Duromere schließen werkstoffspezifische Lücke

Obwohl Duromere im Vergleich zu den Thermoplasten über hervorragende Werkstoffeigenschaften, vor allem hinsichtlich ihrer thermomechanischen Eigenschaften, verfügen, und verglichen mit den Leichtmetallen eine geringe Dichte besitzen, werden sie derzeit nur relativ begrenzt eingesetzt. Vorteile der Duromere sind, unter anderem, eine hohe Temperaturbeständigkeit, die nicht vorhandene Kriechneigung, eine sehr gute Medienbeständigkeit oder die kaum vorhandene Materialschwindung – und das alles bei einer geringen Dichte.

Gegenüberstellung von Thermoplast- und Duromer-Spritzguss. (Bildquelle: TH Rosenheim)

Der Stand der Technik von der Duromer-Spritzgieß-Technologie ist derzeit noch nicht mit dem der Thermoplaste vergleichbar. Ein Grund ist, dass in der Vergangenheit meist nur projektspezifische Optimierungen durchgeführt wurden, wodurch relativ wenig allgemeingültiges, tiefgründiges und zugängliches Prozessverständnis vorhanden ist. Dies ist deshalb erstaunlich, da es die Werkstoffklasse der Duromere schon länger gibt als die der Thermoplaste. Der Duromer-Spritzguss unterscheidet sich von dem Thermoplast-Spritzguss unter anderem in der Temperaturführung (genauer in der Temperierung), der nicht vorhandenen Rückstromsperre und der nicht vorhandenen Nadelverschlussdüse. Bei dem Duromer-Spritzguss gibt es prinzipiell zwei Varianten, zum einen die Verarbeitung von rieselfähigen Formmassen (mit welchen sich dieser Artikel befasst) und zum anderen die von Bulk-Moulding-Compound-Formmassen (BMC).

Duromere besitzen Potential

Zur Verbesserung des Stands der Technik ist der Spruch „Qualität kann nicht erprüft, sondern muss gefertigt werden“ auch bei den Duromeren dringend umzusetzen, um das Potential dieser Werkstoffgruppe vollständig nutzen zu können. Nur so kann die werkstoffspezifisch vorhandene Lücke zwischen Thermoplasten und Leichtmetalllegierungen geschlossen werden. Der Start wurde vor einigen Jahren mit bereits abgeschlossenen Forschungsprojekten, wie zum Beispiel dem F & E-Projekt „Fiber Set“ [1], gemacht. Durch den seitdem gestiegenen Forschungs- und Entwicklungsaufwand wird aktuell der Weg zur „produzierten Qualität“ gegangen. Die TH Rosenheim beschäftigt sich seit drei Jahren mit der Duromer-Spritzgieß-Technologie.

Angussbuchse zur Online-Messung der Massetemperatur nach dem Düsenaustritt. (Bildquelle: TH Rosenheim)

Die Temperatur der plastifizierten Masse, im Folgenden als Massetemperatur bezeichnet, ist neben der Werkzeugtemperatur mitentscheidend für das Vernetzen der Formmasse. Die Massetemperatur ist verglichen mit der Werkzeugtemperatur kein einstellbarer Maschinenparameter, sondern ergibt sich aus der Zylindertemperatur (respektive deren Profil), der Drehzahl der Schnecke und dem Staudruck beim Plastifizieren, der Einspritzgeschwindigkeit sowie durch die Scherung vor und im Düsenkanal während des Einspritzvorgangs. Um den Einfluss der Maschinenparameter zu untersuchen, wurde eine Onlinemessung für die Massetemperatur entwickelt. Die Messung erfolgt direkt nach dem Düsenaustritt in einer verlängerten Angussbuchse (Verbindung zwischen Maschinendüse und der Trennebene des Spritzgießwerkzeugs). Herausfordernd waren das Einbringen des Sensors, die fertigungsgerechte Konstruktion, die Festigkeitsauslegung sowie die Austauschbarkeit mit der „Standard“-Angussbuchse von mehreren Werkzeugen.

Beeinflussung der Massetemperatur

Beeinflussung der Massetemperatur durch Maschinenparamter. (Bildquelle: TH Rosenheim)

Die im Folgenden dargestellten Ergebnisse beziehen sich auf die Versuchsreihe zur Beeinflussung der Massetemperatur durch die Maschinenparametern Schneckendrehzahl n und Staudruck p_Stau beim Plastifizieren sowie der Einspritzgeschwindigkeit v_E.

Die Zylindertemperatur, genauer das Temperaturprofil der drei Temperierzonen (90 °C (an der Düse) – 75 °C – 60 °C), die Nachdruckführung (600 bar, 10 s und Umschaltpunkt) sowie die Heizzeit (30 s) und Werkzeugtemperatur (160 °C) waren konstant. Bei den Versuchen wurde die Formmasse PF1110 (Glasanteil 80 Gew.-%) von Hexion verwendet.

