Gasinjektionstechnik

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1 injektionstechnik von Peter Eyerer, Peter Elsner, Marc Knoblauch-Xander, Andreas von Riewel 1. Auflage injektionstechnik Eyerer / Elsner / Knoblauch-Xander / et al. schnell und portofrei erhältlich bei beck-shop.de DIE FACHBUCHHANDLUNG Hanser München 2003 Verlag C.H. Beck im Internet: ISBN Inhaltsverzeichnis: injektionstechnik Eyerer / Elsner / Knoblauch-Xander / et al.

2 CARL HANSER VERLAG Peter Eyerer, Peter Elsner injektionstechnik

3 5 Gestaltungsregeln Hinsichtlich der geometrischen Gestaltung der Formteile lässt sich die injektionstechnik in verschiedene Produktgruppen unterteilen. In der Literatur werden zwischen zwei [1 bis 3], drei [4 bis 10] und vier [11, 12] Geometriefamilien unterschieden. Bei GIT-gerechter Konstruktion zeigt sich, dass eine geometrische Klassifizierung (Bild 5.1) der injektionsformteile in zwei Formteilklassen ausreichend genau ist. Zu unterscheiden sind: stabförmige, dickwandige, geschlossene Profile und flächige Formteile mit führungskanal. Anwendungsbeispiele Bauteilklassifizierung stabförmige Profile flächige Profile Geometriebeispiele Armlehnen, Bügel, pedale, Griffe, Türleisten Tischplatten, Abdeckungen, Gehäuse, Flaschenkästen Bild 5.1: Geometrische Bauteilklassifizierung von GIT-Formteilen [1] Eine weitere dritte geometrische Gruppe stellen Bauteile mit lokalen Masseanhäufungen dar. In diesem Fall dient der druck bei Anwendung der GIT nicht dem Formteilbildungsprozess, sondern wird lediglich zur Schwindungskompensation genutzt. Daher wird die geometrische Auslegung dieser Formteile nicht in einem eigenständigen Kapitel behandelt sondern findet an verschiedenen Stellen wie z. B. in Abschnitt 5.5 Funktionselemente Erwähnung.

4 66 5 Gestaltungsregeln 5.1 Stabförmige, dickwandige Formteile Unter der Klassifizierung stabförmige Bauteile sind alle Formteile eingruppiert, die, wie der Name schon besagt, die Form eines Stabes oder eines Griffes aufweisen und sich durch große Wanddicken auszeichnen. Zu dieser Gruppierung gehören beispielsweise Armlehnen, Tischbeine, Griffe (Bild 5.2) oder auch Pedale. Mit der injektionstechnik lassen sich solche stabförmigen Formteile, auch wenn sie über komplizierte Außenkonturen verfügen, hohl gestalten. Für die Herstellung dieser Bauteile bietet das GIT-Verfahren folgende entscheidende Vorteile gegenüber dem Kompaktspritzgießen: Herstellung von sehr dickwandigen Formteilen ohne Einfallstellen in einem Arbeitsgang. Produktion verzugsarmer Formteile durch einen verfahrensbedingten, gleichmäßigen Werkzeuginnendruck. Herstellung von einteiligen Produkten, die bisher aus mehreren Formteilen zusammengesetzt wurden (Mehrschalentechnik). Kostenreduktion durch einfachere Werkzeugtechnik, geringeren Materialeinsatz, geringere Zykluszeiten, Verwendung einer kleineren Maschine bedingt durch die geringeren Zuhaltekräfte. Bild 5.2: Dickwandiges Bauteil aus PA, hergestellt im GIT-Verfahren (Werkbild: Battenfeld) Geometrische Auslegung Bei der Gestaltung des Querschnitts ist zu beachten, dass die blase eine kreisrunde Formkontur anstrebt (Bild 5.3). Dies hat zur Folge, dass rechtecki-

