Abbildung 1: 
Spritzgegossene 
2K-Dichtung im Übergang zwischen Motorraum und Frontscheibe. 
Bildquelle: iStock.

Abbildung 1:
Spritzgegossene
2K-Dichtung im Übergang zwischen Motorraum und Frontscheibe.
Bildquelle: iStock.

Thermoplastische Vulkanisate (TPV) auf Basis von Polypropylen (PP) und vernetztem Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) sind heutzutage Stand der Technik und dank des hervorragenden Eigenschaftsprofils in einer Vielzahl von Anwendungen präsent. Charakteristische Eigenschaften eines TPV sind beispielsweise die gute Witterungsbeständigkeit, die hohe Wärmealterungsbeständigkeit sowie das gute Rückstellvermögen auch bei hohen Temperaturen, kombiniert mit einer guten thermoplastischen Verarbeitbarkeit und Rezyklierbarkeit.

Die Rohstoffauswahl durch Prozesssimulationstechnik verbessern

TPV-Compounds sind in der Regel in ihrer Zusammensetzung sehr komplex und weisen aufgrund der vernetzten EPDM-Phase im Vergleich zu klassischen Thermoplasten wie PP einige Besonderheiten hinsichtlich ihrer thermoplastischen Verarbeitung auf. Gerade Verarbeiter, die erstmals mit TPV in Berührung kommen und nicht mit deren Verarbeitung eng vertraut sind, haben oftmals Probleme, das passende Compound für die jeweiligen Bauteil- und Verarbeitungsanforderungen auszuwählen. Der frühzeitige Einsatz von Simulationstechniken in Kombination mit dem entsprechenden Kunststoffwissen kann hier helfen, das passende TPV-Material effizient und effektiv für die jeweilige Kundenanforderung zu definieren. Hierfür arbeiten bei der Albis Plastic Fachkräfte aus verschiedenen Werkstoffbereichen interdisziplinär zusammen – immer mit dem Fokus, dem Verarbeiter eine sowohl technisch als auch ökonomisch tragfähige Materiallösung anzubieten.

Abbildung 2: Viskosität eines normal fließenden TPV (2GP) im 
Vergleich zu einem leicht fließenden TPV (3EF) gleicher Härte 
(Shore A70).
Bildquelle: Albis

Abbildung 2: Viskosität eines normal fließenden TPV (2GP) im
Vergleich zu einem leicht fließenden TPV (3EF) gleicher Härte
(Shore A70).
Bildquelle: Albis

Der Anbieter führt in seinem TPE-Portfolio verschiedene TPV-Compoundserien für unterschiedliche technische Fragestellungen und Marktanforderungen unter dem Markennamen Alfater XL. Neben den technischen Material-eigenschaften spielt für Anwendungen mit dünnen Wandstärken, langen und/oder komplexen Fließwegen das Verarbeitungsverhalten und hier insbesondere die Fließfähigkeit des ausgewählten TPV-Produktes eine entscheidende Rolle, um qualitativ hochwertige Bauteile herzustellen. Derartige Bauteile finden sich beispielsweise im Automobilbau als spritzgegossene Mono- und Mehrkomponentendichtungen, etwa im Bereich zwischen Motorraum und Frontscheibe.
Der vorliegende Artikel diskutiert wesentliche Besonderheiten in der Spritzgussverarbeitung von TPV-Compounds. Anhand einer typischen TPV-Anwendung – hier eine Karosseriedichtung – soll gezeigt werden, wie der Einsatz von Simulationstechniken helfen kann, das passende TPV-Compound gezielt auszuwählen. Die dargestellten Ergebnisse sollen dem Verarbeiter einen Mehrwert hinsichtlich der Verarbeitung von TPV und der Auswahl von TPV-Compounds liefern.

Abbildung 3: p-v-T-Diagramm bei 600 bar und 1200 bar für ein normal fließendes TPV (2GP) im Vergleich zu einem leicht fließenden TPV (3EF) gleicher Härte (Shore A70). 
Bildquelle: Albis

Abbildung 3: p-v-T-Diagramm bei 600 bar und 1200 bar für ein normal fließendes TPV (2GP) im Vergleich zu einem leicht fließenden TPV (3EF) gleicher Härte (Shore A70).
Bildquelle: Albis

