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Schäumen

Die Einsatzbereiche von Kunststoffbauteilen werden immer weitreichender. An die Forschung werden dabei zwei zentrale Anforderungen gestellt: Zum einen sollen neue Einsatzmöglichkeiten realisiert werden, zum anderen sollen Bauteile kostengünstiger hergestellt werden bzw. durch ihren Einsatz dabei helfen, Kosten zu sparen.

Ein Verfahren, bei dem der Kompromiss zwischen Vorteilen in der Herstellung einerseits und besserem Bauteilverhalten andererseits deutlich kleiner als bei vielen anderen Sonderverfahren ist, ist das Thermoplast-Schaumspritzgießen. Dabei werden niedermolekulare Gase verwendet, um Bauteile mit einem geschäumten Kern herzustellen.

Grundsätzlich weist dieses Verfahren eine Reihe von Vor- bzw. auch Nachteilen gegenüber dem konventionellen Kompaktspritzgießen auf: Durch die unter erhöhtem technischen Aufwand realisierte Lösung eines Gases im überkritischen Zustand wird beispielsweise die Viskosität der Kunststoffschmelze deutlich reduziert, was zu niedrigeren Einspritzdrücken führt und gegebenenfalls die Verwendung eines kleineren Spritzaggregates erlauben kann. Spezifische Bauteileigenschaften können – im Gegensatz zu absoluten – durch die Ausbildung einer Sandwichstruktur (kompakte Deckschichten und poröser Kern) verbessert und Material und Gewicht eingespart werden. Auch in Bezug auf die Werkzeugauslegung erlaubt das TSG-Verfahren mehr Freiheiten.

Um das Potential des TSG-Verfahrens optimal nutzen zu können und etwaige Nachteile zu beseitigen, ist es notwendig, den gesamten Prozess bestmöglich zu verstehen. Deshalb betreiben wir Forschung im Bereich der fundamentalen Grundlagen der Schäumtechnologie.

Löslichkeits- und Diffusionsverhalten

Lösung und Diffusion eines Gases in einer Polymerschmelze stellen das Fundament jedes TSG-Verfahrens dar. Unabhängig von der Art der Zudosierung des Gases ist es notwendig, bis in die Kavität ein homogenes Gas-Polymer-Gemisch zu erzeugen. Die Menge an lösbarem Gas sowie der Stofftransport in der Schmelze weisen unterschiedliche Abhängigkeiten von diversen Prozessparametern auf, wobei Druck und Temperatur die beiden wichtigsten darstellen. Auch die Konzentration des Gases selbst hat einen rückwirkenden Einfluss auf das Lösungsverhalten. Neben prozesstechnischen Einflüssen gilt es ebenso, den Einfluss von Material, Füllstoffgehalt und -art und der Interaktion zwischen Treibgas und Polymer zu verstehen.

Bezüglich Löslichkeit von diversen Gasen in Polymerschmelzen gibt es einige Daten, die jedoch ausschließlich statisch gemessen wurden. Diese Messungen können Richtwerte vorgeben, über ihre Relevanz in einem hochdynamischen Spritzgieß- oder Extrusionsprozess herrscht weitestgehend Ungewissheit. Ziel ist daher einerseits die Messung von Löslichkeitslimits direkt an der Spritzgießmaschine und andererseits die Entwicklung neuartiger Messmethoden, um Löslichkeit und Diffusion auch unter Scherung abseits der Maschine messen zu können.

Rheologie Gasbeladener Schmelzen

Rheologische Messungen an gasbeladenen Schmelzen erweisen sich bislang als schwierig. Um Scherratenbereiche zu erreichen, die für den Spritzgießprozess relevant sind, ist ein Hochdruck-Kapillarrheometer notwendig. Bei diesem ist jedoch die Gasbeladung problematisch, da die Sicherstellung einer homogenen Lösung nur schwer realisierbar ist (kein gasdichtes System, keine mechanische Durchmischung der Schmelze etc.)

Um Daten zum Fließverhalten gasbeladener Schmelzen erheben zu können, entwickeln wir eine spezielle Rheologiedüse, die an die Plastifiziereinheit angebracht werden kann. Mittels einer Kombination aus Ultraschall-Sensorik und mehreren Druckaufnehmern ist eine hochpräzise und prozessnahe Messung der Viskosität möglich. Diese Form der Messung bietet zudem den Vorteil auch Löslichkeitsgrenzen oder Schmelzeinhomogenitäten zu detektieren.