Wie sich die Oberflächenqualität von Kunststoffbauteilen mit Hochglanzoberflächen vorhersagen lässt

Ob im Automobilbau, der Möbelindustrie oder der Unterhaltungselektronik – moderne Produkte in Hochglanzoptik sind gefragt, garantieren Aufmerksamkeit, Kundenakzeptanz und sichern somit Marktanteile. Der vermeintlich günstige Werkstoff Kunststoff hat sich mittlerweile – bewusst oder unbewusst – zu einem Lifestylewerkstoff gewandelt. Einher gehen damit hohe Ansprüche an die Oberflächenqualität, die stetig neuen Anforderungen unterliegen und mit dem Wandel des Werkstoffs weiter kontinuierlich steigen. Zusätzlich beeinflussen diesen Wandlungsprozess weitere Aspekte, beispielsweise ökonomische und ökologische Faktoren, etwa zur Reduzierung des CO2-Fußabdrucks. Diese gilt es ebenso zu berücksichtigen. Eine besondere Schlüsselrolle bei der Gewährleistung gewünschter Produktqualitäten spielt dabei ein optimal abgestimmtes Zusammenwirken zwischen Analyse- und Bewertungsmöglichkeiten mittels Prozesssimulation sowie die Beachtung und Umsetzung gewonnener Erkenntnisse zur Verbesserung der Verfahrenstechnik. So lassen sich Herstellungsverfahren im Vorhinein zielführend bewerten und das geeignete Anwendungsspektrum im Vorfeld definieren.

Unbestritten birgt das Spritzgießen von Kunststoffbauteilen mit Hochglanzoberflächen zahlreiche Herausforderungen. So kann unter anderem eine unzureichende Oberflächenqualität des Werkzeugeinsatzes, ungeeignetes Material oder falsche Prozessparameter zu einer minderwertigen Oberflächenqualität führen [1, 2]. Um dennoch die gewünschte Hochglanzqualität zu erzielen, können manche Oberflächen mittels nachgestelltem Lackierprozess aufgearbeitet werden [3]. Allerdings verursachen dann die Energiekosten für den Lackierprozess mit 5 bis 15 % einen maßgeblichen Anteil an den gesamten Herstellungskosten des Bauteils [4]. Bei steigendem Druck nach effizienteren Produktionsmethoden sowie der Anforderung möglichst niedrigerer Herstellungskosten bei höherer Qualität werden alternative Prozesse erforderlich [3]. Die drei wesentlichen Einflussfaktoren auf die Qualität von Hochglanzoberflächen während des Spritzgießprozesses sind die Einspritzgeschwindigkeit, der Nachdruck sowie die Werkzeugtemperatur, wobei letztere den Prozessparameter mit den größten Auswirkungen darstellt [5]. Bei hoher Werkzeugtemperatur lassen sich nahezu ideale Hochglanzoberflächen herstellen. Um allerdings überhöhten Zykluszeiten durch lange Kühlzeiten vorzubeugen, bieten variotherme Temperierungen eine Alternative zur Herstellung von Bauteilen mit Hochglanzoberflächen [5].
Zur Vermeidung ungeplanter Kosten oder Bauteildefekte empfiehlt sich die frühzeitige Vorhersage der Bauteilqualität mittels Simulation, idealerweise bereits in der Phase des Entstehungsprozesses [6]. In enger Zusammenarbeit zwischen der Contura MTC GmbH und Simpatec wurde der Einsatz einer konventionellen sowie einer variothermen Temperierung innerhalb des Herstellungsprozess eines Bauteils mit Hochglanzoberfläche verglichen. Bei beiden Prozessen kam ein identisches Spritzgießwerkzeug mit konturnaher Kühlung zum Einsatz. Bei der Entwicklung und Herstellung des Werkzeuges waren die Firmen Premec S.p.A., Toolax sowie die Contura MTC GmbH maßgeblich beteiligt. Durch den konturnahen Verlauf der Kühlkanäle und das insgesamt maßgeschneiderte Kühlsystem wird eine geeignete Basis der Temperierung geschaffen und somit Einfluss auf die Werkzeugwandtemperaturen ermöglicht. Sowohl die erzielte Oberflächenqualität des Bauteils wurde bewertet als auch eine Kosten- und Energieabschätzung beider Herstellungsverfahren unter Berücksichtigung eines eventuell zusätzlich notwendigen Lackierprozesses durchgeführt. Mithilfe der Prozesssimulation wurde geprüft, ob eine Vorhersage der Oberflächenqualität nach dem Spritzgießen bereits im Produktentstehungsprozess möglich ist, um vorab anfallende Kosten eines Lackierprozesses berücksichtigen zu können. Zusätzlich wurde der Einsatz unterschiedlicher Materialien analysiert; so wurde das Referenzbauteil zum einen aus einem PC+ABS und zum anderen aus einem Polyamid 6 mit 30-prozentigem Glasfaseranteil hergestellt.

