Herausforderung

Das Spritzgießen von Formteilen aus Hochleistungskunststoffen stellt hohe Ansprüche an Aufbereitung, Maschine und Werkzeug.

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Treston Deutschland GmbH

COSCOM Computer GmbH

Mikron Switzerland AG, Division Tool

Die Verarbeitung von Hochleistungskunststoffen im Spritzgießverfahren erfordert die Beachtung einiger Besonderheiten, speziell im Vergleich zur Verarbeitung von Standardthermoplasten wie Polypropylen oder auch technischen Kunststoffen wie Polyamid:

-Materialvorbereitung – bei einigen Standardthermoplasten oder auch technischen Kunststoffen kann auf eine Vortrocknung verzichtet werden; es sei denn, äußerlich – an der Oberfläche des Granulats – muss anhaftende Feuchte, zum Beispiel kondensierte Feuchtigkeit, nach längerer Lagerung in kalter Umgebung entfernt werden. Im Gegensatz dazu ist in jedem Fall bei Hochleistungskunststoffen vor der Verarbeitung eine Trocknung erforderlich.

Die Trocknungsparameter des jeweiligen Kunststoffs sind dabei strikt zu beachten und einzuhalten. Nach unserer Erfahrung sollten zum Erzielen optimaler Ergebnisse möglichst Trockenlufttrockner eingesetzt werden. Jedoch ist zu beachten, dass für einige Hochleistungskunststoffe, zum Beispiel PAI sehr hohe Trocknungstemperaturen (bis 180 °C) notwendig sind, die sich nicht mit jedem Trockner erreichen lassen. Darüber hinaus ist es insbesondere bei kleinen Granulatmengen vorteilhaft, mit Aufsatztrocknern, die direkt auf der Maschine montiert werden können, zu arbeiten.

-Einfärbung – für Anwendungen im Maschinen- und Anlagenbau werden sehr häufig naturfarbene oder schwarze Kunststoffe verarbeitet. Nur bei Sichtteilen, die besonderen Ansprüchen hinsichtlich der Oberfläche genügen müssen, kommen auch farbige Werkstoffe zum Einsatz. In der Regel wird in diesen Fällen auf compoundiertes Material zurückgegriffen. Die Selbsteinfärbung von Hochleistungswerkstoffen ist jedoch relativ schwierig, weil sie im Vergleich zu Standardthermoplasten oder technischen Kunststoffen üblicherweise bei deutlich höheren Temperaturen verarbeitet werden. Deshalb ist darauf zu achten, dass die verwendeten Farbzusätze (Pigmentfarben, Farbbatches) über eine ausreichende Thermostabilität verfügen.

-Maschinenausstattung – die meisten Hochleistungskunststoffe können problemlos auf den heute üblichen Spritzgießmaschinen verarbeitet werden. Häufig werden solche Kunststoffe mit sehr hohen Anteilen an Füll- oder Verstärkungsstoffen (teilweise bis zu 60%) verwendet. Diese Zusätze – zum Beispiel Glas- oder Kohlefasern – bewirken einen erhöhten Verschleiß in den Plastifiziereinheiten. Deshalb sollten die Maschinen mit möglichst hochverschleißfesten Zylindern und gepanzerten Schnecken ausgerüstet werden.

Sichere Formfüllung durch hohen Einspritzdruck

Um eine unproblematische Verarbeitung - das heißt, eine sichere Formfüllung - sicherzustellen, sollten die Maschinen in der Lage sein, relativ hohe Einspritzdrücke (gegebenenfalls 2000 bis 2500 bar) zur Verfügung zu stellen. Dies gilt insbesondere für Hochleistungskunststoffe wie PEEK oder PAI, die relativ hohe Viskositäten haben. Außerdem ist bei der Ausrüstung der Maschine zu beachten, dass die Zylinderheizungen die hohen Schmelzetemperaturen sicherstellen können. Gegebenenfalls sind die Zylinder mit stärkeren Heizbändern auszurüsten.

