Entwicklung einer neuartigen Prozesstechnologie zur abfallfreien Herstellung von Bauteilen im Duroplastspritzgießen
Projektdurchführung
SchoPlast Plastic GmbH
Entwicklung
Zum Stadtwald 3
01877 Bischofswerda
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens
Den Anlass des geplanten Forschungsprojektes bildet die Möglichkeit, von signifikanten Einsparungen von Rohmaterial und Energiekosten durch ein neuartiges Verarbeitungskonzept für duroplastische Formmassen im Spritzguss.
Die komplexen chemischen Vernetzungsmechanismen duroplastischer Formmassen stellen hohe Anforderungen an das Know-How der verarbeitenden Industrie. Die Gewährleistung eines stabilen Prozesses setzt eine aufwendige Maschinen- und Werkzeugtechnik voraus, weist jedoch eine geringe Ressourcen- und Energieeffizienz auf. Untersuchungen ergaben, dass aufgrund des hohen Masseanteils des Angusses am Gesamtbauteil bereits in kleinen und mittleren Unternehmen, Abfallmengen von über 90 t pro Jahr anfallen können. Innovative Verfahren und Technologien zur Angussminimierung wie z.B. die Heißkanaltechnik zur Verarbeitung thermoplastischer Materialien, existieren im Bereich der Duroplastverarbeitung nur bedingt.
Das Gesamtziel des Forschungsprojektes ist die Entwicklung eines großserientauglichen Produktionsverfahrens zur Herstellung duroplastischer Bauteile im Spritzguss ohne Materialverlust. Die Umsetzung erfolgt über eine innovative Werkzeugkonstruktion mit Kaltkanalverteilersystem, welche die Aushärtung des Materials in den Angusskanälen unterdrückt und damit zur Verbesserung der Ressourcen- und Energieeffizienz des Duroplastspritzgießens beiträgt. Die Praxistauglichkeit der Konstruktion wird an einem komplexen Bauteil der Elektroindustrie anhand einer Harnstoffformmasse nachgewiesen.
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie angestrebten Ziele werden durch eine systematische Verknüpfung von materialanalytischen Untersuchungen, werkzeugtechnischer Entwicklung sowie Validierung der Entwicklung unter industrienahen Bedingungen verfolgt.
Zu Beginn des Projekts findet eine umfassende laboranalytische und prozessnahe Materialcharakterisierung. Hierbei wird die verwendete duroplastische Harnstoff-Formmasse umfassend analysiert, um alle relevanten verarbeitungstechnischen Kenngrößen zu erfassen. Es werden thermische Analyseverfahren wie TGA (Thermogravimetrische Analyse) und DSC (Dynamische Differenzkalorimetrie) eingesetzt, um das Aushärtungs- und Zersetzungsverhalten zu bestimmen. Zusätzlich kommen rheologische Messverfahren, darunter ein Rotationsrheometer sowie ein Brabender-Messkneter, zum Einsatz, um das Fließ-
Härtungsverhalten unter möglichst praxisnahen Bedingungen zu untersuchen. Die gewonnenen Materialkennwerte werden die Grundlage für die Werkzeug- und Prozessentwicklung bilden.
Ergänzend zu den Laboranalysen wird im Projekt eine prozessnahe Prüfmethodik entwickelt. Diese soll die Charakterisierung des Materialverhaltens im Kaltkanalsystem in Abhängigkeit von unterschiedlichen Prozessbedingungen und Fließkanalgeometrien ermöglichen.
In Kombination mit den Laboranalysen soll ein mögliches Prozessfenster zur sicheren und stabilen Verarbeitung der Formmasse in einem Kaltkanalsystem definiert werden.
