Darf s etwas mehr sein?

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1 30 SPECIAL RENAISSANCE DER SCHÄUMVERFAHREN Spritzgießen [FAHRZEUGBAU] [MEDIZINTECHNIK] [VERPACKUNG] [ELEKTRO & ELEKTRONIK] [BAU] [KONSUMGÜTER] [FREIZEIT & SPORT] [OPTIK] Darf s etwas mehr sein? Verfahrenskombinationen öffnen dem Schaumspritzgießen neue Horizonte Der Leichtbau-Trend und der Wunsch, weitere Einsparpotenziale in der Kunststoffverarbeitung zu erschließen, sorgen für eine zunehmende Verbreitung des Thermoplast-Schaumspritzgießens. Durch die gezielte Kombination mit anderen Verfahren ist es möglich, die Mechanik, Haptik und Oberflächenanmutung geschäumter Bauteile positiv zu beeinflussen. Beim Thermoplast-Schaumspritzgießen (TSG) wird die mit einem Treibmittel beladene Kunststoffschmelze in die Kavität eingespritzt. Der dort einsetzende Schäumprozess ersetzt den im Kompakt- Spritzgießen notwendigen Nachdruck und führt zu einem homogenen Druckniveau. Da sich zwischen Anschnitt und Fließwegende kein Druckgradient ausbildet, wird die Verzugsneigung deutlich reduziert. Außerdem muss bei der Wahl der Angusspositionen und der Wanddicke nicht darauf geachtet werden, dass der Nachdruck auch in angussferne Bereiche übertragen werden kann. Somit lassen sich in vielen Anwendungen die Wanddicken verringern, zudem wird ein Anspritzen von dünn auf dick möglich [1]. Vorbild Natur: dem Aufbau von Knochen und Baumstämmen ähnlich Betrachtet man den eines geschäumten Bauteils, so erkennt man einen sandwichartigen Aufbau: die kompakten Randschichten außen und im Inneren eine feinzellige Schaumstruktur, die u. a. für das reduzierte Bauteilgewicht verantwortlich ist. Bei den meisten Materialien kommt es an der Bauteiloberfläche allerdings zur Schlierenbildung, weil beim Einspritzen an der Schmelzefront Bläschen entstehen (Bild 1). Der sandwichartige Aufbau verbessert häufig die gewichtsspezifischen Eigenschaften des Bauteils, also die Eigenschaftskennwerte, die pro Kilogramm Material angegeben werden. Beispiele dafür findet man auch in der Natur. So haben ein menschlicher Knochen und ein Durch Kombination der variothermen Werkzeugtemperierung mit einem Thermoplast-Schaumspritzgießverfahren wie MuCell lassen sich geschäumte Bauteile mit einer hohen Oberflächenqualität herstellen. Engel demonstrierte gemeinsam mit Roctool das Potenzial dieser Technologiekombination auf der Fakuma 2014 mit der Herstellung von Mittelkonsolenkomponenten Baumstamm einen Aufbau, der dem eines geschäumten Bauteils ähnelt: Eine kompakte Deckschicht umgibt eine zelluläre Kernstruktur. In beiden Fällen überträgt der Kern die Schubkräfte oder die Druckbeanspruchungen, während sich aus der kompakten Randschicht größtenteils die Biegeeigenschaften ableiten. Auf Basis von Berechnungen [2, 3] lässt sich zeigen, wie sich die Zug- und Biegesteifigkeiten bei abnehmender Dichte in Relation zu kompakt gefertigten Bauteilen verhalten (Bild 2). Die Wanddicken der Bauteile werden bei diesen Überlegungen nicht verändert. Man sieht, dass geschäumte Bauteile mit abneh-