Wichtige rheologische Kennwerte nutzen

Die Kenntnis der rheologischen Eigenschaften der TPV-Schmelze, sprich Fließfähigkeit und p-v-T-Charakteristik (Druck-Volumen-Temperatur), sind für das Spritzgießen von enormer Bedeutung. Vor allem Bauteile wie Glaseinfassungen oder Karosseriedichtungen, die lange und komplexe Fließwege aufweisen, erfordern eine ausgezeichnete Fließfähigkeit, um die Spritzgussform effektiv zu füllen und eine hohe Maßhaltigkeit und hohe Oberflächenqualität zu garantieren. Die von Albis speziell entwickelten, sehr leicht fließenden TPV-Materialien (Alfater XL 3EF Serie) bieten für derartige Anforderungen hervorragende Voraussetzungen. Sie vereinen gute Abdichteigenschaften, eine sehr gute Wärmealterungs- und Witterungsbeständigkeit mit einer hohen Fließfähigkeit und guten Spritzgussfähigkeit. Ein Vergleich (Abb. 2) der Viskosität verdeutlicht den Unterschied zwischen einem normal fließenden TPV-Compound und einem leicht fließenden TPV-Compound. Unter gleichen Prüfbedingungen besitzt das leicht fließende TPV-Compound eine deutlich niedrigere Viskosität, also höhere Fließfähigkeit.
Ein wichtiges charakteristisches Merkmal von TPV-Schmelzen ist deren ausgeprägtes scherabhängiges Fließ- bzw. Verarbeitungsverhalten. Das bedeutet, dass Temperaturerhöhungen im Spritzgussprozess zur Steuerung der Viskosität (Fließfähigkeit) – anders als bei klassischen Thermoplasten wie PP oder Polyamid (PA) – nur begrenzt Wirkung zeigen. Dies verdeutlicht anschaulich die Tabelle 1, welche den Einfluss der Temperatur auf die Viskosität einer TPV-Schmelze und einer PA6-Schmelze vergleichend gegenüberstellt. Eine Temperaturerhöhung um 10 °C reduziert die Viskosität beim TPV lediglich um ca. 10 %, während die Viskosität beim PA6 um bis zu 30 % reduziert wird. Zur effektiven Steuerung der Viskosität (Fließfähigkeit) von TPV-Schmelzen ist folglich eine hinreichend hohe Scherung im Spritzgießprozess notwendig, etwa durch eine hohe Einspritzgeschwindigkeit und ein entsprechend ausgelegtes Angusssystem. Der Rohstoffanbieter kann durch seine erfahrenen Techniker vor Ort den Kunden bei der Verarbeitung von TPV unterstützen sowie Empfehlungen für die Auslegung von Anguss und Werkzeug geben.
Neben dem Fließverhalten sind bei der Spritzgussverarbeitung auch Kenntnisse zum p-v-T-Verhalten des TPV wichtig, da hierüber Informationen über das Schwindungs- und Verzugsverhalten abgeleitet werden können [1–3]. Die Abschätzung der volumetrischen Schwindung ist unter anderem wichtig für die Ausgestaltung der Nachdruckphase, die eine hohe Maßhaltigkeit des Bauteils garantieren soll. Abbildung 3 zeigt für ein normal fließendes TPV-Compound und ein leicht fließendes TPV-Compound gleicher Härte (Shore A70) das p-v-T-Diagramm bei Drücken von 600 bar und 1200 bar.
Anhand des p-v-T-Diagramms wird ersichtlich, dass es sich bei den TPV-Compounds um teilkristalline Materialien handelt [3]. Grundsätzlich sind die Kurvenverläufe beider TPV-Compounds identisch, das heißt ein höherer Druck führt zu einem geringeren spezifischen Volumen und einer geringerer Dichte, während eine höhere Temperatur zu einem höheren spezifischen Volumen und einer höheren Dichte führt. Ferner verschiebt sich mit steigendem Druck bei beiden TPV-Compounds die charakteristische Stufe des Kristallisationsbereichs zu höheren Temperaturen. Zudem wird diese Stufe mit steigendem Druck flacher, das bedeutet, dass der Anstieg in der Stufe kleiner wird. Entsprechend niedriger fällt die Schwindung bei höheren Drücken aus.
Gut zu erkennen ist weiterhin, dass sich die beiden p-v-T-Kurven für das leicht fließende TPV-Compound auf einem höheren Niveau befinden. Auch liegen beide p-v-T-Kurven im Vergleich zum normal fließenden TPV-Compound weiter auseinander. Entsprechend stärker ist die Druckabhängigkeit des spezifischen Volumens beim leicht fließenden TPV-Compound. Diese Unterschiede gilt es bei der Wahl der Spritzgussparameter zur Schwindungs- und Verzugsminimierung zu berücksichtigen.

