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Gegentaktspritzgiessen

die etwas traurige Geschichte eines tollen Materials und eines speziell 
dafür entwickelten Verfahrens

 

Hier soll zunächst die Vorgeschichte erläutert werden. In den 80.er Jahren kamen die ersten  LCP-Kunststoffe (Liquid Crystal Polymere  ) auf den Markt. Herr Professor Käuffer vom Kunststoffinstitut der TU Berlin erklärte mir Ende 1985 den Werkstoff anlässlich eines Besuchs in Berlin und wies heftig auf die Eigenschaften  hin, dass diese stäbchenförmigen Moleküle sich in der Scherzone orientieren, wie sich die  Bäume im Wasser zu einem Floss aneinanderlegen.

Fast verträumt meinte er, wie schön das wäre, wenn man diese Orientierung bis in den Kern erreichen könnte. Nur leider lässt das der Füllvorgang beim Spritzgießen nicht zu. Aber man hätte eine gewaltige Steigerung der Zugfestigkeit zu erwarten, wenn irgendwie eine Möglichkeit bestünde.. 

Die Aufnahme dieses Gedankens sollte Folgen haben.

Mit diesem Input begann es zu "gären" und während einer Bahnfahrt nach Südtirol kam eine visionäre Idee:

Warum nicht ein Werkzeug für eine Zweikomponentenmaschine so gestalten, dass beide Einspritzeinheiten
am Teil angebunden sind und die Steuerung der Maschine so gestalten, dass beide Kolben abwechselnd beaufschlagt werden und mit dem speziell zu steuernden Differenzdruck den nötigen Forminnendruck aufrecht halten ? Die abkühlende bereits orientierte Außenschicht  würde erneut zur Andockstelle einer weiteren durch Scherung orientierten Schicht und so könnte man zumindest annähernd eine Orientierung bis in den Kern des Teiles erreichen, wenn man diesen Wechsel gegebenenfalls mit kleinen Abkühlphasen dazwischen vorantreibt.

Ja am liebsten hätte ich den Wochenendurlaub abgeblasen um zurückzufahren. Aber so ein Werkzeug muss ja erst einmal konstruiert und gebaut werden und so folgte eine Zeit des ungeduldigen Wartens. Den Umbau der elektronischen  Maschinensteuerung konzipieren und umsetzen, war noch das schnellste.  Erfindungsmeldung schreiben  passierte noch auf Schloss Welfenstein in Süd Tirol und in Gedanken stellte ich mir als erstes ein Zugstabwerkzeug vor.


Etwa ein Viertel Jahr später


Kontakte waren geknüpft zum Materialhersteller und ein 25 kg Sack glasfaserverstärktes LCP  trudelte gerade rechtzeitig ein, um die ersten Versuche auf einer umgebauten 2-Farbenmaschine und dem neuen beidseitig angebundenen Zugstabwerkzeug durchzuführen.

 

 

Ein Gedankensprung

welchen Unterschied würde ein Durchströmen in der gleichen Richtung bewirken und wie erreicht man das ?

Oder wie erzeugt man sperrholzähnliche Strukturen?

 

 

Zunächst sei vermerkt, dass die ersten Zugstäbe aus dem glasfaserverstärkten LCP  immerhin Zugfestigkeiten von über 200 N/mm² erbrachten.

Zum Thema Fließrichtungsänderung und "Sperrholz" wurde die Notwendigkeit von steuerbaren beheizten Schmelzeventilen als Bestandteil des Spritzgießwerkzeuges schnell zum Alptraum was die Kosten anbelangt und so wurde das auch noch nicht untersucht. An diesem Beispiel möchte ich aber aufzeigen, dass ein gärendes Problem wie dieses prädestiniert ist um die Möglichkeit intuitiver Ideenfindung aufzuzeigen.

Im Zugabteil auf der Fahrt nach Südtirol sah ich nachdem ich mich für eine Weile zurücklehnte die Gleichrichterbrücke wie sie in der Elektrotechnik angewandt wird vor Augen und da machte es "Klick".

4 Kugellagerkugeln im Heißkanal als Rückschlagventil angeordnet übernehmen die Aufgabe der Dioden in der Gleichrichterbrücke und die Steuerung findet alleine durch den Richtungswechsel statt. Kein teures Schmelzeventil; keine Ansteuerung nötig und als Vollbrücke liefert die Anordnung die Durchströmung des Teiles in nur einer Richtung. Als zwei Halbbrücken gestaltet und um 90 Grad versetzt was die entsprechenden Angusskanäle anbelangt, läßt sich ein Teil abwechselnd um 90 Grad versetzt durchströmen und so die sperrholzähnliche Struktur erreichen.

In weitere Ausgestaltung kommt je nach Teil noch ein gezieltes Wachstum der Wandstärke hinzu, um das Schichtwachstum als Lagen übereinander zu erreichen. Bei modernen Maschinen kann das über eine Tauchkante und einem dem Spritzprägen umgekehrten Vorgang erfolgen. Es kann aber auch ein kurzer kräftiger Hydraulikzylinder im Werkzeug platziert sein, der allmählich durch Ablassen von Öl die Formnestkontur in der Wandstärke zunehmen lässt.

Soviel zum noch nicht realisierten Teil dieses doch recht interessanten, die Eigenschaften von Spritzgussteilen gewaltig verändernden Verfahrens.

Im Zuge der damaligen Weiterentwicklung wurde nach dem Zugstabwerkzeug  eine Testgeometrie erdacht und in ein Werkzeug eingebracht. 

