Gasunterstütztes Spritzgießen

Was ist gasunterstütztes Spritzgießen?

Gasunterstütztes Spritzgießen ist ein Herstellungsverfahren, bei dem Stickstoffgas in die Kunststoffschmelze eingespritzt wird, wodurch ein Teil mit hohlen Abschnitten entsteht. Das Hauptziel besteht darin, gängige Probleme des traditionellen Spritzgießens zu lösen, wie z. B. das Fließen des Kunststoffs und die Schrumpfung. Es gibt verschiedene Kategorien von gasunterstützten Anwendungen, aber die Anwendung dieses Verfahrens zur Herstellung von Hohlkörpern ist eine logische Wahl. Auch wenn es bei großen Durchmessern nicht so effektiv ist wie das Blasformen, bei dem eine bemerkenswerte Gewichtsreduzierung von 75% erreicht werden kann, so kann die Gasunterstützung doch eine erhebliche Gewichtsreduzierung von 30 bis 40% in hohlen Bereichen bieten.

Die Gasinnendrucktechnik ist vor allem bei Anwendungen von Bedeutung, bei denen spritzgegossene Details die Möglichkeiten des Blasformens übersteigen. Ihr Hauptvorteil bei Hohlkörpern liegt in der Möglichkeit, ein hohles Bauteil in ein ansonsten flaches Teil zu integrieren oder Details einzubauen, die denen des Spritzgießens ähneln.

Vorteile des gasunterstützten Spritzgießens

Das gasunterstützte Spritzgießen zeigt sein wahres Potenzial, wenn es auf dünnwandige Strukturteile angewandt wird. Es bietet Konstrukteuren die Möglichkeit, Bauteile mit der Kosteneffizienz dünner Wände in Kombination mit der Festigkeit herzustellen, die normalerweise mit dicken Wänden verbunden ist. Beim Short-Shot-Verfahren werden übergroße Rippen mit Hilfe eines Gasstroms entkernt, so dass sich innerhalb des Formteils hohle Röhren bilden, wodurch ein beeindruckendes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht erreicht wird. Im Vergleich zu Teilen, bei denen hohe Rippen für die Steifigkeit sorgen, kann diese Technik eine beachtliche Steigerung von 25 bis 40% bewirken.

Die entscheidende Herausforderung bei Design und Verarbeitung besteht darin, die Gasblase innerhalb des Rippenmusters zu halten. Ein optimiertes Design sollte jede Fehlerspanne ausschließen, die es der Blase ermöglichen könnte, den Wandabschnitt zu durchdringen, ein Phänomen, das als Fingering bekannt ist. Dickwandige Strukturbauteile können mit Strukturschaumbauteilen verglichen werden, bei denen der Schaum durch ein miteinander verbundenes Netz von Hohlprofilen ersetzt wird. Das Konzept hinter der Festigkeit von Strukturschaum liegt in erster Linie in den festen Häuten. Die Gasunterstützung macht das Treibmittel überflüssig und schließt den kurzen Schuss mit einem Gasstoß ab, wodurch die Verwirbelung beseitigt wird. Bei diesem Konzept wirken die Gasstege wie ein inneres Kissen, ähnlich wie bei Schaumstoff.

Es ist eine Herausforderung, eine größere Dichtereduzierung als mit Schaumstoff zu erreichen, und aus struktureller Sicht muss die Wandkonstruktion das Worst-Case-Szenario für das Gewebe berücksichtigen. Strukturschaum hat in der Regel einheitlichere physikalische Eigenschaften. Während gasunterstützte Teile ihre Steifigkeit aus überdimensionierten Rippen beziehen, verringert sich mit zunehmender Wandstärke das geringe Gewicht und die Kostenvorteile, die mit dünnwandiger Gasunterstützung verbunden sind. Eine dickwandige Gasunterstützung ist dann sinnvoll, wenn die Anwendung eine dickere Wandstärke erfordert, sei es aufgrund bestehender Formzwänge oder ergonomischer Überlegungen.