2 Spritzgießen RENAISSANCE DER SCHÄUMVERFAHREN 31 Bild 1. Die Oberflächenqualität ist bei ungefüllten amorphen Kunststoffen meist stark schlierenbehaftet (links). Je nach eingesetztem Materialtyp weisen gefüllte teilkristalline Kunststoffe eine höhere Oberflächengüte auf (rechts) mender Dichte anfänglich einen steilen Abfall der Zugfestigkeit aufweisen. Die Biegesteifigkeit verhält sich aufgrund des sandwichartigen Aufbaus anders und fällt im relevanten Anwendungsbereich weniger stark ab. Eine Dichtereduktion von 10 % verringert beispielsweise die Zugfestigkeit um etwa 20 %. Die Biegesteifigkeit fällt in diesem Beispiel jedoch um weniger als 10 % ab. Neben der Dichte ist auch die Dicke der kompakten Randschicht geeignet, die Bauteileigenschaften in gewissen Grenzen prozesstechnisch zu verändern. Beispielsweise geht ein geringerer Gasgehalt meistens mit der Ausbildung einer dickeren kompakten Randschicht einher. Auch die Werkzeug- bzw. Schmelzetemperatur sowie die Einspritzgeschwindigkeit beeinflussen den Sandwichaufbau und somit die Eigenschaften des Bauteils. Detaillierte Untersuchungen zum Einfluss der Verarbeitungsparameter sind zum Beispiel in [4] beschrieben. Nach dem Satz von Steiner ist die Biegesteifigkeit umso höher, je weiter die relative Zug-/Biegefestigkeit 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 Randschichten von der neutralen Phase entfernt sind. In der Praxis lässt sich eine größere Entfernung der Randschichten durch Kombination des TSG-Verfahrens mit dem Negativprägen erreichen. Dabei wird die treibmittelbeladene Kunststoffschmelze in die Kavität mit der Grundwanddicke h 0 eingespritzt. Nach dem Füllvorgang und dem anschließenden Ausbilden der kompakten Randschicht wird die Kavität bzw. werden Teilbereiche der Kavität auf die Wanddicke h 1 vergrößert (Bild 3) entweder mit einem beweglichen Kern oder durch gezieltes Öffnen der Form. Beim Einsatz von Spritzgießmaschinen der Baureihe Engel duo wird das Werkzeug parallelitätsgeregelt bis zu einer eingestellten Endposition geöffnet. Unterschiedliche Verfahrensziele in Kombination mit dem Negativprägen Wie sich größere Wanddicken bei konstantem Bauteilgewicht auf die mechanischen Eigenschaften auswirken, lässt sich gut abschätzen. Aus Berechnungen [2, 3] Zugfestigkeit Biegefestigkeit praktische Anwendungsbereiche % 50 Gewichtsreduktion ermittelte Grafiken machen deutlich, dass die Biegesteifigkeit mit zunehmender Wanddicke ansteigt (Bild 4). Eine Verdoppelung der Wanddicke, z. B. von 2 auf 4 mm, ist bei der Fertigung von Instrumententafelträgern in der Automobilindustrie keine Seltenheit. Man kann sich also die Möglichkeit zunutze machen, die Biegesteifigkeit zu verbessern, ohne das Gewicht des Kompaktbauteils zu erhöhen. Steht nicht eine höhere Biegesteifigkeit, sondern ein geringeres Bauteilgewicht im Fokus, wird die Ausgangswanddicke h 0 des kompakt ausgelegten Bauteils verringert und das Werkzeug nach dem Einspritzen der treibmittelbeladenen Schmelze so weit geöffnet, bis die erforderliche Biegesteifigkeit des geschäumten Bauteils erreicht ist. Auf diese Weise lässt sich das Bauteilgewicht stärker reduzieren als mit dem konventionellen Schäumverfahren. Zwei Punkten sollten Anwender bei der Umsetzung dieser Verfahrenskombination besondere Aufmerksamkeit schenken: dem eingesetzten Kunststoff und dem Bauteildesign. Der Prozessablauf verdeutlicht die hohen Anforderungen an den Werkstoff (Bild 5): In wird die Kavität, die eine Grundwanddicke von 2 mm aufweist, gefüllt. In wird eine kompakte Randschicht von je 0,3 mm eingestellt. In wird das Werkzeug so weit geöffnet, dass das fertige Bauteil eine Endwanddicke von 6 mm aufweist. Beim Öffnen der Form startet der Schäumprozess im schmelzeförmigen Inneren des Bauteils in diesem Beispiel über einen Dickenbereich von 1,4 mm. Hier bildet sich die typische Zellstruktur aus, die mit fortschreitendem Öffnungshub immer weiter verstreckt wird. Die Anforderung an das eingesetzte Material Bild 2. Änderung mechanischer Eigenschaften mit dem Bauteilgewicht bei konstanter Wanddicke: Die relative Zugfestigkeit fällt mit zunehmender Dichtereduktion anfänglich steil ab. Beispielsweise sinkt bei einer Dichtereduktion von 10 % die Zugfestigkeit etwa um 20 %. Die Biegesteifigkeit fällt aufgrund des Sandwichaufbaus weniger stark ab» Kunststoffe 12/2014