5 5.1 Stabförmige, dickwandige Formteile 67 ge Bauteile bzw. solche mit ausgeprägten Kanten Masseanhäufungen in den Eckbereichen aufweisen. Um diese zu vermeiden, da sie in der Regel zu Einfallstellen und Verzug führen, ist eine kreisrunde Außenkontur des Formteils als optimal anzusehen. Da aber ein solcher Querschnitt bei den wenigsten Bauteile zu realisieren ist, sollten folgende Gestaltungsregeln beachtet werden: möglichst eine gute Annäherung an eine runde Außenkontur realisieren, scharfe Kanten vermeiden, statt dessen großzügig verrunden, Masseanhäufungen in Ecken vermeiden, die Außenkontur so gestalten, dass ihr die blase möglichst gut folgen kann. ungünstig günstig optimal Bild 5.3: blasenausbildung in Abhängigkeit der Querschnittsgeometrie [1 bis 3, 6] Zur Minimierung der Masseanhäufungen an den Randbereichen sind die folgenden Gestaltungsregeln (Bild 5.4) zur Auslegung von Bauteilen mit rechteckigem Querschnitten zu beachten: Die Breite (b) des Formteils sollte die drei- bis fünffache Teilehöhe (h) nicht überschreiten: b 3 bis 5 h Bei einer Überdimensionierung der Bauteilbreite (b 6 h) muss mit einer unsymmetrischen blasenausbildung gerechnet werden. Um eine gleichmäßige Restwanddicke zu erhalten, ist zu beachten, dass sich die blase erst ab einer bestimmten Formteillänge (l) vollständig ausbreitet. Diesbezüglich sollte daher folgende Mindestlänge eingehalten werden: l > 5 h Eine Abschätzung der Restwanddicke ist nur sehr grob möglich, da sie von mehreren Parametern abhängig ist. Allerdings kann für die überschlägige Be-

6 68 5 Gestaltungsregeln wertung der Wanddicke (s) einer Neukonstruktion davon ausgegangen werden, dass sie bei unverstärkten Thermoplasten ungefähr ein Sechstel der Querschnittsbreite beträgt: s 1/6 b Glasfaserverstärkte Kunststoffe weisen eine geringere Restwanddicke auf (s 1/10 b) [13]. Masseanhäufungen b h s ungünstig günstig b < 3 bis 5 Bild 5.4: Gestaltungsregeln für stabförmige GIT-Bauteile [1 bis 3, 10] Querschnittsänderungen Bei der Auslegung von Bauteilen müssen entsprechend den Designvorstellungen der Kunden komplizierteste Geometrien realisiert werden. Hierbei sind Querschnittsänderungen, Umlenkungen oder andere Störstellen oftmals unumgänglich. Bei der injektionstechnik ist an solchen Stellen der blasenverlauf bzw. die Wanddickenausbildung von besonderem Interesse (Einfallstellen, Verzug, Festigkeit etc.). Bild 5.5 zeigt verschiedene, aus der Strömungslehre bekannte Strömungsverläufe, mit denen die Ausbildung der Wanddicke an solchen Störstellen beschrieben werden kann [14]. Bei abrupten Änderungen des Fließwegquerschnitts kann die blase der Außenkontur nicht folgen, wodurch Toträume bzw. sogenannte tote Ecken Totraum Wirbelgebiete Wirbelgebiete Totraum Ablösung an Eckumströmungen Bild 5.5: Strömungsverläufe an Kanalveränderungen [14] Unstetige Erweiterung

