Beim physikalischen Schäumen wird der Kunststoffschmelze ein überkritisches Gas zugesetzt. Während der Werkzeugfüllung entstehen im Inneren des Bauteils zahlreiche fein verteilte Mikrozellen.
Der MuCell-Prozess nutzt dieses Prinzip, indem ein Gas unter definierten Bedingungen in die Kunststoffschmelze eingebracht wird. Die Schaumzellen bilden sich erst während der Werkzeugfüllung. Materialverteilung, Druckverlauf und Erstarrungsverhalten unterscheiden sich dadurch vom konventionellen Spritzgießen. Das Verfahren unterscheidet sich deshalb nicht nur hinsichtlich der eingesetzten Technik, sondern auch bei der Auslegung von Werkzeug, Bauteilgeometrie und Prozessparametern.
Kurzfassung
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Gas löst sich zunächst vollständig in der Kunststoffschmelze
Der Ablauf beginnt bereits während der Plastifizierung innerhalb der Spritzgießmaschine. Das Kunststoffgranulat wird aufgeschmolzen und gleichzeitig durch die rotierende Schnecke homogenisiert. Während dieser Phase gelangt Stickstoff oder Kohlendioxid unter hohem Druck über eine spezielle Dosiereinheit in die Schmelze. Beide Gase liegen dabei als sogenanntes überkritisches Fluid vor. In diesem Zustand besitzen sie Eigenschaften einer Flüssigkeit und eines Gases zugleich, wodurch sie sich gleichmäßig mit der Kunststoffschmelze vermischen.
Das Gas bleibt vollständig in der Schmelze gelöst. Erst wenn sich die Druckverhältnisse später ändern, beginnt die eigentliche Zellbildung. Für eine gleichmäßige Zellbildung müssen Temperatur, Gasmenge, Schneckengeometrie und Rückdruck exakt aufeinander abgestimmt sein.
Zellbildung beginnt mit dem Druckabfall
Nach dem Einspritzen in das Werkzeug sinkt der Druck innerhalb der Schmelze sehr schnell. Das zuvor gelöste Gas verliert dadurch seine Löslichkeit und bildet unzählige mikroskopisch kleine Keime. Aus diesen entwickeln sich feine Gaszellen, die sich gleichmäßig im Inneren des Bauteils ausdehnen.
An den kalten Werkzeugwänden erstarrt der Kunststoff zuerst und bildet eine kompakte Randschicht. Im Bauteilkern entwickeln sich anschließend fein verteilte Mikrozellen. Größe und Anzahl der Zellen hängen unter anderem von der eingesetzten Gasmenge, der Schmelzetemperatur, der Einspritzgeschwindigkeit sowie dem Druckverlauf während der Werkzeugfüllung ab.
Geringere Materialdichte verändert das Bauteilgewicht
Das äußere Volumen eines Formteils bleibt beim physikalischen Schäumen grundsätzlich erhalten. Im Kern wird jedoch ein Teil des Kunststoffs durch die entstandenen Gaszellen ersetzt. Die Dichte des Bauteils nimmt dadurch ab, obwohl seine äußeren Abmessungen unverändert bleiben.
Rippen, Schraubdome oder Schnappverbindungen erfordern häufig eine andere Auslegung als großflächige Wandbereiche. Die Materialeinsparung hängt deshalb nicht allein von der Gasmenge, sondern ebenso von der Bauteilkonstruktion ab.
Werkzeug und Prozess beeinflussen sich gegenseitig
Der MuCell-Prozess stellt andere Anforderungen an das Werkzeug als das klassische Spritzgießen. Anschnittposition, Fließwege und Entlüftung wirken sich unmittelbar auf die Werkzeugfüllung aus. Die Expansion der Gaszellen verändert außerdem den Druckverlauf innerhalb der Kavität.
Kühlt ein Bereich zu früh aus, bilden sich in diesem Bereich weniger oder kleinere Zellen. Umgekehrt führen zu hohe Werkzeugtemperaturen unter Umständen zu einer ungleichmäßigen Zellverteilung oder zu Maßabweichungen. Werkzeug und Prozess werden deshalb bereits während der Konstruktion gemeinsam abgestimmt.
