Eine Technologie, die bezüglich Nachhaltigkeit vielversprechend ist, ist das Thermoplast-Schaumspritzgießen. Obwohl schon seit Jahrzehnten im Einsatz, bietet das Verfahren dank kontinuierlicher Entwicklungsarbeit noch viel Potenzial.

Die Geometrie der PFS verbessert die Homogenität der gasbeaufschlagten Schmelze

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Neue Entwicklungen im Thermoplast-Schaumspritzgießen

Spritzgießen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Schaumspritzgießen

Künstliche Intelligenz für die Qualitätssicherung

Industrie 4.0

Industrie 4.0 für die Qualitätssicherung

Schnecken und Plastifiziersysteme

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Spritzgießmaschinen

Ein Sonderverfahren auf dem Weg zum nachhaltigen Normalfall

Während der vergangenen Monate haben sich viele firmeninternen Abläufe und Entwicklungsprozesse verlangsamt und auch verändert. Trotz allem ist die Zeit nicht stehen geblieben, auch nicht in der Spritzgießtechnik. Dabei haben vor allem zwei Themen die Diskussion und Entwicklung geprägt: Digitalisierung und Kreislaufwirtschaft. Nachfolgend einige Beispiele von Entwicklungen und Projekten, die das untermauern.

In die durchgehend 3D-geformte Instrumentenblende sind zwei Displays nahtlos integriert

Innovatives Spritzgießen in Zeiten der Pandemie

Steuern, Regeln

Software

Mehrkomponenten-Spritzgießen

Folientechnik (IMD, IML, FIM, u.a.)

Digitale Transformation

Wirtschaft

Innovationen und neue Technologie

Spritzgießwerkzeuge

Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung

Spritzprägen

Biokunststoffe

Kunststoff Werkstoffe

Spritzgieß-Sonderverfahren

Nachhaltigkeit

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Spritzgießsimulation

Simulation

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Industrie 4.0 für die Kunststoffverarbeitung

Kunststoff-Recycling

Kunststoff-Aufbereitung

Lasermarkieren

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Laserbearbeitungen

Inline- / Online-Messsysteme

Qualitätssicherung

Qualitätssicherung Kunststoff

Kreislaufwirtschaft

Hinterm Horizont geht’s weiter

Beim Schaumspritzgießen nach dem ZiFoam-Prinzip wird dem Granulat noch im Feststoffbereich Gas hinzudosiert. Daraus zieht der Anwender besondere Vorteile.

Kleine Poren, großer Unterschied (mikroskopische Aufnahme): Durch das Schäumen werden die hergestellten Bauteile deutlich leichter, verbrauchen weniger Ressourcen und verbessern die CO2-Bilanz.

Flexibles Nachrüstset für das thermoplastische Schaumspritzgießen

Leichtbau

Physikalisches Schäumen leicht(er) gemacht

Es gibt gute Gründe, das Schaumspritzgießen industriell stärker zu nutzen. Zwei Experten wollen dafür den Weg bereiten.

Dr.-Ing. Hans Wobbe (links) und Dr. Hartmut Traut.

Interview mit den Buchautoren Dr. Hans Wobbe und Dr. Hartmut Traut

„Besser geschäumt als kompakt“

Hochleistungs-Spritzgießen von Verpackungen: Publikumsmagneten auf der K 2022

Für zwei 10-Liter-Eimer mit Label – hier der Blick ins Werkzeug bei Stillstand – braucht das Arrangement der niederländischen Partner Stork und Brink 6,3 s.

Doriat, Clemens, Dr.

Energieeffizienz

Tempo und Finesse

Gut 100 Teilnehmer versammelten sich zum Neustart der VDI-Jahrestagung Spritzgießen nach der dreijährigen Pandemiepause. Im Fokus: Rahmenbedingungen und Implikationen für einen nachhaltigen Wandel der Branche.

Im Exterieur von Lkw sind, anders als bei Pkw, sehr viele Kunststoffteile verbaut.

