Bei geschäumten Kunststoffformteilen unterscheiden sich Materialverteilung und Abkühlverhalten von kompakten Bauteilen. Beim physikalischen Schäumen wird der Kunststoffschmelze vor dem Einspritzen Gas zugesetzt. Erst während der Werkzeugfüllung beginnt die Bildung eines mikrozellulären Gefüges im Inneren des Formteils. Der Prozess verändert die benötigte Kunststoffmenge, das Bauteilgewicht und einzelne Abschnitte des Fertigungszyklus. Für eine wirtschaftliche Betrachtung müssen diese technischen Zusammenhänge getrennt untersucht werden.
Kurzfassung
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Gelöstes Gas bildet noch keinen Schaum
Beim MuCell-Verfahren befindet sich Stickstoff oder Kohlendioxid zunächst unter hohem Druck gelöst in der Kunststoffschmelze. Geschäumte Bereiche sind zu diesem Zeitpunkt noch nicht vorhanden. Diese entstehen erst im Werkzeug, wenn der Druck beim Einspritzen sinkt und das Gas beginnt, sich aus der Schmelze auszuscheiden. Aus zunächst sehr kleinen Gaskeimen entwickelt sich das mikrozelluläre Gefüge im Bauteilinneren.
Wie weit dieses Zellwachstum fortschreitet, hängt auch von der Abkühlung ab. Der Kontakt mit der Werkzeugoberfläche lässt die äußeren Bereiche früh erstarren, während der Kunststoff im Inneren länger verformbar bleibt. Im fertigen Formteil entsteht dadurch außen eine kompakte Randschicht, während sich im Kern geschäumte Bereiche befinden.
Chemisches Schäumen beruht dagegen auf einem anderen Prinzip als physikalische Schäumverfahren wie MuCell. Der entscheidende Unterschied liegt darin, wie das Treibgas bereitgestellt wird. Beim chemischen Schäumen setzen Treibmittel durch eine chemische Reaktion oder Zersetzung ein Gas frei. Beim physikalischen Schäumen wird das Gas hingegen direkt unter kontrollierten Druckbedingungen in die Kunststoffschmelze eingebracht und dort zunächst gelöst. Erst der anschließende Druckabfall führt dazu, dass sich das Gas ausscheidet und die Zellstruktur entsteht.
Gaszellen verringern den Materialanteil
Ein kompaktes Formteil besteht über seinen Querschnitt aus erstarrtem Kunststoff. Beim physikalischen Schäumen nehmen geschlossene Gaszellen einen Teil des inneren Volumens ein. Für vergleichbare äußere Abmessungen wird deshalb weniger Polymer benötigt.
Wie weit sich der Materialeinsatz reduzieren lässt, hängt vom jeweiligen Formteil ab. Wandstärken, Rippen, Materialanhäufungen und mechanische Anforderungen begrenzen den möglichen Schäumgrad. Sehr dünnwandige Bereiche bieten beispielsweise weniger Spielraum als größere Querschnitte.
Die Menge der eingesetzten Rohstoffe lässt sich beim geschäumten Formteil reduzieren, weil ein Teil des inneren Volumens von Gaszellen eingenommen wird. Entsprechend sinkt die Kunststoffmasse je Bauteil.
Das Bauteilgewicht folgt der Materialmenge
Bleiben die äußeren Abmessungen weitgehend unverändert, sinkt mit dem Kunststoffanteil auch die Masse des Formteils. Die Gaszellen besitzen im Verhältnis zum Polymer nur eine sehr geringe Masse. Das Bauteil erhält dadurch eine niedrigere mittlere Dichte.
Gewichtsreduzierung und Materialeinsparung beschreiben somit zwei Seiten desselben physikalischen Vorgangs. Die zulässige Gewichtsabnahme endet dort, wo mechanische oder geometrische Anforderungen nicht mehr eingehalten werden. Belastbarkeit, Steifigkeit und Maßhaltigkeit müssen daher bei der Auslegung berücksichtigt werden.
Beim MuCell-Verfahren lassen sich Kosten senken, wenn neben dem geringeren Materialbedarf auch Veränderungen bei Nachdruck, Kühlphase und Maschinenbelegung berücksichtigt werden.
