Spritzgießverfahren in der Kunststofftechnik

Die Spritzgießmaschine ist ein zentrales Element vieler Produktionslinien und steht zunehmend in Interaktion mit verschiedensten vor- und nachgelagerten Produktionsschritten. Gemeinsam mit unseren Partnern aus Forschung und Industrie bewältigen wir in diesem Forschungsbereich die gewachsenen Herausforderungen an Maschine, Peripherie und Vernetzung.

Wir forschen auf dem Gebiet des Spritzgießens mit folgenden Schwerpunkten:

  • Prozesssimulation
  • Präzisionsspritzgießen und Prozessregelung
  • Werkzeugtechnik und -auslegung
  • Verfahrenstechnik und -entwicklung
  • Spritzgießsonderverfahren und Verfahrenskombinationen

Für die Durchführung von Forschungsprojekten verfügen wir über moderne Spritzgießmaschinen im Schließkraftbereich zwischen 60 und 240 t. Der Werkzeugbestand umfasst eine Vielzahl an Formen, unter anderem einfache Geometrien für analytische Untersuchungen, normierte Probekörpergeometrien sowie komplexe, anwendungsnahe Geometrien. Für die Werkzeugauslegung und Prozesssimulation stehen uns modernste CAD/CAM/CAE-Tools zur Verfügung.

Aktuelle Forschungsthemen im Bereich Spritzgießen

Das Spritzgießsonderverfahren Thermoplastschaumspritzgießen (TSG) ermöglicht die Produktion gewichtsreduzierter Formteile mit hoher Maßhaltigkeit und vergleichbaren mechanischen Kennwerten. Als weitere Vorteile des Verfahrens sind das Leichtbaupotenzial, die verringerte Schmelzeviskosität sowie die Reduktion der Zykluszeit zu nennen. 

Beim TSG wird ein Treibfluid in der Kunststoffschmelze gelöst, sodass die Schmelze bei einer Druckentlastung in der Werkzeugkavität aufschäumt.  In der Art der Einbringung  des Treibmittels wird zwischen chemischem und physikalischem Schaumspritzgießen unterschieden.

Am IKV wurde im Rahmen eines Gemeinschaftsforschungsprojektes ein neuartiges Beladungsprinzip für das physikalische Schaumspritzgießen entwickelt. Dazu wird durch die Installation einer Druckkammerschleuse zwischen Materialtrichter und Plastifizieraggregat der Kunststoff schon im Festkörperzustand unter Treibmittelatmosphäre gesetzt. Durch Diffusions- und Mischvorgänge wird der Kunststoff mit dem Treibfluid beladen.

Mit dem Verfahren ergeben sich sowohl anlagentechnische als auch verfahrenstechnische Vorteile. Im Gegensatz zu den bislang bekannten Verfahren ermöglicht das ProFoam-Verfahren die Einbringung von Stickstoff und Kohlenstoffdioxid  in die Schmelze mit nur geringen Modifikationen der Anlagentechnik. Durch die Verringerung der Viskosität aufgrund der Treibmittelbeladung  und der Nutzung einer Standardschnecke können so auch scherempfindliche Kunststoffe verarbeitet werden. 

Das Thermoplastschaumspritzgießen (TSG) ist ein vielversprechendes Sonderverfahren, welches in vielen Gebieten Anwendung findet. Aufgrund des durch die Beladung des Kunststoffs veränderten Materialverhaltens stellt das Thermoplastschaumspritzgießen jedoch den Anwender bei der Auslegung von Kunststoffformteilen vor neue Herausforderungen.