Wirtschaftspolitik in Deutschland

Kunststoff-Rezyklat

Ressourcenmanagement

Produktion

Nachhaltigkeitsträume versus Realität

Eine keramische CeraShibo-Beschichtung kann gegenüber konventionellen Werkzeugeinsätzen die Oberflächenqualität geschäumter Formteile deutlich verbessern.

Durch den Einsatz der Beschichtung auf dem Aluminiumwerkzeug lassen sich Oberflächendefekte deutlich reduzieren.

Isolierende Werkzeugbeschichtungen – eine Alternative zur variothermen Temperierung?

Keramik

Andere Werkstoffe

Beschichtungen

Chemisches Bearbeiten (Auftragen)

Schöne Oberflächen  beim Schaumspritzgießen

Material und Herstellungsverfahren optimiert, CO2 eingespart: Recycling-Waschkappe von Pöppelmann K-Tech schließt den Kreislauf.

Material und Herstellungsverfahren optimiert, Kreislauf geschlossen: Recycling-Waschkappe für die Automobilindustrie. 

Geschlossener Materialkreislauf mit technischem Bauteil realisiert

 Grundlagen für die verfahrenstechnische Nutzbarmachung der Kombination von Co-Injektion und Thermoplastschaumspritzgießen für komplexe Materialkombinationen.

Thermoplastische Elastomere

Thermoplaste

Polypropylen

Co-Injektion im Spritzgießen: Sandwichbauteile mit geschäumtem Kern und weichelastischer Haut

Analysen von KraussMaffei und der HS Schmalkalden zeigen, welche positiven Effekte sich aus der Kombination von thermoplastischem Schaumspritzgießen mit Post-Consumer-Rezyklat ergeben.

Doppelter Nutzen: Bauteilgewicht verringern und Rezyklat verarbeiten mit dem MuCell-Verfahren.

Werkstoffprüfung, mechanisch

Messtechnik

Werkstoffprüfung

Doppelt CO2 sparen

Im zweiten Teil der Serie wurden anhand einer Beispielgeometrie Berechnungen zum Durchsatzverhalten, Druckaufbauvermögen und zum Aufschmelzverlauf durchgeführt. Diese Ergebnisse sollen nun näher betrachtet und in weiterer Folge optimiert werden. Dazu gilt es die Auswirkungen bei der Anpassung einiger ausgewählter Geometrieparameter zu untersuchen und interpretieren.

Durch empirische Versuche und simulationsgestützte Versuchsreihen lässt sich eine Schnecke so auslegen, dass sie für die jeweilige Anwendung maßgeschneidert ist

Teil 3 der Serie befasst sich mit Versuchen zur Optimierung der Schneckengeometrie

Spritzgießmaschinen, allgemein

Rund um die Plastifizierschnecke

Um bei komplexen Geometrien und langen Strukturen eine hohe Lichtausbeute sicherzustellen, hat Engel einen neuen Plastifizierprozess für die Herstellung von Lichtleitern entwickelt. Dieser erhöht die Homogenität und Reinheit der Schmelze und eröffnet damit den Lichtdesignern neue Freiheiten.

Die Transformation des Automobils betrifft auch stark den Fahrzeuginnenraum. Licht gewinnt als Designelement an Bedeutung

Das Prinzip der Unterfütterung: Lichtleiter in höchster Reinheit spritzgießen

Farbmessgeräte

Optische Mess- und Prüftechnik

LED / OLED-Systeme und Faseroptik

Lichttechnik

Weniger Granulat ist mehr Qualität

Wenn die Auslegung einer Plastifiziereinheit in ihren Grundzügen erfolgt und das passende Spritzaggregat ausgewählt ist, mündet die Entwicklung der Schneckengeometrie in ihre entscheidende Phase. Um den Praxistest ressourcenschonend durchführen zu können, nutzen die Konstrukteure Simulationswerkzeuge zur Beurteilung der Schneckengeometrie. Worauf es dabei ankommt, wird beispielhaft an einer 3-Zonenschnecke erklärt.