In der Maschinensteuerung müssen die höheren Temperaturen (400 bis 450 °C) durch entsprechende Softwareänderungen meist freigeschaltet werden. Ein weiteres wichtiges Kriterium bei der Auswahl der Maschine ist die Verweildauer der Kunststoffs im Zylinder. Werden zu große Spritzaggregate verwendet, so kann es bei den hohen Temperaturen leicht zur thermischen Schädigung des Werkstoffs kommen. Einen Sonderfall stellt die Verarbeitung von PAI (Torlon-Typen) dar. Dieser Hochleistungskunststoff wird bei einem relativ niedrigen Molekulargewicht verarbeitet und muss dann zur Erzielung der außergewöhnlichen Eigenschaften einer anschließenden Wärmebehandlung unterzogen werden.

Bei diesem Tempervorgang erhöht sich das Molekulargewicht und die endgültigen Materialeigenschaften stellen sich ein.Bei der Verarbeitung muss deshalb bei PAI insbesondere auf die Verweilzeit im Zylinder geachtet werden, weil ansonsten aufgrund der hohen Temperatur-belastung (etwa 350 bis 370 °C) die Fließfähigkeit des Kunststoffs durch die beginnende Vernetzung stark abnimmt. Infolge der hohen Viskosität von PAI ist es ratsam, dass Schnecken mit einer verhältnismäßig geringen Kernkompression (etwa 1 zu 1 bis 1,5 zu 1) ohne Rückstromsperren ] ähnlich wie bei der PVC-Verarbeitung ] eingesetzt werden.

Schnelles Einspritzen senkt Viskosität von PAI

Kennzeichnend für den Hochleistungskunststoff PAI ist, dass die Viskosität in starkem Maße von der Schergeschwindigkeit abhängt. Dies bedeutet, dass die Maschinen in der Lage sein müssen, relativ hohe Einspritzgeschwindigkeiten zu realisieren, weil nur dadurch die Viskosität so weit herabgesetzt wird, dass auch längere Fließwege und dünnwandige Bereiche im Werkzeug sicher gefüllt werden können. Gegebenenfalls sollten Maschinen mit Druckspeicheranlagen zur Erhöhung der Einspritzgeschwindigkeit eingesetzt werden.

Bei der Verarbeitung von Standardthermoplasten wird häufig mit gekühlten Werkzeugen gearbeitet. Jedoch sind bei technischen Kunststoffen in der Regel höhere Werkzeugtemperaturen erforderlich (bis etwa 90 bis 95 °C). Im Gegensatz dazu müssen die Werkzeuge, die bei der Verarbeitung der meisten Hochleistungskunststoffe eingesetzt werden, häufig mit deutlich höheren Temperaturen (teilweise über 200 °C) betrieben werden. Einerseits müssen daher die Spritzgießformen für diese Temperaturen ausgelegt sein, andererseits werden für die Werkzeuge leistungsfähige Temperaturregelgeräte benötigt.

Um Temperaturen von über 100 °C zu erzeugen, können Temperiergeräte mit Öl oder Wasser als Temperiermedium verwendet werden, wobei der Einsatz von Wasser bei diesen Temperaturen aufgrund der dann auftretenden Drücke besondere Sicherheitsmaßnahmen notwendig macht. Eine weitere Variante zur Erreichung dieser hohen Werkzeugtemperaturen ist die elektrische Beheizung von Werkzeugen. Nachteilig ist dabei jedoch die oft eingeschränkte Wärmeabfuhr aus dem Werkzeug.

Nicht ausreichende Werkzeugtemperaturen führen speziell bei teilkristallinen Werkstoffen (PEEK, PPS) dazu, dass die Kristallisation bei der Abkühlung behindert wird. Dies äußert sich dann in einer erhöhten Nachschwindung, wodurch es zu Verzug und Maßabweichungen an den Teilen kommen kann. Im Gegensatz dazu haben nicht ausreichende Werkzeugtemperaturen bei amorphen Hochleistungskunststoffen die Folge, dass die Spritzgießteile häufig unbefriedigende Oberflächen haben oder Füllprobleme bei der Verarbeitung entstehen.