Am IKV wurden daher Messanlagen zur Beschreibung und Modellierung des Fließverhaltens und des pvT-Verhaltens treibfluidbeladener Schmelzen entwickelt. Diese Messsysteme sind als Spritzgießwerkzeuge ausgeführt, die die prozessnahe Ermittlung der charakteristischen Materialdaten direkt an der Maschine ermöglichen. So kann mit dem Online-Rheometer die Verringerung der Schmelzeviskosität unter realistischen Spritzgießbedingungen beschrieben werden, während das Quellen der treibfluidbeladenen Schmelze sowie der Aufschäumvorgang bei Druckabfall mit der pvT-Messzelle erfasst wird. Mithilfe dieser Daten werden Materialkarten generiert, die in Prozesssimulationen für das Thermoplastschaumspritzgießen eingebunden werden können. Durch diesen neuen Ansatz zur Simulation treibmittelbeladener Schmelzen kann das Materialverhalten unabhängig von der Treibmittelart und der Treibmitteleinbringung untersucht werden.

Hochtransparente Flüssigsilikonkautschuke besitzen eine hohe Temperatur- und UV-Strahlungsstabilität. Gleichzeitig können sie im Spritzgießverfahren verarbeitet werden und weisen deshalb die verfahrensspezifischen Vorteile des Spritzgießprozesses wie große Designfreiheit und geringen Nachbearbeitungsbedarf auf. Diese Eigenschaften können in einer LED Beleuchtungseinheit gezielt genutzt werden. Einerseits kann durch das LSR der LED Chip gegenüber Umwelteinflüssen gekapselt werden, andererseits kann die LSR-Optik eine lichttechnische Funktion übernehmen. Konventionell werden diese Funktionen von zwei unterschiedlichen Bauteilen, der Primär- und Vorsatzoptik, übernommen.

In einem von der DFG geförderten Forschungsprojekt mit den Partnern HELLA KGaA Hueck & Co., Lippstadt, Momentive Performance Materials GmbH, Leverkusen, und ELMET Elastomere Produktions- und Dienstleistungs-GmbH, Oftering, konnte nachgewiesen werden, dass sich diese Funktionen in einem Bauteil kombinieren lassen. Dazu wurde ein Spritzgießprozess entwickelt, bei dem eine LSR-Optik auf eine ungekapselte LED Platine aufgespritzt wird. Kosten- und zeitintensive Montageschritte der Optik auf dem LED Chip können damit entfallen.

Mit dem Trend der zunehmenden Miniaturisierung von Baugruppen, der maßgeblich durch die Anwendungen der Mikrosystemtechnik getrieben wird, steigt auch die Bedeutung von Miko- und Kleinstformteilen aus Kunststoff. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Wirtschaftlichkeit und die erzielbaren Formteilqualitäten der Produktionsverfahren. In der jüngeren Vergangenheit haben Verbesserungen in der Mikroproduktion beispielweise zu der Entwicklung minimalinvasiver Behandlungsmethoden durch Endoskopie und Mikrochirurgie geführt.

Mit der inversen Schnecke entwickelt das IKV einen Ansatz der konzeptionell die Vorteile verschiedener bislang industriell umgesetzter Spritzgießkonzepte für das Mikrospritzgießen kombiniert. Die inverse Schnecke ist ein im Rahmen eines Transferprojekts der DFG Forschergruppe 702 entwickeltes Plastifizierkonzept, das durch die Kombination von Schneckenplastifizierung und Kolbeneinspritzung in einem Verfahren eine Anpassung auf die im Mikrospritzgießen typischen Schussgewichte von wenigen Milligramm zulässt. Die inverse Schnecke zeichnet sich dadurch aus, dass die Schneckengänge in den Plastifizierzylinder integriert werden. Die Förderung des Materials und das Einspritzen der Schmelze werden mit einem innenliegenden Kolben realisiert. Aktuelle Forschungsfragestellungen haben die Validierung der inversen Schnecke für die Werkstoffe der Mikroproduktion zum Ziel.

