Zwei Konzepte zur Ermittlung der Entformungskraft direkt im Spritzgießprozess wurden in einem Gemeinschaftsprojekt zwischen zwei Forschungsgruppen untersucht.

Modularer Werkzeugkern: links mit Titannitridbeschichtung, rechts mit Hybridbeschichtung, bestehend aus einer Nickelzwischenschicht und einer Perfluoralkylsilanschicht

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Eine neu entwickelte Hybridbeschichtung reduziert die Entformungskraft  im Spritzgießwerkzeug

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Die Kunst der Entformung

Wie der Oberflächenspezialist Oerlikon Balzers die Zykluszeiten bei der Serienfertigung auf hochglanzpolierten Spritzgießwerkzeugen signifikant verbessert.

Oerlikon Balzers bietet einen Komplettservice rund ums Hochglanzpolieren von Spritzgießwerkzeugen

Fokusrahmen 1-1

Fokusrahmen 16-9

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Beschichten (CVD, PVD)

Oberflächenveredelung

Lohnfertigung

Makellose Oberflächen und kürzere Zykluszeiten

Mit MicroJect Advanced stellt Faurecia ein neues Fertigungsverfahren zum Schaumspritzgießen vor. Nachhaltigkeit, Designfreiheit und Produktqualität standen als Motivation im Zentrum der Entwicklung.

Bauteil aus einem Guss: Das Türpanel kommt als einbaufertiges Sichtbauteil mit unterschiedlicher Narbung direkt aus der Spritzgießmaschine.

Neue Spritzgießtechnik für geschäumte Bauteile mit „Class A“-Oberflächen

Schaumspritzgießen

Keramik

Andere Werkstoffe

Designoberflächen dank neuartiger Werkzeugbeschichtung

Spritzgießzelle vereint hohe Artikelvarianz mit automatisiertem Produktwechsel

Mit dem neuen Maschinen-Werkzeugkonzept lassen sich 159 Produktvarianten fertigen.

Flexibles Produktionskonzept vereint hohe Artikelvarianz mit Automatisierung

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Linearroboter für die Kunststoffverarbeitung

Handling, Handhabungstechnik

Multiaxialroboter für die Kunststoffverarbeitung

Eine Anlage, 159 Varianten

Mit einer Ökobilanzierung können Kunststoffverarbeiter der Pflicht genügen, ihre Nachhaltigkeitsaktivitäten auszuweisen.

Ökologische Lebenszyklusbetrachtung von Kunststofferzeugnissen

Werkzeug- und Formenbau

Werkzeug-, Formen- und Modellbau

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Kunststoffverarbeitung

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Produktion

Ein Nachweis, der bald von jedem verlangt wird

Witosa ersetzt in seinen Heißkanalsystemen Titan durch 3D-gedruckte Stahlelemente. Fernziel: CO2-Neutralität.

Werkzeugaufbauten ohne Titan reduzieren den CCF

Doriat, Clemens, Dr.

Normalien und Heißkanaltechnik

Komponenten für die Kunststoffverarbeitung

Heißkanalsysteme

Additive Fertigung

Heißkanal, CO2-neutral

Spritzgießen: Familienwerkzeuge können unterschiedlichste Bauteile in einem Schuss fertigen. Wo die Herausforderungen bei der Prozesssteuerung liegen.

Drei auf einen Streich: Ein Sechsachsroboter entnimmt die fertig gespritzte Baugruppe, die aus Türverkleidung, Kartentasche und Brüstung besteht. 

Ein Werkzeug, ein Schuss, drei Bauteile

Das Zusammenspiel zwischen physischer und virtueller Prozesskette ermöglicht die vollautomatische Herstellung von FKV-Metall-Hybridbauteilen im Minutentakt.

Die Virtualisierung bietet großes Potenzial, komplexe Fertigungsprozesse für hybride Bauteile besser zu verstehen und Entwicklungszeiten zu verkürzen.

Von der Simulation zur seriengerechten Herstellung von Hybridbauteilen

Leichtbau

Spritzgießsimulation

Simulation

Hybrid-Spritzgießen (Metall / Kunststoff)

Organobleche (gewebeverstärkte Thermoplast-Halbzeuge)

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

Mit automatisierter Prozesskette und digitalem Zwilling

Mit der gekühlten Kompaktschiebereinheit E 3380 von Meusburger sollen Spritzgießer von einem optimierten Formprozess mit kürzerer Zykluszeit profitieren.

