Materialeffizienz: Leichtbau mit thermoplastischem Schaum

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1 Effizienz in der Kunststoffverarbeitung Materialeffizienz: Leichtbau mit thermoplastischem Schaum Institut für Dipl.-Ing. Stefan Jarka Universität Kassel - Institut für - Mönchebergstr Kassel 1

2 Inhalte des Vortrags: Thermoplast-Schaumspritzgießen (TSG) Schäumverfahren Vorteile des Thermoplast-Schaumspritzgießens Werkzeugtechnik beim Thermoplast-Schaumspritzgießen - Standardwerkzeug - Gasgegendruckverfahren - Atmendes Werkzeug, Kernzug Das -Verfahren Vorteile des -Verfahrens Forschungsvorhaben bezüglich des -Verfahrens Erste Untersuchungsergebnisse Anwendungen des -Verfahrens Universität Kassel - Institut für - Mönchebergstr Kassel 2

3 Inhalte des Vortrags: Thermoplast-Schaumspritzgießen (TSG) Schäumverfahren Vorteile des Thermoplast-Schaumspritzgießens Werkzeugtechnik beim Thermoplast-Schaumspritzgießen - Standardwerkzeug - Gasgegendruckverfahren - Atmendes Werkzeug, Kernzug Das -Verfahren Vorteile des -Verfahrens Forschungsvorhaben bezüglich des -Verfahrens Erste Untersuchungsergebnisse Anwendungen des -Verfahrens Universität Kassel - Institut für - Mönchebergstr Kassel 3

4 Thermoplast-Schaumspritzgießen: Fast jeder Thermoplast kann verschäumt werden, es gibt kaum Grenzen! Einfluss auf das Ergebnis: - Material - Verfahren - eingestellte Prozessparameter - Angusssystem und Werkzeugdesign - Formteilgeometrie Eigenschaften des Bauteils: - Schaumstrukturen (Größe, Verteilung) - Oberflächenbeschaffenheit - Mechanische Eigenschaften Quelle: new-materials.de Universität Kassel - Institut für - Mönchebergstr Kassel 4

5 Schäumverfahren Porenbildung durch: Verwendung von chemischen Treibmitteln Masterbatches, Pulver, Quelle: masterbatches.com Nutzung von physikalischen Spritzgießprozessen MuCell, Optifoam, Quellen: trexel.com, sulzerchemtech.com Universität Kassel - Institut für - Mönchebergstr Kassel 5

6 Vorteile des Thermoplast-Schaumspritzgießens: in Bezug auf das Produkt: - Geringeres Gewicht - Erhöhte Steifigkeit - Verzugsärmere Bauteile - höhere Abformqualität - Verbesserte Auskristallisation in Bezug auf den Herstellungsprozess: - Kürzere Zykluszeiten - Geringere Zuhaltekräfte - Reduktion der Viskosität - Treibmittel übernimmt Nachdruckfunktion Quelle: uni-kassel.de Universität Kassel - Institut für - Mönchebergstr Kassel 6

7 Inhalte des Vortrags: Thermoplast-Schaumspritzgießen (TSG) Schäumverfahren Vorteile des Thermoplast-Schaumspritzgießens Werkzeugtechnik beim Thermoplast-Schaumspritzgießen - Standardwerkzeug - Gasgegendruckverfahren - Atmendes Werkzeug, Kernzug Das -Verfahren Vorteile des -Verfahrens Forschungsvorhaben bezüglich des -Verfahrens Erste Untersuchungsergebnisse Anwendungen des -Verfahrens Universität Kassel - Institut für - Mönchebergstr Kassel 7

8 Standardwerkzeug Ablauf: - Teilfüllen der Kavität unter vergleichsweise geringem Druck - Ausformung der Kavität durch Aufschäumung des Polymers - Druck durch Schmelzeexpansion bestimmt den Werkzeuginnendruck Nachteile: - Kein Steuern der Aufschäumung möglich - Geringe Oberflächenqualität für Sichtteile ungeeignet: - Schlieren durch zerstörte Poren an der Fließfront, die an Werkzeugwand gedrückt werden - Fließmarkierungen bei hoher Treibmittelbeladung, großen Querschnittsänderungen und langsamen Einspritzen - Rauhigkeit der Oberfläche durch Kaltverschiebungen bei geringem Werkzeuginnendruck Universität Kassel - Institut für - Mönchebergstr Kassel 8

9 Gasgegendruckverfahren Ablauf: - Erzeugen eines Gasdrucks in der ungefüllten Kavität - Teilfüllen der Kavität mit dem treibmittelbeladenen Polymer, Treibmittel bleibt gelöst - Aufschäumen durch Abbau des Gasgegendrucks Ergebnis: - Verbesserte Oberfläche durch Vermeidung von gescherten Gasblasen während des Füllens Nachteil: - Aufwendige Werkzeugtechnik - Je nach Bauteilgeometrie können nicht gefüllte Bereiche entstehen Quelle:uni-kassel.de Universität Kassel - Institut für - Mönchebergstr Kassel 9