Kombinationen unterschiedlicher Verfahren hin zu Einstufenprozessen bieten die Möglichkeit, unterschiedliche Materialien und damit unterschiedliche Funktionalitäten in einem Formteil zu vereinen. Mit dem Integrierten Metall/Kunststoff-Spritzgießen (IMKS) wird seit 2008 wird im Rahmen des Exzellenzclusters "Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer" ein Verfahren entwickelt, welche das Spritzgießen von Kunststoff mit dem Druckgießen von Metallen kombiniert. Auf diese Weise können Kunststoffbauteile mit direkt integrierten elektrischen Leiterbahnen hergestellt werden. Das Verfahren wurde erstmalig auf dem Messestand des IKV auf der K 2010 in Düsseldorf erfolgreich vorgestellt. Unter dem Motto "Hybrid Production -Bringing Power to Plastics" präsentierte das IKV zusammen mit zehn Partnern aus der Industrie einen speziell entwickelten Demonstrator, eine Sportbrille, die die Vorteile des IMKS wiedergibt. Die Sichtscheibe der Brille wird durch eine Leiterbahn beheizt, die Beschlag verhindert. Über die Wärmeabgabe wird der fließende Strom indirekt sichtbar. Die eingesetzte Metalllegierung, deren Schmelzpunkt unterhalb von 200°C liegt, zeichnet sich durch hohe elektrische Leitfähigkeiten im Bereich von 8 x 106 S/m aus. Damit eignet sie sich gut zur Herstellung von Leiterbahnen mit hoher Stromtragfähigkeit. Darüber hinaus zeigt der Demonstrator, dass eine hohe geometrische Freiheit bei der Realisierung des Leiterbahnverlaufs sowie eine einfache und zuverlässige Kontaktierbarkeit von Einlegeteilen möglich sind.

Zur Herstellung der Sportbrille wurde eine um ein spezielles Aggregat zur Verarbeitung der niedrig schmelzenden Metalllegierung erweitert. Die dafür verwendete Einspritzeinheit stammt aus dem Bereich der Kunststoffverarbeitung. Sie wurde grundlegend modifiziert und für die Verarbeitung der niedrig viskosen Metalllegierungen optimiert. Basierend auf Technologien für das Mehrkomponenten-Spritzgießen wurde ein Drei-Stationen-Indexplattenwerkzeug entwickelt. Mithilfe des Werkzeugs wird die Brille in einer kompakten Fertigungszelle mit nur einem Werkzeug und einer Maschine hergestellt.

In einem Teilprojekt des Exzellenzclusters „Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“ wird eine Prozesskette zur Herstellung mikro- und nanostrukturierter Kunststoffoptiken erforscht. Dabei verfolgen Forscher des IKV das Ziel einer ganzheitlichen Betrachtung der Prozesskette von der Auslegung optischer Strukturen über die Werkzeugstrukturierung und -beschichtung, den Replikationsprozess bis hin zur Funktionsprüfung.

Die Kernkompetenz des IKV ist dabei die Analyse und Optimierung der Replikation im Spritzgießprozess unter Einsatz variothermer Temperierverfahren. Mit der am IKV entwickelten Lasertemperierung können lokale Kavitätsbereiche vor dem Einspritzen der Kunststoffschmelze hochdynamisch erwärmt werden. Dies führt zu deutlichen Verbesserungen der Oberflächenqualität spritzgegossener Kunststoffoptiken.

Darüber hinaus werden physikalisch auf der Werkzeugoberfläche abgeschiedene Hartstoffbeschichtungen untersucht, welche die Abformung von strukturierten Kavitäten verbessern. So können auch mit konventioneller Fluidtemperierung Abformgrade von über 90 % erzielt werden.

Um die Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung dickwandiger Kunststoffoptiken zu erhöhen und gleichzeitig eine präzise Abformung zu realisieren, wird das sogenannte Multilayer-Spritzgießen eigesetzt. Dabei werden dickwandige Kunststoffoptiken im Spritzgießprozess in mehreren Schichten aufgebaut. Die Summe der Kühlzeiten der einzelnen Schichten ist deutlich geringer als die Kühlzeit bei einer konventionell einschichtig hergestellten Optik.