Verhalten der Massetemperatur bei drei Einspritzgeschwindigkeiten vE. (Bildquelle: TH Rosenheim)

Es hat sich gezeigt, dass die Einspritzgeschwindigkeit (v_E = 12, 24 und 48 cm³/s) den größten Einfluss auf die Massetemperatur hat. Die Maxima der Temperatursignale stellen den Beginn und diejenigen der Werkzeuginndruckkurven das Ende des Nachdrucks dar. Der Höchstwert des dargestellten Temperatursignals spiegelt die Massetemperatur während der Formgebung wieder. Deren Maxima steigen von 123 °C (bei v_E = 12 cm³/s) über 129 °C (bei v_E = 24 cm³/s) auf 138 °C (bei v_E = 48 cm³/s). Weiterhin ist zu sehen, dass beim Erhöhen der Einspritzgeschwindigkeit (v_E) sich die mechanischen Bauteileigenschaften tendenziell verbessern und der Werkzeuginnendruck am Fließwegende zunimmt. Letztgenanntes lässt sich durch eine bessere Druckübertragung infolge einer niedrigeren Viskosität (bei hohen v_E) begründen.

Wärmestrom der Masse erfassen

Aufbau und Messtelle des Temperautr-Gradienten-Sensors (TSG) [2]. (Bildquelle: TH Rosenheim)

Der Einfluss der Einspritzgeschwindigkeit auf die Massetemperatur ist auch an dem im Spritzgießwerkzeug integrierten Temperatur-Gradienten-Sensor (TGS) gut zu sehen. Dieser Sensor misst die Temperatur der plastifizierten Masse sowie den von selbiger Masse ausgehenden Wärmestrom mit drei in Sensorachse hintereinander angeordneten Thermoelementen. Das Erste bündig zur Kavität (TGS 0 mm), das Zweite 2 mm (TGS 2 mm) und das Dritte 4 mm (TGS 4 mm) dahinter. Durch diese Anordnung wird auch die Richtung des Wärmestroms detektiert. Der Sensor sitzt auf der Schulter des Zugstabes in Richtung des Anschnitts.

Messdaten des Temperatur-Gradienten-Sensors bei drei Einspritzgeschwindigkeiten. (Bildquelle: TH Rosenheim)

Der Zeitraum Δt ist bei einer Parametervariation ein Indiz für die sich ergebende Vernetzungsgeschwindigkeit. Dieser beginnt mit dem Temperaturabfall des schmelzeberührenden Thermoelements, in Folge der ankommenden „kalten“ Masse (TGS 0 < TGS 2), und endet mit dem Übersteigen des Temperatursignals zu dem dahinter angeordneten Thermoelement in Folge der leicht exothermen Vernetzungsreaktion (TGS 0 > TGS 2). Bekräftigt wird die Aussage über die Vernetzungsgeschwindigkeit mit den tendenziell steigenden mechanischen Kennwerten (bei steigender Einspritzgeschwindigkeit).

Einfluss der ausgewählten Maschinenparameter auf diverse Prozessparameter. (Bildquelle: TH Rosenheim)

Der Einfluss der Schneckendrehzahl und des Staudrucks (beides beim Plastifizieren) auf die Massetemperatur ist wesentlich geringer. Generell führt die Erhöhung der dargestellten Maschinenparameter zu einer Erhöhung des Werkzeuginnendrucks am Fließwegende. Aufgrund der nicht vorhandenen Rückstromsperre in der Plastifizierung für rieselfähige Duromere kommt es vor allem in der Einspritzphase zu einem Rückfluss der plastifizierten Masse in die Schneckengänge und über deren Stege. Der Rückfluss berechnet sich überschlägig aus dem Dosiervolumen V_Dosier abzüglich dem Bauteilvolumen und dem verbleibenden Restmassepolster. Beim Erhöhen der Plastifizierparameter, Schneckendrehzahl und Staudruck wird der Masse mehr Energie zugeführt, wodurch die Viskosität sinkt, der Rückfluss sich erhöht und dementsprechend mehr Dosiervolumen für die Füllung der Kavität notwendig ist.

Danksagung

Der größte Dank geht an die betreuenden Professoren Herrn P. Karlinger, Herrn M. Schemme (beide TH Rosenheim) und Herrn M. Gehde (TU Chemnitz) sowie an die Projektpartner des Forschungsprojekts Qualitätsoptimierte Produktion von Duromeren (QuaProDur) Deckerform Technologies, Gubesch und Krauss Maffei Technologies. Danke auch an den Fördermittelgeber (Bayerischen Staatsministeriums für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie) und dem Projektträger (Projektträger Jülich) sowie an die Kollegen Herrn M. Zillmer und Herrn P. Spielberger (beide TH Rosenheim) sowie an Herrn T. Scheffler (TU Chemnitz).

Quellen:

[1] Ergebnisbericht des BMBF-Verbundprojektes Fiber Set (Förderkennzeichen 02PJ2160 – 02PJ2168), Autorenliste: Seite 3 des Berichts, 2015.

[2] FOS Messtechnik, Datenblatt „Gradienten-Thermometer“, Seite 1.