Ziel der Entwicklung

Teilkristalline HochLeistungsThermoPlaste (HLTP) werden als Konstruktionswerkstoffe zunehmend als Metallersatz in modernen Leichtbaulösungen der Automobil-, Luft- und Raumfahrt sowie in Hochtechnologien der Elektronik, Elektro- und Medizintechnik eingesetzt. Die Gründe hierzu liefern hervorragende Kombinationsmöglichkeiten von Eigenschaften, wie Warmform- und Temperaturbeständigkeit, gekoppelt mit hoher spezifischer Festigkeit, chemischer Beständigkeit und Biokompatibilität sowie elektrisch isolierender / leitender Wirkung. Zusätzlich sind HLTP-Werkstoffe wiederverwertbar und ermöglichen die stoffliche Kreislaufwirtschaft.
Derzeit wird die technische Anwendung dieser Werkstoffe von fertigungstechnisch einstellbaren Stoffeigenschaften, insbesondere von Kristallinität im Formteil, bestimmt. Während bei teilkristallinen technischen Kunststoffen Kristallinitäten von 40 bis 80% erzielt werden, liegt die aktuell erzielbare Kristallinität für spritzgegossene HLTPs bei lediglich 35%.
Das technisch-technologische Ziel des FuE-Projekts umfasst die Entwicklung, technische Erprobung und praxisnahe Verifizierung einer zweckorientierten Technologie- und Versuchsplattform zur Prozess- und Werkzeugentwicklung für das energieeffiziente Hochtemperatur-Spritzgießen von Formteilen aus semi-HLTPs mit exklusiven strukturellen und morphologischen Stoffeigenschaften. Dies wird durch eine temperaturflexible Prozessstrategie, als Alternative zur energieintensiven fluidgebundenen Prozessführung, erzielt.
Mit der neuen Prozessstrategie für das HLTP-Spritzgießen erfolgt eine Synergie von fluidischer und elektrischer Temperierung zum Heizen und Kühlen im Spritzgießwerkzeug.

Vorteile und Lösungen

Das konventionelle Hochtemperatur-Spritzgießen basiert auf Öl- u./o. Druckwassertemperierungen die mit fertigungstechnischen und wirtschaftlichen Nachteilen, wie
- temperaturbegrenzte Fließwege und inhomogene Gefügeausbildungen über die Formteilwanddicke,
- inhomogene Abkühlung und damit anisotropen Schwund, Verzug und Eigenspannungen,
- strukturelle und morphologische Heterogenitäten im Formteil,
- eingeschränkte thermische Beeinflussbarkeit von Formteildefekten (Bindenähte, Fließlinien),
- geringe Arbeitsdynamik und hohe Zykluszeit,
- hohe Investitionskosten für Werkzeuge und Peripherie (Temperiergeräte, Verrohrung, Ventil- und Regeltechnik, Wärmerückgewinnung),
- hohe laufende Fixkosten für Arbeits- und Brandschutz zur Unfallverhütung (Dieseleffekt, Dampfexplosion) infolge halbjährlicher Dichtheitsprüfungen und Zertifizierungen für Armaturen, Fittinge, Schläuche etc.,
- bedingte Reinraumtauglichkeit für Druckwasser- und Oeltemperierung,
- hohe Stückkosten wegen Mehraufwand bei Werkzeug-, Kunststoff- und Formteilwechsel (Runterfahren der Temperierung, Werkzeugreinigung und -montage, Medienentsorgung etc.) und
- schlechte Energiebilanz aufgrund großer thermischer Verluste,
verbunden sind.
Die variotherme Hybrid-Temperierung zielt darauf ab den prozessnotwendigen Wärmeinhalt für Spritzgießwerkzeug und Formteil in einen fluidisch temperierten Grundanteil und einen hochdynamisch temperierten Arbeitsanteil aufzuspalten. Dazu sieht der Lösungsweg vor, das Werkzeug im Hochtemperatur-Spritzgießzyklus mit einer quasi drucklos arbeitenden wasserführenden Kanalstruktur (Systemdruck ≤ 6bar) auf eine isotherme Werkzeugtemperatur von 100°C vorzuheizen.
Um in der Einspritzphase die prozesstechnisch notwendige Arbeitstemperatur von ca. 180°C bis 290°C im Werkzeug einzustellen, wird der isothermen Grundtemperatur ein hochdynamischer Wärmestrom aus kavitätsnah applizierten, elektrisch betriebenen Heizelementen überlagert. In der Einspritzphase bilden die wasserführende Kanalstruktur und die elektrischen Heizelemente ein aktives variothermes Hybrid-Heizsystem für Werkzeug und Formteilschmelze. In der Nachdruck- und Abkühlphase wird dem Wärmeabtransport durch die wasserführende Kanalstruktur ein impulsgeführter Wärmestrom aus elektrischen Heizelementen überlagert. In der Nachdruck- und Kühlphase bilden die wasserführende Kanalstruktur und das impulsgeführte Heizsystem ein parametrisierbares Hybrid-Kühlsystem für Formteil und Spritzgießwerkzeug.
Die Prozessstrategie ist u.a. mit folgenden Vorteilen verbunden:
- Reduzierung schnell erstarrender Formteilrandbereiche in der Einspritzphase
- Parametrisierbare Temperaturführung in der Nachdruck- und Restkühlphase
- Beeinflussung der Kristallisation als Kompromiss zwischen Abkühlrate und Zykluszeit
- Verbesserung der Energiebilanz für den Spritzgießzyklus
Zur Umsetzung der Prozessstrategie wurde ein Gesamtkonzept entwickelt und das darin enthaltende Prozessmodell numerisch verifiziert. Zur Verbesserung der numerischen Temperaturfeldberechnungen wurden reale Kennwerte für Wärmeleitung und Wärmeübergang an Stoffkomponeneten im SGWZ durchgeführt. Mit den Ergebnissen ermöglichten die Temperaturfeldberechnungen und damit die Vorhersagen zur Formteilabkühlung in der Nachdruck- und Restkühlphase zu verbessern.
Die neue Prozessstrategie wurde in umfangreichen Spritzgießuntersuchungen mit einem PEEK-Kunststoff technisch erprobt und die Funktionsweise experimentell verfiziert.