Aktuell wird am IKV das Spritzprägen für das Multilayer-Verfahren adaptiert. Spritzprägeverfahren werden häufig zur Herstellung hochwertiger Kunststoffoptiken eingesetzt, da sie sich durch eine höhere Maßhaltigkeit und geringere Eigenspannungen im Vergleich zum Spritzgießen auszeichnen. Das Spritzprägen als Kombination aus Spritzgieß- und Pressverfahren verknüpft die prozessspezifischen Vorteile beider Verfahren. Aus dem Spritzgießen stammen die Automatisierbarkeit und die vielfältigen Eingriffsmöglichkeiten, vom Pressverfahren die gleichmäßige Materialverdichtung und die homogene Druckverteilung.  Diese Eigenschaften sind für optische Komponenten besonders wichtig. 

Duroplastische Formmassen können als Bulk Molding Compound (BMC) oder als rieselfähige Formmasse im Spritzgießprozess verarbeitet werden. Sie zeichnen sich doch hohe Wärmeform- und Chemikalienbeständigkeit sowie eine geringe Schwindung aus. Aufgrund ihres hohen Füllstoffanteils liegt ihre Dichte (~2 g/cm³) jedoch deutlich über der von technischen Thermoplasten (~1,4 g/cm³).

Um die Dichte der duroplastischen Formmassen zu senken und damit ihr Leichtbaupotenzial zu steigern, ist es das Ziel aktueller Forschungen am IKV die in der Thermoplastverarbeitung bereits etablierten Schaumspritzgießverfahren auf das Duroplastspritzgießen zu übertragen. Dabei sind insbesondere das chemische Schäumen und die Nutzung von expandierbaren Mikrosphären vielversprechende Verfahrensvarianten.

Erste Ergebnisse der Untersuchungen zeigen mit bis zu 30 % Dichtereduktion bereits das Potenzial dieser Verfahren. Weitere Untersuchungen befassen sich mit der Prozessführung, der Morphologie und den mechanischen Eigenschaften der Bauteile bei diesem innovativen Verfahren.

Kunststoff/Metall-Hybridbauteile finden heutzutage vermehrt Einsatz in der Automobilindustrie, um Leichtbau konsequent umsetzen zu können. Für die Herstellung von Kunststoff/Metall-Hybridbauteilen stellt das kombinierte Tiefzieh- und Hinterspritzverfahren eine kosteneffiziente Methode dar.

Statt der Umformung der Metallkomponente in einem vorgelagerten Prozess, erfolgt diese durch die Schließbewegung des Werkzeugs. Für diesen 1. Umformschritt, wird das Spritzgießwerkzeug um die Komponenten eines klassischen Tiefziehwerkzeugs erweitert. Anschließend erfolgt das Hinterspritzen der Metallkomponente mit der Kunststoffkomponente. Dabei wird die Metallkomponente wirkmedienbasiert im 2. Umformschritt durch den Schmelzedruck ausgeformt. Die Verbindung der Komponenten erfolgt durch ein auf die Metallkomponente aufgetragenes thermoaktivierbares Haftvermittlersystem. Dieser adhäsive Verbund ermöglicht eine vollflächige und damit homogenere Krafteinleitung, wodurch das Bauteilgewicht durch den Einsatz dünnerer Blechstrukturen weiter reduziert werden kann.

Aktueller Forschungsschwerpunkt liegt auf dem Einsatz von Magnesiumknetlegierungen als Metallkomponente. Hierfür muss die Werkzeugtechnik auf die Umformbedingungen von Magnesiumknetlegierungen erweitert werden und eine intrinsische Fügetechnologie entwickelt werden.

