumspritzgusses auch für dünnwandige Formteile und Komponenten mit langen Fließwegen eingesetzt werden. Die Vorteile sind über die Gewichts- und Materialeinsparung die Reduktion des zur Kavitätenfüllung notwendigen spezifischen Spritzdrucks und damit der Schließkraft, sowie die Kompensation von Schwindungs- und Verzugseffekten. Beide Verfahren werden zur Verarbeitung thermoplastischen Kunststoffen, von PP bis zu technischen Kunststoffen, wie PC, PA oder PBT angewandt. Aktuelle, Erfolg versprechende, Entwicklungen haben zum Ziel, die Anwendungsmöglichkeiten auch auf thermoplastische Elastomere auszudehnen.

Anzeige

Prozesssichere Lösungen gefragt
Zentrale Aufgabe der Schaum-Spritzgießanlage ist das Erzeugen einer homogen dispergierten einphasigen Polymer-Gas-Lösung beim Plastifiziervorgang. Die dafür eingesetzte Technik ist bei allen Anbietern ähnlich. So wurden die Erfahrungen aus der vor mehr als 40 Jahren von Battenfeld in Meinerzhagen entwickelte Technologie genutzt, um beim Nachfolger Wittmann Battenfeld trotz der Ausweitung des Anwendungsspektrums die Systemkomplexität zu reduzieren und damit prozesssicherer zu machen. Die unter dem Produktnamen Cellmould angebotene Schaum-Spritzgießeinheit wurde laut Entwickler so nahe als möglich an der Standard-Spritzgießeinheit angelehnt. Dem entsprechend arbeitet die Maschine mit einer 20D-Standard-Schnecke, die nach vorne hin um einen 5D-Mischteil verlängert wurde.

Cellmould-Pastifiziereinheit–Kernkomponenten sind ein 25D-Massezylinder mit einer 20D-Drei-Zonen-Plastifizierschnecke und anschließender 5D-Begasungs- und Misch-Zone. Ein Stauring (Barriere) trennt die beiden Funktionszonen. (Bild: Wittmann Battenfeld)

Ein Spezifikum der Technik sei die Trennung des Plastifizier- vom Begasungsbereich der Schnecke durch eine fixe, zylindrische Barriere auf der Schnecke. Es ist die Alternative zum Einsatz einer zusätzlichen Hülsen-Rückstromsperre. Der Aufwand, zwei Rückstromsperren auf die jeweiligen Betriebsverhältnisse abzustimmen und betriebssicher, also verschleißfest, zu gestalten sei der Grund gewesen, nach einer einfacheren Lösung zu suchen. Das führte zur Lösung mit der Barriere zwischen Plastifizier- und Begasungsbereich der Schnecke. Sie habe sich in allen Baugrößen im Produktionsbetrieb bewährt, das Verschleißproblem sei ausgeschaltet worden, ohne große Kompromisse bei der Gasdichtigkeit in Richtung des Plastifizierbereichs der Schnecke eingehen zu müssen.

