Leichter Spritzguss

Die Schaumspritzgusstechnologie ist kein neues Verfahren. Anwendungen, bei denen dem Kunststoffgranulat chemische Substanzen wie Azodicarbonamid oder Phenyltetrazol beigemischt und damit plastifiziert werden, die nach dem Einspritzen in den Hohlraum der Form Treibgase freisetzen, sind seit rund 50 Jahren bekannt und werden in der Produktion eingesetzt. Da der Expansionsdruck dieser chemisch freigesetzten Gase nicht mehr als etwa 15 bis 40 bar beträgt, ist ihr Einsatz auf relativ dickwandige Teile mit kurzen Strömungswegen beschränkt.
Um die Anwendungsgrenzen für den Schaum-Leichtbau-Spritzguss noch weiter zu erweitern, wurde vor etwa 40 Jahren das Schäumen durch Zugabe eines Inertgases, meist Stickstoff, entwickelt. Der wesentliche Vorteil besteht darin, dass mit Stickstoff höhere Expansionsdrücke im Bereich von 100 bis 200 bar erreicht werden können. Dies ermöglicht die Ausschöpfung des Leichtbaupotenzials im Schaumspritzguss auch für dünnwandige Bauteile und Bauteile mit langen Fließwegen. Die Vorteile liegen neben der Gewichtsreduzierung in einer Reduzierung des spezifischen Einspritzdrucks zum Füllen der Kavitäten und damit der Schließkraft sowie der Kompensation von Schwindungs- und Verzugseffekten. Beide Verfahren kommen bei der Verarbeitung thermoplastischer Kunststoffe zum Einsatz, von PP bis hin zu technischen Kunststoffen wie PC, PA oder PBT. Neueste, vielversprechende Entwicklungen zielen darauf ab, die Anwendungsgebiete auch auf thermoplastische Elastomere auszuweiten.

Die wesentliche Aufgabe einer Schaumspritzgießanlage besteht darin, während des Plastifizierungsprozesses eine möglichst homogen verteilte einphasige Polymer-Gas-Lösung zu erzeugen. Die hierfür von allen Anbietern eingesetzte Technologie ist dem Leichtbau-Spritzguss sehr ähnlich. Dennoch gibt es einige Unterschiede in den Details der technischen Gestaltung. Dipl.-Ing.(FH) Wolfgang Roth, Leiter Anwendungstechnik bei Wittmann Battenfeld, bringt es auf den Punkt: „Die mehr als 40-jährige Praxiserfahrung mit der bei unserem Vorgängerunternehmen Battenfeld, Meinerzhagen, entwickelten Technologie bildete für uns eine solide Grundlage.“ Unser Ziel war es, die Komplexität des Systems zu reduzieren und es gleichzeitig zuverlässiger zu machen. Deshalb haben wir unsere Cellmould-Schaumspritzeinheit so konzipiert, dass sie der Standard-Spritzeinheit möglichst nahe kommt , unsere Maschine arbeitet mit einer 20 D Standardschnecke, die vorne um eine 5 D Mischsektion erweitert wurde.“
Das besondere Battenfeld-Merkmal der Cellmould-Technologie ist die Trennung zwischen dem Plastifizier- und dem Gasinjektionsabschnitt der Schnecke, die durch eine feste, zylindrische Barriere an der Schnecke gewährleistet wird. Es ist die Alternative zum Einsatz eines zusätzlichen Hülsenrückschlagventils. Wolfgang Roth ergänzt: „Der Aufwand, zwei Rückschlagventile jeweils an die Betriebsbedingungen anzupassen und sie ausfallsicher, also verschleißfest, zu machen, motivierte uns, nach einer einfacheren Lösung zu suchen, die wir letztendlich in der Barriere zwischen den beiden gefunden haben.“ Diese Lösung hat sich in der Produktion für alle Maschinengrößen bewährt. Auf diese Weise konnte das Verschleißproblem beseitigt werden, ohne dass nennenswerte Kompromisse bei der Gasdichte in Richtung des Plastifizierungsabschnitts eingegangen werden mussten ."
Im Mischteil der Plastifiziereinheit wird durch einen Injektor in einem Dosierhub verflüssigter Stickstoff (unter einem Druck von bis zu 300 bar) in die Kunststoffschmelze eingebracht und diffundiert anschließend in die Schmelze. Im Mischteil der Schnecke wird die Stickstoffverteilung durch die Aufteilung des Schmelzestroms in viele Einzelströme intensiviert Das Schmelze-Gas-Gemisch wird in der Plastifizierungseinheit unter Druck gehalten. Dadurch wird am Ende des Mischvorgangs eine einphasige Polymer-/Gaslösung erreicht. Während des Einspritzens in die Kavität wird der Druck verringert die Löslichkeit des Gases im Das fein verteilte Gas bildet in der Schmelze Keime und sorgt so dafür, dass der Inhaltsstoff eine Schaumstruktur mit ebenso fein verteilten Zellen bildet.

Die Ausbildung dieser Struktur hängt von den spezifischen Bedingungen des Spritzgussprozesses ab. Dazu gehören die Viskosität der Kunststoffschmelze, die Einspritzgeschwindigkeit (je höher die Geschwindigkeit, desto feiner der Schaum) und schließlich der eingestellte Schäumungsgrad (Materialreduzierung). Letzteres wird entweder dadurch eingestellt, dass eine entsprechende Unterdosierung in eine festgelegte Kavität injiziert wird, oder indem eine Kavität vollständig gefüllt und anschließend mit einem voreingestellten hochpräzisen Hub geöffnet wird. Um die hohe Einspritzgeschwindigkeit zu erreichen, die eine gleichmäßige Schaumverteilung begünstigt, ist ein Einspritzspeicher im Lieferumfang von Cellmould enthalten.

Der Stickstoff wird entweder aus einer Batterie von Druckflaschen entnommen oder durch einen Stickstoffgenerator aus der Umgebungsluft extrahiert. In beiden Fällen wird das Gas anschließend über einen Druckerzeuger, wie er auch in Airmould-Gasinjektionsleitungen zum Einsatz kommt, an den Gasinjektor weitergeleitet, der für einen perfekten gasunterstützten Spritzgussprozess sorgt. Zum Battenfeld-Linienkonzept gehört, dass mehrere Maschinen gleichzeitig über ein Gasversorgungssystem versorgt werden können. Zwischen dem Druckerzeuger und dem Gasinjektor an der Plastifiziereinheit ist ein Gasdurchflussregler angebracht. Über sein steuerbares Ventilsystem wird der Gasfluss gesteuert und durch die Cellmould-Software auf den Prozess abgestimmt. Das Cellmould-Ausstattungspaket ist für das gesamte Portfolio der Wittmann Battenfeld-Maschinen verfügbar.

Durch den immer stärker werdenden Trend zu Leichtbau-Spritzgussanwendungen hat die Schaumspritzgusstechnik einen neuen Innovationsschub erhalten. Die jüngsten Innovationen betreffen Methoden zur Verbesserung der Oberflächenqualität in Richtung Hochglanz sowie die Kombination kompakter mit geschäumten Segmenten in einem einzigen Formteil. Die wichtigsten Beiträge wurden durch Weiterentwicklungen in der Verfahrens- und Werkzeugtechnik geleistet.

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