7 5.1 Stabförmige, dickwandige Formteile 69 (Bild 5.6) entstehen. Diese stellen Masseanhäufungen mit den bekannten Nachteilen dar. Sprunghafte Querschnittserweiterungen führen in den toten Ecken nicht nur zu Masseanhäufungen, sondern auch an den scharfen Kanten des Einlaufs zu sehr geringen Wanddicken. Dies ist dadurch zu erklären, dass die blase sich bereits vor dem Eintritt in die aufgeweitete Stelle vergrößert, um so dem veränderten Querschnitt des kanals zu folgen [10]. Ist der Anfangsquerschnitt sehr viel kleiner als der Querschnitt der Erweiterung, kann es aufgrund der plötzlichen Expansion des es zu Verwirbelungen des stroms kommen, wodurch sich in diesen Bereichen sehr unterschiedliche Restwanddicken ausbilden können, die die Maßhaltigkeit der Teile und deren mechanische Belastbarkeit verschlechtert. Diese Verringerung der Wanddicke führt zu einer Herabsetzung der mechanischen Belastbarkeit des Bauteils. Weiterhin ergeben sich durch Querschnittsänderungen von kleinen zu großen Querschnitten immer wieder verwerfungen und somit Oberflächenfehler. Ein analoges Verhalten ergibt sich bei abrupten Querschnittsverengungen. In den toten Ecken entsteht ein stau. Masseanhäufungen und die Einstellung von dünnen Wanddicken an den Innenkanten sind die Folge. injektion Masseanhäufung blase Bild 5.6: blasenverlauf bei Querschnittsänderungen [1] Trotz dieser Problematik sind Wanddickensprünge mit dem GIT-Verfahren realisierbar. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem konventionellen Spritzgießen. Die bedingten Masseanhäufungen sollten jedoch nach Möglichkeit vermieden werden. Aus diesem Grund sollte folgendes beachtet werden: die Übergänge mit möglichst großen Radien verrunden, sanfte Übergänge wählen, das Durchmesserverhältnis der beiden Querschnitte sollte < 2 sein [1]. Weiterhin sollte zur Vermeidung von Oberflächenfehlern und zur Sicherstellung eines Quellflusses die Kavität vom größeren zum kleineren Querschnitt hin gefüllt werden [1].

8 70 5 Gestaltungsregeln Ist eine bzw. einbringung am größeren Querschnitt nicht möglich, so kann dies auch im kleineren Querschnitt geschehen. In diesem Falle sollten folgende, generelle Empfehlungen besonders beachtet werden: Querschnittsänderungen durch sanfte Übergänge gestalten (Bild 5.7), eine Quellströmung durch gestufte einspritzgeschwindigkeiten erzeugen, den druck gegebenenfalls profilieren. ungünstig günstig Bild 5.7: Masseanhäufungen bei sanften Querschnittsveränderungen [1] Liegt die Querschnittsänderung allein auf der Sichtseite des Fließwegs, kann das Setzen eines Kerns dazu führen, dass die blase in die tote Ecke gedrückt wird, wodurch sich die Masseanhäufung verringert. Voraussetzung für diese Anwendung ist, dass die am Kern entstehende ansammlung der Querschnittsaufweitung bedingten Masseanhäufung vorzuziehen ist (Bild 5.8). Bei dieser Korrektur der blasenlage sollte der Kern asymmetrisch in den Fließweg gesetzt werden, um eine entsprechende Zwangsführung der blase bewirken zu können. Die Kernpositionierung hängt jedoch von diversen Randbedingungen ab, die nicht genau vorherbestimmbar sind (Geometrie, Prozessführung). Daher ist es ratsam, mit Hilfe von Werkzeugeinsätzen eine empirische Bestimmung der Lage und Dimensionierung des Kerns vorzunehmen. Bezüglich des Verzugs ist bei Querschnittsänderungen zu beachten, dass die Restwanddicken bei einer Vergrößerung der Formteilquerschnitte zunehmen und somit auch erhöhte Schwindungspotentiale aufweisen. Wird durch Querschnittsänderungen die blasensymmetrie gestört, kann daher aufgrund partieller Masseanhäufungen ein Verzug auftreten.