Im Mischabschnitt der Plastifiziereinheit wird während des Dosierhubs verflüssigter Stickstoff (da unter Druck bis 300 bar stehend) über einen Injektor der Kunststoffschmelze zudosiert, der in die Schmelze eindiffundiert. Im Mischteil der Schnecke wird durch die Aufteilung des Schmelzestroms in viele Einzelströme die Stickstoffverteilung intensiviert. Da eine Nadelverschlussdüse den Massezylinder während des Plastifizier- und Begasungsvorgangs in Richtung Spritzgießwerkzeug verschließt, wird das Schmelze-Gas-Gemisch im Plastifizierzylinder unter Druck gehalten. Somit liegt zum Ende des Mischprozesses eine einphasige Polymer-Gas-Lösung vor. Sie ist beim Einspritzen in die Kavität einem Druckabfall ausgesetzt. Dabei wird die Lösungsfähigkeit des Gases in der Kunststoffschmelze herabgesetzt. Das fein verteilte Gas nukleiert in der Schmelze und schafft damit die Voraussetzung für die Bildung einer ebenso feinzelligen Schaumstruktur. Deren konkrete Ausbildung hängt von den Verfahrensbedingungen des Spritzgießprozesses ab. Dazu zählen die Schmelzeviskosität des Kunststoffs, die Einspritzgeschwindigkeit (je höher, desto feiner der Schaum) und nicht zuletzt der eingestellte Schäumgrad (Materialreduktion). Letzterer wird entweder durch eine entsprechende Unterdosierung in eine fixe Kavität oder durch die Komplettfüllung einer Kavität, die anschließend um einen eingestellten Präzisionshub geöffnet wird, eingestellt. Um die, für eine gleichmäßige Schaumverteilung günstige hohe Einspritzgeschwindigkeit zu erreichen, ist ein Einspritz-Akkumulator Teil des Technologiepakets. Der Stickstoff wird alternativ einem Druckflaschen-Speicher entnommen oder mit einer Stickstoff-Gewinnungsanlage aus der Umgebungsluft erzeugt. In beiden Fällen wird das Gas anschließend über eine Druckerzeugungseinheit, wie sie auch für die Airmould-Gasinjektionsanlagen eingesetzt werden, zum Gasinjektor geleitet. Im Battenfeld-Anlagenkonzept lassen sich aus einer Gas-Versorgungseinheit mehrere Maschinen gleichzeitig ansteuern. Zwischen Druckversorgungseinheit und Gasinjektor am Plastifizierzylinder befindet sich ein Gasregelmodul. Über dessen ansteuerbare Ventilanlage wird der Gasfluss prozessabhängig gesteuert. Diese Ausrüstung ist für das gesamte Wittmann Battenfeld-Maschinenspektrum lieferbar.

Das Cellmould Ausrüstungspaket umfasst neben Gasinjektor und Gasregelmodul auch einen Einspritzakkumulator an der Maschine (Bildmitte) und eine zentrale Stickstoff-Erzeugungsanlage in Kombination mit einer Kompressoreinheit. (Bild: Wittmann Battenfeld)

Variables Hochdruck-Schaumspritzgießen
In der Formteilkavität wird die Schaumbildung in der Schmelze-Außenhaut durch Kontakt mit der gekühlten Werkzeugkavität und der damit einher gehenden Viskositätszunahme weitgehend unterdrückt, während der wärmere Kernbereich die Bildung der Zellstruktur begünstigt. Dadurch bilden sich im Formteil über weite Strecken „Sandwich-Strukturen“ aus Deckschichten mit hoher Dichte und Kernbereichen, deren Raumgewicht um 5 bis 20 Prozent niedriger liegt.

Die mögliche Bauteil-Dichtereduktion zeigt für alle gängigen Kunststofftypen einen direkten Zusammenhang mit dem Fließweg/Wanddicke-Verhältnis. Beispielsweise kann bei der Verarbeitung von PP mit dem Verhältnis von 100:1 eine Dichtereduktion von 15 Prozent erreicht werden, während bei 150:1 nur noch eine Dichtereduktion von 10 Prozent zu erwarten ist.

Kunststoff-Leichtbaukomponenten mit kompakter Außenhaut und strukturgeschäumtem Kern, hier ein Gehäuseteil aus PP mit drei Millimeter Wanddicke. (Bild: Reinhard Bauer)

Über die Gewichtseinsparung hinaus bietet der Schaumspritzguss zusätzliches Potenzial zur Verbesserung der Bauteilqualität, vor allem in Bezug auf Schwindung und Verzug durch den gleichmäßig wirkenden Expansionsdruck des Schaumkernes. Der Effekt geht so weit, dass sich Einfallstellen und Schwindungsverzug im besten Fall vollständig vermeiden lassen. Insgesamt steigt damit die Maßhaltigkeit. Für den Verarbeiter ergeben sich darüber hinaus auch handfeste verfahrenstechnische Vorteile, wie die Verringerung des Schließkraftbedarfs um bis zu 50 Prozent durch die Herabsetzung der Schmelzeviskosität und damit des Einspritzdrucks, sowie wirtschaftliche Vorteile durch die Verringerung der Zykluszeit, besonders der Kühlzeit, bedingt durch die geringere zu kühlende Formteilmasse.

