Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mediendichtes Umspritzen von Metallteilen ohne Haftvermittler

23.09.2009
Das Umspritzen von Metallteilen lässt sich wirtschaftlich verbessern, indem auf Haftvermittler verzichtet wird. Der erste Schritt dazu liegt in der richtigen Kunststoffauswahl. Bei optimierter Prozessführung ermöglicht das Umspritzen mit Kunststoff eine so hohe Dichtigkeit des Verbunds, dass Bauteilstress nicht zu einer lokalen Werkstofftrennung führt.

Die Kombination von Kunststoffen und Metallen beim Spritzgießen ist heute Stand der Technik. Diese Werkstoffkombination findet man beispielsweise bei Strukturteilen und Steckersystemen. Für die Herstellung der Kunststoff-Metall-Hybridteile wurden unter anderem bereits Möglichkeiten zur Vermeidung der Gratbildung erarbeitet. Allerdings wird immer häufiger auch eine Mediendichtigkeit an den Schnittstellen zwischen Metall und Kunststoff gefordert, um die Funktion der Hybridteile über deren gesamte Lebensdauer zu gewährleisten.

Komplexität der Baugruppe steigt durch Mehrfachsicherung oder Mehrfachabdichtung

Diese Forderung wird heute oftmals nach dem Hosenträgerprinzip erfüllt: durch Mehrfachsicherung oder Mehrfachabdichtung. Dabei steigen jedoch Teilevielfalt, Materialbedarf und Komplexität der Baugruppe. Einfacher ist dagegen das direkte Umspritzen metallischer Einlegeteile mit thermoplastischen Kunststoffen inklusive der Erzeugung einer mediendichten Verbindung zwischen Werkstoffen, die chemisch keine Affinität zueinander haben. Daher kann es beim direkten Umspritzen der Metallteile zu einer Spaltbildung kommen, die aufgrund der Kapillarwirkung zu einem Eindringen eines Mediums führt. Die Folge ist ein Ausfall des Bauteils, der Baugruppe oder gar des Gesamtprodukts.

Verwendung von Haftvermittler wirtschaftlich nicht optimal

Um das zu vermeiden, werden heute üblicherweise Haftvermittler auf das Metallteil aufgebracht, die zu einer Steigerung der Dichtigkeit des Kunststoff-Metall-Verbunds führen. Aus wirtschaftlicher Sicht ist das nicht optimal. Daher ist es das Ziel beim Umspritzen metallischer Einlegeteile, auf die meist kostenintensive Applikation von Haftvermittlern zu verzichten und eine Steigerung der Dichtigkeit allein durch die Auswahl des umspritzenden Kunststoffs zu ermöglichen.

Genau diesem Ziel hat sich das Verbundprojekt „Umspritzen von Metallteilen“ gewidmet, das zwei Jahre lang vom Kunststoff-Institut Lüdenscheid durchgeführt und von 38 Unternehmen unterstützt wurde. Im Rahmen dieses Projekts wurden Maßnahmen entwickelt, anhand derer die Projektteilnehmer Rückschlüsse auf eigene Prozesse und Produkte ziehen konnten.

Füllstoffanteil im Kunststoff hat hohen Einfluss auf die Dichtigkeit

Bei den im Projekt erstellten Metall-Kunststoff-Verbindungen wurden Stanzgitter aus einer Kupferlegierung (CuSn6) mit verzinnter Oberfläche in die Versuchsreihen eingebunden. Um den Einfluss auf die erreichbare Dichtigkeit deutlich zu machen, wechselte man den Kunststoff, änderte man die Verfahrensparameter und die Temperatur der metallischen Einlegeteile.

Ferner wurde die Auswirkung von Haftvermittlern und zusätzlichen Fertigungsschritten auf die Dichtigkeit betrachtet. Zur Lokalisierung von Leckagen kam Luft zur Anwendung, es wurde die Differenzdruckmethode angewendet. Zudem mussten die Versuchsteile nacheinander drei unterschiedlichen Klimawechseltests standhalten. Die Ergebnisse gaben Aufschluss über die Alterung, wobei man sich bei der Beurteilung des Stressverhaltens an Normen orientierte, die für Automobilinterieur- oder Motorraumteile üblich sind.

