Als Dienstleister hat sich GK-Thermografie aus Trebur auf das Optimieren von Spritzgieß- und thermischen Prozessen in der Kunststoffprüfung mit Hilfe einer Wärmebildkamera spezialisiert. Seit 2008 erstellt der zertifizierte Thermograf Gerold Klein vor Ort thermische Analysen und berät seine Kunden entsprechend. „Für Unternehmen im Kunststoffsektor spielt der Qualitätsaspekt eine große Rolle.“ erklärt Klein. „Manchmal ist den Firmen aber gar nicht bewusst, wie groß daneben auch das Einsparpotenzial ist.“

Bei modernen Spritzgussteilen sollen Wandstärken heute aus Kostengründen so dünn wie möglich konstruiert sein, dabei aber dennoch alle notwendigen mechanischen Eigenschaften mitbringen. Der Prozess der Kunststoffverarbeitung hierfür ist äußerst komplex. Viele Parameter – darunter in erster Linie die thermischen Abläufe – entscheiden über die Qualität des Bauteils. Bauteilkonstruktion, Form und Verarbeitungsprozess müssen deshalb optimal aufeinander abgestimmt sein. Daher wird die Thermografie heute in vielen kunststoffverarbeitenden Unternehmen nicht nur bei Verarbeitungsproblemen eingesetzt.

Mit ihrer Hilfe können eine Reihe an Problemen frühzeitig erkannt und gelöst werden. „Oberflächenfehler, Verzugsprobleme und Schwierigkeiten mit der Dimensionsstabilität beim Spritzgießen gehen meist mit Fehlern in der Werkzeug-Temperierung einher“, weiß Klein zu berichten. Durch die Messung der Oberflächentemperatur am Bauteil kann dessen thermischer Haushalt in Form von Wärmebildern wiedergegeben und auf dieser Basis die Temperaturverteilung optimiert werden.“

Temperatur beeinflusst Qualität und Stückkosten

Eine gleichmäßige Verteilung der Temperatur hat einen positiven Einfluss auf die Qualität der Bauteile – und ermöglicht darüber hinaus, die Stückkosten durch eine Verringerung der Zykluszeit zu reduieren. Als Faustregel gilt: Eine Erhöhung der Werkzeugwandtemperatur um ein Grad Celsius verlängert die Kühlzeit um zwei Prozent. Dazu ein Beispiel: Bei einer Soll- Werkzeugwandtemperatur von 80 °C würde die Zykluszeit 59,6 s betragen. Nun beträgt die Ist-Werkzeugwandtemperatur de facto aber 90 °C – mit der Folge, dass sich die Zykluszeit auf 73,6 s erhöht. Eine Temperatur-Optimierung könnte bei einer Losgröße von 10.000 Teilen eine Einsparung von fast 8.000 EUR ermöglichen – bei einem angenommenen Maschinenstundensatz von 200 EUR. Fazit: Die Reduzierung der Zykluszeit erhöht die Produktivität und spart erhebliche Kosten.

Füllstoffe verändern die Materialeigenschaften

Kunststoffe sind oft spröde oder sehr weich. Um die Werkstoff-Eigenschaften von Kunststoffen zu verändern, werden den Basis-Kunststoffen in modernen Spritzgussverfahren zusätzliche Materialien zugesetzt. Diese sogenannten aktiven Füllstoffe verändern die mechanischen Eigenschaften des Materials. Wichtige Füllstoffe sind unter anderem Kreide, Sand, Kieselgur, Glasfasern oder Glaskugeln, Zinkoxid, Quarz, Holzmehl, Stärke, Graphit, Ruße und Talkum je nach Anforderung an das Bauteil.

Ein bedeutender Effekt der aktiven Füllstoffe besteht also in der Veränderung der Materialeigenschaften hin zu den spezifischen Anforderungen an das Bauteil. Kunststoffe werden daher mit unterschiedlichen Füllstoffen auf ihre Leistungsfähigkeit getestet. Dazu werden vom Material selbst unter anderem Probestäbe, sogenannte Zugstäbe, hergestellt. Diese sind meist vorgefertigte Spritzgießteile. Durch das Ziehen der Zugstäbe auf einer konventionellen Zug-Prüfmaschine entsteht im Inneren der Zugproben je nach Material, Zug-Prüfgeschwindigkeit und Füllgrad Wärme.

Dabei können die Temperaturen – je nach Versuchsanordnung – auf Glasübergangstemperatur steigen. Physikalisch ist der Prozess hoch interessant: Die Molekülketten des Polymers in den Stäben gleiten aneinander vorbei – am stärksten im Einschnürbereich des Probestabs. Hierdurch kann sich innerhalb der Prüfzeit die Temperatur so entwickeln, dass sie letztlich das Basismaterial negativ beeinflussen kann. Bei amorphen Thermoplasten sollte deshalb nur unterhalb der Glasübergangtemperatur geprüft werden. Bei teilkristallinen Thermoplasten sollte die Schmelztemperatur die obere Grenze darstellen, da die Festigkeit sonst reduziert wird.

Ausgereifte Wärmebildkamera

Nach positiven Erfahrungen mit Wärmekameras in einem Unternehmen für Anwendungstechnik vertraut Klein der Expertise von Infrarotkameras von Flir Systems. „Ich wollte von Anfang an kein besseres Spielzeug, sondern eine wirklich ausgereifte Wärmebildkamera, die über eine gewisse Auflösung verfügen sollte.“ Überzeugt haben Klein neben der gelungenen Konzeption, dem großen Funktionsumfang (Bild-im-Bild, Isothermen) dann auch die ergonomische und einfache Bedienung. Die Infrarot-Aufnahmen werden mit der Software Reporter ausgewertet oder mit den entsprechenden Tools, die das Anlegen, Bewegen und Skalieren der Größe von Messwerkzeugen für jedes Wärmebild und die Berichtserstellung über PDF-Dateien ermöglicht.

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Über den Autor

Thomas Jung ist Sales Manager Distribution Central Europe bei Flir Systems in Frankfurt. info@flir.de Frank Liebelt ist freier Journalist aus Frankfurt.