3 32 SPECIAL RENAISSANCE DER SCHÄUMVERFAHREN Spritzgießen Schaumspritzgießverfahren Das Thermoplast-Schaumspritzgießen (TSG) lässt sich durch die Art der Treibmittelzugabe grob in zwei Arten unterteilen: Beim chemischen Schaumspritzgießen wird die Kunststoffschmelze durch die Zersetzung eines dem Granulat beigemengten chemischen Treibmittels beladen; beim physikalischen Schäumen wird direkt ein physikalisches Treibmittel über einen Injektor in die Schmelze dosiert, meistens Stickstoff, in manchen Fällen Kohlendioxid. Im Mischbereich der Schnecke werden Treibmittel und Schmelze homogenisiert, bis im vorderen Bereich der Plastifiziereinheit ein einphasiges Gemisch vorliegt. Beim physikalischen Schäumen gibt es verschiedene Verfahrensvarianten, wobei MuCell die am weitesten verbreitete ist. Das MuCell-Verfahren basiert auf Entwicklungen des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Boston und wird von Trexel mit Stammsitz in Wilmington, beide Massachusetts/USA, vermarktet. Unter dem Namen Engel foammelt bietet der Maschinenhersteller Engel vollständig integrierte Spritzgießanlagen für das MuCell- Schaumspritzgießen aus einer Hand an. Die Autoren Dipl. Ing. Robert Endlweber ist Technologiemanager in der Entwicklung Prozesstechnologie der Engel Austria GmbH, Schwertberg/Österreich; Dipl. Ing. Josef Gießauf leitet die Abteilung Entwicklung Prozesstechnologie bei Engel; Service Literatur & Digitalversion BB Das Literaturverzeichnis und ein PDF des Artikels finden Sie unter English Version BB Read the English version of the article in our magazine Kunststoffe international or at h 0 h 1 Bild 3. Beim Negativprägen wird die Kavität im ersten Schritt volumetrisch gefüllt (links). Durch die Verzögerungszeit kann die Dicke der kompakten Randschicht eingestellt werden (Mitte). Der anschließende Öffnungshub leitet den Schäumprozess ein (rechts) besteht darin, die feine Zellstruktur während der Öffnungsbewegung zu stabilisieren und nicht aufreißen zu lassen. Was beim Bauteildesign zu beachten ist: Flächen, die nicht im rechten Winkel zur Öffnungsrichtung liegen, erfahren beim Öffnen des Werkzeugs eine geringere Expansion der Wanddicke (Bild 6). Folglich ist der Aufschäumgrad nicht überall gleich, und die mechanischen Eigenschaften können variieren. Zur Abschätzung der zu erwartenden mechanischen Eigenschaften kann die bereits erwähnte Grafik (Bild 4) herangezogen werden. Haptik gezielt einstellen: das Negativprägen von TPE Die beschriebene Kombination aus Schäumen und anschließendem Negativprägen erlaubt die gezielte Auslegung mechanischer Eigenschaften und unterstützt den Leichtbau und das Einsparen von Rohmaterial. Häufig findet sie Anwendung zur Herstellung von flächigen Hartschaum-Trägern. Wird nun statt eines Thermoplasten ein weiches Material wie TPE eingesetzt, kann über den Öffnungshub und weitere Prozessparameter die Weichheit bzw. die Haptik des Bauteils eingestellt werden. Dieses Prinzip wird beispielsweise beim Dolphin-Verfahren genutzt [5]. Hier wird auf einer Spritzgießmaschine der Baureihe Engel duo combi M mit Drehtisch ein thermoplastischer Träger gefertigt und dieser in einem zweiten Prozessschritt mit treibmittelbeladenem TPE überspritzt. Der Softtoucheffekt wird