9 5.1 Stabförmige, dickwandige Formteile 71 Sichtseite Sichtseite Bild 5.8: Veränderung der blasenlage bei einer einseitigen Querschnittsverengung durch einen Kern [1] Kern Umlenkungen Umlenkungen können grundsätzlich in der GIT-Technik realisiert werden. Allerdings folgt die blase dem Weg des geringsten Widerstands, wobei sich eine unsymmetrische blasenlage ausbildet. Der Hohlraum bildet sich zur Innenseite der Umlenkung verschoben aus. Folglich entstehen verschiedene Wanddicken entlang des Bauteilumfangs. An der Außenseite der Umlenkung ergeben sich Masseanhäufungen während sich innen eine geringere Wanddicke ausbildet. Bei glasfaserverstärkten Materialien kann dieser Effekt so stark ausgeprägt in Erscheinung treten, dass die inneren Wanddicken aufgrund ihrer extrem dünnen Ausbildung beim Entformen an dieser Stelle einreißen. Zudem zentriert sich die blase nach der Umlenkung, insbesondere bei faserverstärkten Kunststoffen, nicht mehr. Sie bleibt zur Innenseite der Kavität verschoben. Bei unverstärkten Kunststoffen hingegen zentriert sich die blase bei ausreichend langen Fließwegen wieder [1]. Geometrische Auslegung Die Praxis zeigt, dass sich die innere und äußere Wanddicke im Bereich einer Umlenkung angleichen lassen, wenn der Umlenkradius, insbesondere der Außenradius, hinreichend groß gewählt wird (Bild 5.9) [15]. In Bild 5.10 sind Schnitte von stabförmigen Bauteilen mit verschiedenen Krümmungswinkeln im Vergleich nebeneinander aufgeführt. Man sieht deutlich, dass sich mit grö-

10 72 5 Gestaltungsregeln ßer werdendem Umlenkwinkel die Wanddicken entlang der Innen- und Außenseite angleichen. Für die Auslegung der Radien dickwandiger Formteile empfiehlt sich ein Innenradius > 15 mm und ein Außenradius > 40 mm. schlecht besser gut Bild 5.9: Geometrische Auslegung von Umlenkungen [1 bis 12] Bild 5.10: blasenlage in Abhängigkeit des Umlenkwinkels Steuerung der blase Lassen sich scharfe Umlenkungen nicht vermeiden, kann möglicherweise durch die Anwendung der nachfolgenden Maßnahmen eine blasenzentrierung innerhalb der Umlenkung bewirkt werden (Bild 5.11) [1]: Platziert man einen Kern unmittelbar vor der Umlenkung auf der Innenseite, wird die blase zur Außenseite hin verschoben.

11 5.1 Stabförmige, dickwandige Formteile 73 Erfolgt die einleitung senkrecht zum Fließweg kurz vor der Umlenkung, so erhält das durch die Prallfläche der Wandung einen Impuls. Dieser bewirkt eine Verschiebung der blase in Richtung Außenseite, so dass eine homogene Wanddickenausbildung im Bereich der Umlenkung erzielt wird. Steuerung der blase über einen Kern Steuerung der blase durch Eingasung senkrecht zum Fließweg Steuerung der blase durch Einbringung einer zweiten Umlenkung Kern Bild 5.11: Zentrierung der blase nach einer Umlenkung [1] Bei glasfaserverstärkten Kunststoffen kann durch das Einbringen eines Kerns in den Fließweg die asymmetrische Lage der blase korrigiert werden (Bild 5.12). Die unterschiedlichen Wanddicken im Bereich der Umlenkung bleiben allerdings erhalten. Ansicht A A Kern Bild 5.12: Zentrierung der blase nach einer Umlenkung durch einen Kern bei GF-verstärkten Kunststoffen [1]