In mehreren Rechenschritten wird die Schneckengeometrie feinoptimiert, bis das gewünschte Ergebnis erzielt wird. In der Folge werden Versuchsschnecken in Originalgröße gefertigt und im praktischen Versuch mit diversen Materialtypen getestet

Teil 2 der Serie befasst sich mit grundlegenden Methoden zur Beurteilung einer Schneckengeometrie

ARBURG gehört weltweit zu den führenden Maschinenherstellern für die Kunststoffverarbeitung. Das Produktportfolio umfasst ALLROUNDER Spritzgießmaschinen mit Schließkräften zwischen 125 und 6.500 kN, freeformer für die industrielle additive Fertigung sowie Robot-Systeme, kunden- und branchenspezifische Turnkey-Lösungen und weitere Peripherie.

ARBURG GmbH + Co KG  

https://www.arburg.com

Abkantmaschinen, -pressen, -bänke

Blechbearbeitungsmaschinen

Maschinen für die spanlose Fertigung

Additive Fertigung

Anlagen für die Additive Fertigung

Antriebselemente

Lineartechnik

Maschinenelemente

Ceramic-Injection-Moulding, CIM

Condition Monitoring für die Qualitätssicherung

Handling, Handhabungstechnik

Automatisierungstechnik

Kennzahlen

Qualitätsmanagement

Kennzahlen, Q-Leitstand, Q-Monitor

Kühlelemente, aktive

Kühlkörper

Elektromechanik

Management-Informationssysteme

Medizintechnik

Mehrfarben-Spritzgießmaschinen

Mikrobauteile

Montage

Montagetechnik

Mikrospritzgießen

Mischer

NE-Metalle

Metall Werkstoffe

PUR-Schäummaschinen

Schäumen / Reaktive Verarbeitung

Partikelschäumen

Produktionssystem

Rapid Manufacturing

Rapid Prototyping

Reinraumsysteme / -technik

Reinraumtechnik

Betriebsausrüstung / Betriebsmittel

Reporting-Tools

Rückverfolgbarkeit, Traceability

Schnecken und Zylinder

Spanneinrichtungen

Systemperipherie

Spritzgieß-Zubehör und Einzelteile

Stetigförderer

Fördertechnik

Logistik

Trockner

Vorbeugende Instandhaltung für die spanende Fertigung

Industrie 4.0 für die spanende Fertigung

Eine Reihe von grundlegenden Überlegungen bilden die Basis für die Auswahl einer Schneckenzylinderkombination und sind der Ausgangspunkt für weitere Optimierungen.

Verschiedene Ausformungen von Plastifizierschnecken. Der richtigen Auslegung nähert man sich in mehreren Schritten

Teil 1 der Serie befasst sich mit der grundlegenden Auslegung einer Plastifiziereinheit und der richtigen Wahl des Spritzaggregats

KraussMaffei zeigt nach zwei Jahren Laborarbeit leistungsstärkere Universalschäumschnecke

Seit über 20 Jahren bietet KraussMaffei das physikalische Schäumen von Kunststoffen an. Nun nahm das Team alle dafür am Markt vorhandenen Schneckentypen unter die Lupe und untersuchte fast zwei Jahre lang deren Stärken und Schwächen in Bezug auf verschiedene Materialien. Das Ergebnis: eine neue universelle Schäumschnecke mit einer 30 Prozent höheren Plastifizierleistung plus ein Wissensbaukasten, mit dem man Sonderanfertigungen für spezielle Projekte realisieren kann.

Das Schneckenmodell „HPS-Physical Foaming“ verbessert die Plastifizierleistung beim physikalischen Schaumspritzgießen um bis zu 30 Prozent.

Das physikalische Schaumspritzgießen ist ein weites Feld – insbesondere Anwendungen des MuCell-Verfahrens (Anbieter: Trexel) sind ein wachsender Markt. Im Zuge der nun allgemein angestrebten Ressourcenschonung und der politisch und kundenseitig geforderten Verringerung des CO2 -Abdrucks wird es immer häufiger genutzt, weil sich damit Leichtbau-Anwendungen einfach umsetzen lassen. Beim Thermoplast-Schaumspritzgießen (TSG) wird der Schmelze ein physikalisches Treibmittel (oft Stickstoff) zugesetzt, das in der Kavität eine zelluläre Struktur ausbildet. Damit kann man im Vergleich zu kompakt gefertigten Bauteilen signifikant Material sparen und das Bauteilgewicht verringern [1].