hierbei über den Öffnungshub gezielt eingestellt. Für den Sichtbereich: Folien und Textilien mit Schaum hinterspritzen Die Vorteile, die das Schäumen von Thermoplasten bietet, führen dazu, dass Schäumprozesse wie Engel foammelt (siehe Infokasten) immer häufiger auch für Sichtteile zum Einsatz kommen, z. B. für Blenden oder diverse Abdeckungen. Mehrere Kombinationen des Schaumspritzgießens mit anderen Verfahren machen dies inzwischen möglich. Häufig werden Dekormaterialien wie Folien oder Textilien mit treibmittelbeladener Schmelze hinterspritzt. Die charakteristische Schlierenstruktur des geschäumten Bauteils wird somit einfach hinter einem undurchsichtigen Einlegeteil versteckt und ist nicht weiter relevant für die Oberflächenqualität. In vielen Fällen bildet die Folie aber auch eine Wärmebarriere zur Innenwand der Kavität [1], sodass die Polymerschmelze nicht unmittelbar nach dem Füllvorgang erstarrt und

4 Spritzgießen RENAISSANCE DER SCHÄUMVERFAHREN 33 Bild 4. Änderung relative Zugfestigkeit (EA/(EA 0 ) 0 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 1,5 2,0 2,5 Endwanddicke/Ausgangswanddicke relative Biegesteifigkeit (EI/(EI 0 ) ,5 2,0 2,5 Endwanddicke/Ausgangswanddicke mechanischer Eigenschaften mit der Wanddicke bei konstantem Bauteilgewicht: Beim Negativprägen verringern sich lediglich die Zugfestigkeitswerte (links). Bei der Biegesteifigkeit hingegen führt die größere Wanddicke zu einer deutlichen Zunahme (rechts) es nicht zur Schlierenbildung an der Bauteiloberfläche kommt. Gerade beim Einsatz amorpher Kunststoffe können so auch mit transparenten Folien Bauteile mit einer hohen Oberflächengüte produziert werden. Die Prozesskombination mit der treibmittelbeladenen Schmelze unterscheidet sich in den Anforderungen an Produktdesign, Materialauswahl etc. kaum vom Verarbeitungsprozess ohne Treibmittel. Lediglich folgende Punkte sollten ergänzend berücksichtigt werden: Die ins Werkzeug eingelegten Folien müssen ein Ausgasen des Treibmittels ermöglichen. Bildet die Folie eine gasdichte Barriere, kann es zur Blasenbildung bzw. zum Ablösen der Folie vom Träger kommen. Aufgrund des geringeren Werkzeuginnendrucks beim Schaumspritzgießen kann die Dicke der Folie bzw. des Textils oft reduziert werden. Durch die geringere Druckeinwirkung wird das weiche Dekormaterial weniger stark zusammengedrückt. Gerade die Eliminierung von Einfallstellen aufgrund des Schäumdrucks kann genutzt werden, um neue De signmöglichkeiten von Rippen und Domen zu realisieren. Dadurch lassen sich Bauteile fertigen, die hinsichtlich ihrer Oberflächengüte und Werkzeugkomplexität Vorteile gegenüber dem konventionellen Spritzgießen bieten. Variotherme Prozessführung: Hochglanz ohne Nachbearbeitung Die Kombination des TSG-Verfahrens mit einer variothermen Werkzeugtemperierung wird bereits serienmäßig für die Produktion von optisch hochwertigen Blenden im Automobilbau eingesetzt. Im ersten Schritt wird hier die Kavitätenoberfläche aufgeheizt. Dafür gibt es unterschiedliche Möglichkeiten: Es kann die gesamte Form, ein Formeinsatz oder idealerweise lediglich die Oberfläche der Kavität erwärmt werden. Bekannte Wärmequellen sind Induktion, Infrarot- oder Laserstrahlung, keramische Widerstandsheizungen oder die konturnahe Flüssigkeitstemperierung mit Wasser oder Dampf [6]. Ist die Kavitätenoberfläche aufgeheizt, wird der treibmittelbeladene Kunststoff eingespritzt. Während die auftretenden Schlieren an einer kalten Werkzeugwand sofort erstarren, werden sie an der vorgeheizten Oberfläche wieder eliminiert. Parallel zum Schäumprozess startet der Kühlvorgang. Bauteile, die mit dieser Verfahrenskombination hergestellt werden, weisen eine hohe Oberflächenqualität auf. Durch den Schäumprozess werden auch Rippe/Wanddicken-Verhältnisse von 1 : 1 umgesetzt, ohne dass an der Oberfläche des fertigen Bauteils Einfallstellen erkennbar sind. Durch Laser-» Europe AD_ indd 1 4/4/14 8:50 AM Kunststoffe 12/2014