12 74 5 Gestaltungsregeln Weiterhin ist zu beachten, dass die Kombination von mehreren Umlenkungen innerhalb des Fließwegs ebenfalls die Lage der blase beeinflusst. Schließt nach einer Umlenkung eine weitere entgegengesetzt gerichtete Krümmung des Fließkanals an, verringert sich die Exzentrizität der blasenlage (Bild 5.11). 5.2 Flächige, dünnwandige Formteile Die Herstellung von dünnwandigen, plattenförmigen Bauteilen im Standard- Spritzgießverfahren bereitet gewisse Schwierigkeiten. Die großen projizierten Flächen erfordern sehr hohe Schließkräfte. Außerdem bewirken eingefrorene Spannungen einen Verzug der gespritzten Bauteile. Die Anwendung der injektionstechnik eröffnet hinsichtlich dieser nachteiligen Eigenschaften des Kompaktspritzgießens bei der Fabrikation flächiger Kunststoffartikel viele Vorteile. Zur Führung des es werden dünnwandige Bauteile mit führungskanälen ausgestattet, um eine unkontrollierte blasenausbildung in die Fläche zu vermeiden. Aufgrund der isobaren Druckzustände innerhalb des kanals angussnah und angussfern, kann der Verzug flächiger Bauteile im Vergleich zum Kompaktspritzgießen erheblich vermindert werden. Zudem kann durch den verringerten Einspritzdruck der mit geringerer Schließkraft gefertigt werden. Die zu Rippen ausgebildeten kanäle haben eine versteifende Wirkung auf das Formteil. Dies ist besonders bei großflächigen Bauteilen vorteilhaft [1 bis 3, 8 bis 10]. Bild 5.13: Plattenförmiges GIT-Formteil (Werkbild: Battenfeld) Geometrie des führungskanals Der ideale führungskanal ist kreisförmig im Querschnitt, da die blase bestrebt ist die Form der geringsten Oberfläche einzunehmen. Bei flächigen Bauteilen ist jedoch der führungskanal an einen ebenen Bereich gebunden. Somit müssen bezüglich der Rippengestaltung Kompromisse eingegangen

13 5.2 Flächige, dünnwandige Formteile 75 werden. Ziel sollte es sein, eine gleichmäßige Wanddickenausbildung entlang des Umfangs zu realisieren. Bezüglich der Gestaltung von Rippen und führungskanälen sollten folgende Empfehlungen berücksichtigt werden (Bild 5.14): Masseanhäufungen vermeiden, sanfte Ausgestaltung der Übergänge zwischen Rippe und Fläche. schlecht besser gut Bild 5.14: Gestaltung von führungskanälen und Rippen [1] Der druck kompensiert auch im flächigen Bereich die Schwindung des Kunststoffs, wodurch die blase leicht in den Übergangsbereich zwischen führungskanal und Fläche eindringt. Ein zu starkes Eindringen der blase, der sogenannte Fingereffekt (s. Abschnitt 5.2.3), ist aufgrund der Ausbildung von Oberflächenmarkierungen unerwünscht. Zur Vermeidung dieses Effekts sollte die Dicke der Fläche (s) drei Millimeter nicht überschreiten: Flächendicke s < 3 mm Bezüglich der Flächendicke ist weiterhin zu beachten, dass sie aufgrund der unterschiedlichen Schwindungseigenschaften bei teilkristallinen Thermoplas-

14 76 5 Gestaltungsregeln ten möglichst gering ausgeführt wird, wohingegen sie bei amorphen Kunststoffen auch größer gewählt werden kann. Weiterhin sollten Rippen möglichst groß gestaltet werden. Eine Rippenbreite die ungefähr dem zweieinhalb- bis fünffachen der Wanddicke der angrenzende Fläche entspricht, hat sich als günstig erwiesen. Die Höhe des führungskanals ist mit 70 bis 100 % seiner Breite zu dimensionieren [1]: 2,5 s < h < 5 s 0,7 < b/h < 1 Diese Gestaltungsregeln (Bild 5.15) sind ein Kompromiss aus der Anforderung nach einem großen Kanalquerschnitt für eine leichte Formteilfüllung und einer hohen Steifigkeit sowie dem Bestreben, die Wanddicken so gering wie möglich zu halten, um Masseanhäufungen zu vermeiden (kleiner kanalquerschnitt) [1]. Zur Steigerung der Stabilität können zusätzlich auf den führungskanälen Rippen angeordnet werden (Bild 5.15 unten), wobei ihre Höhe (d) das fünf- bis zehnfache ihrer Breite (c) nicht überschreiten sollte [1, 2]. b c d h s b = 2,5s - 5s h = 0,7b - 1b s < 3 mm c = 0,5s - 1s d = 5c - 10c Bild 5.15: Gestaltungsregeln für flächige GIT-Bauteile mit kanal [1] Dient der Kanal lediglich der verteilung und bietet keine versteifende Wirkung, kann der Querschnitt linsenförmig ausgeführt werden (Bild 5.16). Eine Sichtbarkeit des kanals an der Formteiloberfläche wird dadurch vermindert. In diesem Fall kann folgendes Verhältnis gewählt werden [1]: h 1s

