Form­spritztechnik mit Kalt‑Warm‑Zyklen

　　Während des Produktionsprozesses ist die Werkzeugtemperatur ein wichtiger Faktor, der die Qualität der Bauteile maßgeblich beeinflusst. Im Allgemeinen lässt sich mit einer höheren Werkzeugtemperatur in der Regel eine bessere Oberflächenqualität der Bauteile erzielen. Die Technologie des Spritzgießens mit Kalt-/Heißzyklus-Werkzeugen nutzt während des Spritzgießzyklus die Steuerung der Werkzeugtemperatur mittels thermischer Zyklen. Diese Technik verlangt, dass die Heiztemperatur an der Werkzeugoberfläche über der Glasübergangstemperatur (Tg) des Kunststoffs liegt, um das Spritzgießen zu erleichtern, gefolgt von einer schnellen Abkühlung der Werkzeugtemperatur, sodass das Bauteil rasch aushärtet und sich leicht entformen lässt.

　　Das Spritzgießverfahren mit Heiß-/Kaltzyklus-Formen kann die Oberflächenqualität von Spritzgussteilen erheblich verbessern. Zudem werden durch die Reduzierung von Nachbearbeitungsschritten wie Lackieren oder Schleifen zur Beseitigung von Oberflächenfehlern die Gesamtproduktionskosten gesenkt. In bestimmten Fällen kann sogar das Lackieren oder Pulverbeschichten entfallen. Das Heiß-/Kaltform-Spritzgießen erhöht zudem die Oberflächenglätte von glasfaserverstärkten strukturellen Werkstoffen und eignet sich besonders für Anwendungen, bei denen eine hohe Glanzqualität der Produktoberfläche erforderlich ist. Weitere Vorteile, die sich mit dieser Technologie erzielen lassen, sind die Senkung von Formspannungen, die Reduzierung oder Beseitigung von Defekten wie Wirbeln und Schweißnähten sowie die Erhöhung der Fließlänge des Schmelzguts und die Herstellung von dünnwandigen Bauteilen.

　　SABIC Innovative Plastics führt in Japan seit mehreren Jahren Forschungsarbeiten zu dieser Technologie durch; der erste Anwendungsfall war die Bearbeitung der Halterungen für eine Dachgepäckträger­schiene eines Autos, für die früher Metallhalterungen verwendet wurden. Bei den Versuchs­bearbeitungen mit dem Xenoy 1760 PC/PBT-Harz mit einem Glasfasergehalt von 11 % zeigte sich die Oberflächenqualität nicht zufriedenstellend, da Wirbelmuster und Schweißnähte auftraten. Aufgrund der Glasfasern war die Bauteiloberfläche äußerst rau und erforderte eine zweite Bearbeitung durch Schleifen und Polieren statt einer Lackierung zur Oberflächenveredelung. Durch die Verwendung von Heiß-/Kaltform-Spritzguss lassen sich diese Oberflächenfehler der Produkte beseitigen und der Schleifprozess entfällt.

　　Für Polycarbonat, PC/ABS-Mischungen und PC/PBT-Mischungen ist die Spritzgussverarbeitung mit Heiß-/Kaltzyklus-Formen äußerst erfolgreich; bei der Herstellung von Fernsehgehäusen, Lichtleitplatten, Audio-Komponenten für Fahrzeuge sowie Laptop-Außenabdeckungen wird so das Auftreten von Oberflächenqualitätsproblemen auf ein Minimum reduziert.

　　1 Funktionsweise

　　Traditionelle Spritzgießmaschinen können ebenfalls das Spritzgießverfahren mit heiß/kalten Formzyklen nutzen. Zunächst muss eine spezielle Zusatzsystemeinrichtung installiert werden, um eine schnelle Erwärmung und Abkühlung der Formoberfläche zu ermöglichen. Hierbei werden überhitztes Wasser und Dampf benötigt; einige Systeme verfügen über einen externen Kessel zur Dampferzeugung, während andere Systeme den Dampf direkt im Steuergerät erzeugen. Das in der Region Asien-Pazifik ansässige Forschungs- und Entwicklungszentrum von Sabic nutzt Dampf, während das in Massachusetts, USA, ansässige Forschungs- und Entwicklungszentrum für Polymerverarbeitung ein Überhitzwassersystem einsetzt, dessen von der deutschen Firma Single Temperiertechnik hergestellte Anlage überhitztes Wasser mit Temperaturen von bis zu 200 °C bereitstellen kann.