Die gekühlte Kompaktschiebereinheit gewährleistet kurze Zykluszeiten. 

Normalien für die Kunststofffertigung

Normalien

Gekühlte Kompaktschiebereinheit

Bei der Entwicklung einer Infusionspumpe zur Marktreife wurde insbesondere die Frage gelöst, wie eine temperaturvernetzende LSR-Type einen Standardthermoplast überspritzen könnte.

In der Infusionspumpe „MeKoBrane“, die im Rahmen des Projekts entwickelt wurde, verbinden sich eine Hart- und eine Weichkomponente. 

Verbundbauteile mithilfe variothermer Temperiertechnik und UV-Aktivierung realisieren

Kautschuk / Elastomere

Kunststoff Werkstoffe

Medizintechnik

Medizinprodukte

Multifunktionale Medizinprodukte aus LSR und ABS

Egal wie eine Spritzgießmaschine im Reinraum integriert ist, empfiehlt sich eine Filter-Fan-Unit über dem Werkzeugbereich. Die Gründe liefert eine neue Studie.

Faktoren wie Werkzeuggeometrie und -temperatur beeinflussen die Luftströmung im Reinraum.

Visualisierung und Analyse der Strömungsvorgänge im Bereich des Spritzgießwerkzeugs

Reinraumsysteme / -technik

Strömungsumkehr im Reinraum vermeiden

Zahoransky liefert Anlagen und Spritzgießwerkzeuge für die Herstellung von bruchsicheren Primärverpackungen für Medikamente. Drei Anwendungsbeispiele.

Das doppelte Schnellwechselsystem für Pipettenspitzen ermöglicht ein schnelles Wiederanfahren der Produktion nach kurzen Wartungsunterbrechungen.

Kunststoff statt Glas: Für mehr Freiheit im Design und Sicherheit im Umgang

Pharmazeutische Primärverpackungen ohne Bruchgefahr

Die Priamus-Kaskadensteuerung von Familienwerkzeugen verkürzt die Einrichtzeit und verbessert die Prozessqualität.

Priamus-Regeltechnik ermöglicht die automatische Kaskadeneinstellung und vereinfacht die Einrichtung. 

Priamus-Regelsysteme übernehmen komplexe Aufgaben des Maschineneinrichters

Werkzeuginnendrucksensoren

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Werkzeugtemperatursensoren

Die Familie läuft synchron

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?

Schöne Oberflächen  beim Schaumspritzgießen

Unter neuem Namen und dem Dach der indischen Vasantha-Gruppe blüht der vormalige KTW-Werkzeugbau in Waidhofen auf.

Im VTW-Technikum werden bis dato die Werkzeuge abgemustert. Zukünftig soll es auch Kundenanlagen für Anfahrserien aufnehmen.

Werkzeugbauer VTW und die großen Pläne der Vasantha-Gruppe

Fertigungsautomation

Wie Phönix aus der Asche

Bestimmung der adhäsionsbedingten Entformungskraft beim Spritzgießen

Welche Kraft braucht es, um ein Kunststoffbauteil nach dem Spritzgießen von der Werkzeugoberfläche abzulösen? Zur Untersuchung dieser Frage hat das Institut für Konstruktion und Fertigung in der Feinwerktechnik (IKFF) der Universität Stuttgart ein neuartiges Messwerkzeug entwickelt. Dieses ermöglicht eine praxisnahe und kostengünstige Analyse der Abzugskraftkomponente des Werkstoffverbunds Kunststoff/Stahloberfläche unter Zugbeanspruchung.

Ein am IKFF entwickeltes Werkzeug zur Untersuchung adhäsionsbedingter Entformungskräfte macht durch reproduzierbare Messungen den Einfluss von Prozessparametern und Beschichtungen im Spritzgießwerkzeug sichtbar.

Die Kosten für die Herstellung von Spritzgussbauteilen werden neben den Energiekosten nach wie vor hauptsächlich durch die Zykluszeit und die Materialkosten bestimmt. Dabei spielt die Entformung als abschließender Schritt eines Spritzgießzyklus eine entscheidende Rolle. Denn treten zu hohe Entformungskräfte auf, kann dies zu Beschädigungen an den spritzgegossenen Kunststoffteilen führen. Die Folge können sichtbare Auswerfermarkierungen oder verformte Teile sein. Daraus wiederum können weitere Probleme resultieren; eine verminderte Bauteilqualität, ein übermäßiger Werkzeugverschleiß und Produktionsausfälle, beispielsweise aufgrund gebrochener Auswerferstifte oder festhängender Bauteile.