Gasexpansion ersetzt einen Teil des Nachdrucks
Kunststoff zieht sich beim Abkühlen zusammen. Beim Kompaktspritzguss wird deshalb nach dem Füllen des Werkzeugs für eine bestimmte Zeit weiterer Druck auf die Schmelze ausgeübt. Dieser Nachdruck gleicht einen Teil der Volumenschwindung aus.
Im geschäumten Bauteil expandiert das gelöste Gas, solange der Kunststoff im Kern noch verformbar ist. Das Zellwachstum übernimmt einen Teil des Volumenausgleichs. Der erforderliche Nachdruck kann dadurch geringer ausfallen als bei einem vergleichbaren kompakten Formteil.
Der Gasdruck innerhalb der Zellen wirkt zugleich der Schrumpfung des Kunststoffs entgegen. Unter geeigneten Bedingungen lassen sich dadurch Einfallstellen oder Verzug begrenzen. Das Ergebnis hängt jedoch von Wanddickenverteilung, Werkzeugtemperierung und Prozessführung ab.
Die Abkühlung beeinflusst den Maschinentakt
Ein Spritzgießzyklus umfasst Werkzeugfüllung, Nachdruck, Abkühlung, Werkzeugöffnung und Entformung. Erst wenn das Formteil ausreichend erstarrt ist, kann der nächste Zyklus beginnen.
Beim physikalischen Schäumen kann sich insbesondere die Nachdruckphase verkürzen. Zugleich befindet sich weniger Kunststoffmasse im Formteil, aus der Wärme abgeführt werden muss. Abhängig von Werkstoff und Geometrie kann deshalb auch die erforderliche Kühlzeit sinken.
Kürzere Durchlaufzeiten sind in der Fertigung zeitlich relevant, weil eine geringere Bearbeitungsdauer die Maschinenbelegung verändert. Beim Spritzgießen ist hierfür konkret die Zykluszeit des einzelnen Formteils maßgeblich. Sinkt sie, können innerhalb einer festgelegten Maschinenlaufzeit mehr Zyklen stattfinden. Eine feste prozentuale Verkürzung lässt sich ohne konkrete Prozessdaten nicht angeben.
Niedrigerer Druck verändert die Schließkraft
Beim Füllen des Werkzeughohlraums wirkt der Schmelzedruck gegen die Werkzeughälften. Die Spritzgießmaschine muss ausreichend Schließkraft aufbringen, damit das Werkzeug geschlossen bleibt.
Beim physikalischen Schäumen können gegenüber dem Kompaktspritzguss geringere Füll- und Nachdruckwerte erforderlich sein. Ein geringerer Forminnendruck reduziert die erforderliche Schließkraft. Ob deshalb eine Maschine mit geringerer Schließkraft eingesetzt werden kann, hängt zusätzlich von der projizierten Bauteilfläche und der Werkzeugauslegung ab.
Prozessparameter steuern die Zellbildung
Eine gleichmäßige Zellverteilung entsteht nicht allein durch die Gaszugabe. Schmelzetemperatur, Gasmenge, Druckverlauf und Einspritzgeschwindigkeit beeinflussen Keimbildung und Zellwachstum. Ungünstige Einstellungen können Unterschiede in Zellgröße und Zellverteilung hervorrufen.
Auch Fließwege und Wanddicken wirken auf den Prozess. Große Querschnittswechsel verändern Druck und Abkühlung innerhalb des Formteils. Anspritzposition und Werkzeugtemperierungen müssen deshalb bereits bei der Prozessauslegung berücksichtigt werden.
Fazit
Beim MuCell-Verfahren wird Gas unter Druck in der Kunststoffschmelze gelöst. Mit dem Druckabfall beim Einspritzen beginnt die Zellbildung im Inneren des Formteils. Ein Teil des Bauteilvolumens besteht anschließend aus gasgefüllten Zellen statt aus Kunststoff, wodurch weniger Material benötigt wird und das Gewicht sinkt. Die Expansion des Gases gleicht während der Abkühlung einen Teil der Volumenschwindung aus, sodass weniger Nachdruck erforderlich sein kann. Ob sich auch Zykluszeit und benötigte Schließkraft verringern, hängt von der Geometrie des Formteils, dem verwendeten Kunststoff, dem Werkzeug und den gewählten Prozessparametern ab.