Füllstoffanteil des Kunststoffs beeinflusst Dichtigkeit des Hybridteils

Die Untersuchungen zeigten, dass der Füllstoffanteil des Kunststoffs einen großen Einfluss auf die Dichtigkeit des Hybridteils hat. Glasfasergefüllte Kunststoffe offenbarten dabei mit Zunahme des Füllanteils eine größere Leckage, die durch Verwendung von Glaskugeln reduziert werden kann. Ferner kamen im Rahmen der Untersuchungen verschiedene Haftvermittler zur Anwendung. Sie führen üblicherweise zu einer prägnanten Steigerung der Dichtigkeit im Vergleich zu einer unbehandelten Referenz-Verbindung.

So wurde durch Beschichten des Stanzgitters mit einem Haftvermittler eine so hohe Dichtigkeit bei einer Polyamid-Umspritzung (PA 66) erzeugt, dass man am entstandenen Verbund keine Leckage detektieren konnte. Die Eignung eines Haftvermittlers hängt dabei von Aspekten wie der chemischen Kompatibilität zum Kunststoff, den Verarbeitungsbedingungen und dem späteren Stressverhaltens des Hybridteils ab.

Hohe Dichtigkeit des Verbunds trotz Bauteilstress

Soll auf Haftvermittler verzichtet werden, muss der Kunststoff für eine hohe Dichtigkeit der Verbindung sorgen. Die Untersuchungen zeigten Kunststoffe, die trotz Bauteilstress einen sehr guten Verbund mit dem metallischen Einleger erzeugen. So wurde beim Umspritzen mit einem Hochleistungskunststoff keine Undichtigkeit festgestellt. Dagegen führten die Klimawechseltests bei konventionellen technischen Kunststoffen zu Grobleckagen in der Grenzfläche. In diesem Zusammenhang wurde ferner anhand eines PPS-Werkstoffs festgestellt: Eine Einfärbung des Kunststoffs, die das Schwindungsverhalten und andere Eigenschaften beeinflusst, hat Auswirkung auf die Dichtigkeit des Verbunds.

Im Rahmen des Verbundprojekts wurde in Kooperation mit dem Kunststofferzeuger BASF ein Polyamid entwickelt, das besondere Dichteigenschaften hat. Dieser technische Thermoplast kann somit hervorragend als dichtender Vorspritzling verarbeiten werden. Dieser Kunststoff stand zunächst für die Projektteilnehmer exklusiv zur Verfügung und wird nun von BASF unter dem Handelsnamen Ultramid Seal-Fit auf dem Markt vertrieben.

In einem weiteren Versuchsaufbau wurde die Möglichkeit eines nachträglichen Abdichtens undichter Hybridteile eruiert. Zur Anwendung kamen dabei duroplastische Vergussmassen auf Basis von Polyurethan, Epoxid, Silikon und Methacrylat. Die Dichtigkeit der nachbehandelten Verbindungen wurde analog zu den bisherigen Untersuchungen nach jedem der drei Klimawechseltests erfasst und bewertet. Dabei zeigte sich, dass der Verguss zu einer höheren Dichtigkeit des Verbundes führen kann.

Wenige Vergusssysteme hielten drittem Klimawechseltest stand

Außerdem offenbarten die Ergebnisse, dass nur wenige Vergusssysteme dem dritten Klimawechseltest standhielten. Die meisten Vergussmassen lösten sich dagegen vom metallischen Einlegeteil. Es kam zu Undichtigkeiten. Prinzipiell muss beachtet werden, dass einige Vergussmassen bei niedrigen Temperaturen verspröden. Diese duroplastischen Werkstoffe sind somit nicht in der Lage, auftretende Spannungen ausgleichen zu können.

Aufgrund der Ergebnisse, des zunehmenden Marktinteresses sowie neuer Entwicklungen im Bereich der Vergusstechnik hat das Kunststoff-Institut Lüdenscheid sich entschlossen, ein Verbundprojekt mit dem Namen Hotmeltverarbeitung anzubieten. Dieses Forschungsprojekt wird sich speziell mit der Verarbeitung und den Eigenschaften von thermoplastischen Vergusssystemen im Zusammenhang mit der Kapselung elektronischer Baugruppen und der Prozessführung beschäftigen.

