Duroplast Spritzgießen
Wir berichten in unserem Blog häufiger über die Spritzgussverfahren und den entsprechenden Kunststoff, da wir unsere Leser, Freunde und natürlich die Kunden gerne näher mit den Verfahren des Spritzgießens und den jeweiligen Kunststoffen vertraut machen möchten.
Die verschiedenen Grundstoffe für den Spritzguss, also Kunststoffe ganz unterschiedlicher Art, können nach unterschiedlichen Kriterien eingeteilt werden. Für den Praktiker, Spritzgießer wie Anwender, zählen dabei natürlich eher die Eigenschaften, die die verschiedenen Klassen an Kunststoff in der Bearbeitung wie in der späteren Verwendung aufzeigen. Für harte Formteile aus Kunststoff, die mechanisch gut belastbar sind und auch bei Temperaturen zwischen minus 30 und jenseits der 100 Grad nicht gleich schmelzen oder zerbröseln, haben sich beim Spritzgießen die Duroplaste bewährt.
Pfannengriffe, Scheinwerferabdeckungen und vor allem die Gehäuse von vielen Elektrogeräten werden aus Duroplast gespritzt. Duroplast ist als Material nach der Verarbeitung dabei so unnachgiebig, dass man diesen Kunststoff nach dem Spritzgießen in seine endgültige Form gut weiter bearbeiten kann. Bohren, sägen oder schleifen und einiges mehr ist bei der Duroplastverarbeitung möglich. Jedoch muss die geplante Formung der Duroplast-Bauteile bereits nach dem ersten Spritzgießen erreicht und abgeschlossen sein. Einmal ausgehärtet, lässt sich der Kunststoff nicht wie Thermoplast wieder verformen, sondern zerfällt, wenn die Temperatur zu hoch wird. Bei aller Härte und Sprödigkeit ist Duroplast im Gegensatz zu Thermoplast anfälliger für spitz durchgeführte Stöße, dann kann es brechen. Woran liegt das? Schauen wir uns die Eigenschaften seiner Moleküle etwas genauer an.
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Die molekulare Zusammensetzung der Duroplaste
Im Gegensatz zum Thermoplast sind die Moleküle bei Duroplasten anders angeordnet. Zu den Duroplasten gehören sehr bekannte Materialien wie Polyester, die Epoxidharze und die Polyurethane. Gießharz und das häufig verwendete Fiberglas bestehen ebenfalls aus Duroplasten. Jedoch ist das Fiberglas, dieser sogenannte glasfaserverstärkte Kunststoff, eine Mischung aus einem Duroplast und zum Beispiel Epoxidharz. In der Mischung zeigt Duroplaste jedoch hervorragende Fähigkeiten. Ob als Dachgepäckträger oder als Swimming Pool, bewährt sich der Stoff überall, wo es auf zuverlässige Dichtigkeit und Bruchfestigkeit ankommt.
Allen Duroplasten ist gemeinsam, dass ihre Molekularstruktur ganz anders aufgebaut ist als bei den anderen Kunststoffen beim Spritzgießen. Wenn bei der chemischen Produktion von Kunststoff sich immer mehr Monomere an ein Startermolekül anhängen, um ein chemisches Ungleichgewicht auszugleichen, entstehen die Polymere. Diese bilden beim Thermoplast lange und flexible Ketten. Bei Duroplast-Kunststoff jedoch sind die Monomere trifunktionell, besitzen als Moleküle also drei funktionelle Gruppen. In Folge verknüpfen sich diese Moleküle dreidimensional und bilden Netzwerke mit engen Maschen.
Es gibt verschiedene Verfahren, um diese Moleküle zu erzeugen, so z.B. die sogenannte Polykondensation oder die Polyaddition. Jedoch erklären sich bei allen Verfahren die Eigenarten der Duroplaste aus ihrer dreidimensionalen Verbindung. Einerseits liegt ihre Stabilität an der Engmaschigkeit und der schnellen Verteilung der Druck- oder Zugkräfte auf das ganze Bauteil. Andererseits liegen dadurch ihre Moleküle so eng beieinander, dass sie bei der während des erneuten Erhitzens entstehenden Bewegung nicht mehr wie die Moleküle der Thermoplaste aneinander vorbei rutschen können. Die Zunahme der Bewegung oder Schwingung, ohne dass die Moleküle wandern können, verhindert ein Erweichen und endet schließlich mit dem Zerfall des ganzen Elements.
