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Fachwissen führt zu Qualität

07/2011 Juli-August

Fehler beim Spritzgießen erkennen und vermeiden



Die Anforderung an die Qualität von Elastomerprodukten wächst stetig und im gleichen Maße steigt der Rationalisierungsdruck auf deren Hersteller. Die eingesetzten Gummimischungen, die Spritzgießmaschine mit Werkzeugen und die Prozessparameter müssen daher bestmöglich aufeinander abgestimmt werden um die chemischen und physikalischen Anforderungen an die Produkte optimal zu erfüllen.

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In der Prozesskette aus Rohstoffherstellung, Compoundierung, Formgebung und Vulkanisation, sowie der Artikelnachbearbeitung sind durch die vielen Einzelschritte zahlreiche Einflussfaktoren zu beachten. So sind die Einflussgrößen Maschine, Werkzeug, Elastomer und Prozessführung bei jedem auftretenden Fehler zu beachten. Zu den e wichtigsten Einflussfaktoren auf den Spritzgießprozess, ohne material- und werkzeugseitige Faktoren zu berücksichtigen, zählen:

  •  Werkzeugtemperatur,
  •  Temperaturen an Spritzeinheit und Kaltkanal,
  •  Schließkraft,
  •  Plastifizierprofil und Staudruck,
  •  Einspritzgeschwindigkeit und Einspritzdruck,
  •  Nachdruckprofil,
  •  Heizzeit,
  •  Geschwindigkeitsprofile der Schließeinheit und der peripheren Einheiten.

Beispiel Werkzeugtemperatur

Die Grundlage eines stabilen Prozesses ist eine sehr gute Reproduzierbarkeit der Parameter von Zyklus zu Zyklus. Als Beispiel aus diesen Parametern soll die Werkzeugtemperatur näher betrachten werden. Hier ist auf der einen Seite eine sehr gleichmäßige Temperatur-verteilung über die gesamte Werkzeugoberfläche unerlässlich, um bei Mehrkavitätenwerkzeugen einen gleichmäßigen Vulkanisationsgrad zu erreichen. Da bei Elastomerspritzgießmaschinen die Werkzeuge traditionell über maschinenseitige Heizplatten beheizt werden, spielen die Temperaturverteilung der Heizplatten selbst sowie die Werkzeugauslegung und die Anordnung der Kavitäten eine große Rolle.
Außerdem sollte die eingestellte Temperatur genau geregelt und unabhängig von äußeren Einflüssen konstant gehalten werden. Moderne Spritzgießmaschinen bieten dazu selbstoptimierende Heizungsregler. Oft wird dieses Hilfsmittel aber bei einem Werkzeugwechsel vom Bedienpersonal nicht ausreichend genutzt und es kommt zu Temperaturschwankungen im Prozess. Einflüsse aus dem Umfeld der Maschine, wie Zugluft oder ungleichmäßig vorgeheizte Einlegeteile, kann aber die Temperaturregelung niemals komplett kompensieren.
Gut ausgebildetes Personal kann solche Störeinflüsse meist schnell erkennen und Abhilfe schaffen. Außerdem geben die Maschinenhersteller den Anwendern oft entsprechende Softwaresysteme (DESCure, Propter) an die Hand, um rechtzeitig auf die verschiedenen Störeinflüsse reagieren zu können.


Typische Fehlerbilder im Detail


Im Gegensatz dazu sind andere Prozessstörungen meist nur visuell am Artikel zu erkennen. Dafür benötigt man ein geschultes Auge und eine Strategie, wie mit diesen Fehlerbildern umzugehen ist.

  •  Gaseinschlüsse am Artikel

Gaseinschlüsse am Spritzprodukt sind an weichen, schaumigen, hellen, klebrigen und ausgebeulten Stellen zu erkennen. Als Ursache kommen für diese Erscheinung oft Störungen im Bereich der Werkzeugevakuierung infrage. Auch ein zu schnelles Einspritzen oder eine ungünstige Werkzeugkonstruktion begünstigen solche Erscheinungen. Auch der Einfluss des Rohmaterials ist nicht zu vernachlässigen. Große Lufteinschlüsse im Gummistreifen oder das Ausgasen niedermolekularer Bestandteile während des Vulkanisationsprozesses können zu den beschriebenen Erscheinungen führen.

  •  Ungenügende Vernetzung

Nicht genügend vulkanisierte Teile sind durch weiche Stellen, wellige Oberflächen, verzerrte geometrische Formen oder Blasenbildung im Innern zu erkennen. Bei einigen Mischungen sind nicht genügend vulkanisierte Stellen feucht glänzend.
Abgesehen von einer zu kurz gewählten Vulkanisationszeit können oben genannte Temperaturschwankungen zu diesem Fehler führen. Auch Störungen im Bereich des Spritzaggregates führen zu einer Veränderung des dissipativen Temperatureintrages. Beim Arbeiten mit Einlegeteilen ist besonders auf die Temperatur der Einlegeteile zu achten. Wie immer darf auch die Möglichkeit von Schwankungen der Mischungsqualität nicht vernachlässigt werden.