Fallstudie: Karosseriedichtung

Am Beispiel einer 2K-Karosseriedichtung soll gezeigt werden, wie durch den Einsatz geeigneter Simulationstechniken ein adäquates TPV-Compound für das jeweilige Bauteil ausgewählt werden kann. Abbildung 4 links zeigt eine typische 2K-Karosseriedichtung, welche zwischen Motorraum und Frontscheibe sitzt. In

Abbildung 5: Zeit bis zum Erreichen des festgesetzten Einspritzdrucks von 600 bar für ein normal fließendes TPV (2GP) im Vergleich zu einem leicht fließenden TPV (3EF) gleicher Härte (Shore A70) bei einer konstanten Fließrate von 121,8 cc/s.
Bildquelle: Albis

Abbildung 5: Zeit bis zum Erreichen des festgesetzten Einspritzdrucks von 600 bar für ein normal fließendes TPV (2GP) im Vergleich zu einem leicht fließenden TPV (3EF) gleicher Härte (Shore A70) bei einer konstanten Fließrate von 121,8 cc/s.
Bildquelle: Albis

Abbildung 4 rechts sind entsprechend die Abmaße der Dichtung schematisch dargestellt. Die Gesamtlänge der Dichtung beträgt ca. 1750 mm. Die Fließweglänge zwischen zwei Angusspunkten beträgt ca. 500 mm. Die 2K-Dichtung ist also durch lange Fließwege bei gleichzeitig geringer Wandstärke charakterisiert. Als Angusssystem werden Heißkanal-Punktangüsse verwendet mit einem Durchmesser von ca. 1 mm. Die niedrigere Viskosität des leicht fließenden TPV-Compounds erlaubt grundsätzlich das Spritzgießen des Bauteils mit geringeren Drücken. Dies zeigt sich anschaulich in Abbildung 5. Während der maximale Einspritzdruck von 600 bar beim normal fließenden TPV-Compound bereits nach 0,4 s erreicht ist, wird dieser im Fall des leicht fließenden TPV-Compounds erst nach 0,8 s erreicht – also deutlich verzögert.

Abbildung 6: Zeit bis zum Abfall der maximalen Fließrate von 121,8 cc/s für ein normal fließendes TPV (2GP) im Vergleich zu einem leicht fließenden TPV (3EF) gleicher Härte (Shore A70) bei einem konstanten Spritzdruck von 600 bar.
Bildquelle: Albis

Abbildung 6: Zeit bis zum Abfall der maximalen Fließrate von 121,8 cc/s für ein normal fließendes TPV (2GP) im Vergleich zu einem leicht fließenden TPV (3EF) gleicher Härte (Shore A70) bei einem konstanten Spritzdruck von 600 bar.
Bildquelle: Albis

Anders ausgedrückt: Das leicht fließende TPV-Compound ermöglicht, die maximale Fließrate von 121,8 cc/s für einen vorgegebenen Spritzdruck von 600 bar über einen deutlich längeren Zeitraum von 0,8 s aufrechtzuerhalten (Abbildung 6). Beim normal fließenden TPV-Compound fällt dagegen die Fließrate bereits nach 0,4 s signifikant ab. Der definierte Spritzdruck von 600 bar reicht in diesem Fall also nicht aus, um die maximale Fließrate von 121,8 cc/s über 0,4 s hinaus aufrechtzuerhalten.
In Abbildung 7 ist der Füllvorgang für einen Teilabschnitt der 2K-Karosseriedichtung (Fließweg = 500 mm) jeweils mit einer normal fließenden TPV-Schmelze und einer leicht fließenden TPV-Schmelze unter Nutzung einer festgesetzten Einspritzzeit von 1,22 s dargestellt.
Das normal fließende TPV-Compound kann aufgrund der höheren Viskosität (geringere Fließfähigkeit) den Teilabschnitt des Bauteils nicht vollständig in der vorgegebenen Einspritzzeit von 1,22 s füllen. Die Füllsimulation mündet für das normal fließende TPV-Compound somit in einen sogenannten „Short Shot“. Die niedrigere Viskosität des leicht fließenden TPV-Compounds erlaubt hingegen in der vorgegebenen Einspritzzeit von 1,22 s den Abschnitt der 2K-Dichtung vollständig zu füllen.

