Bauteilgeometrie, Wandstärken und der Verlauf der Abkühlung beeinflussen, wie sich Kunststoff während des Spritzgießens verhält. Größere Materialanhäufungen kühlen langsamer ab als ihre Umgebung. Dadurch entstehen örtlich unterschiedliche Schwindungsraten, die Einfallstellen oder Verzug verursachen können. An dieser Stelle setzt die MuCell-Technologie an. Das Verfahren verändert den Aufbau der Kunststoffschmelze bereits während des Spritzgießprozesses.
Kurzfassung
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Druckabfall löst die Zellbildung aus
Vor dem Einspritzen befindet sich das Treibgas vollständig gelöst in der Kunststoffschmelze. Während der Plastifizierung wird ein überkritisches Fluid in die Kunststoffschmelze eingebracht. Meist handelt es sich um Stickstoff oder Kohlendioxid. Unter den herrschenden Druck- und Temperaturbedingungen verteilt sich das Gas gleichmäßig in der Schmelze und bleibt zunächst vollständig gelöst.
Erst beim Einspritzen in das Werkzeug verändert sich dieser Zustand. Mit dem Druckabfall beginnt das zuvor gelöste Gas auszutreten. Beim Druckabfall entstehen Keimbildungszentren, an denen das zuvor gelöste Gas expandiert. Dieser Vorgang läuft innerhalb weniger Augenblicke während der Formfüllung ab. Gasmenge, Temperatur und Druckverlauf bestimmen, wie groß die einzelnen Zellen werden und wie gleichmäßig sie sich verteilen.
Unterschiedliche Bereiche innerhalb des Bauteils
Der Querschnitt eines geschäumten Bauteils weist keine einheitliche Dichte auf. An den kalten Werkzeugwänden kühlt die Kunststoffschmelze zuerst ab. Der Kontakt mit der Werkzeugwand entzieht der Schmelze Wärme, wodurch die Randbereiche zuerst erstarren.
Im Kern bleibt die Schmelze länger beweglich. Das Gas kann sich ausdehnen und bildet dort die charakteristische mikrozelluläre Struktur. Beide Bereiche erfüllen unterschiedliche Aufgaben. Während die Außenschicht die Oberflächenkontur bestimmt, beeinflusst der Kern vor allem Dichte und Masse des Bauteils.
Geringere Dichte verändert den Materialbedarf
Ein Teil des ursprünglichen Kunststoffvolumens wird durch geschlossene Gasräume ersetzt. Dadurch sinkt die mittlere Dichte gegenüber einem vollständig kompakten Spritzgussteil. Die äußeren Abmessungen bleiben unverändert, dennoch wird weniger Polymer benötigt.
Die tatsächliche Materialeinsparung richtet sich nach dem angestrebten Schäumgrad sowie nach der Geometrie des Bauteils. Dünnwandige Komponenten lassen sich anders beurteilen als Bauteile mit größeren Wandstärken oder ausgeprägten Versteifungsrippen. Aus diesem Grund wird die erreichbare Dichte bereits während der Entwicklung festgelegt und anschließend durch Versuche überprüft.
Gewichtsreduzierung beruht auf dem inneren Aufbau
Ein geringerer Materialanteil führt unmittelbar zu einer niedrigeren Bauteilmasse. Daraus folgt jedoch nicht automatisch, dass sämtliche mechanischen Eigenschaften unverändert bleiben. Zugfestigkeit, Steifigkeit oder Schlagbeanspruchung reagieren unterschiedlich auf die Ausbildung der Zellstruktur.
Die spätere Beanspruchung bestimmt, welche mechanischen Eigenschaften im Vordergrund stehen. Für großflächige Gehäuse, Verkleidungen oder technische Strukturteile ergeben sich andere Anforderungen als für stark belastete Verbindungselemente. Die Auslegung erfolgt deshalb immer unter Berücksichtigung der späteren Funktion.