Beim Vollspritzgießen kann ein Gaspolster anstelle des herkömmlichen Kunststoffpolsters verwendet werden. Bei diesem Verfahren wird das Gas nach der vollständigen Injektion des Harzes eingeleitet, um die anschließende Schwindung des Harzes zu kompensieren. Häufig wird diese Gasinjektion genau auf eine bestimmte dicke Stelle oder einen problematischen Bereich innerhalb des Formteils gerichtet.

Nach der Injektion in das geschmolzene Harz sucht sich das Gas sofort den Weg des geringsten Widerstands. Es bewegt sich auf natürliche Weise auf den dicksten Bereich des Teils zu und umgeht mühelos die Ecken - ein Vorgang, der als Race Tracking bekannt ist. Die Gasblase wird profiliert und behält einen gleichmäßigen Abschnitt bei, durch den sie fließt. Insbesondere beginnt die Gasblase mit einem größeren Durchmesser und verkleinert sich allmählich, wenn sie sich dem Ende des Flusses nähert.

Gasunterstütztes Spritzgießverfahren

Das gasunterstützte Spritzgießverfahren lässt sich anhand von fünf Schlüsselschritten beim Short-Shot-Molding erläutern. In Abbildung 2.16a wird geschmolzener Kunststoff unter hohem Druck in eine abgedichtete Form gespritzt. In Abbildung 2.16b wird der Gasinjektionsprozess eingeleitet, wodurch Gas und geschmolzener Kunststoff gleichzeitig in den Formhohlraum fließen. Beim Übergang zu Abbildung 2.16c wird die Kunststoffeinspritzung angehalten, so dass das Gas kontinuierlich in den Hohlraum strömen kann. Das Gas treibt den Kunststoff effektiv vorwärts und vervollständigt so den Füllvorgang der Kavität. Es zieht natürlich zu den Bereichen mit der höchsten Temperatur und dem niedrigsten Druck.

Abbildung 2.16d zeigt, dass das Gas, sobald der Hohlraum vollständig gefüllt ist, seine Kraft beibehält und den Kunststoff gegen die kühleren Oberflächen der Form drückt. Dadurch wird die Dauer des Kühlzyklus erheblich verkürzt, das Auftreten von Einfallstellen vermindert und die Reproduzierbarkeit der Abmessungen verbessert. In Abbildung 2.16e schließlich ist das Kunststoffteil so weit abgekühlt, dass es seine Form beibehält. Die Gasdüse wird zurückgezogen, um das eingeschlossene Gas freizusetzen, so dass das fertige Teil ausgeworfen werden kann.

Unter den verschiedenen strukturellen Kunststoffverfahren zeichnet sich das Gasinnendruckverfahren durch das größte Potenzial aus, die Kenntnisse des Konstrukteurs über den Formgebungsprozess zu nutzen. Der Konstrukteur übernimmt eine Doppelrolle als Werkzeugkonstrukteur und Verfahrenstechniker und hat die Kontrolle über den Kunststoff- und Stickstofffluss. Dieser integrierte Ansatz erhöht die Präzision und Effizienz des gasunterstütztes Spritzgießen Prozess.

Rippen spielen eine entscheidende Rolle bei der Festlegung des Gasdurchgangs in der Konstruktion. Das Gas folgt von Natur aus dem Weg des geringsten Widerstands und neigt dazu, sich zu den dickeren Bereichen des Teils zu bewegen, da diese ein größeres Volumen und damit einen geringeren Druck aufweisen. Diese Eigenschaft zieht die Gasblase in diese Bereiche. Um diese dickeren Bereiche effektiv zu gestalten, muss das Seitenverhältnis in Bezug auf die Wanddicke berücksichtigt werden.