Dynamische Werkzeugtemperierung für Hochglanz
Trotz Ausschöpfung aller Parametervariationen des Schaum-Spritzgießprozesses zeigen Leichtbauteile in der Regel als generelles Merkmal eine charakteristische Schlierenbildung bzw. einen Grauschleier an der Oberfläche. Der Oberflächeneffekt ist auf ein Durchdringen von Gasblasen in die Schmelze-Fließfront während des Einspritzvorgangs zurückzuführen. Diese Struktur wird beim Kontakt mit der kühleren Kavitätenwand eingefroren und bleibt bestehen. Glanzoberflächen, wie sie für Sichtteile an Gehäusen erforderlich sind, lassen sich mit der Standard-Technik nicht erreichen. Es ist jedoch eine erhebliche Verbesserung der Oberflächengüte durch die Kombination des Schaumspritzgießens mit einer zyklisch-dynamischen Werkzeugtemperierung möglich, wie sie beispielsweise unter den Produktnamen Bfmold und Variamould angeboten wird. Dabei handelt es sich um Varianten einer im Spritzgießwerkzeug auf der Formteil-Sichtfläche integrierten, konturfolgenden Kühlung mit zyklisch arbeitenden Heiß-Kalt-Temperiergeräten. Sie temperieren begrenzte, kavitätsnahe Werkzeugbereiche. Durch Aufheizen der Werkzeugwand, beispielweise mit bis zu 180 °C heißem Druckwasser unmittelbar vor dem Einspritzen der begasten Schmelze, kommt das Material im ersten Moment nicht mit einer kalten Werkzeugwand in Berührung, sodass sich ohne Einfrieren eine geschlossene Oberfläche ausbilden kann. Auf diese Weise können gute Oberflächenqualitäten erzielt werden, die denen von Bauteilen aus Kompakt-Kunststoff nicht nachstehen.

Dekorblende aus PC/ABS-Blend, links produziert mit aktiver Dynamik-Kühlung, rechts ohne die Aktivierung der dynamischen Werkzeugtemperierung. (Bild: Reinhard Bauer)

Auch Elastomere eignen sich zum Schäumen
Schaumspritzgießen ist auch für thermoplastische Elastomere anwendbar. Während beispielsweise bei Polypropylen und Polyamid gute Schaumstrukturen sowohl durch chemisches, als auch physikalisches Schäumen erreicht werden können, zeigen Versuchsreihen, dass TPE-Werkstoffe nur durch physikalische Methoden aufgeschäumt werden können und darüber hinaus nur TPEs auf Basis thermoplastischer Polyestern brauchbare Ergebnisse bei Schaumstruktur, Feinzelligkeit und Gleichmäßigkeit geliefert haben. Grundsatzversuche zeigten, dass ein Zusammenhang zwischen der eingestellten Weichheit des TPE und auftretenden Oberflächenprobleme beim Schäumen besteht. Je weicher das Ausgangs-TPE, umso mehr Oberflächen-Unregelmäßigkeiten, vor allem Dellen. Das gilt besonders, wenn das Schaumspritzgießen mit dem Präzisionsöffnen des Spritzgießwerkzeugs kombiniert wird, vor allem, wenn die Werkzeugkavität strich- oder gar hochglanzpoliert ist. Dafür gibt es mehrere Erklärungsansätze. Einer ist, dass bereits beim Füllvorgang Luft zwischen Formteil und Werkzeugwand eingeschlossen wird, die nicht mehr entweichen kann. Eine alternative Annahme geht davon aus, dass es beim Präzisionsöffnen zu einer Enthaftung kommt und das expandierende Schaumbauteil beim Wiederaufsetzen auf die Kavitätenwand punktuell Luft oder Gas einschließt, was Dellen zur Folge hat.

Versuchsreihen zeigten, dass die Oberflächenprobleme bei der TPE-Verarbeitung, anders als bei steifen und festen technischen Thermoplasten, durch mittlere bis geringe Einspritzgeschwindigkeit deutlich verringert werden können. Ebenso positiv wirkt sich eine Strukturierung der Werkzeugwand aus. Erodierraue, glaskugelgestrahlte oder genarbte Oberflächen ermöglichen den potenziellen Gas- oder Luftansammlungen über Mikrokanäle in der Kontaktfläche zwischen Spritzgussteil und Werkzeugwand zu entweichen. Bezüglich der Schlierenbildung auf der Oberfläche gilt prinzipiell Analoges, wie beim Schaumspritzgießen mit technischen Kunststoffen. Die Lösung heißt auch hier: Dynamische, konturnahe Temperierung auf der Sichtseite. Kommt zugleich das Präzisionsöffnen zur Anwendung, lassen sich hochwertige Weichschaumpolsterungen, beispielsweise für Armauflagen im Fahrzeug, oder auch Stoßabsorber zum Beispiel für handgeführte Geräte, die beim Fall keinen Schaden nehmen dürfen, kostengünstig produzieren.

