Thermoplast-Schaumspritzgießverfahren pull and foam

 

 

 

 

H.-P. Heim, M. Tromm

Thermoplast-Schaumspritzgießverfahren pull and foam

Schlussbericht IGF-Vorhaben Nr. 18254 N/1, 2017

Kurzzusammenfassung

Schaumspritzgießen hat sich schon lange als Spritzgießsonderverfahren etabliert. Aufgrund vieler Prozess- und Produktvorteile, besonders jedoch aufgrund des Leichtbaupotentiales wurden in den letzten Jahren immer mehr technische Anwendungen realisiert. Neben der Wahl des Treibmittels, der Anlagentechnik und der Maschinenparameter spielen aber auch andere Faktoren eine maßgebliche Rolle. Insbesondere die Werkzeugtechnologie kann die Grenzen erweitern und neue Konstruktions­prinzipen eröffnen.

Im Rahmen des IGF-Forschungsvorhabens 18254 N/1 wurde das Hochdruckschaumspritzgießens mit lokalem Präzisionsöffnen untersucht. Diese Verfahrensvariante eröffnet die Möglichkeit lokal hochaufgeschäumte Strukturen in einem Prozessschritt an sonst nahezu kompakten Bauteilen zu integrieren. Der Schaum kann als lokales Versteifungs- oder Abstandselement dienen und die fertigungstechnisch eingeschränkte Designfreiheit kompakter Bauteile erweitern.

Prinzipskizze Prozess

Das Standard-Schaumspritzgießen wird zumeist eingesetzt, um Material und Gewicht zu sparen. Hierbei wird die Spritzgießform mit treibmittelhaltiger Schmelze untervolumetrisch (stopp Einspritzen i.d.R. bei ca. 80 – 90%) gefüllt. Die volumetrische Formfüllung erfolgt anschließend durch die Expansion des Treibmittels in der Kavität. Die Material- und Gewichtsreduktion ergibt sich analog zum Füllvolumen (i.d.R. 10-20%). Durch den Einsatz neuer Werkzeugtechnologien (Schaumspritzgießen mit Präzisionsöffnenden Werkzeugen / „Core-back“ - Verfahren) können jedoch auch schaum­spritzgegossene Strukturen mit deutlich höherem Aufschäumgrad realisiert werden. Integralschäume mit einer Dichtereduktion von mehr als 50% sind hierbei problemlos herstellbar. Bei dieser Verfahrensvariante wird die treibmittelhaltige Schmelze – analog zum Kompaktspritzgießen – volumetrisch in die Spritzgieß­form injiziert und optional ein kurzer Nachdruck aufgebracht. Anschließend wird das Kavitätsvolumen vergrößert (keine zusätzliche Schmelzeinjektion!). Der hierdurch initiierte Druckabfall führt zur Expansion des Treibmittels und Bildung der Schaumstruktur im Bauteilinneren. Neben den Prozessparametern kann auch die Werkzeugtechnologie einen großen Einfluss auf die resultierende Schaumstruktur ausüben. Wird mit präzisionsöffnenden Werkzeugen gearbeitet, können strukturbeschreibende Parameter wie Randschichtdicke, Zellgrößen, -verteilung und Homogenität in großem Maße gezielt beeinflusst werden.

Ziel der Untersuchungen war es, die Möglichkeiten und Grenzen sowie das Prozessfenster des neuen Verfahrens aufzuzeigen. Hierbei sind folgende Ziele erreicht worden:

  1. Herstellung von Bauteilen mit Wanddickensprüngen und Bauteilen mit unterschiedlich stark geschäumten Bereichen in einer angemessenen Qualität

  2. Herstellung von „gradierten Bauteilen“ mit lokal angepassten mechanischen Eigenschaften

  3. Bewertung der Oberflächenqualitäten

  4. Bewertung der mechanischen Eigenschaften

  5. Bewertung der Homogenität der Schaumstruktur

  6. Ermittlung materialspezifischer Prozessfenster und erreichbarer Dichtereduktionen bei verschiedenen Polymeren

  7. Konzeption und Bau eines weiteren Demonstratorwerkzeuges, mit dem insbesondere folgende Einflüsse bzw. Zusammen-hänge näher untersucht werden können

    1. Temperierung: Realisierung einer variothermen Werkzeugtemperierung; Beurteilung von Wechselwirkungen Aufschäumgrad <-> Oberflächenqualität

    2. Geometrievariation: Div. Rippengeometrien / Wanddickensprünge (b/h-Verhältnisse, Rippenformen, Verhältnis Rippengröße zu Wandstärke des flächigen Bereichs etc.) um Empfehlungen für die Bauteilgestaltung und Verfahrensführung geben zu können

    3. Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen: Analyse der Schaumstruktur, Bewertung der mechanischen Eigenschaften, Korrelation der Prozessparameter mit den Schaumstrukturen und Korrelation der Schaumstrukturen mit den mechanischen Eigenschaften


Mit Hilfe eines speziell entwickelten Versuchswerkzeuges ist es möglich die prozessspezifischen Parameter präzise zu variieren und deren Einfluss auf die Struktur zu untersuchen.

Der Schlussbericht zum Forschungsvorhaben kann hier bezogen werden:
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