15 5.2 Flächige, dünnwandige Formteile 77 Bild 5.16: Verkleidungsbauteil (Werkbild: Battenfeld) Der Auslauf eines kanals sollte möglichst mit einen weichen Übergang (Rundung) an den dünnwandigen Bereichen gestaltet sein. Eine abrupte Kanalverengung führt zu Masseanhäufungen und den daraus resultierenden Einfallstellen [10] Anordnung von mehreren kanälen Ist es notwendig, mehrere führungskanäle auf einem flächigen Bauteil zu platzieren, sollten Zusammenführungen vermieden werden, da Massepfropfen in nicht reproduzierbarer Weise entstehen und zu Einfallstellen führen. Daher sollten die Kanäle kreuzungsfrei und in Strömungsrichtung bzw. parallel zur Richtung der fließfront ausgeführt werden, auch wenn dies zu einer Verminderung der Formteilsteifigkeit führt. Weiterhin sollte bei der Gestaltung mehrerer kanäle darauf geachtet werden, dass die kanäle nicht zu dicht aneinander liegen, da sonst die Gefahr besteht, dass das durch die Fläche von einem kanal zum anderen dringt, die Hauptfließrichtung der durch das fortgesetzt wird, das nicht in ungefüllte Bereiche austreten kann (bei Anordnung der Kanäle das Füllbild der beachten). In Bild 5.17 sind einige Beispiele für eine GIT-gerechte Anordnung von mehreren kanälen aufgezeigt. Bei Formteilgeometrien mit unterschiedlich langen Fließwegen und einem unterschiedlich schnellen Fließfrontverlauf besteht die Gefahr von Durchbläsern, Bindenähten oder Lufteinschlüssen. Daher sollte in diesen Fällen eine sorgfältige Massebalancierung durch Füllstudien oder Simulationen durchgeführt werden. Die Formfüllung kann auch durch die Anwendung des ausblasverfahrens statt der Standard-innendrucktechnik begünstigt werden.

16 78 5 Gestaltungsregeln schlecht gut Bild 5.17: Geometrische Anordnung mehrerer führungskanäle [1 bis 4, 15]

17 5.2 Flächige, dünnwandige Formteile Formfüllung/Fingereffekte Bei der Formfüllung von flächigen innendruckbauteilen zeigt sich ein deutliches Voreilen der im führungskanal. In den flächigen Bereichen, in denen bereits vor der injektion vorliegt ist kein einbruch zu erwarten. Kritisch sind Bereiche in die die bei der SD- GIT nach der injektion verdrängt wird. Hier besteht die Gefahr, dass das in die Fläche eindringt. Diese, in der GIT meist unerwünschten Erscheinungen nennt man Fingereffekte. Durch Fingereffekte entstehen neben mechanischen Schwachstellen auch Oberflächenfehler, die die Qualität des Produkts mindern können. Bild 5.18 zeigt ein flächiges Probebauteil mit einem kanal, bei dem sich ein deutlicher Fingereffekt in der Fläche gebildet hat. Durch die Verwendung eines amorphen Thermoplasten (transparent) kann die unterschiedliche Ausbildung der blase angussnah und angussfern sehr gut aufgezeigt werden (s. auch Abschnitt 8.4). Bild 5.18: Ausbildung des Fingereffekts an einem flächigen Probebauteil mit kanal Zur Vermeidung von Fingereffekten durch eine entsprechende geometrische Auslegung des Bauteils ist eine Wanddickenreduzierung am Übergang der flächigen Bereiche zum führungskanal hilfreich (Bild 5.19). Hierdurch vergrößern sich die Fließwiderstände am Anbindungsbereich, wodurch sich die Arbeit für das erhöht, um in die Fläche einzudringen [7]. In Kapitel 8 Oberflächenfehler wird auf den Fingereffekt entsprechend der verwendeten Werkstoffe, Bauteilgeometrien und Verarbeitungsparameter näher eingegangen. ungünstig günstig Bild 5.19: Gestaltung des Übergangs zwischen Fläche und kanal [10]