Veränderung von Zugfestigkeit, Schlagzähigkeit und Bruchdehnung von PP-SGS 40 in Abhängigkeit vom Schäumgrad mit 0, 5, 10 und 15 Prozent. (Bild Wittmann Battenfeld

Theorie in der Praxis umsetzen
Dass eine innovative Werkzeugtechnik hohen Anteil am Erfolg der Schaum-Spritzgießtechnik hat, wurde bereits in Zusammenhang mit der Oberflächenverbesserung erwähnt. Ein weiteres Feld der Werkzeug- und Maschinentechnik, speziell abgestimmt auf den Schaum-Spritzguss, ist das System der Teilöffnung des Werkzeugs über die Spritzgießmaschine. Dies ermöglicht die Kombination von kompakten und geschäumten Bereichen innerhalb eines Spritzgussteils. Dies ist dann notwendig, wenn Funktionselemente aus annähernd kompaktem Material, wie Haken, Federn, Bolzen, mit Panelteilen aus geschäumtem Material zu kombinieren sind. Um das zu erreichen, wird der zu schäumende Teilbereich der Kavität um den Schäumhub beweglich ausgeführt. Im ersten Schritt wird die gesamte Formteil-Kavität wie ein Kompakt-Spritzgussteil gefüllt. Anschließend wird nur der zu schäumende Teilbereich mit einer Präzisions-Hubbewegung geöffnet. Damit können auch Gehäuseteile mit komplexen mechanischen Schnittstellen zu den Partnerteilen in Leichtbauausführung realisiert werden.

Mechanische Kennwerte lassen sich gut voraussagen
Hochdruck-Schaumspritzgussteile bieten eine charakteristische Sandwichstruktur mit kompakten Deckschichten und einer geschäumten Kernschicht. Der Übergang von Deck- zu Kernschicht ist annähernd sprunghaft. Bei geringer Bauteildicke weist die Kernschicht eine über die gesamte Kernschichtdicke weitgehend konstante Dichte auf, während sich bei großer Enddicke ein ausgeprägtes Dichteprofil einstellt. Die Dichte der kompakten Deckschicht ist durch die Prozessführung ebenso wenig beeinflussbar, wie durch die Art des Begasungsverfahrens. Somit sind die wichtigsten Gestaltungsparameter die gewählte Dichtereduktion im Zentralbereich und die Wanddicke. Sie sind gut über Messergebnisse definierbar und dienen als Eckdaten einem, vom Norbert Müller, Gründer des Unternehmens Schaumform, im Rahmen seiner Dissertation entwickelten Rechenmodell zur Voraussage mechanischer Bauteileigenschaften.

Veränderung der Biegesteifigkeit, eine für Gehäuseteile relevante Eigenschaft. Die gewichtsbezogene Steifigkeit der Probekörper nimmt dabei nur bei FÜNF Prozent Verschäumung geringfügig ab, während sie bei ZEHN Prozent mit dem Kompaktteil gleichzieht und bei 15 Prozent Dichtereduktion steigt. (Bild: Schaumform)

Für die Modellbildung wird von einem symmetrischen Sandwichaufbau ausgegangen, bei dem für die Deckschichten, etwas vereinfacht, die Materialkennwerte des kompakten Materials angenommen werden. Für den geschäumten Kern werden realitätsnahe Kennwerte für den E-Modul und die Bruchdehnung (Streckdehnung bei duktilen Materialien) eingesetzt. Dabei wird das Verhalten des Schaumkerns aus dem Verhalten des gesamten Sandwichteils abgeleitet, was bei Kenntnis der Deckschichtdicken gut funktioniert. Untersuchungen, bei denen der geschäumte Kern aus einem Bauteil herauspräpariert und anschließend mechanisch geprüft wird, sind zwar möglich, führen aber zu stark streuenden und damit nur eingeschränkt verwertbaren Ergebnissen.