Die dreidimensionale molekulare Verknüpfung ist aber für eine weitere wichtige Eigenschaft der Duroplaste verantwortlich. Elektrizität bzw. Spannung kann sich nur äußerst begrenzt ausbreiten. Daher bildet Duroplast die perfekte Abschirmung für elektrische Leitungen bzw. Geräte. Das erste bekannte Duroplast war auch der älteste industriell hergestellte Kunststoff: Das Bakelit eroberte seit 1905 den Markt, und bald bestanden alle Steckdosen, Umhüllungen von Geräten und selbst die Telefone aus Bakelit.
Wie funktioniert das Spritzgießen von Duroplast?
Aufgrund der Eigenschaften dreidimensionalen Struktur der Molekülketten der Duroplaste verflüssigt diese Art Kunststoff als Riesel bei einer relativ niedrigen Temperatur ab 30 Grad° Celsius und erstarrt wieder ab 130 Grad° Celsius. Das nicht sehr leichtflüssige Kunststoff Duroplast wird mit hohem Druck von 2500 Bar in das erhitzte Werkzeug gepresst. Nach dem Erstarren kann das Duroplast nicht wieder verflüssigt werden.
Der Vorgang im Einzelnen
Die Spritzgussmaschinen, die das Duroplast spritzgießen sollen, benötigen zunächst eine andere Temperatur und einen anderen Druck als bei den Thermoplasten. Je nach Ausgangsmaterial verflüssigt das Duroplast von seiner Ausgangsform als Riesel schon ab ca. 30 Grad und erstarrt ab ca. 130 Grad bis 250 Grad Celsius. Die Förderschnecke, die den Riesel zur Maschine und in das Werkzeug befördert, muss an diese Temperatur angepasst sein und wird auf zwischen 40 und 110 Grad erhitzt. Da das geschmolzene Duroplast aufgrund der Füllstoffe nicht so leicht fließt, muss der Druck für die Schmelze angepasst werden und bewegt sich bei bis zu 2500 Bar.
Das Werkzeug, also die Kavität oder Hohlform, in der das Duroplast seine Form annehmen soll, muss statt sofort in die Phase des Abkühlens einzugehen, zunächst auf die Temperatur zum Aushärten für das jeweilige Duroplast erhitzt werden. Diese beträgt wie gesagt zwischen 130 und 250 Grad. Beim Duroplast Spritzgießen erfolgt die Aushärtung so zuverlässig und formstabil, dass Wandstärken bis zu 50 mm erzielt werden können. Die Verhärtung erfolgt bei Hitze noch im Werkzeug, und das fertige Formteil kann nach der Vernetzung noch heiß ausgeworfen werden.
Aufgrund dieser Bedingungen verzögert sich das Duroplast-Spritzgießen bei jedem Durchgang und dauert ab einer Wandstärke von ca. 4 mm länger als das Spritzgießen von Thermoplasten.Das wirkt sich vor allem bei hohen Stückzahlen erheblich auf die Produktionsgeschwindigkeit und damit auf die Wirtschaftlichkeit für das Spritzgießen aus. Zwar sind Duroplaste bei den reinen Materialkosten meist günstiger als Thermoplaste, dieser Vorteil wird jedoch durch die Kosten beim Spritzgießen zunichte gemacht.
Die entscheidenden Parameter für das Duroplast Spritzgießen setzen sich also aus der Einhaltung eines genau abgegrenzten Temperaturbereichs, einem erhöhten Druck auf die Schmelze beim Einspritzen durch die Förderschnecke und der verlängerten Aushärtung im Werkzeug zusammen.
Die Stocker Kunststoff GmbH – Spritzguss seit mehr als 60 Jahren
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