Das Referenzbauteil aus PC+ABS glänzte in beiden Herstellungsvarianten mit Hochglanzoberfläche im Spritzgießprozess mit und ohne Variothermie. Unter Nutzung der variothermen Temperierung entstand eine ideale, sogenannte Piano-Black-Oberfläche. Die Oberfläche ist frei von Schlieren, Bindenähten etc., auf einen nachfolgenden Lackierprozess kann verzichtet werden. Bei der Herstellung mittels konventioneller Temperierung ist auf den ersten Blick ebenfalls eine schlierenfreie Oberfläche erkennbar. Bei näherer Betrachtung fallen allerdings deutlich erkennbare Bindenähte ins Auge. Ein nachfolgender Lackierprozess wird nötig, um die gewünschte Oberfläche in Piano-Black-Optik zu erzielen.

Die Integration eines nachfolgenden, weiteren Prozessschritts, wie der des Lackiervorganges in den Herstellungsprozess, bewirkt nicht nur einen erhöhten Ressourceneinsatz hinsichtlich Organisation, Transport, Verpackung oder Handling, zusätzlich müssen auch die steigenden Energie- und damit Kostenaufwände berücksichtigt werden. Demgegenüber steht ein ebenfalls erhöhter Energiebedarf bei der Spritzgießfertigung mit variothermer Temperierung. Wie gestalten sich die erhöhten Aufwände tatsächlich? Das gilt es zu vergleichen.
Dafür wird der Energiebedarf einer Spritzgießmaschine (Typ Si-180-6s, Hersteller Toyo Machinery & Metal Co.) inklusive aller Temperiereinheiten für die Herstellung von jeweils 40 Referenzbauteilen gemessen. Unter konventioneller Temperierung wurde für 40 Zyklen ein Energiebedarf von 2,882 kWh notwendig; nach Zuschalten der variothermen Temperierung 7,868 kWh. Dies zeigt einen deutlichen Anstieg des Energieverbrauchs von einem Faktor größer als 2,7. Mit einem Strompreis von 20 Cent pro kWh ergibt sich daraus eine Preiserhöhung von knapp 2,5 Cent pro Bauteil [7]. Verglichen mit den Aufwänden eines nachgestellten Lackierprozesses, der im Falle einer Spritzgießfertigung mit konventioneller Temperierung anfällt, ist dies trotz allem eine relativ niedrige Preiserhöhung: Bei einer Losgröße von 25.000 Stück und einer Einschichtlackierung fallen mehr als 45 Cent pro Bauteil zusätzlich an. Bei dieser Preisabschätzung sind das Handling, eventuelle Einmalkosten sowie ein Lackierausschuss von circa 2 % noch nicht inbegriffen. Resultierend ergibt sich daraus ein Faktor von Minimum 18, um den die Herstellungsvariante mit variothermer Temperierung kostengünstiger gegenüber der Variante mit konventioneller Temperierung ist.

Piano-Black kann also beides sein: eine günstige oder eine teure Lifestyle-Optik, je nach Herstellungsprozess. Gewinnbringend und nützlich ist diese Information jedoch nur, wenn im Vorhinein abgeschätzt werden kann, ob eine variotherme Temperierung für das zu fertigende Produkt einen Mehrwert bringen kann oder nicht. Mithilfe der Spritzgießsimulation lassen sich nicht nur Trends aufzeigen, die auf die Oberflächenqualität des Bauteils schließen lassen. Mit Moldex 3D wurde dafür der Spritzgießprozess zum einen mit konventioneller und zum anderen mit variothermer Temperierung berechnet. Neben den herkömmlichen Ergebnissen, beispielsweise Fließeigenschaften, Temperaturen, Druck und Deformation, sind für die Tendenz der Oberflächenqualität unter anderem die Eigenschaften der Bindenähte sowie die Scherbelastungen von Interesse. Anhand der Temperatur der Bindenähte zum Zeitpunkt derer Entstehung lassen sich Rückschlüsse auf deren Ausprägung treffen. Bei höheren Temperaturen der aufeinandertreffenden Schmelzefronten erfolgt eine größere Durchmischung durch die niedrigere Viskosität der Schmelze, was zu weniger ausgeprägten Bindenähten führt. Dieses Phänomen der deutlich höheren Temperaturen der Bindenähte zeigt sich im Prozess mit variothermer Temperierung auf der variotherm temperierten Bauteilseite, in diesem Fall die Sichtfläche auf der Oberseite. Das reale Bauteil zeigt an dieser Stelle keinerlei Anzeichen von Bindenähten. Das Ergebnis der Berechnung verdeutlicht die Temperaturunterschiede der Bindenähte: Auf der variotherm temperierten Sichtfläche (Oberseite) ist die Temperatur der potentiellen Bindenaht so hoch, dass hier die Datenpunkte mit noch höheren Temperaturen als Bindenähte vernachlässigt werden können. Neben der Betrachtung der Bindenähte ist auch ein Vergleich der Scherspannungen an der Oberfläche, die bei den verschiedenen Temperiersystemen auftreten, von Bedeutung. Der Vergleich der Berechnungsergebnisse beider Temperierarten zeigt Unterschiede in der Oberflächenbeschaffenheit der Bauteile. Dies kann jedoch noch keine Garantie für eine einwandfreie Oberfläche im Falle eines variothermen Spritzgießprozesses, respektive die Einsparung eines ganzen Lackierschrittes, sein. Hierfür sind weiterführende Versuche notwendig, die Erkenntnisse zu ergänzenden relevanten Einflussgrößen, wie etwa der Oberflächenqualität des Werkzeugs, liefern. Nichtsdestotrotz verdeutlichen die Ergebnisse bereits eine sichtbare Steigerung der Oberflächenqualität für das Bauteil aus variothermer Temperierung.