Prozessführung beim Umspritzen hat großen Einfluss auf das Ergebnis

Weil aus der Erfahrung heraus sich die Prozessregelung beim Umspritzen von Metallteilen erheblich auf die Eigenschaften von Hybridteilen auswirkt, wurde der Einfluss der Verfahrensparameter auf die Dichtigkeit des Kunststoff-Metall-Verbunds ermittelt. Dazu bediente man sich der statistischen Versuchsplanung. Sie ermöglicht eine strukturierte Planung und Auswertung der Versuche und führt in der Regel zu einer Verringerung des Versuchsumfangs.

Auf Basis der statistischen Versuchsplanung wurden zusätzlich zu den Haupteffekten einzelner Prozessparameter auch Wechselwirkungen zwischen mehreren Parametern detektiert. So wurde bei Variation der Verfahrensparameter die Dichtigkeit der Umspritzung mit PA 66 ermittelt. Die Luftleckage der Differenzdruckprüfung bei 0,5 bar Prüfdruck reichte von 1,3 cm3/min bis zu nicht mehr messbaren Leckagen. Das verdeutlicht den enormen Einfluss der Prozessführung auf die Dichtigkeit des Verbunds.

Aufgrund der Vielzahl an Untersuchungen und ermittelten Ergebnissen innerhalb des Projekts wurde eine Dichtigkeitsdatenbank erstellt, die in Abhängigkeit von der Bauteilgeometrie alle ermittelten Leckraten über den Verlauf der Klimawechseltests dokumentiert. Diese Auflistung der Ergebnisse ermöglicht, bei eigenen Entwicklungen zielgerichtet nach den getesteten Werkstoffkombinationen zu suchen und davon die besten „herauszugreifen“. Die Datenbank beinhaltet die Ergebnisse zweier Projekte, die man am Kunststoff-Institut Lüdenscheid in einem Zeitraum von vier Jahren durchgeführt hat.

Kunststoffe mit Affinität zu Metallen sollen für absolute Dichtigkeit sorgen

Als Ergänzung ist seit Mai dieses Jahres ein Projekt am Laufen mit dem Ziel, Hybridteile mit hochdichten Verbindungen zwischen Kunststoff und Metall ohne Haftvermittler herzustellen. Im Blickpunkt stehen dabei Kunststoffe, die eine Affinität zu metallischen Werkstoffen haben. Außerdem wird untersucht, wie sich Additivwerkstoffe auf die Eigenschaften des Metall-Kunststoff-Verbunds auswirken. Die Beeinflussung der Dichtigkeit durch die Verfahrensparameter wird in diesem Projekt detailliert ermittelt und analysiert. Darüber hinaus werden Sonderverfahren, zum Beispiel die Verarbeitung von Hotmeltformmassen sowie das chemische Schäumen, näher betrachtet.

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt liegt auf der Kapselung elektronischer Komponenten durch thermoplastische Spritzgussformmassen. Dazu soll den Teilnehmern des Projekts ein Überblick über den Stand der Technik sowie über Neuigkeiten am Markt gegeben werden. Besonders die Auswahl eines geeigneten Werkstoffs, der eine schonende Ummantelung empfindlicher elektronischer Bausteine ermöglicht, findet dabei besondere Beachtung. Das Anschlussprojekt hat eine Laufzeit von zwei Jahren, wobei der Einstieg von Unternehmen jederzeit möglich ist.

Dipl.-Ing. Marius Fedler leitet den Bereich Verfahrensentwicklung am Kunststoff-Institut Lüdenscheid. B. Eng. Timo Schulz ist Mitarbeiter am Institut.

Marius Fedler und Timo Schulz | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/produktion/kunststoffundgummiverarbeitung/articles/230963/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Maschinenbau:

nachricht Gewicht von Robomotion-Greifer um 60 Prozent reduziert
31.07.2017 | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

nachricht Assistenzsysteme für die Blechumformung
28.07.2017 | Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Maschinenbau >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

European Conference on Eye Movements: Internationale Tagung an der Bergischen Universität Wuppertal

18.08.2017 | Veranstaltungen

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Eine Karte der Zellkraftwerke

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Chronische Infektionen aushebeln: Ein neuer Wirkstoff auf dem Weg in die Entwicklung

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Computer mit Köpfchen

18.08.2017 | Informationstechnologie