Druckverhältnisse während des Erstarrens
Bei der MuCell-Technology unterscheidet sich der Druckverlauf während des Erstarrens vom klassischen Spritzgießen. Beim konventionellen Verfahren wird die Volumenschwindung überwiegend durch den Nachdruck ausgeglichen.
Beim physikalischen Schäumen entsteht zusätzlich ein Druck im Inneren des Bauteils. Während des Erstarrens dehnen sich die Gaszellen kontrolliert aus und wirken der Schwindung entgegen. Der Druck wirkt nicht ausschließlich über den Nachdruck aus dem Angusssystem, sondern zusätzlich aus dem Bauteilinneren.
Dieser innere Druck ersetzt den klassischen Nachdruck nicht vollständig, kann dessen Umfang jedoch je nach Bauteil deutlich verringern.
Warum sich Zykluszeiten verkürzen können
Die Zykluszeit setzt sich aus mehreren Prozessschritten zusammen. Dazu gehören das Einspritzen, die Nachdruckphase, die Abkühlung sowie das Entformen. Änderungen in einem dieser Abschnitte wirken sich auf die gesamte Fertigungsdauer aus.
Da beim physikalischen Schaumspritzgießen häufig weniger Nachdruck erforderlich ist, verkürzt sich dieser Prozessschritt. Gleichzeitig enthält der geschäumte Kern weniger Kunststoffmasse, sodass insgesamt weniger Wärme abgeführt werden muss. Nachdruckphase und Kühlzeit verkürzen sich abhängig von Werkstoff, Geometrie und Werkzeugauslegung.
Abgrenzung zum chemischen Schäumen
Obwohl beide Verfahren geschäumte Kunststoffteile erzeugen, unterscheiden sie sich deutlich in ihrem technischen Ablauf. Beim physikalischen Schäumen wird das Gas von außen dosiert und unter hohem Druck in der Kunststoffschmelze gelöst. Die Zellbildung beginnt erst nach dem Druckabfall während der Werkzeugfüllung.
Chemische Schäumverfahren arbeiten dagegen mit Treibmitteln, die sich unter Wärmeeinwirkung zersetzen. Erst durch diese chemische Reaktion entstehen Gase, welche die Schaumstruktur aufbauen. Die freigesetzte Gasmenge wird unter anderem von Verarbeitungstemperatur, Verweilzeit und Zusammensetzung des Treibmittels beeinflusst.
Damit unterscheiden sich beide Verfahren bereits in der Art der Gasentstehung. Während das Gas beim physikalischen Verfahren vor dem Einspritzen vorhanden ist, bildet es sich beim chemischen Schäumen erst während der Verarbeitung.
Konstruktion und Werkzeug beeinflussen das Ergebnis
Wandstärken, Anspritzposition und Fließwege bestimmen, wo sich Gas bevorzugt ausdehnt. Eine ungünstige Werkzeugfüllung kann sichtbare Oberflächenfehler oder Unterschiede in der Zellstruktur verursachen.
Deshalb werden Bauteilkonstruktion, Werkzeugauslegung und Prozessentwicklung gemeinsam betrachtet. Bereits kleine Änderungen an der Anspritzposition oder an den Wandstärken verändern den Druckverlauf und damit auch die Ausbildung der Mikrozellen. Simulationen und Bemusterungen dienen dazu, diese Zusammenhänge vor Beginn der Serienfertigung zu bewerten.
Fazit
Die MuCell-Technologie verändert den inneren Aufbau eines Kunststoffbauteils durch physikalisches Schäumen. Daraus ergeben sich Eigenschaften, die sich bereits bei der Bauteilkonstruktion und Werkzeugauslegung berücksichtigen lassen. Materialeinsatz, Gewicht und Prozessführung stehen dabei in engem Zusammenhang und können nicht unabhängig voneinander betrachtet werden. Welche Ergebnisse erreichbar sind, hängt unter anderem von Werkstoff, Geometrie, Werkzeug und den gewählten Prozessparametern ab. Deshalb wird das Verfahren bereits in der Entwicklungsphase auf die Anforderungen des jeweiligen Bauteils abgestimmt.