Wenn hohe Entformungskräfte auftreten, ist es notwendig, die Bauteilstabilität zu erhöhen. Dies wird in der Regel durch längere Kühlzeiten erreicht. Es gilt zudem die Kräfte bereits bei der Bauteilkonstruktion zu berücksichtigen, was wiederum Einschränkungen bei der Gestaltung der Formteile bedeuten kann. Dementsprechend ermöglichen geringe Entformungskräfte mehr Flexibilität bei der Formteilgestaltung sowie kürzere Kühl- und damit Zykluszeiten.

Die Einflüsse auf die Entformungskräfte sind äußerst komplex und setzen sich grundsätzlich aus mehreren Faktoren zusammen:

<ul><li>den thermischen Kontraktionskräften aufgrund der Kunststoffschwindung,</li><li>den Reibungskräften und</li><li>den Adhäsionskräften.</li></ul>

Die Anzahl und Gewichtung der einzelnen Komponenten variiert dabei je nach Werkzeugkonstruktion und Formteilgeometrie.

Längst haben verschiedene Methoden der Oberflächenbearbeitung und -beschichtung Einzug in die Produktion gefunden, um die Entformungskräfte im Zaum zu halten. Dennoch sind die Effekte, die bei der Entformung auftreten, noch nicht vollständig verstanden. Um die Wirksamkeit und Einflüsse von Beschichtungen zu ermitteln, haben Spezialisten bereits früher verschiedene Messwerkzeuge entwickelt. Der Fokus dieser Messwerkzeuge liegt allerdings auf der Messung von Reibkräften und auftretenden adhäsionsbedingten Scherkräften. Soll jedoch das Ablöseverhalten des Bauteils an planen Flächen in Zugrichtung betrachtet werden, war dies in dieser Form bisher so nicht möglich.

Reproduzierbare Kennwerte für die adhäsive Haftung

Um reproduzierbare Kennwerte für die adhäsive Haftung von Kunststoffbauteilen zu erhalten, ist es wichtig, dass die zu messende Kontaktfläche vor der eigentlichen Messung intakt ist. Dies ist insbesondere unter praxisnahen Bedingungen aufgrund der Maschinen- und Werkzeugbewegungen besonders herausfordernd. Um diesen Umständen gerecht zu werden, wurde am IKFF ein neues Messwerkzeug entwickelt, das durch mehrere Mechanismen eine möglichst intakte Kontaktfläche sicherstellt; damit lassen sich reproduzierbare Kennwerte für die adhäsive Haftung ermitteln.

Das grundlegende Messprinzip besteht darin, eine plane Werkzeugoberfläche senkrecht von einem spritzfrischen Messformling abzuziehen. Um unterschiedliche Werkzeugoberflächen schnell untersuchen zu können, werden austauschbare Ronden verwendet, die einfach hergestellt und entsprechend beschichtet werden können (Bild 1). Die Ronden haben einen Durchmesser von 27 mm und entsprechen der zu untersuchenden Kontaktfläche. Der kreisförmige Messformling wird auf die Ronde aufgespritzt und besitzt mehrere Absätze, die so gestaltet sind, dass eine Ablösung der Kontaktfläche durch Schwindung und Verzug minimiert wird. Der Messformling hat einen Gesamtdurchmesser von 45 mm und eine Formkörperdicke von 2 mm.

Der Aufbau des Gesamtwerkzeugs minimiert durch die Konstruktion als 3-Platten-Werkzeug ebenfalls ein unerwünschtes frühzeitiges Ablösen der Kontaktfläche (Bild 2). Ein Rollenmitnehmer ermöglicht die gewünschte Bewegung der Zwischenplatte. Nach dem Erstarren der Kunststoffschmelze öffnet sich das Werkzeug. Dabei hebt sich zunächst die Zwischenplatte von der Aufspannplatte ab – die Kavität ist zunächst noch geschlossen. Dies verringert die Belastung der Kontaktfläche beim Öffnen. Erst im nächsten Schritt trennt sich die Auswerferseite von der Zwischenplatte und öffnet die Kavität. Der Messformling verbleibt dabei auf der Auswerferseite.