Da das Gas die Viskosität der Schmelze reduziert, werden bei dünnwandigen Bauteilen längere Fließwege möglich. Durch das Schäumen kann der Nachdruck entfallen und es entstehen verzugsarme Bauteile. Bei kunststoffgerechter Gestaltung der Bauteile lässt sich durch den Entfall des Nachdrucks zudem die Zykluszeit verkürzen. Infolge des geringeren Druckbedarfs kann wiederum die Schließkraft reduziert werden – der Energieverbrauch der Spritzgießmaschine sinkt [2, 3].

Um zu verstehen, welch zentrale Rolle die Schnecke dabei spielt und warum die Plastifizierungsentwicklung von KraussMaffei Verbesserungsbedarf sah, ist es sinnvoll, sich den Prozess im Detail zu betrachten.

Bevor das Treibgas injiziert werden kann, muss das Material vollständig aufgeschmolzen und homogenisiert sein. Hierfür besitzt die MuCell-Schnecke die allgemein vertraute Dreizonen-Geometrie. Bei Stickstoff handelt es sich um ein Inertgas, das nur in kleinsten Mengen in der Kunststoffschmelze gelöst werden kann. Um eine genaue Dosierung und eine gute Löslichkeit zu erzielen, muss er als überkritisches Fluid vorliegen. Dies wird erreicht, indem man sich sowohl oberhalb des kritischen Drucks als auch der kritischen Temperatur befindet. Bei Stickstoff liegen diese Werte bei 33,9 bar und -147 °C. Da man sich im Thermoplast-Spritzgießprozess immer oberhalb der genannten Temperatur bewegt, gilt es lediglich, den Druckwert über 33,9 bar zu halten, solange sich die Schmelze im Plastifizierraum befindet. Erst durch den in der Einspritzphase auftretenden Druckabfall in der Kavität soll die Schmelze an Treibgas übersättigen und der Aufschäumprozess starten [4, 5].

Das Schmelze-Gas-Gemisch ist sehr niedrigviskos, sodass der kritische Druck nur mithilfe eines Sperrelements (zum Beispiel einer Rückströmsperre, RSP) aufrechterhalten werden kann. Dieses Sperrelement hat die Aufgabe, einen zu hohen Druckabfall zu verhindern. Es befindet sich an der Schnecke unmittelbar vor der Gas-Injektorposition und trennt den Dreizonenbereich vom Misch- und Begasungsbereich (Bild 1). Nach Ende des Dosiervorgangs schließt dieses Sperrelement, zum Beispiel eine mittlere Rückströmsperre (M-RSP), und gewährleistet ein reproduzierbares Druckniveau, das Voraussetzung für einen stabilen und reproduzierbaren Prozess mit gleichem Schäumgrad und möglichst geringer Schussgewichtstoleranz ist.

Da die MuCell-Kunden von KraussMaffei sehr unterschiedliche Anwendungen mit verschiedenen Materialien umsetzen, war die Anforderung klar: Es sollte eine neue universelle Schäumschnecke geschaffen werden. Am Anfang der zweijährigen Analyse- und Testphase standen vor allem zwei Fragen:

<ul><li>Wie lässt sich die Plastifizierleistung verbessern?</li><li>Und kann man vielleicht auf die M-RSP verzichten?</li></ul>

Bislang war es nötig, für MuCell-Anwendungen größere Schneckendurchmesser zu verwenden als für das Kompaktspritzgießen, weil durch Begasungszone und M-RSP nicht die gesamte Schneckenlänge für Aufschmelzen und Homogenisierung zur Verfügung stand. Wo sonst eine 80-mm-Schnecke genügte, brauchte es 90 oder 100 mm – somit ergaben sich höhere Kosten. Die M-RSP wiederum wurde von Anwendern oft als Engstelle (Scherung und Schädigung des Kunststoffs) und als Verschleißstelle der Plastifizierung hinterfragt.

