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Verarbeitung von Thermoplasten - Spritzgießen

Thermoplast-Schaum-Spritzgießen

Auszug aus
Christoph Jaroschek

Spritzgießen für Praktiker

06/2013, 190 Seiten, € 31,99
ISBN: 978-3-446-43610-7
S. 103

Neben der Herstellung von dickwandigen Geometrien und der Vermeidung von Einfallstellen ist ein weiteres Ziel beim Spritzgießen mit Treibmitteln oft die Gewichtseinsparung. Treibmittel sind handelsüblich als Pulver oder Masterbatches erhältlich. Sie werden in geringen Mengen, ähnlich Farbbeimengungen, dem Kunststoffgranulat zugefügt. Treibmittel bewirken vergleichbar wie beim Kuchenbacken das Backpulver ein Aufschäumen der Schmelze, das durch die thermische Zersetzung des Treibmittels in gasförmige Bestandteile aufgelöst wird.

Beim Arbeiten mit Treibmitteln muss man dafür sorgen, dass das Treibmittel so spät wie möglich wirkt, damit die Formteiloberflächen durch den Schäumeffekt während des Füllens möglichst wenig gestört werden. Der Einspritzdruck ist zwar mit bis zu 2000 bar wesentlich höher als der Schäumdruck, dies gilt aber nur im Schneckenvorraum. An der Fließfront dagegen herrscht bei einem gut belüfteten Werkzeug nahezu Umgebungsdruck. Es entstehen Gasblasen an der Fließfront, die bei der Abwälzbewegung der Schmelze in Fließrichtung gedehnt werden. So entstehen Silberschlieren auf der Oberfläche mit der Grobausrichtung zum Fließwegende hin (Bild 1).

Bild 1: Ausbildung von Gasblasen im Bereich der Fließfront beim Einspritzen

Für die Prozessführung gelten beim Einsatz von Treibmitteln einige wichtige Änderungen im Vergleich zum Standardprozess:

  • Verzögerungszeit für den Dosiervorgang einstellen, um das Treibmittel nicht unnötig lange den hohen Temperaturen auszusetzen, um Abbau zu vermeiden. Oft sind TSG-Teile dickwandig und erfordern somit lange Kühlzeiten. Das zersetzte Treibmittel im Schneckenzylinder kann ggf. entweichen (auch in Richtung Einfüllloch). Wartet man mit dem Plastifiziervorgang bis kurz vor Ende der Kühlzeit, indem man eine Verzögerungszeit einstellt, erreicht man in der Regel bessere Schäumraten.
  • Einspritzgeschwindigkeiten hoch, denn der Schäumvorgang braucht seine Zeit. Wenn das Werkzeug schon gefüllt ist, bevor der Schäumvorgang richtig einsetzt, erzielt man bessere Oberflächen. Wenn die sich bildenden Blasen schnell genug an die Werkzeugwand gepresst werden, können sie nicht so groß wachsen.
  • Kein Nachdruck, Füllgrad gering bzw. kein Massepolster. Ist der Schmelzedruck höher als der Schäumdruck, kann sich das Treibmittel nicht entfalten. Wirkt es zu spät, ist möglicherweise die Schmelzetemperatur zu niedrig und somit die Schmelze zu zäh, um noch vom Schäumdruck aufgebläht zu werden. Der Füllvorgang darf auf keinen Fall vollständig sein, wenn man einen hohen Schäumgrad bzw. eine geringe Dichte erzielen will. Man muss dabei aber berücksichtigen, dass die Oberflächen zum Fließwegende hin zwangsläufig schlechter werden. Es gibt auch Anwendungsfälle, bei denen es nur um Einfallstellenreduzierung geht. In diesem Fall wird oft mit einem geringen Nachdruck gearbeitet, denn der eigentliche Zweck des Treibmittels soll ja nur einen ganz bestimmten Bereich mit Einfallstellen verbessern. Kein Nachdruck heißt in diesem Fall nur, dass prozessmäßig im Formteil kein Nachdruck wirken darf. Das erreicht man am besten dadurch, dass die Schnecke auf Anschlag, also in die vordere Position beim Einspritzen gefahren wird. Hier muss sie mit einem hohen Nachdruck gehalten werden, damit auftreibende Schmelze nicht wieder aus der Kavität zurückströmt.
  • Dosierung (2 bis 5 Gew-% Treibmittel) beachten. Zu hohe Treibmittelgehalte führen zu hohen Kosten und nicht notwendig zu besseren Ergebnissen. Hinsichtlich der notwendigen Treibmittelmenge gilt, dass mehr Treibmittel nicht mit mehr Druck gleichzusetzen ist. Vielmehr ist zu beachten, dass speziell bei chemischen Treibmitteln die Zersetzung nicht nur Kohlendioxid bzw. Stickstoff freisetzt. Die nicht gasförmigen Treibmittelreste bewirken oft eine unerwünschte Versprödung des Materials. Es gibt eine Obergrenze ab der zusätzliche Mengen keinen positiven Effekt haben (Bild 2). Mit kleineren Mengen lassen sich dagegen die bei TSG-Teilen langen Kühlzeiten reduzieren, wenn gerade soviel Schäumwirkung erzielt wird, dass die Schwindung kompensiert wird. Über die Dosierung hat man so die Chance, den Prozess zu beschleunigen. Arbeitet man hinsichtlich Treibmittelmenge und Kühlzeit an der unteren Grenze, kann schon eine geringe Dosierungsschwankung zu höheren Werten hin zu einem Aufblähen der Teile nach dem Entformen führen.
  • Kühlzeiten sind meist erheblich höher als beim Spritzgießen ohne Treibmittel. Die TSG-Teile sind vielfach dickwandiger. Der Druck im Formteilinneren kann nach dem Entformen das Teil noch aufblähen, wenn die Kühlzeit nicht ausreichend war. Die Kühlzeiten lassen sich verkürzen, indem man die TSG-Teile nach dem Entformen direkt in ein Wasserbad gibt. Gegebenenfalls muss man eine Tauchvorrichtung einsetzen, denn aufgrund der geringeren Dichte schwimmen die Teile und würden somit nur einseitig gekühlt. Statt Tauchvorrichtung kann man auch für eine ausreichende Wasserbewegung sorgen, indem man z. B. Druckluft in das Wasserbad einleitet. Die Teile lassen sich nach der Wasserbadkühlung leicht trocknen, indem man eine geringe Menge Spülmittel in das Wasser gibt; das entspannt das Wasser und es kann „streifenfrei“ ablaufen.

Bild 2: Prinzipieller Zusammenhang von Treibmittelmenge und Schäumdruck

Auszug aus
Christoph Jaroschek

Spritzgießen für Praktiker

06/2013, 190 Seiten, € 31,99
ISBN: 978-3-446-43610-7
S. 103
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