Das Werkzeug befindet sich nun im geöffneten Zustand und ermöglicht der integrierten Kamera einen Blick auf die Kontaktfläche. Bei transparenten Kunststoffen kann auf diese Weise eine Benetzung optisch erkannt werden. So ist das Vorhandensein einer intakten Messfläche vor der Messung sichergestellt. Danach erfolgt die eigentliche Messung, jedoch getrennt vom eigentlichen Auswerfen: Angetrieben von zwei Motoren bewegt sich zunächst die Messplatte mit dem gesamten Messpaket (Bild 2, blau) nach hinten vom Messblock weg. Dabei wird die Ronde vom Messformling abgezogen. Die dazu notwendige Kraft wird von einem Piezokraftaufnehmer erfasst, der Kräfte bis zu 3 kN aufnehmen kann. Eine Abtastrate von 9000 Hz sorgt dabei für eine zuverlässige Erfassung der Kraftspitze (Bild 3).

Anschließend fährt die Messplatte wieder in die Ausgangsposition zurück. Erst nach diesem Prozessschritt wird der Messformling von Auswerferstiften ausgeworfen. Um aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten, werden, sobald sich das Werkzeug in einem thermischen Gleichgewicht befindet, 15 aufeinanderfolgende Messungen durchgeführt und die Werte des Kraftpeaks gemittelt.

Der Einfluss der Werkzeugbeschichtung …

Mit dem Messwerkzeug lässt sich nun sehr einfach ermitteln, welchen Einfluss verschiedene Faktoren wie Prozessparameter, Kunststofftyp und Oberflächen auf die adhäsiven Kräfte bei der Entformung ausüben. Dabei zeigt sich ein enormes Potenzial bei der Betrachtung einzelner Beschichtungen. So konnte beispielsweise für den Einsatz einer CrN-Beschichtung bei einer Werkzeugtemperatur von 60 °C eine Reduzierung der Entformungskräfte bei PET (Polyethylenterephthalat) von über 98 % im Vergleich zu einer unbeschichteten Ronde aus Warmarbeitsstahl 1.2343 nachgewiesen werden (Bild 4).

Frühere Untersuchungen offenbarten bereits den Einfluss der Rauheit bei einer schubbeanspruchten Entformung [1]. Daher wurde zum Vergleich der durch die CrN-Beschichtung etwas raueren Oberfläche (Sq = 33,3 nm) neben einer hochglanzpolierten Ronde (Sq = 2,7 nm) auch eine Ronde mit vergleichbarer Rauheit (Sq = 29,7 nm) eingesetzt. Die Oberflächenrauheit zeigte jedoch bei den Zugkraftuntersuchungen einen deutlich geringeren Einfluss auf die Entformungskraft als die verwendete Beschichtung.

Die notwendige Kraft zur Entformung hängt jedoch stark von der Entformungstemperatur ab. Daher ist es notwendig, den Einfluss von Beschichtungen bei unterschiedlichen Temperaturen zu untersuchen. Beschichtungen können abhängig von der Werkzeugtemperatur unterschiedliche Ergebnisse erzielen [1, 2]. So zeigten sich bei der Verwendung eines rPET-Typs in den Untersuchungen der Zugkraft für bestimmte Temperaturbereiche Vorteile unterschiedlicher Beschichtungen (Bild 5). Während bei der unbeschichteten sowie DLC-beschichteten Ronde die ermittelte Entformungskraft mit steigender Werkzeugtemperatur erkennbar zunimmt, ist der Einfluss der Temperatur bei CrN- sowie XLC-Beschichtungen deutlich geringer – dies zugleich bei einem insgesamt niedrigeren Kraftniveau.

Bei Verwendung von TiN ist dagegen ein volatilerer Einfluss der Werkzeugtemperatur auf die Entformung zu beobachten. Hier zeigt sich, dass die zugrundeliegende Adhäsion nicht nur von der Temperatur, sondern auch von der chemischen Affinität zweier aufeinandertreffender Materialien und deren individuellen thermischen Eigenschaften abhängig ist. Dies kann unter bestimmten Voraussetzungen zu Ablagerungen führen, die die Entformungskraft deutlich erhöhen.