Man sieht die beiden Angüsse und kann erkennen, dass einige Bohrungen und ein Durchbruch eingebracht wurden um das Umströmen von beiden Seiten in seiner Auswirkung untersuchen zu können.

Im folgenden Bild ist ein gewaltsam erfolgter Abriss aus diesem Teil zu sehen. Charakteristisch für das so verarbeitete LCP ist die holzähnliche Struktur.

Die Fotos sind dem Werkstoffmagzin Nr 3. 1989 entnommen, da mir meine Originale nicht mehr zur Verfügung stehen.

Man sieht die beiden Löcher etwa in der Teilemitte liegend und die darum erkennbaren Fließrichtungen. Unschwer zeigt es sich, dass die umflossenen  Kerne bereits für turbulente Flussumleitungen sorgen und so bereits festigkeitsverstärkende und bindenahtauflösende Effekte entstehen.



Holz ? Nein LCP und GTS


Was ist eine Bindenaht oder Zusammenfließlinie

Eine Bindenaht entsteht aus den beiden Fließfronten, wenn man ein Kern 
umspritzt. Im folgenden Bild eines Zugstabes aus Polyamid ist das recht gut
ersichtlich. Auch sieht man, dass in genau diesem Bereich auch die Gefahr 
eines sogenannten Brenners vorherscht. Das ist eine "Miniexplosion", welche
man am einfachsten mit dem "Dieseleffekt" beschreiben kann. Im folgenden
an den schwarzen Stellen im Bereich der "Fließnaht"zu sehen.

 

Spätestens hier wird klar, dass dieses abgewandelte, ursprünglich für die 
Verarbeitung von Flüssigkristallpolimeren LCP entwickelte Verfahren auch
in vielen anderen Segmenten der Kunststoffverarbeitung mittels Spritz-
gießen eine erhebliche Stabilitätsverbesserung bringt, wenn es darum geht
Dinge wie Momentenstützen oder kurzum alles was Befestigungsbohrungen 
aufweist, herzustellen.

Hier wird noch am Hand einer Öse eines Zugstabes in Pulvermetallspritzguss 
auf die Schwachstelle Bindenaht / Fließlinie hingewiesen. Das erste Bild zeigt
wie schwerfällig so eine Masse unter Umständen das Teil füllt um letztendlich 
mit hohem Druck gefüllt zu werden wie im folgenden Bild gezeigt.

 

Die Bindenaht ist unten als hauchdünne Linie am Teil zu erkennnen und stellt
die zukünftige Schwachstelle des Teiles dar.

Wird dieser die Bohrung bildende Kern während des Füllens mehrfach umströmt.
kann es gar nicht erst zu der gefährlichen Bindenaht kommen.



Warum wurde das Verfahren nicht bekannt ?

Leider habe ich 1989 mit der Kunststoffvorentwicklung eines bekannten Münchener Auto-und Motoradbauers auf das falsche Pferd gesetzt.

Es wurde auf eine vielfältige Anwendung des neuen Verfahrens  mit vielen interessierten Kunden verzichtet, um dafür mit den Münchnern einen ersten spektakulären Durchbruch zu erzielen. So entstand in den Jahren darauf ein Ventilfederteller und eine Stösseltasse für die Ventilsteuerung im Motorradmotor, welche zusammen mit dem von Firma SIGRI  aus Kohlefasern gefertigten Kipphebel 80 Gramm Masse pro Ventil einsparten. Der Testmotor konnte so deutlich schneller drehen oder besser entlüftet werden.  Weiter sollte die Momentenstütze beim Motorrad auf diese Art und Weise hergestellt werden. Dort war bis zu diesem Zeitpunkt auf den Einsatz von Kunststoffteilen verzichtet worden, weil die zwangsläufig erzeugten  Bindenähte, auch Zusammenfließlinien genannt, sozusagen als Sollbruchstelle fungierten. Im nächsten Schritt sollten ähnliche Teile für das Automobil entstehen. 1990 oder 91 kam dann ein neuer Entwicklungsleiter in diese Abteilung und machte mit dem Rotstift all diesen zum Teil bereits zu bester Zufriedenheit laufenden Projekten den Garaus. ( Kunststoffteile im Motor spinnt ihr? )


Es war wohl das Jahr der Psychopaten ? Auch in unserem Hause war ein neuer Vorstandsvorsitzender sehr unglücklich am Werkeln und ich beschloss nach reiflicher Überlegung die Firma zu verlassen um in den neuen Bundesländern ein Forschungsvorhaben zu leiten. Dazu mehr unter "MIM-CIM"

 


Noch ein mal Holzstruktur

So ein Bruch zeigt die saubere Orientierung bis in den Kern

Ein konventionell gespritzter Stab reißt einfach durch und zeigt den FLOW 
wie er beim einmaligen Füllvorgang entsteht. Bereits im Bereich des Angusses ist die Ausbildung des "FLOW`S" zu erkennen.

 

Und hier wenn auch nicht als besonderes Foto ( alte Overheadfolie)
der schlagendste Beweis der erreichbaren Verstärkung in einer gewählten
Richtung:

Der Vergleich konventionell gegen GTS

Es ist einleuchtend, dass  mit so erzielten Orientierungen 
eine ordentliche Verstärkung erreichbar ist und Bindenähte
gezielt weggespült werden können.


1989 Erstmalig an der Öffentlichkeit auf der Internationalen Kunststoffmesse

Mein kleiner Stand auf dem Stand während der K89. Es wurden mit einer
kleinen Zugzerreißmaschine konventionelle und mit GTS gespritzte Zugstäbe
gerissen um die doch erheblichen Unterschiede aufzuzeigen.