Oberflächendefekte und Schubspannungsniveau

Normal fließende TPV-Compounds sind meist eher hochviskose Formmassen, die eine sehr hohe Scherung für eine ausreichende Fließfähigkeit benötigen. Bei langen Fließwegen und dünnen Wandstärken ist es aufgrund der hohen Viskosität nicht nur schwierig, das Bauteil vollständig zu füllen. Auch die Gefahr von Oberflächendefekten nimmt deutlich zu. Die Ursachen für eine begrenzte Oberflächenqualität bei normal fließenden TPV-Schmelzen liegen in einer ausgeprägten Schubspannung und in dem Phänomen der Wandhaftung der TPV-Schmelze an der (kalten) Werkzeugwand. Die heiße TPV-Schmelze friert bei Kontakt mit der kalten Werkzeugwand schnell ein, so dass die resultierende Strömungsgeschwindigkeit in der Randschicht entsprechend Null wird und es zur Wandhaftung kommt. Abbildung 8 zeigt anschaulich die Unterschiede beim Füllvorgang einer klassischen 2K-Karosseriedichtung.
Die auftretenden Schubspannungen beim Füllvorgang des Teilabschnitts der 2K-Karosseriedichtung sind beim normal fließenden TPV-Compound im Vergleich zum leicht fließenden TPV-Compound merklich höher. Hohe Schubspannungen an der (kalten) Werkzeugwand können einerseits die Schmelze mechanisch schädigen und andererseits bereits erstarrte Randschichten verschieben, so dass entsprechende Oberflächenfehler entstehen. Abbildung 9 zeigt dies anschaulich für durchgeführte Tests an einer Musterplatte (150 mm x 100 mm x 2 mm). Das normal fließende TPV-Compound erzeugt bei gleichen Verarbeitungsbedingungen aufgrund der höheren Viskosität in Platten eine schlechtere Oberflächenqualität, zum Beispiel Fließmarkierungen oder Glanzgradunterschiede (siehe Pfeile).
Solche typischen Oberflächendefekte von TPV-Schmelzen können durch optimierte Verarbeitungsbedingungen, wie zum Beispiel durch eine hohe Einspritzgeschwindigkeit und/oder erhöhte Werkzeugtemperatur, zwar reduziert aber oftmals nie gänzlich vermieden werden. Auch verlängert das Anpassen von Spritzgussparametern nicht selten die ökonomisch sehr relevante Zykluszeit. Folglich hilft in der Regel nur der Einsatz eines optimierten TPV-Compounds mit entsprechend guter Fließfähigkeit.

Werkstoffeigenschaften und Verarbeitungsparameter beachten

Oftmals erfolgt die Auswahl eines TPV-Compounds vornehmlich anhand seiner technischen Daten. Verarbeitungsrelevante Eigenschaften kommen dabei oftmals zu kurz, spielen jedoch für die Bauteilqualität (Oberflächengüte, effiziente Formfüllung, etc.) eine ganz wesentliche Rolle. Zwar können meist verschiedene TPV-Compounds die technischen Bauteilanforderungen erfüllen, hinsichtlich der Verarbeitungsanforderungen kommt jedoch oft nur ein spezifisches TPV-Compound in Frage. Der Einsatz geeigneter Simulationstechniken kann hier helfen auch aus Verarbeitungssicht das richtige TPV auszuwählen. Die im Beitrag beschriebene Fallstudie einer 2K-Karosseriedichtung zeigt anschaulich den Nutzen einer solchen Simulation für die Materialauswahl. Die vorgestellten Simulationen unterstreichen, dass ein spezielles TPV-Compound mit hoher Fließfähigkeit für das untersuchte Bauteil – 2K-Karosseriedichtung – besser geeignet ist als ein Standard-TPV mit normaler Fließfähigkeit.
Durch den gezielten Einsatz von Simulationstechniken (z. B. Moldex 3D oder Ansys) kann die Albis Plastic die Kunststoffverarbeiter bei der Auswahl eines geeigneten TPV-Compounds unterstützen. Experten aus verschiedenen Werkstoffbereichen arbeiten dabei interdisziplinär zusammen, um sowohl technisch als auch ökonomisch tragfähige Materiallösungen anzubieten. Der Service wird durch die Bereitstellung einschlägiger Materialdaten für die TPV-Simulation zur erfolgreichen Materialauswahl abgerundet.

Abbildung 9: Oberflächenqualität einer Platte (150 mm x 100 mm x 2 mm) im Fall eines normal fließenden TPV (2GP) (links) im Vergleich zu einem leicht fließenden TPV (3EF) (rechts) gleicher Härte (Shore A60).

Abbildung 9: Oberflächenqualität einer Platte (150 mm x 100 mm x 2 mm) im Fall eines normal fließenden TPV (2GP) (links) im Vergleich zu einem leicht fließenden TPV (3EF) (rechts) gleicher Härte (Shore A60).

Literatur
[1] Wang, J., PVT Properties of Polymers for Injection Molding, in Wang, J., Some Critical Issues for Injection Molding. Chapter 1, 1st Edition, IntechOpen, Rijeka (2012). DOI: 10.5772/2294.
[2] Beaumont, J., Einfluss des Füll- und Verdichtungsvorgangs auf das Material und das Formteil, in Beaumont, J., Optimale Auslegung von Anguss und Angusskanal: Spritzgießwerkzeuge erfolgreich einsetzen. Kap. 3, 1. Aufl., München (2012).
[3] Kies, T. et al., Beeinflussung des Schwindungsverhaltens von Thermoplasten beim Spritzgießen durch elastische Werkzeugdeformation. Zeitschrift Kunststofftechnik/Journal of Plastics Technology, 2 (2006) 6, 1-21.

Über die Autoren

S. Zepnik

TPE Product Specialist
Albis Plastic, Hamburg

J. J. Kock

Abteilung Central TSAD
Albis Plastic, Hamburg