Dass es ganz ohne Lack schwierig wird, verdeutlichen die Bauteile aus Polyamid 6 mit 30 % Glasfaseranteil. Hier wurden bei Einsatz des Spritzgießprozesses mit konventioneller Temperierung so kritische Oberflächenqualitäten erreicht, dass selbst eine Lackierung auf Hochglanz aufgrund mangelnder Machbarkeit teilweise nicht mal mehr angeboten wurde. Eine solche Situation ist für einen realen Produktentwicklungsprozess untragbar. Die Herstellung mittels Spritzgießprozess mit variothermer Temperierung konnte noch retten, was zu retten ist: Es wurden akzeptable Oberflächenqualitäten erzielt, sodass ein nachfolgender Lackierprozess noch möglich wäre und die gewünschten Hochglanzflächen noch erzielt werden könnten. Der Notwendigkeit des nachgestellten Lackierprozesses zum Trotz: In diesem Fall hat die variotherme Temperierung die Herstellung einer Hochglanzoberfläche überhaupt erst ermöglicht. Mit Blick auf den Vergleich der realen Bauteiloberflächen mit den hier gezeigten Berechnungsergebnissen aus der Simulation mit Moldex 3D werden Parallelen erkennbar, die auf die Möglichkeit der Vorhersage des zuvor beschriebenen Debakels schließen lassen können. Die Berechnungsergebnisse zeigen die maximalen Scherspannungen am Ende der Füllphase beider Temperierarten. Die Gradienten der Scherspannungen sind Indikatoren für eine ungleichmäßige Bauteiloberfläche, was im Falle der konventionellen Temperierung die drastisch ungleichmäßige Oberflächenqualität des Realbauteils bestätigt. Die geringer ausgeprägten Scherspannungsgradienten beim Berechnungsergebnis für die variotherme Temperierung decken sich mit der qualitativ hochwertigeren realen Bauteiloberfläche. Wie zuvor bei den Bindenähten kann also auch das Berechnungsergebnis der Scherspannungen Tendenzen über die spätere Oberflächenqualität des Realbauteils aufzeigen. Dieser Versuch mit PA6 und 30 % Glasfaser unterstreicht zudem den entscheidenden Beitrag, den die Spritzgießsimulation zur Abschätzung der Machbarkeit der Produktherstellung leisten kann.

[1] Kerkstra, R.: Solving Issues with Gloss. Plastics Technology (2016), Online verfügbar unter https://www.ptonline.com/news/solving-issues-with-gloss.

[2] Berger, G.; Friesenbichler, W.; Reitter, M.; Jutz, S.; Langecker, G.: Hochglanzoberflächen beim Spritzgießen. Materials Testing 52 (2010) 4, S. 211-221

[3] Schulz, D.: Ausschussarmes Lackieren von Kunststoffen. plastverarbeiter. (2021) Online verfügbar unter https://www.plastverarbeiter.de/markt/ausschussarmes-lackieren-von-kunststoffen.html, zuletzt geprüft am 05.10.2021.

[4] Bundesministerium für Wirtschaft und Energie: Luftstromregelung und Wärmerückgewinnung im Lackierprozess. (2021), S. 1 Online verfügbar unter https://www.wettbewerb-energieeffizienz.de/WENEFF/Redaktion/DE/Artikel/Projekte/Projektideen/energieeffizienz-in-lackieranlagen.html.

[5] Gim, J.; Han, E.; Rhee, B.; Friesenbichler, W.; Gruber, D.: Causes of the Gloss Transition Defect on High-Gloss Injection-Molded Surfaces. Polymers 12 (2020) 9, S. 1-16

[6] Sánchez, R.; Martinez, A.; Mercado, D.; Carbonel, A.; Aisa, J.: Rapid heating injection moulding: An experimental surface temperature study. Polymer Testing 93 (2021) 106928, S. 1-7

[7] Homann, J.; Mundt, A.: Monitoringbericht Energie 2020. Bundesnetzagentur für Elektrizität, Gas, Telekommunikation, Post und Eisenbahnen. Bonn. (2021), S. 27-28

Quelle: Simpatec