　　Um den Bearbeitungsprozess effektiv zu steuern, müssen mehrere Thermoelemente direkt an der Außenfläche der Form angebracht werden, um die Temperatur zu überwachen. Die Form, die Spritzgießmaschine sowie die Heiz- und Kühlsteuerung müssen intelligent miteinander verbunden sein, um die Stabilität des Bearbeitungsprozesses zu gewährleisten. SABIC hat für jedes einzelne Bauteil eigenständig intelligente Steuerungseinheiten entwickelt.

　　In der Anfangsphase des Spritzgusszyklus zirkuliert Dampf oder überhitztes Wasser, um die Formoberfläche zu erwärmen und die Formtemperatur um etwa 10–30 °C über die Glasübergangstemperatur des Harzes zu heben. Sobald diese eingestellte Temperatur erreicht ist, erhält die Spritzgießmaschine ein Signal, um die Kunststoffschmelze in den Formhohlraum zu spritzen. Sobald der Formhohlraum vollständig gefüllt ist, ist der Einspritzvorgang abgeschlossen; Kühlwasser zirkuliert in die Form und kühlt das Kunststoffteil schnell ab, um es zu formen und zu stabilisieren, bevor das fertige Produkt ausgestoßen wird. Es gibt einen Ventilschalter, der abwechselnd entweder Dampf oder überhitztes Wasser oder Kühlwasser zuführt. Nachdem das Teil abgekühlt ist, wird die Form geöffnet und das Teil ausgestoßen; der Systemumschalter wird erneut auf die Phase der Formheizung gestellt.

　　2. Wichtige Punkte bei der Formenkonstruktion

　　Die Faktoren, die darüber entscheiden, ob das Spritzgießverfahren mit Heiß-/Kaltzyklen während des gesamten Verarbeitungszyklus erfolgreich ist, hängen nicht nur vom verwendeten Werkstoff ab, sondern auch von der Konstruktionsweise und dem Aufbau der Form. Die für das Erwärmen und Abkühlen der Form benötigte Zeit richtet sich nach der Dicke des Stahls; bei Wärmeaustauschzyklen ist es am besten, die Stahlstärke zu minimieren. Die Formhohlräume und Formkerne können besser in Form von Einlagen montiert werden, als sie in die Formplatten einzuschneiden oder auszuhöhlen, da dies die Dicke der Formplatten verringert. Um den Wärmeverlust zu reduzieren und die thermische Effizienz zu steigern, sollten diese Einlagen auf den Trägerplatten der Formhohlräume und Formkerne möglichst mit Luftspalten und isolierenden Materialien verbaut werden.

　　Neben der Notwendigkeit, den Materialverbrauch von Formstahl zu reduzieren, muss auch der Einfluss wechselnder Temperaturspitzen bei der Formkühlung berücksichtigt werden. Die für die Formherstellung verwendeten Werkstoffe sollten über eine hohe Wärmeleitfähigkeit verfügen, etwa Kupfer-Beryllium-Legierungen oder andere Legierungswerkstoffe mit hohen thermischen Eigenschaften, um die Zeit zu verkürzen, die für das Erwärmen und Abkühlen der Formoberfläche benötigt wird. Darüber hinaus sollten die Kühlwasserkanäle so nahe an der Formoberfläche angeordnet sein, dass sich die Ansprechzeit beschleunigt. In den meisten Fällen ist dieser Aspekt jedoch durch die Geometrie des Kunststoffteils begrenzt. Eine konstruktive Auslegung mit formangepasster Kühlung ist daher äußerst sinnvoll und effektiv, da die Anordnung der Kühlwasserleitungen entsprechend der Oberflächenform des Kunststoffteils gestaltet wird.