Anschließend wird basierend auf den Ergebnissen der Materialanalysen ein großserientaugliches Werkzeug konstruiert, das über ein Kaltkanalverteilersystem verfügt. Nach der Fertigung wird das Werkzeug unter realen Produktionsbedingungen getestet. Dabei wird die Funktionsfähigkeit des Kaltkanalverteilersystems validiert und der Einfluss auf die Qualität der Bauteile sowie auf die Ressourcen- und Energieeffizienz erfasst. Ergänzend werden Versuche zur Umsetzung einer Direktanspritzung, welche eine thermische Entkopplung der Kavität vom Kaltkanalverteiler ermöglicht, durchgeführt. Ziel ist die vollständige Vermeidung eines Angusses durch direkte Anspritzung des Bauteils, z.?B. mithilfe eines Nadelverschlusssystems. Das entwickelte System wird unter möglichst industrienahen Bedingungen zum Nachweis der technischen Umsetzbarkeit einer solchen Direktanspritzung im Duroplastspritzguss validiert.
Aus den gewonnenen Ergebnissen wird ein Richtlinienkatalog bezügliche der Auslegung und Verwendung von Kaltkanalsystemen abgeleitet. Dieser beinhaltet anwendungsorientierte Handlungsempfehlungen zur Werkzeugauslegung und Prozessführung im Duroplastspritzgießen mit Kaltkanalsystemen.
vanten verarbeitungstechnischen Kenngrößen zu erfassen. Es werden thermische Analyseverfahren wie TGA (Thermogravimetrische Analyse) und DSC (Dynamische Differenzkalorimetrie) eingesetzt, um das Aushärtungs- und Zersetzungsverhalten zu bestimmen. Zusätzlich kommen rheologische Messverfahren, darunter ein Rotationsrheometer sowie ein Brabender-Messkneter, zum Einsatz, um das Fließ-
Härtungsverhalten unter möglichst praxisnahen Bedingungen zu untersuchen. Die gewonnenen Materialkennwerte werden die Grundlage für die Werkzeug- und Prozessentwicklung bilden.
Ergänzend zu den Laboranalysen wird im Projekt eine prozessnahe Prüfmethodik entwickelt. Diese soll die Charakterisierung des Materialverhaltens im Kaltkanalsystem in Abhängigkeit von unterschiedlichen Prozessbedingungen und Fließkanalgeometrien ermöglichen.
In Kombination mit den Laboranalysen soll ein mögliches Prozessfenster zur sicheren und stabilen Verarbeitung der Formmasse in einem Kaltkanalsystem definiert werden.
Anschließend wird basierend auf den Ergebnissen der Materialanalysen ein großserientaugliches Werkzeug konstruiert, das über ein Kaltkanalverteilersystem verfügt. Nach der Fertigung wird das Werkzeug unter realen Produktionsbedingungen getestet. Dabei wird die Funktionsfähigkeit des Kaltkanalverteilersystems validiert und der Einfluss auf die Qualität der Bauteile sowie auf die Ressourcen- und Energieeffizienz erfasst. Ergänzend werden Versuche zur Umsetzung einer Direktanspritzung, welche eine thermische Entkopplung der Kavität vom Kaltkanalverteiler ermöglicht, durchgeführt. Ziel ist die vollständige Vermeidung eines Angusses durch direkte Anspritzung des Bauteils, z.?B. mithilfe eines Nadelverschlusssystems. Das entwickelte System wird unter möglichst industrienahen Bedingungen zum Nachweis der technischen Umsetzbarkeit einer solchen Direktanspritzung im Duroplastspritzguss validiert.
Aus den gewonnenen Ergebnissen wird ein Richtlinienkatalog bezügliche der Auslegung und Verwendung von Kaltkanalsystemen abgeleitet. Dieser beinhaltet anwendungsorientierte Handlungsempfehlungen zur Werkzeugauslegung und Prozessführung im Duroplastspritzgießen mit Kaltkanalsystemen.
Ergebnisse und Diskussion
Im Rahmen des geförderten Forschungsvorhabens konnten verschiedene Fortschritte im Bereich des abfallreduzierten Duroplastspritzgießens erzielt werden. Durch die Entwicklung und Erprobung eines innovativen Kaltkanalverteilersystems wurde nachgewiesen, dass eine signifikante Reduktion des anfallenden Produktionsabfalls sowie eine Steigerung der Energieeffizienz technisch realisierbar ist.