Zielgruppe und Zielmarkt

Mit der entwickelten Prozessstrategie zur variothermen Hybridtemperierung für das Hochtemperatur-Spritzgießen von Formteilen aus teilkristallinen HochLeistungsThermoPlasten (HLTP) wurde eine neue spritzgießtechnische Verarbeitungstechnologie für Hochleistungsthermoplaste zur Herstellung exklusiver struktureller und morphologischer Stoffeigenschaften erschlossen.
Die entwickelten Lösungen sind für Unternehmen von Interesse, die neue innovative Kunststoffprodukte entwickeln, thermoplastische HLTP’s zu hochpräzisen Kunststoffformteilen verarbeiten und für Unternehmen, die Dienstleistungen für diese Branchen erbringen. Zielmärkte und Zielgruppen sind auf nationalem und europäischem Markt:
- Produktentwickler für technische Kunststoffformteile
- Werkzeug- und Formenbau
- Teileproduzenten der Kunststoff verarbeitenden Industrie
- Maschinen- und Anlagenhersteller für die kunststoffverarbeitende Industrie
- Dienstleister der Prozess- und Werkzeugentwicklung
Die angestrebten Zielmärkte besitzen eine hohe Attraktivität und lassen eine umfassende Rentabilität für die entwickelte Prozess- und Werkzeugtechnologie zum Hochtemperatur-Spritzgießen von HLTPs erwarten. Die Attraktivität resultiert aus wechselseitigen Faktoren zwischen den beteiligten Unternehmen am Markt. Einerseits besteht eine stetige Nachfrage zu polymeren Leichtbauprodukten aus HLTPs, andererseits werden der Herstellung dieser Teile durch konventionelle Spritzgießtechniken bezüglich erzielbarer Abmessungen und Struktureigenschaften prozesstechnische Grenzen gesetzt. Dies trifft besonders auf die Märkte der Automobilindustrie, der Multimedia- und Telekommunikationstechnik sowie der Medizintechnik zu. Zusätzlich führen hohe Energiekosten zu einem Zwang für mehr Effizienz und Nachhaltigkeit in der Produktion.
Am Markt existiert eine Vielzahl unabhängiger Entwickler, Produzenten und Dienstleister, die auf kompetenter Basis und mit umfassenden Erfahrungen Kunststoffformteile entwickeln, produzieren und anbieten. Diese sind jedoch nicht allein in der Lage, ohne neue Prozess- und Werkzeugtechnologien energieeffiziente Fertigungsstrategien für HLTPs zu entwickeln, selbst zu nutzen oder am Markt schnell und umfassend einzuführen. Gleichzeitig fehlen Werkzeug-, Formen- und Anlagenbauern, sowie Produzenten von Kunststoffteilen und Engineering-Dienstleistern meist ausreichende eigene Ressourcen zur Entwicklung, technischen Erprobung und Markteinführung für neue Werkzeug- und Prozesstechnologien.
Aus diesen Gründen stellt für alle am Markt beteiligte Zielgruppen eine enge zweckorientierte Vernetzung von Produkt-, Prozess- und Werkzeugentwicklung sowie deren Optimierung bei der Einführung und Nutzung neuer Prozesstechnologien einen Schlüsselfaktor dar.