　　Es gibt verschiedene Verfahrenstechniken für die formgebende Kühlung, wie zum Beispiel das Lasersintern oder die direkte Metallbeschichtung. Die Firma Sabic hat in Zusammenarbeit mit der Formherstellerfirma Fast4M ein Schichtpressverfahren entwickelt, das unter dem Namen Fast-Form bekannt ist. Bei dieser Formherstellungstechnologie wird eine Stapel von Stahlblechen verwendet, die jeweils mittels Laser geschnitten und mit Kupfer beschichtet werden. Dieses Verfahren zeichnet sich durch niedrige Kosten, die einfache Integration von formgebenden Technologien und durchgehenden Kühlwasserleitungen sowie die Gestaltung großflächiger Entlüftungsbereiche aus.

　　3 technische Vorteile

　　Die Spritzgusstechnologie mit Heiß-/Kaltzyklus-Formen kann das optische Erscheinungsbild und die Oberflächenqualität von Spritzgussteilen erheblich verbessern. Besonders herausragende Ergebnisse lassen sich bei Bauteilen erzielen, die aus amorphem Kunststoff hergestellt werden, darunter PC-Kunststoffe, PC/ABS-Mischungen sowie PC/PBT-Mischungen. Wenn die Formoberflächentemperatur über der Glasübergangstemperatur eines bestimmten amorphen Kunststoffs liegt, bildet sich während der Einspritzphase keine Hautschicht auf dem Kunststoffschmelz, und die Schmelze kann sich frei bewegen. Das Ergebnis: Die Schmelze friert nicht ein, wenn sie auf die Formoberfläche trifft – ein Unterschied zur herkömmlichen Spritzgussmethode.

　　Während des Füllvorgangs tritt eine dünne Schicht aus Polymer-Schmelze aus und bleibt auf der Außenfläche der Unterlagenschablone zurück, wodurch der Glanzgrad des Bauteils erhöht und die Oberflächenrauheit verringert wird. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass sich bei einer Erhöhung des Glanzgrades um 50 % bis 90 % der Oberflächenrauheitsindex – Rmax – für glasfaserverstärkte Werkstoffe um 70 % verbessern kann, was gegenüber dem Index unverstärkter Materialien noch einmal eine Steigerung um 20 % bedeutet.

　　Das Spritzgussverfahren mit heißen/kalten Formen wirkt sich positiv auf die Verbesserung der Breite und Sichtbarkeit von Schweißnähten aus. In derselben Form wurden drei verschiedene Materialien miteinander verglichen; die Ergebnisse zeigten, dass bei Produkten, die nach dem herkömmlichen Spritzgussverfahren hergestellt wurden, die Breite der Schweißnähte auf der Oberfläche etwa zwischen 6 und 13 Mikrometern liegt. Bei Produkten, die im Spritzgussverfahren mit heißen/kalten Formen gefertigt wurden, sind die Schweißnähte völlig unsichtbar und ihre Breite lässt sich nicht nachweisen. Dieser enorme Vorteil erspart unter anderem Lackier- und andere Nachbearbeitungsprozesse und eignet sich besonders für bestimmte spezielle Anwendungen.

　　Die im Produkt verbliebenen Innenspannungen aus dem Spritzguss können zu Verzug der Bauteile führen und sogar deren Lebensdauer verkürzen. Die in herkömmlich spritzgegossenen Bauteilen vorhandenen Innenspannungen sind sehr hoch. Tetrachlorkohlenstoff gehört zu den bekannten Lösungsmitteln, die bei Kunststoffbauteilen Spannungsrissbildung verursachen können. Kunststoffbauteile, die mittels einer Heiß-/Kaltzyklus-Formverarbeitung hergestellt werden, weisen niedrigere Innenspannungen auf; die Verwendung dieses Lösungsmittels führt nicht zu Spannungsrissen in den Bauteilen, wodurch die vor der Nutzung erforderliche Entspannungsbehandlung entfallen kann.