5 34 SPECIAL RENAISSANCE DER SCHÄUMVERFAHREN Spritzgießen effektiver Schäumhub [% vom Öffnungshub] h 0 = 2mm 0,3 mm strukturieren lassen sich zudem matte und hochglänzende Flächen miteinander kombinieren (Titelbild). Voraussetzung für eine hohe Oberflächenqualität ist oft eine gute Entlüftung, da beim TSG-Verfahren generell sehr schnell eingespritzt wird, um ein Aufschäumen schon während des Einspritzens zu verhindern. Außerdem erfordert das Gaspolster, das sich beim Einspritzen durch ausgasendes Treibmittel an der Schmelzefront bildet, eine gute Entlüftung. 1,4 mm Richtung des Öffnungshubs 20 B Winkel zum Öffnungshub Bild 6. Nicht immer sind alle Formteilflächen wie in Detail A normal zur Öffnungsrichtung orientiert. Der in Detail B dargestellte Bereich des Formteils ist beispielsweise um 60 geneigt. Die Wanddicke wird hier etwa um 50 % des eigentlichen Öffnungshubs vergrößert (Bilder: Engel) Schäumen mit Gasgegendruck nur für einfache Geometrien A h 1 = 6mm Bild 5. In diesem Beispiel wird im ersten Schritt die Kavität mit einer Grundwanddicke von 2 mm volumetrisch gefüllt (links). Danach bildet sich eine Randschicht von 0,3 mm aus (Mitte). Die 1,4 mm dicke plastische Seele wird in stark verstreckt (rechts) eine hohe Anforderung an den Kunststoff Beim Schäumen mit Gasgegendruck wird zunächst der Druck in der Kavität durch Stickstoff erhöht. Wie stark, variiert je nach eingesetztem Treibmittel und Treibmittelbeladung. Beim chemischen Schäu men sind meist etwa 10 bar und beim Einsatz physikalischer Treibmittel 50 bis 100 bar erforderlich. Anschließend wird die treibmittelbeladene Schmelze eingespritzt, wobei der zuvor eingebrachte Stickstoff über ein Überdruckventil wieder aus der Kavität entweichen kann. Durch das Einspritzen gegen den hohen Druck wird das Aufschäumen direkt an der Schmelzefront und somit die Schlierenbildung unterbunden [7]. Das zum Einspritzen erforderliche Druckniveau limitiert jedoch die möglichen Anwendungen auf sehr einfache Geometrien, da sich bewegliche Elemente wie Schieber nur mit hohem Aufwand abdichten lassen. Vor allem längliche Bauteile, bei denen Anspritzpunkt und Gasein- bzw. -auslass einander gegenüber liegen, eignen sich für diesen Prozess. Nur bei dieser Anordnung kann das Gaspolster kontrolliert in Richtung Gasauslass geschoben werden, ohne dass es zu unkontrollierten Gaseinschlüssen kommt. Fazit Beim Thermoplast-Schaumspritzgießen profitieren Anwender von einer nachdruckfreien Prozessführung, einer effizienten Maschinendimensionierung, einer hohen Designfreiheit und vorteilhaften Bauteileigenschaften. Darüber hinaus wird das Verfahren häufig eingesetzt, um das Bauteilgewicht zu minimieren. Kombiniert man den Schäumprozess mit dem Negativprägen, lässt sich das Bauteilgewicht noch wesentlich stärker reduzieren als mit dem konventionellen TSG-Verfahren. Noch dazu gelingt dies, ohne Einbußen bei der Biegesteifigkeit in Kauf nehmen zu müssen. In Kombination mit dem Hinterspritzen von Folien oder Textilien, der variothermen Prozessführung oder dem Gasgegendruckverfahren lassen sich auch die Herausforderungen bei der Herstellung anspruchsvoller Sichtteile lösen. W