Zur Prüfung der Steifigkeit und Festigkeit werden optimalerweise Norm-Probestäbe, gefertigt aus spritzgegossenen Strukturschaum-Platten, verwendet. Alternativ, wenn diese Möglichkeit nicht gegeben ist, kommen Norm-Probestäbe mit 4 ×  10 Millimeter Querschnitt zum Einsatz. Allerdings muss bei der Messwert-Auswertung beachtet werden, dass nicht nur die 10 Millimeter breiten Normstab-Deckschichten, sondern auch die 4 Millimeter hohen Seitenflächen kompakt sind. Somit gleicht ein geschäumter Normzugstab einem kleinen Vierkantrohr mit etwa 0,4 bis 1,0 Millimeter Wanddicke mit einem ausgeschäumten Kernbereich.

Der Vergleich der berechneten gewichtsbezogenen Biegesteifigkeit mit Messergebnissen aus Versuchen zeigt eine gute bis sehr gute Übereinstimmung. (Bild: Schaumform)

Die Auswertung der Zugbelastung zeigt erwartungsgemäß, dass mit steigendem Schaumanteil der Zug-E-Modul und die Zugfestigkeit abnehmen. Denn Material, das nicht mehr im Bauteil vorhanden ist, kann auch keine mechanische Spannung mehr aufnehmen und nicht zum Lastabtrag beitragen. Damit dehnt sich das Schaumspritzgießerzeugnis bei gleicher Belastung stärker und bricht bei geringerer Höchstlast. Hinzu kommen Kerbwirkungseffekte, die von den deckschichtnahen Schaumzellen ausgehen. Insgesamt zeigen die Messergebnisse dass der Abfall der Zugfestigkeit immer mindestens so groß ist, wie die Reduzierung des Bauteilgewichts.

Auch unter Biegebelastung verringern sich die Absolutwerte der Biegesteifigkeit und Biegefestigkeit. Da diese Belastungssituation aber deutlich günstiger für Sandwich-Strukturen ist, ist die Festigkeitsabnahme hier deutlich geringer als bei der Zugbelastung. Die Biegesteifigkeit nimmt prozentuell weniger ab, als das Bauteilgewicht. Beispielsweise nimmt bei einem Schäumgrad von 15 Prozent die gewichtsbezogene Steifigkeit gegenüber dem ungeschäumten Kompakt-Formteil um 4,8 Prozent zu – steife Bauteile können mit geringerem Gewicht realisiert werden.

Schäumen – mehr Anwendungen sind möglich
Die Schaum-Spritzgießtechnik hat durch den – sich progressiv verstärkenden, Trend zu Leichtbau-Anwendungen eine neue Innovationsdynamik erhalten. Innovationen wie die Methoden zur Verbesserung der Oberflächenqualität bis zum Hochglanz oder die Kombination von kompakten und geschäumten Teilbereichen in einem Bauteil ermöglichen neue Anwendungen. Die wichtigsten Beiträge dazu lieferten die Weiterentwicklung der Verfahrens- und der Werkzeugtechnik von der dynamischen Werkzeugtemperierung bis zum ein- oder mehrstufigen Präzisionsöffnen für gesamte Werkzeuge oder Teilbereiche von Formkavitäten. Zusätzliches Potenzial bieten die nun verfügbaren Modellrechnungen als Auslegungshilfe in der Bauteilkonstruktion. Insgesamt hat der Schaum-Spritzgießprozess damit einen hohen Reifegrad erreicht. Er liefert präzise und wiederholgenaue Dichtereduktionen und Sandwich-Strukturen für eine ständig wachsende Palette an Kunststoffen, einschließlich thermoplastischer Elastomere.

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige
Anzeige

Newsletter bestellen

Immer auf dem Laufenden mit dem Kunststoff Magazin Newsletter

Aktuelle Unternehmensnachrichten, Produktnews und Innovationen kostenfrei in Ihrer Mailbox.

AGB und Datenschutz gelesen und bestätigt.
Zur Startseite