Diese dickeren Bereiche entwickeln sich im Wesentlichen zu Verteilern oder Gasdurchlässen, die mit einem zentralen Gaseinspritzpunkt verbunden sind. Es ist ratsam, dass diese Gaskanäle ein Seitenverhältnis haben, das zwischen dem Drei- und Sechsfachen der Dicke des Wandabschnitts liegt. Ein geringeres Seitenverhältnis ist ineffizient und kann zu unerwünschten Phänomenen wie Fingering führen, während ein höheres Seitenverhältnis die Anfälligkeit für Gasdurchbrüche erhöht. Zu einem Gasdurchbruch kommt es, wenn der Gasstrom während des Füllvorgangs vor der Fließfront des Harzes voranschreitet. Das Erreichen eines optimalen Aspektverhältnisses ist der Schlüssel zur Gewährleistung der Effektivität und Zuverlässigkeit des gasunterstützten Spritzgießprozesses.

Die Gasdurchlässe sind in Gasführungsrippen untergebracht, wobei absichtliche Variationen der Wandstärke, die Rippen ähneln, als Vorsprünge betrachtet werden. Es ist zwingend erforderlich, dass sich die Gasdurchlässe bis zu den Enden des Bauteils erstrecken. Die Grundgeometrie für den Gasdurchgang besteht aus überdimensionierten Versteifungsrippen. Es sind verschiedene Rippendesigns denkbar, und praktische Lösungen für tiefere Rippen bestehen darin, eine herkömmliche Rippe auf eine Gasdurchgangsrippe zu stapeln, wobei die richtigen Seitenverhältnisse beibehalten werden. Auf diese Weise lässt sich eine angemessene Dicke über die gesamte Rippe hinweg erreichen und das Problem vermeiden, dass die Rippen oben zu dünn und unten zu dick sind, was gemeinhin als Problem der tiefen Rippen bekannt ist.

Die obige Abbildung zeigt mehrere Variationen von Rippendesigns, die die Anpassungsfähigkeit des Ansatzes verdeutlichen. Ein zentraler Aspekt einer erfolgreichen Produktentwicklung liegt in der Maximierung des Potenzials von Formteilen. Vor allem beim gasunterstützten Spritzgießen steht die Bauteilgestaltung im Vordergrund. Das Rippenmuster erweist sich als der Weg des geringsten Widerstands und dient als Kanal sowohl für den Kunststoff (während der Füllung) als auch für das Gas. Computergesteuerte Formfüllsimulationen verbessern die Platzierung der Rippen und rationalisieren den Prozess.

Die übrige Konstruktion des Bauteils erfolgt in enger Anlehnung an bewährte Verfahren, wobei der Schwerpunkt auf der Beibehaltung eines einheitlichen Wandquerschnitts liegt, was die Erstellung eines genauen Computermodells erleichtert. Der Erfolg eines jeden gasunterstützten Programms liegt letztendlich in der Hand des Teilekonstrukteurs. Durch die Einhaltung etablierter Konstruktionsprinzipien werden unnötige Variablen eliminiert, was die Bedeutung eines sorgfältigen und strategischen Ansatzes unterstreicht.

Eine optimale Kontrolle über die Gasblase wird durch den Einsatz von Überläufen oder Überlaufkavitäten erreicht. Die Entfernung von überschüssigem Kunststoff erfolgt durch Verdrängung des einströmenden Gasvolumens und stellt eine fortgeschrittene Stufe des gasunterstützten Spritzgießens dar. Dieses verbesserte Verfahren ist bei verschiedenen Anbietern von Gasunterstützungsanlagen zur Lizenzierung erhältlich. Zu den bemerkenswerten Vorteilen gehört die präzise Regulierung des eingespritzten Gasvolumens, was zu einer genauen Kontrolle des Gasdurchlassprofils führt. Bei der ersten Formfüllung wird ein kompletter Kunststoffschuss verwendet, was im Vergleich zu einem kurzen Schuss eine bessere Kontrolle ermöglicht.

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