Um alle Bereiche der Schnecke gezielt untersuchen zu können, entwickelte KraussMaffei ein modulares Konzept, bei dem sich verschiedene Ausführungen von Misch- und Begasungsbereich, M-RSP und Dreizonenbereich austauschen und mittels Verschraubung kombinieren lassen. Analysiert wurden zwei Dreizonenbereiche, zwei Misch-Geometrien sowie vier mittlere Rückströmsperren (M-RSP), bestehend aus Scherelementen unterschiedlicher Spaltweiten, dem Standard-Ball-Check und einer ringförmigen M-RSP. Als Referenzgröße für die Ergebnisse diente die bestehende Schäumschnecke (Bild 1). Die Tests führten die Entwickler mit sieben verschiedenen Materialien durch (Tabelle 1).

Maßnahmen zur Optimierung der Plastifizierleistung

Zunächst ging es darum, die Plastifizierleistung und dafür den Dreizonenbereich zu optimieren. Dessen Länge betrug bislang das 15-Fache des Schneckendurchmessers (15D). Analysen ergaben aber, dass sich der Misch- und Begasungsbereich (bislang 6D) ohne Qualitätsverlust um 2D verkleinern ließ. So konnte der Aufschmelz- und Homogenisierbereich auf 17D wachsen, was sich auch günstig auf das Verschleißverhalten auswirkte.

War der Dreizonenbereich eingängig ausgeführt, stieg die Plastifizierleistung um etwa 20 % im Vergleich zur bisherigen Schneckengeometrie. Mit einem zweigängigen Dreizonenbereich erhöhte sie sich bei einem glasfasergefüllten Polyamid 6 sogar um weitere 20 %. Jedoch kam es bei einem ungefüllten PP MFI 11, je nach Höhe des Staudrucks, zu einer Abnahme der Plastifizierleistung (Bild 2). Beim Einsatz niedrigviskoser Kunststoffe kehrte sich der Effekt noch mehr ins Negative und führte zu einem starken Einbruch der Plastifizierleistung. Für die angestrebte neue Universalschäumschnecke HPS-Physical Foaming galt es also die eingängige Variante zu wählen.

Einen weiteren Schwerpunkt der Laborarbeit stellte die M-RSP dar, da es hierfür auf dem Markt eine Vielzahl grundverschiedener Lösungen gibt, von denen hier vier berücksichtigt wurden (Bild 3). Die Hauptfunktion der M-RSP ist es, den Druck in der Zeit zwischen Dosieren und Einspritzen über dem kritischen Wert (bei Stickstoff 33,9 bar) zu halten und einen Rückfluss der gasbeladenen Schmelze in Richtung Einzug zu verhindern. Grundsätzlich kann diese Aufgabe ein unbewegliches Widerstandselement (wie ein Wendelscherteil) oder eine bewegliche Rückströmsperre (etwa ein Ball-Check) erfüllen. Zusätzlich soll die Kunststoffschmelze während des Dosiervorgangs die M-RSP leicht passieren können, um hohe Plastifizierleistungen und kurze Dosierzeiten bei möglichst geringer Scherung zu gewährleisten.

Die Ergebnisse hinsichtlich der M-RSP zeigen ein differenziertes Bild: Die feststehenden Widerstandselemente in Form des Wendelscherteils und des zylindrischen Scherspalts bieten bei hochviskosen Kunststoffen eine akzeptable Abdichtung bei guten Plastifizierleistungen. Bei PA6-GF30 fiel der Druck in der Phase zwischen dem Ende des Plastifizierens und dem Anfang des Einspritzens im nächsten Zyklus auf etwa 60 bar ab (Bild 4). Die Spaltweite hatte dabei keinen signifikanten Einfluss auf das erreichte Druckniveau.