10 Atmendes Werkzeug, Kernzug Ablauf: - Füllen der Kavität mit Schmelze unter hohem Druck - Kurze Nachdruckphase zur Erzeugung einer geschlossenen Randschicht - Aufschäumung durch Vergrößerung des Kavitätsraums durch Tauchkantenwerkzeug oder Kernzug Ergebnis: - Bauteile mit höherer Oberflächenqualität als beim konventionellen Thermoplast-Schaumspritzgießen Nachteile: - Aufwendige Werkzeugtechnik - Vor allem für flächige Bauteile geeignet - Kombination aus Atmendem Werkzeug und Gasgegendruckverfahren sinnvoll - Variotherme Werkzeugsteuerung und Beschichtungen der Kavitäten zur Oberflächenverbesserungen als Alternativen Universität Kassel - Institut für - Mönchebergstr Kassel 10

11 Inhalte des Vortrags: Thermoplast-Schaumspritzgießen (TSG) Schäumverfahren Vorteile des Thermoplast-Schaumspritzgießens Werkzeugtechnik beim Thermoplast-Schaumspritzgießen - Standardwerkzeug - Gasgegendruckverfahren - Atmendes Werkzeug, Kernzug Das -Verfahren Vorteile des -Verfahrens Forschungsvorhaben bezüglich des -Verfahrens Erste Untersuchungsergebnisse Anwendungen des -Verfahrens Universität Kassel - Institut für - Mönchebergstr Kassel 11

12 Das Verfahren Ablauf: - Injektion der Formmasse - Einfrieren der dünnwandigen Formteilbereiche - Aufschäumen definierter Bereiche durch Kavitätsvergrößerung und Druckreduktion Ergebnis: - Dünnwandige, gering aufgeschäumte Bereiche - Hochwertige Oberfläche - Steuerbarer Aufschäumgrad der dickwandigen Bereiche Injektion der treibmittelbeladenen Schmelze Kavitätsvergrößerung in bestimmten Bereichen Universität Kassel - Institut für - Mönchebergstr Kassel 12

13 Vorteile des -Verfahrens: - Leichte, optisch hochwertige Bauteile - Verzugsarm, hochfest, steif - Steuerbarer Aufschäumgrad - Dünnwandige und großvolumige Bereiche kombinierbar - Lokal sehr leichte Strukturen realisierbar - Großvolumige Bauteile auf kleinen Maschinen herstellbar - Angepasste mechanische Eigenschaften - Keine weiteren Bearbeitungsschritte der Bauteile erforderlich Universität Kassel - Institut für - Mönchebergstr Kassel 13

14 Forschungsvorhaben bezüglich des -Verfahrens: 1) Inbetriebnahme eines -Werkzeugs 2) Herstellung von Probekörpern aus: - PP + chemisches Treibmittel - PS + chemisches Treibmittel - ABS + chemisches Treibmittel Variation von: - Kernzugposition - Temperatur - Einspritzgeschwindigkeit - 3) Untersuchungen der Proben - Festigkeit - Morphologie - Gewicht - Oberflächenqualität - Universität Kassel - Institut für - Mönchebergstr Kassel 14

15 Erste Untersuchungsergebnisse: Mikroskopie 1. Versuchsbauteils (damals Uni Paderborn) 20-fache Vergrößerung 100-fache Vergrößerung Universität Kassel - Institut für - Mönchebergstr Kassel 15

16 Erste Untersuchungsergebnisse: Mikroskopie Versuchsbauteile des -Werkzeugs Kernzug von 3mm auf 4mm Schnitt erzeugen: Kernzug von 7mm auf 8mm 7mm 3mm Digitalmikroskopie 20-fache Vergrößerung: 4mm 8mm Universität Kassel - Institut für - Mönchebergstr Kassel 16

17 Weitere Ergebnisse/Zielsetzungen: Dichte: Deutliche Reduzierung durch Volumenvergrößerung der Kavität hoher Aufschäumgrad Oberflächenqualität: - Geschlossene Oberfläche - Geringe Aufschäumung im dünnwandigen Bereich - Reduzierung von Einfallstellen Zykluszeit: - Kurze Zykluszeiten durch hohen Verschäumungsgrad F Mechanische Eigenschaften: - Hohe Versteifung durch Rippenstruktur Universität Kassel - Institut für - Mönchebergstr Kassel 17

18 Anwendungen des -Verfahrens: - Automobilbereich Abdeckungen, Sitzschalen, Blenden, Innenverkleidungen - Möbelindustrie Sitzflächen von Stühlen - Consumer Elektronik Bereich - Medizintechnik - Verpackungsindustrie - Weißwarenindustrie Quellen: kunststoffe.de, woick.de, bmwarchive.de, dutchbikes.nl, top-gartenmoebel.ch, angelcenter-voegler.de, pinder.at, woehrgmbh.de Universität Kassel - Institut für - Mönchebergstr Kassel 18

19 Quellen: Danke für die Aufmerksamkeit! [1] W. Michaeli, A. Cramer: Bessere Oberflächen beim Schaumspritzgießen, Kunststoffe, 2006 [2]S. Habibi Naini et al.: Schaum-Schlösser, Kunststoffe, 2006 [3] X. Chen et al.: Plastifizierungseffekt beim Blasenwachstum während der Polymerverschäumung, Polymer Engineering and Science, 2006 [4] M. Gruber: Alt bekannt und doch innovativ. Schäumverfahren für das Thermoplast-Spritzgießen, Plastverarbeiter, 2005 Universität Kassel - Institut für - Mönchebergstr Kassel 19