Spritzgießen Dichtigkeit zwischen Metall und Kunststoff wird schon vor dem Umspritzen festgelegt

Soll die Werkstoffverbindung beim Kunststoff-Umspritzen von Metallteilen mediendicht werden, sind zusätzliche Fertigungsschritte erforderlich. Jedoch führen nicht alle zum gewünschten Ergebnis. Aufschluss geben Versuche, mit metallischen Stanzgittern als Einlegeteil sowie den Versuchsparametern Kunststoff, Haftvermittler und Oberflächenbeschaffenheit.

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Kunststoff-Institut f.d. mittelst.Wirtschaft NRW GmbH

Ziel ist die Erstellung einer tabellarischen Matrix als Entscheidungshilfe und Übersichtsplan. Das Umspritzen von Metallteilen ist eine etablierte Technik. Der Trend geht jedoch zu immer komplexeren Verbundteilen aus Metall und Kunststoff – gepaart mit steigenden Anforderungen.

Ein Beispiel ist das dichte Umspritzen von Einlegeteilen. Dabei wird der dichte Verbund je nach Marktsegment aus hygienischen Gründen gefordert oder es sollen Beschädigungen im Inneren der Bauteile durch aggressive Medien oder Umwelteinflüsse verhindert werden.

Eine immer größere Rolle spielt der dichte Verbund zwischen Kunststoff und Metall bei Steckverbindern. Üblicherweise werden diese Stecker durch Umspritzen von Metallteilen wie Stanzgitter, Kabeln und Flachleitern hergestellt. Weil sich jedoch dabei der Kunststoff – als Umspritzmaterial – in der Regel nicht mit dem Einlegeteil verbindet, entsteht ein Spalt zwischen den beiden Werkstoffen. Dadurch kann aufgrund der Kapillarwirkung Feuchtigkeit von der Steckerseite in die Verbindung eindringen und an den elektronischen Komponenten Kurzschlüsse und Fehlströme verursachen oder die Kontakte korrodieren lassen.

Zusätzliche Prozess-Schritte erhöhen Dichtigkeit

Um Feuchtigkeit im Stecker zu vermeiden, werden in der Praxis je nach Dichtigkeitsforderung zum Umspritzen weitere Fertigungsschritte zur Abdichtung vorgenommen. Ziel ist es, in Abhängigkeit von den Anforderungen die Dichtigkeit bei spritzgießtechnisch hergestellten Hybridbauteilen zu erhöhen.

Dabei muss oftmals im Vorfeld geklärt werden, wie der „dichte“ Verbund zu definieren ist. So wird heutzutage die Dichtigkeit nach IP-Klassen, Differenzdruck, Leckraten oder Dichtigkeitsklassen (zum Beispiel öldicht, wasserdicht) eingeteilt. Außer der Definition sollten auch die Prüfkriterien, Prüfparameter und die Prüfmittelart erläutert sein. Dies ist von entscheidender Bedeutung, weil Definition und Kriterien das Ergebnis der Dichtigkeitsprüfung deutlich beeinflussen (Bild 1).

Kunststoff-Institut ermittelt Praxiswerte

Dazu sind Praxiswerte erforderlich. Daher werden am Kunststoff-Institut Lüdenscheid Untersuchungen an Stanzgittern aus der Kupferlegierung CuSn6 vorgenommen. Dabei sind die Gitter zum Teil mit einer Zinnschicht überzogen. In den einzelnen Versuchsreihen werden die Umspritzmaterialien, die Verfahrensparameter und die Oberflächentopografie der Einlegeteile variiert. Ferner ist der Einfluss der Haftvermittler und der zusätzlichen Fertigungsschritte auf die Dichtigkeit zu beachten (Bild 2).

Zur Bewertung der Dichtigkeit kommt die Differenzdruckmethode zur Anwendung. Das Ergebnis wird mit der Dichtigkeit bei unbehandelten Stanzgittern mit verzinnter Oberfläche – Referenzproben – verglichen. Um den Einfluss der Alterung deutlich zu machen, werden die Bauteile drei unterschiedlichen Klimawechseltests ausgesetzt. Die erste Belastung orientiert sich dabei an Bauteilanwendungen im Fahrzeuginnenraum. Die Temperaturbelastung liegt daher im Bereich von –30 bis 80°C.

Beim zweiten Test erfolgt die Belastung, wie sie Bauteile erfahren, die beispielsweise im Automobil motornah montiert sind. Dort sind die Teile Temperaturen von –40 bis 125 °C ausgesetzt. Die dritte Prüfung besteht aus einem Klimaschocktest in einem Temperaturbereich von –40 bis 150 °C. Nach jeder Bauteilprüfung erfolgt eine Dichtigkeitsprüfung der getesteten Bauteile.