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Die Einhaltung eines engen Toleranzfensters mit einer hohen Wiederholgenauigkeit spielt eine entscheidende Rolle für die Wettbewerbsfähigkeit von spritzgießverarbeitenden Unternehmen. Am IKV wird daher im Rahmen des Sonderforschungsbereich 1120 „Bauteilpräzision durch Beherrschung von Schmelze und Erstarrung in Produktionsprozessen“ bereits in der Werkzeugauslegung angesetzt und der tatsächliche Kühlbedarf für möglichst verzugsfreie Bauteile ermittelt. In einem Teilprojekt des SFB wird ausgehend von der berechneten Temperaturverteilung am Ende einer Füllsimulation der lokal benötigte Kühlbedarf im Formteil ermittelt. Auf Basis des benötigten Kühlbedarfs wird in weiteren Simulationsschritten das Kühlkanallayout abgeleitet. Die Auslegung von Kühlkanalsystemen kann so automatisiert werden. Im eigentlichen Prozess wird die Reproduzierbarkeit weiterhin durch geeignete Regelungsansätze verbessert. Dazu werden in einem weiteren Teilprojekt des SFB die Werkzeugtemperatur und ihre Verteilung explizit als Stellgröße betrachtet, um über das ganze Bauteil hinweg vergleichbare Prozessbedingungen hinsichtlich Druck und Temperatur zu schaffen und somit den Formteilverzug direkt zu regeln.

Ergänzend dazu wird im Exzellenzcluster „Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“ eine selbstoptimierende Spritzgießmaschine entwickelt. Diese Spritzgießmaschine passt ihren Arbeitspunkt an die aktuell vorherrschenden Randbedingungen an und ermöglicht so eine reproduzierbare Bauteilqualität trotz Störeinflüssen. Dazu werden Sensorinformationen mit Werkstoff- und Maschinenmodellen verknüpft und für die Prozessregelung eingesetzt.

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Wir erarbeiten Lösungen für die Kunststoffindustrie

In bilateralen Projekten oder Verbundprojekten bearbeiten wir zusammen mit Industriepartnern verschiedenste aktuelle Fragestellungen. Als Partner nutzen Industriekunden dabei unsere Expertise auf den Gebieten der Prozesssimulation und -optimierung, der Werkzeugauslegung, der Material- und Bauteilabmusterung sowie bei der Umsetzung verschiedenster Sonderverfahren des Spritzgießens.

Zusammen mit unseren Partnern aus der Industrie

- erarbeiten wir eine prozessgerechte Formteilauslegung.
- entwickeln wir Fertigungsverfahren neu oder weiter.
qualifizieren wir Materialien für Sonderverfahren (Schaumspritzgießen, Fluidinjektionstechnik, u. v. m).
optimieren wir aktuelle Prozesse (Prozessführung und -regelung, Betriebsorganisation, etc.).
- unterstützen bei der erstmaligen Umsetzung innovativer Verfahren.

Wir sind Forschungspartner für verschiedene Branchen:

  • Automobil- und Zuliefererindustrie
  • Maschinenbau
  • Kosmetikindustrie
  • Weiße und Braune Ware 
  • Sport- und Medizintechnik

Häufige Fragestellungen

Kooperationsprojekte mit unseren Partnern aus der Industrie behandeln oft mehrere der folgenden  Fragestellungen, für die wir individuelle und unmittelbar umsetzbare Lösungen erarbeiten:

  • Bauteiloptimierung und prozessgerechte Auslegung
  • Untersuchung des Prozesseinflusses auf die Bauteileigenschaften
  • Nachweis der Verarbeitbarkeit neuer Materialien in Spritzgießsonderverfahren
  • Neu- und Weiterentwicklung von Spritzgießsonderverfahren, insbesondere im Bereich
    • Thermoplast-Schaumspritzgießen
    • Fluidinjektionstechnik
    • Mehrkomponenten-Technik (z. B. Multilayer-Verfahren, Kombiniertes Tiefziehen- und Hinterspritzen)
  • Prozessauslegung des Spritzgießens und seiner Sonderverfahren
  • Rheologische, thermische und mechanische Werkzeugauslegung mithilfe verschiedenster Software-Lösungen
  • Demonstratorentwicklung und -herstellung
  • Herstellung normgerechter Probekörper
  • Abmusterung von neu entwickelten Materialien

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