Bei niedrigviskosen Kunsts<img src="tango:{0D3B6682-BB87-44DA-A08E-6497160FB812}"/>toffen wie mineralgefülltem PP kamen die Widerstandselemente jedoch an ihre funktionalen Grenzen. So fiel der Druck bis zum Anfang des Einspritzens im nächsten Zyklus unter den kritischen Wert (toffen wie mineralgefülltem PP kamen die Widerstandselemente jedoch an ihre funktionalen Grenzen. So fiel der Druck bis zum Anfang des Einspritzens im nächsten Zyklus unter den kritischen Wert (Bild 4), was zu Blasenwachstum in der Plastifizierung führte und einen stabilen Prozess schwierig bis unmöglich machte. Streng genommen, müsste der Spalt zwischen Widerstandselement und Zylinderrand also der Viskosität des jeweiligen Kunststoffs angepasst werden, oder es zumindest mehrere Varianten geben.

Der Ball-Check hingegen zeigte sowohl bei hoch- als auch bei niedrigviskosen Kunststoffen ein gutes Abdichtverhalten und hielt den Druck im Mischteil konstant und reproduzierbar über dem kritischen Wert (Bild 4). Um die Prozesssicherheit bei vielfältigen Rahmenbedingungen zu gewährleisten und die Entmischung von Gas und Schmelze in der Plastifizierung zuverlässig zu verhindern, wählte man diesen für die neue Schäumschnecke (Titelbild).

Das Ergebnis der Entwicklungsarbeit ist das Modell „HPS-Physical Foaming“, das sich für unterschiedlichste Materialien eignet und die Plastifizierleistung im Vergleich zur bisherigen Schneckengeometrie um bis zu 30 % verbessert (Bild 5). Durch den verlängerten Dreizonenbereich erhöht sich die Verweilzeit bis zur M-RSP, was sich günstig auf die Schmelzequalität und das Verschleißverhalten der gesamten Schnecke auswirkt. Beibehalten wurde die Rückströmsperre an der Schneckenspitze, die sich als vorteilhaft für eine hohe Schussgewichtskonstanz erwies.

Neue Universalschäumschnecke mit 30 Prozent mehr Plastifizierleistung

Die neue Schnecke ist aber nicht das einzige Ergebnis der zweijährigen Forschungsarbeit, denn in deren Verlauf wurde eine Vielzahl weiterer Analysen gemacht, die dem Team nun wie ein Werkzeugkasten zur Verfügung stehen. Vor allem für Kunststoffverarbeiter mit MuCell-Anwendungen, die über längere Zeiträume den gleichen Kunststoff verarbeiten, ist es mithilfe dieser Erkenntnisse möglich, die optimale Schnecke zu entwickeln, dann beispielsweise mit einem zweigängigen Dreizonenbereich. Durch das modulare Konzept lassen sich auch gezielt Materialtests fahren, ohne jeweils eine neue Schnecke anfertigen zu müssen.

Das physikalische Schaumspritzgießen ist und bleibt eine Technik, die – getrieben vom Wunsch nach Kosten-, Energie- sowie Ressourcenersparnis – immer mehr an Bedeutung gewinnt. KraussMaffei liefert mit der neuen HPS-Physical Foaming die passende Lösung für das TSG-Verfahren.

[1] Handschke, A.; Mitzler, J.: Physikalisches Schäumen ganz leicht gemacht. Kunststoffe 102 (2012) 10, S. 151–156

[2] Bürkle, E.; Mitzler, J.: Spritzgießverfahren gestern, heute und morgen. Kunststoffe 95 (2005) 5, S. 51–56

[3] Schlutter, R.; Paskowski, A.; Schneider, M.; Jahn, R.; Voll, J.; Seul, T.; Wenzel, A.; Telljohann, G.; Weingardt, S.: Entwicklung einer zerstörungsfreien Messmethode zur Qualitätsbewertung geschäumter Kunststoffbauteile. In: Internationale Fachtagung Technomer, Chemnitz 2021

[4] Charles, U. M.; Mortimer, E.: Chemie – Das Basiswissen der Chemie. Georg Thieme Verlag, Stuttgart 2019

[5] Wintermantel, E.; Ha, S.-W.: Sonderverfahren des Spritzgießens. In: Medizintechnik, 5. Edition, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 2009, S. 620

[6] Altstädt, V.; Mantey, A.: Thermoplast-Schaumspritzgießen. Carl Hanser Verlag, München 2010