Zunahme der Undichtigkeit bei anhaltendem Bauteilstress

Ziel aktueller Arbeiten am Kunststoff-Institut Lüdenscheid ist es, eine Vorgehensweise in Form einer Matrix zu erstellen, aus der erreichbare Dichtigkeiten für Metall–Kunststoff-Verbindungen entnommen werden können. Diese Matrix soll – auf Praxisversuchen beruhend – als Entscheidungshilfe dienen, um einerseits im Vorfeld erreichbare Dichtigkeiten abschätzen zu können. Andererseits benötigen Spritzgießer, Metallbearbeiter und Konstrukteure eine Übersicht darüber, welche Verfahren zur Verfügung stehen, um die Dichtigkeit von Hybridbauteilen zu erhöhen. Die Ergebnisse dienen als Grundlage zur Erstellung eines eigenen Versuchsplans.

Die bisherigen Tests ergaben, dass die Metall–Kunststoff-Verbindungen – unabhängig von den Versuchsreihen – mit fortschreitendem Bauteilstress undichter wurden. Dabei wirkt sich eine Reinigung der im Test befindlichen Stanzgitter nicht prägnant auf die Dichtigkeit aus. Die Ergebnisse bleiben selbst bei einer Parametervariation auf gleichem Niveau mit der Referenz. Eine Vergrößerung der Oberfläche durch mechanisches Strahlen bringt ebenfalls keinen deutlichen Vorteil. Je nach Strahlmittel sind die erreichbaren Dichtigkeitswerte schlechter als die der Referenz.

Plasmabehandlung hat nur geringen Einfluss

Innerhalb der Versuche hat man am Kunststoff-Institut Lüdenscheid auch den Einfluss einer Plasmabehandlung von verzinnten Stanzgittern untersucht. Dabei wurden zwei Versuchseinstellungen „produziert“. Die Ergebnisse zeigen sich, dass je nach Plasmaeinstellung die Bauteile zu leicht besseren Werten im Vergleich zur Referenz tendieren und somit der Einfluss beim verwendeten Versuchsaufbau als gering einzuschätzen ist.

Positiv haben sich die eingesetzten Beschichtungen auf das Dichtigkeitsergebnis ausgewirkt. Die Beschichtungen sind vor dem Umspritzen auf den metallischen Einleger zu applizieren und bestehen aus verschiedenen Grundwerkstoffen. So wurden Polyurethan-, Silan-, Thermoplast- und Coil-Coating-Systeme in die Versuchsreihe eingebunden. Die erreichbaren Werte liegen – unabhängig von der gewählten Beschichtung und dem Bauteilstress – auf einem vergleichbaren Stand und sind immer besser als die Referenz (unbeschichtetes Stanzgitter).

Temperaturbelastung setzt Beschichtung Grenzen

Die Anwendungsgrenzen der Beschichtungen werden bei der verwendeten Geometrie durch die Temperaturbelastung aufgezeigt. Bei der Verwendung von Kupfer als Stanzgitterwerkstoff wurden vergleichbare Dichtigkeitswerte wie bei verzinnten Stanzgitteroberflächen ermittelt. Werden die Kupferstanzgitter jedoch gebeizt, entsteht möglicherweise eine so günstige Oberflächentopografie – in Kombination mit der Entfernung der Oxidschichten –, dass die verwendeten Kunststoffe sehr gute Anhaftungsmöglichkeiten vorfinden.

Auch nach den Klimawechseltests (Bauteilstress) werden mit diesen Bauteilen sehr gute Dichtigkeitswerte im Test erzielt. Gleiches gilt für Verbundteile mit metallisch beschichteten Stanzgittern. Aufgrund der zusätzlichen Metallschicht wird eine Erhöhung der Kontakttemperatur beim Umspritzen erzielt.

Der Einfluss des Kunststoffs – als Umspritzmaterial – ist zur Erzielung eines dichten Verbundes nicht unerheblich. So werden aktuell Versuche mit Umspritzmaterialien vorgenommen, die in der Entwicklung sind und auch ohne Vorbehandlung des Stanzgitters deutlich bessere Dichtigkeitsergebnisse erzielen als entsprechende Referenzkunststoffe.MM

Dipl.-Ing. Marius Fedler ist Bereichsleiter Verfahrenstechnik am Kunststoff-Institut Lüdenscheid, 58507 Lüdenscheid

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