Ob eine Beschichtung Vorteile für die Entformung bringt, hängt maßgeblich auch vom zu verarbeitenden Kunststoff ab. So zeigt sich bei Verwendung von PMMA (Polymethylmethacrylat) im Vergleich zu rPET ein gänzlich anderes Bild (Bild 6). Bei für PMMA niedrigen Werkzeugtemperaturen bis 50 °C traten bei keiner der untersuchten Oberflächen Entformungskräfte auf. Bei Temperaturen von 70 °C ergaben die Messungen jedoch deutliche Unterschiede bei den Beschichtungen. Die unbeschichtete ebenso wie die XLC- und TiN-beschichtete Ronde erwiesen sich hierbei als vorteilhaft. Hingegen erhöhten im Fall von PMMA sowohl eine DLC Beschichtung als auch die bei rPET vorteilhafte CrN Beschichtung die notwendige Entformungskraft signifikant.

Das am IKFF entwickelte Werkzeug zur Untersuchung adhäsionsbedingter Entformungskräfte kann durch reproduzierbare Messungen Potenziale beim Einsatz von Beschichtungen in Spritzgießwerkzeugen sichtbar machen. Dabei können unterschiedliche Oberflächen ebenso wie Einflüsse von Prozessparametern schnell untersucht werden. Der neue Ansatz erweitert existierende Messwerkzeuge um die Fähigkeit, die Entformung rein nach der Zugbeanspruchung orientiert zu untersuchen.

[1] Schönherr, M; Gundelsweiler, B.: Charakterisierung von Entformungskräften beim Spritzgießen: Neuer Ansatz zur Ermittlung der adhäsionsbedingten Zugkräfte zwischen Werkzeugoberfläche und Kunststoff. 27. Stuttgarter Kunststoffkolloquium, Stuttgart 2021

[2] Schönherr, M.; Rühl, H.; Günther, T.; Zimmermann, A.; Gundelsweiler, B.: Adhesion-Induced Demolding Forces of Hard Coated Microstructures Measured with a Novel Injection Molding Tool. Polymers 15 (2023) 5, S. 1285. URL: <a href="https://doi.org/10.3390/polym15051285" target="_blank">https://doi.org/10.3390/polym15051285</a>

Universität Stuttgart Institut für Konstruktion und Fertigung in der Feinwerktechnik (IKFF)

https://www.ikff.uni-stuttgart.de/

Spritzgießwerkzeug zur Messung von adhäsionsbedingten Entformungskräften in Zugrichtung.

Bild 1. Unterschiedliche Werkzeugbeschichtungen können mithilfe schnell wechselbarer Ronden untersucht werden.

Bild 3. Der Kraftverlauf bei der Zugkraftmessung wird von einem Piezokraftaufnehmer erfasst. Die Abtastrate ist ausreichend hoch, um die Kraftspitze zu erfassen.

Bild 4. Eine CrN-Beschichtung verringert die Entformungskraft bei einem PET-Formteil im Vergleich zu einer unbeschichteten Ronde erheblich (Werkzeugtemperatur: 60 °C).

Bild 5. Der Einfluss der Werkzeugtemperatur auf die Entformungskraft bei einem rPET-Formteil ist im Fall von CrN- sowie XLC-Beschichtungen deutlich geringer.

Bild 6. Vergleich der Entformungskraft bei einem PMMA-Formteil. Bei höheren Temperaturen schnitten die unbeschichtete sowie die XLC- und TiN-beschichtete Ronde am besten ab.

Bild 2. Aufbau des neuen Messwerkzeugs. Wenn sich die Messplatte mit dem gesamten Messpaket (blau) nach hinten vom Messblock wegbewegt, wird die Ronde vom Messformling abgezogen.

Hauptartikel

Messwerkzeug zur Untersuchung der Adhäsionskraft beim Entformen von Spritzgussteilen

Dipl.-Ing. Maximilian Schönherr ist Doktorand am Institut für Konstruktion und Fertigung in der Feinwerktechnik (IKFF) der Universität Stuttgart im Bereich der Entformungskraftuntersuchungen beim Spritzgießen; <a href="mailto:maximilian.schoenherr@ikff.uni-stuttgart.de">maximilian.schoenherr@ikff.uni-stuttgart.de</a> Prof. Dr.-Ing. Bernd Gundelsweiler ist Institutsleiter des IKFF.