Zentrale Erkenntnis war, dass ein mögliches Prozessfenster zur Verarbeitung der verwendeten HarnstoffFormaldehyd-Formmassen im Kaltkanalsystem durch laboranalytische sowie prozessnahe Materialcharakterisierungen bestimmt werden konnten. Thermoanalytische Untersuchungen mittels DSC und TGA sowie rheologische Messungen an Messkneter und Rheometer, lieferten hierfür eine fundierte Grundlage und zeigten die kritischen Temperaturbereiche für Aushärtung und Zersetzung des Werkstoffs auf. Ergänzt durch prozessnahe Analysen im eigens entwickelten Versuchswerkzeug konnten relevante Einflussgrößen wie Einspritzgeschwindigkeit, Härtezeit, Kanaltemperatur und Kanalgeometrie systematisch erfasst und bewertet werden.
Die schrittweise Entwicklung und Optimierung eines 12-fach-Serienwerkzeugs unterstrich die konstruktiven und verfahrenstechnischen Anforderungen an ein robustes Kaltkanalsystem. Es konnte gezeigt werden, dass durch gezielte Anpassungen, etwa in der thermischen Trennung, mechanischen Auslegung und Steuerung der Abrissvorgänge, ein stabiler und prozesssicherer Betrieb unter Serienbedingungen möglich ist. Das Werkzeug erfüllte dabei alle qualitativen Anforderungen hinsichtlich Maßhaltigkeit und mechanischer Eigenschaften der Formteile.
Wirtschaftlich betrachtet ermöglicht das entwickelte System bei gleichbleibender Maschinentechnik eine
Erhöhung der Fachigkeit sowie eine Reduktion der Energie- und Materialkosten. Für das getestete 12-fach-
Werkzeug ergibt sich bereits eine Energieeinsparung von 31?%, die im angestrebten 16-fach-
Werkzeugkonzept auf bis zu 46?% gesteigert werden kann. Gleichzeitig lässt sich der Materialabfall hierbei gegenüber konventionellen Anspritzsystemen um bis zu 59?% reduzieren.
Trotz der vielversprechenden Ergebnisse wurde deutlich, dass die vollständige Realisierung einer angusslosen Direktanspritzung, insbesondere bei duroplastischen Formmassen, weitere technologische Entwicklungen, etwa in Form von Nadelverschlusssystemen, erfordert. Diese stellen aufgrund der erforderlichen thermischen Entkopplung notwendige Entwicklung dar. Im Rahmen des Projektes konnte die Funktionalität und Machbarkeit solcher Systeme im Versuchsmaßstab nachgewiesen werden. Aufgrund konstruktiver und wirtschaftlicher Restriktionen jedoch noch nicht für Serienanwendungen erprobt werden.
Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation
Veröffentlicht:
A. Seefried, N. Schmeißer, M. Albrecht, A. Hüllmann; Forschung für eine nachhaltigere Kunststofftechnik; Forum Werkstoffe e.V. - 14. Werkstoff-Seminar - Kunststoffwelt im Umbruch, 10.-11.07.2025, Rothenburg ob der Tauber; 2025
Ausstehend:
Piet Marschner, Nils Schmeißer, Ngoc Tu Tran, Andreas Seefried; Entwicklung einer neuartigen Prozesstechnologie zur abfallfreien Herstellung von Bauteilen im Duroplastspritzgießen; Technomer, 06.-07.11.2025, Chemnitz, 2025
Fazit
Insgesamt belegt das Projekt die Machbarkeit eines ressourceneffizienten, großserientauglichen Duroplastspritzgießverfahrens mit hohem Transferpotenzial in die industrielle Praxis. Die erarbeiteten Technologien und Erkenntnisse bilden eine belastbare Grundlage für nachhaltige Produktionskonzepte im Bereich duroplastischer Formteile, insbesondere im Kontext wachsender Anforderungen an Kreislaufwirtschaft und energieeffiziente Fertigung. In Bezug auf die Entwicklung einer Direkteinspritzung besteht, insbesondere in Hinblick auf den industriellen Einsatz, erhöhter Entwicklungsbedarf.