Bild

Das Umspritzen von Einlegeteilen ist ein Sonderverfahren des Spritzgießens zur Herstellung von komplexen Bauteilen in einem Fertigungsschritt. Die umspritzten Funktionsteile sind häufig aus metallischen Werkstoffen, beispielsweise Leiterbahnen aus einer Kupferlegierung. Mittlerweile sind aber auch keramische Werkstoffe aufgrund ihrer Eigenschaften wie Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität, für den Einsatz in Neuentwicklungen, zum Beispiel in der Medizintechnik, interessant. Viele Anwendungen bedürfen dabei einer ausreichend dichten Verbindung zwischen dem Funktionselement und dem Polymer, da eindringende Feuchtigkeit oder Verschmutzung zur starken Beeinträchtigung der Bauteilfunktion beziehungsweise zur Schädigung des Bauteils führen kann. Die notwendige Dichtigkeit ist dabei häufig nur durch einen mehrstufigen Umspritzungsprozess oder den aufwändigen Einsatz von Haftvermittlern zu erreichen. Gerade in der Medizintechnik jedoch ist der Einsatz von Haftvermittlern und haftungsmodifizierten Compounds häufig nicht zulässig, so dass die Dichtigkeit auf einem anderen Weg zu erreichen ist.

Entwicklung von Lösungsansätzen

Daher untersuchte das Kunststoff-Zentrum alternative Möglichkeiten, um bereits in der Konstruktionsphase sowie in der Herstellungsphase eines Bauteils die Mediendichtheit verbessern zu können. Für die Untersuchungen kam ein spezieller Prüfkörper zum Einsatz, dessen metallische und keramische Einlegeteile mit einem ringförmigen Kragen umspritzt sind. Durch Wechseleinsätze in zwei Spritzgießwerkzeugen ließen sich die Wanddicke der Kunststoffkomponente sowie die Länge der Ummantelung variieren. Die Prüfkörper besitzen jeweils einen flanschartigen Kragenabschluss, der die Einspannung in eine Prüfvorrichtung ermöglicht und die notwendige hohe Abdichtung bei Dichtheitsmessungen sicherstellt. Die Materialauswahl fiel bei den Einlegeteilen auf Bleche mit zwei unterschiedlichen Dicken aus dem Kupferwerkstoff E-Cu58 F26 sowie Stäbe aus der Aluminiumoxidkeramik Ruballit A 1999,5. Die Untersuchungen führten die Wissenschaftler mit einem hochgefüllten Polyamid 6 mit 50 Prozent Glasfaseranteil (ein Werkstoff für elektronische Anwendungen unter rauen Umgebungsbedingungen, wie sie beispielsweise im Motorinnenraum vorliegen), sowie mit einem unverstärkten Polyamid 66 durch. Für Dichtigkeitsprüfungen auf einem breiten Messbereich entwickelte das Zentrum eigens eine Prüfeinrichtung, mit der sowohl Messungen nach dem Differenzdruckprinzip als auch nach dem Relativdruckprinzip möglich sind. Bei anliegendem Prüfdruck bewirkt die Leckage in der Grenzfläche von Kunststoff und Einlegeteil einen Druckabfall in der Prüfkammer. Aus diesem erfolgt bei bekanntem Prüfkammervolumen und vorgegebener Messdauer die Leckrate in mbar*l/s.

Gezielte Bauteil-gestaltung im Umspritzbereich

Der Kunststoff schwindet beim Abkühlen auf das Einlegeteil, es entsteht eine kraftschlüssige Verbindung zwischen beiden Komponenten. Um Einfluss auf das Schwindungspotenzial und somit auf die Höhe der Flächenpressung zwischen beiden Komponenten, veränderten die Mitarbeiter in einer ersten Maßnahme die Wandstärke der Kunststoffkomponente. Zudem verlängerten sie über die Ummantelung den Weg, den das Medium zurücklegen muss, um zwischen Kunststoff und Einlegeteil hindurchdringen zu können. Die Untersuchungen führten zu der Erkenntnis, dass die Ummantelungslänge wesentlich zur Bauteilabdichtung beiträgt. So konnte eine Verdoppelung der Ummantelungslänge die Leckrate um bis zu 90 Prozent reduzieren. Die Erhöhung der Wanddicke im Bereich der Fügezone hat die Bauteildichtigkeit hingegen nur in geringerem Maße verbessert. Eine weitere wichtige, wohl häufig unterschätzte Einflussgröße, ist die Dicke des Einlegeteils: So waren die Bauteile mit dünnem Kupferblech stets dichter. Extreme Unterschiede zeigten sich vor allem beim unverstärkten Polyamid. Hier waren die Leckraten des Prüflings mit dickem Kupferblech bis zu hundertfach höher.