  •  Einspaltungen und Risse (Backgrinding)

Diese Erscheinungen treten beim Vulkanisieren großvolumiger Artikel hauptsächlich im Bereich der Werkzeugtrennung und am Anguss auf. Beim Vulkanisieren erhöht sich aufgrund Temperaturzunahme der Masse der der Forminnendruck nochmals und das Material versucht über den Angussbereich aus der Kavität zu fließen. Backgrinding wird meist durch den großen Temperaturunterschied zwischen Werkzeug und eingespritzter Gummimasse hervorgerufen. Auch ein zu hoch gewählter Druck während des Einspritzprozesses beeinflusst die Produktqualität negativ. Eine schlechte Werkzeugauslegung im Bereich Kavitäten und Angussverteilung macht sich zusätzlich negativ bemerkbar.

  •  Vorzeitiges Anvulkanisieren (Scorch)

Vorzeitig anvernetzte Stellen sind oft verworfen, verzogen, eingerissen oder in Linienform ausgebildet. Meistens sind sie an der Oberfläche gut sichtbar. Häufig kann der Artikel an den Zusammenflussstellen leicht getrennt werden. Wieder spielen die Temperaturen an Werkzeug und Spritzaggregat eine große Rolle. Ein nicht selten beobachteter Fehler ist die Wahl einer falschen Düsengeometrie zwischen Spritzaggregat und Werkzeugangussbuchse. Dies führt zu erhöhtem Schereintrag und damit zu Scorch. Es ist unerlässlich, beim Auftreten von Scorch den gesamten Weg des Rohmaterials durch die Spritzgießmaschine kritisch zu betrachten. Die Materialeigenschaften sollten nochmals geprüft werden, da manche Compounds falsche und zu lange Lagerung nicht verzeihen.

  •  Austrieb am Artikel (Flash)

Austrieb ist beim Spritzgießen von Elastomeren nicht immer komplett zu verhindern. Übermäßiger Austrieb im Bereich von Nest oder Verteilerebene muss jedoch verhindert werden. Bei Flash-Erscheinungen sind oft die Einspritzparameter, Spritzvolumen, Einspritz- und Nachdruck sowie eine zu niedrig gewählte Werkzeugschließkraft verantwortlich. Aber auch Verschleißerscheinungen an Spritzgießmaschine und Werkzeug sollten nicht vernachlässigt werden. Als Beispiele dienen hier verschlissene Isolierplatten oder Biegungen im Bereich der Schließeinheit. Die Anordnung der Werkzeugkavitäten im Randbereich eines Spritzgießwerkzeuges kann sich negativ auswirken. Ein zu kleiner Angussverteiler oder Anguss kann Flash in der Verteilerebene begünstigen. Ein weiteres immer wieder beobachtetes Problem ist die Nichteinhaltung von Höhentoleranzen bei Einlegeteilen, so dass diese die komplette Schließkraft aufnehmen und das Werkzeug leicht geöffnet bleibt.

  •  Unterfüllung

Unterfüllung ist leicht an nicht vollständig ausgeformten Artikeln zu erkennen, Vertiefungen in der Artikeloberfläche, unscharfer Ausbildung der Konturen des Artikels und Blasenbildung im Artikel. Im einfachsten Fall wurde einfach zu wenig Masse eingespritzt oder eine zu niedrige Einspritzdruckbegrenzung gewählt. Meist kommt aber ein ganzes Sammelsurium von Ursachen in Betracht. Auch Flash in der Verteilerebene oder das Abheben des Spritzaggregates während des Einspritzens kann zu Unterfüllung in den Kavitäten führen. Hier hat die Werkzeugauslegung und der Zustand des Rohmaterials einen wesentlichen Einfluss.

  •  Formverschmutzung

Während der Füllphase verflüchtigen sich, vor allem im Bereich der Fließfront, leicht flüchtige Mischungsbestandteile. Sie bilden eine Schaumstruktur aus abgebautem Compound, das im Laufe weiterer Zyklen vercrackt. Formverschmutzung verursacht Vertiefungen oder Abbildungen von Mustern auf der Oberfläche des Artikels. Bei zu hohen Einspritzgeschwindigkeiten kann es zum sogenannten Dieseleffekt mit Verbrennungen an der Fließfront kommen. Diese führen zu hartnäckigen Ablagerungen an der Werkzeugoberfläche. Auch die Werkzeuggeometrie hat einen Einfluss auf die Verschmutzung. Große Wanddickensprünge am Artikel sollten vermieden werden. Ablagerungen von Primern, Haftvermittlern und Trennmitteln führen zu entsprechenden Erscheinungen. Eine mangelnde Funktion des Vakuumsystems kann die Verschmutzung eines Werkzeuges negativ beeinflussen. Abschließend sei noch die Gummimischung und deren niedermolekulare Inhaltsstoffe zu nennen.

Faktor Mensjch in der Prozesskette


Außer den genannten Fehlerbildern sind noch zahlreiche andere möglich. Dazu zählen Fließ- und Bindenahtfehler, Haftungsprobleme bei 2 K- Artikeln, Fehler beim Entformen und bei der Nachbehandlung der Artikel kann auf Grund ihrer Komplexität in diesem Rahmen nicht weiter eingegangen werden. Die Hersteller von Material, Werkzeugen und Spritzgießmaschinen arbeiten unentwegt an Verbesserungen des Prozesshandlings. Der Mensch wird aber immer ein wichtiger Faktor in dieser Prozesskette bleiben. Auch in Zukunft werden die Hersteller von Elastomerprodukten nicht auf erfahrene und gut ausgebildete Fachkräfte verzichten können.

 

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