Physikalisches und chemisches Schäumen beruhen auf unterschiedlichen Verfahren
Beim physikalischen Schäumen wird Stickstoff oder Kohlendioxid über eine separate Dosiereinheit unter hohem Druck in die Kunststoffschmelze eingebracht. Das Gas bleibt zunächst vollständig gelöst und bildet erst nach dem Druckabfall im Werkzeug feine Zellen. Eine chemische Reaktion findet dabei nicht statt.
Beim chemischen Schäumen enthält der Kunststoff dagegen ein Treibmittel, das sich während der Verarbeitung zersetzt. Während der Zersetzung des Treibmittels wird Gas freigesetzt, das die Bildung der Schaumzellen auslöst. Menge und Zeitpunkt der Gasfreisetzung werden durch die Verarbeitungstemperatur sowie die Zusammensetzung des Treibmittels beeinflusst.
Das physikalische Verfahren erfordert zusätzliche Anlagentechnik zur Gasdosierung, während chemische Treibmittel unmittelbar mit dem Kunststoff verarbeitet werden.
Kürzere Zykluszeiten entstehen durch mehrere technische Zusammenhänge
Beim klassischen Spritzgießen gleicht der Nachdruck die Volumenschwindung des Kunststoffs während der Erstarrung aus. Im MuCell-Prozess übernimmt die Expansion der entstehenden Gaszellen einen Teil dieses Volumenausgleichs. Dadurch kann die Nachdruckphase kürzer ausfallen oder teilweise entfallen.
Weniger Kunststoffmasse muss anschließend abkühlen. Die Wärmemenge innerhalb des Bauteils nimmt entsprechend ab, wodurch sich unter geeigneten Prozessbedingungen auch die Kühlzeit verkürzen kann.
Ein zu früher Auswurf führt dagegen häufig zu Verzug oder nachträglichen Formänderungen. Deshalb wird während der Bemusterung geprüft, bei welchem Zeitpunkt ausreichende Formstabilität erreicht ist.
Geringere Schließkräfte verändern die Werkzeugbelastung
Während der Werkzeugfüllung wirkt im Inneren der Kavität ein hoher Druck auf die Werkzeughälften. Dieser Druck bestimmt maßgeblich die erforderliche Schließkraft der Spritzgießmaschine.
Beim physikalischen Schäumen verändert die Expansion der Gaszellen den Druckverlauf innerhalb der Kavität. Dadurch fällt der maximale Forminnendruck häufig geringer aus als beim kompakten Spritzgießen. Die benötigte Schließkraft kann entsprechend sinken.
Eine zu geringe Schließkraft kann Gratbildung verursachen, während überhöhte Werte unnötige Belastungen für Werkzeug und Maschine bedeuten.
Die Bauteilgeometrie beeinflusst das Schaumverhalten
Wanddicken, Fließwege, Rippen oder Materialanhäufungen verändern die Werkzeugfüllung und damit auch die spätere Zellverteilung.
Große Wandstärkesprünge erschweren eine gleichmäßige Expansion der Gaszellen. Unterschiedliche Erstarrungsgeschwindigkeiten führen dazu, dass einzelne Bereiche früher verfestigen als andere. Bereits während der Bauteilentwicklung wird deshalb untersucht, ob Wandstärken gleichmäßiger gestaltet oder massive Bereiche konstruktiv angepasst werden können.
Eine ungünstige Werkzeugfüllung kann Oberflächenfehler verursachen oder zu einer ungleichmäßigen Zellverteilung führen. Aus diesem Grund werden Bauteilgeometrie, Werkzeugauslegung und Prozessparameter bereits während der Entwicklung aufeinander abgestimmt.
Fazit
Beim physikalischen Schäumen wird der Kunststoffschmelze ein überkritisches Gas zugesetzt. Erst der Druckabfall während der Werkzeugfüllung löst die Bildung fein verteilter Mikrozellen aus. Die dadurch verringerte Dichte des Bauteilkerns reduziert das Bauteilgewicht, während die äußere Form erhalten bleibt.
Materialeinsparung, Gewichtsreduzierung und kürzere Zykluszeiten beruhen auf unterschiedlichen physikalischen Zusammenhängen und lassen sich nur im Zusammenspiel mit Werkzeug, Bauteilgeometrie und Prozessführung bewerten. Aus diesen technischen Eigenschaften unterscheidet sich der MuCell-Prozess sowohl vom klassischen Spritzgießen als auch von Verfahren mit chemischen Treibmitteln.