Starke Vorwärmung der Einleger

Als zweite Maßnahme konnte das Würzburger Kunststoffzentrum das Benetzungsverhalten der Schmelze durch eine starke Vorwärmung der Einlegeteile über 250?°C auf der Einlegeteiloberfläche verbessern. Die Vorwärmung erfolgte dabei über ein innerhalb einer Einhausung direkt über der Spritzgießmaschine adaptiertes Heißluftgebläse. Die Positionierung vor dem Gebläse sowie der anschließende Einlegevorgang erfolgten vollautomatisch mit einem Handlinggerät. Durch die Vorwärmung der Einlegeteile und der daraus resultierenden hohen Kontakttemperatur zwischen Kunststoffschmelze und Einlegeteiloberfläche beim Umspritzprozess konnten die Ingenieure deutliche Haftungseffekte erzielen, so dass ein nachträgliches Ausziehen der Bleche aus der Kunststoff-Ummantelung nicht mehr möglich war. Bei vielen Bauteilen konnten sie mit dieser Maßnahme die Leckrate ebenfalls bis zu 90 Prozent reduzieren, einige jedoch wiesen ähnlich hohe Dichtigkeiten auf wie Prüfkörper mit unbehandelten Einlegern. Die erzielten Haftungseffekte wirken also nicht immer flächendeckend über den kompletten Umspritzungsbereich, sondern nur partiell. Der Prozess gewährleistet somit keine 100-prozentige Sicherheit, um mediendichte Bauteile herzustellen. Zudem erzielten die Einlegeteile aus Aluminiumoxid durch die Vorwärmung keine so prägnanten Haftungseffekte wie die getesteten Kupferbleche.

Strukturierung der Einlegeteiloberfläche

Als dritte und letzte Maßnahme für eine bessere Abdichtung im Bauteil stand die Gestaltung der Oberflächentopografie des Einlegeteils auf dem Plan. Gezielt aufgebrachte Strukturen, die quer zur Strömungsrichtung des Prüfmediums verlaufen, können wie Barrieren wirken und den Durchfluss zwischen Kunststoff und Einlegeteil verhindern. Ein einfaches Aufrauen der Oberfläche erhöht zwar die Zahl an feinen Verankerungen zwischen Polymer und Einlegeteil, erzielte jedoch keine bessere Abdichtung. Die höchsten Dichtigkeiten erreichten jene Prüfkörper, auf deren Einlegeteiloberfläche mittels Laserstrukturierung bis zu zwölf wellenförmige Linien mit einer Breite von 0,2 mm und einer Tiefe von zirka 0,06 mm eingearbeitet wurden. Die besten Ergebnisse erzielten die Untersuchungen bei einer Kombination der verschiedenen Maßnahmen. Unter Berücksichtigung der Bauteilgeometrie, waren die Unterschiede in den ermittelten Leckraten bei den verschiedenen Prüfkörpern so groß, dass eine Prüfung unter gleichen Bedingungen (Prüfdruck/Prüfzeit) nicht möglich war. Bei Kombination aller Maßnahmen (dickwandige, lange Ummantelung, Einleger strukturiert und vorgewärmt) ergibt sich eine Reduzierung der Leckrate um den Faktor > 10-4. Beim Vergleich zwischen den Bauteilen mit Kupfer- und Keramikeinleger zeigte sich, dass die Kunststoff-Keramik-Bauteile insgesamt eine höhere Mediendichtheit aufweisen, die getroffenen Maßnahmen jedoch eine geringere zusätzliche Abdichtung bewirkten. Schlussendlich ist der Einfluss der Kunststoffkomponente auf die Mediendichtheit ebenfalls von großer Bedeutung. So waren die Bauteile aus unverstärktem Polyamid wesentlich dichter als die verstärkten Materialvarianten, da das Polymer mehr auf das Einlegeteile aufschwindet, so dass zwischen den Komponenten eine höhere Flächenpressung entsteht, die zur Abdichtung beiträgt.

 

NEUE TECHNOLOGIEN

Verbesserte Dichtigkeit

Durch Verlängerung der Kunststoffummantelung reduziert sich die Leckage zwischen Polymer und Einlegeteil deutlich. Eine Vorwärmung der Einlegeteile auf über 250?°C ermöglicht starke Haftungseffekte, die jedoch nicht immer flächendeckend wirken, so dass Leckagen verbleiben können. Prozesssicherer ist eine gezielte Strukturierung der Einlegeteiloberfläche, um die Mediendichtheit deutlich zu verbessern.

 

Danksagung

Das Vorhaben (IGF-Nr. 16161 N) der Fördergemeinschaft für das SKZ wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen
Gemeinschaftsforschung und -entwicklung vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie gefördert. Dafür danken die Autoren sowie die
Forschungsvereinigung sehr herzlich. Wir danken weiterhin allen beteiligten Firmen.

Autor

Über den Autor

Prof. Dr.-Ing. Martin Bastian, Dr.-Ing. Peter Heidemeyer, Thomas Zentgraf, Manfred Popp