Im Mehrkomponentenspritzguss verfügt RKT seit vielen Jahren über besonderes Know-how. Mit Teilen, die im Zwei- oder Drei-Komponenten-Spritzguss gefertigt werden, sparen sich Kunden zusätzliche Montageschritte. Statt Bauteile aufwendig zu montieren, werden in einer Spritzgussmaschine zwei oder drei Kunststoffe zeitgleich oder nacheinander an verschiedenen Stationen im Werkzeug zu einem Bauteil gespritzt. Dieser Prozess erfordert viel Know-how, um verschiedene Kunststoffe – ohne Montage – nur durch den Spritzgussvorgang zu einem Bauteil zu verbinden. Neben wirtschaftlichen Erwägungen spielen auch qualitative Aspekte eine Rolle, wenn durch den 3K-Spritzguss die Produktqualität gegenüber einzelnen Montageschritten verbessert werden kann.
Kernkompetenz Mehrkomponentenspritzguss
Sie haben ein Produkt, das Sie im Zwei- oder sogar Drei-Komponenten-Spritzguss fertigen lassen möchten? Wir beraten Sie bei der Umsetzung, bauen ein passgenaues Mehrkomponentenwerkzeug und übernehmen die Serienfertigung für Sie.
So funktioniert der Mehrkomponentenspritzguss
Während bei einem 1k-Spritzgusswerkzeug ein einziger Spritzvorgang zu einem der Geometrie der Werkzeugeinsätze entsprechenden Bauteil führt, werden beim Mehrkomponentenspritzguss zwei oder drei Spritzvorgänge zeitgleich oder nacheinander in derselben Maschine durchgeführt, die so ein Bauteil erstellen. Hierbei sind verschiedene Techniken möglich, z. B. der Einsatz eines Drehtellerwerkzeugs. Bei einem Drehteller-Spritzgusswerkzeug wird in der ersten Station der erste Kunststoff (z. B. ein harter Kunststoff) in eine Kavität eingespritzt. Während des Abkühlens verbleibt das Teil im Werkzeug (z. B. in der Auswerferseite / auch in der Düsenseite möglich). Der Drehteller dreht die Auswerferseite des Werkzeugs (typischerweise um 180°), sodass das bereits gespritzte Teil in eine zweite Werkzeugstation gelangt. Hier wird nun der zweite Kunststoff (z. B. weiches TPE oder eine zweite Farbe) auf das bereits vorhandene Teil (Vorspritzling) aufgespritzt. Dabei verbindet sich Komponente 2 mit Komponente 1 (mechanisch oder chemisch).
Daneben nutzen wir 2K-Werkzeuge mit einer Indexplatten-Drehtechnik. In Station 1 wird die erste Kunststoffkomponente (z. B. ein harter Kunststoff) in eine Kavität auf der Indexplatte gespritzt und die Indexplatte in der Regel schwenkend zur nächsten Station bewegt. Dabei verbleibt das gespritzte Teil auf der Indexplatte (meist auf einem Kern oder Stempel). In Station 2 wird nun die zweite Kunststoffkomponente (z. B. ein weicher Kunststoff) auf das bereits vorhandene Teil gespritzt.
Darüber hinaus gibt es 2K-Werkzeuge mit Kernrückzug. Dabei wird durch Zurückziehen eines Stahlteils Platz geschaffen und Kunststoff in diesen Freiraum hineingespritzt. Diese Variante wird eher selten verwendet, da die Zykluszeit etwas länger ist – dafür ist die Werkzeuggröße meist vorteilhaft. Ebenfalls möglich ist ein 2K-Verfahren, bei dem der Vorspritzling durch Roboter vor dem Einspritzen des zweiten Kunststoffs in die zweite Kavität umgesetzt wird.
Herausforderungen beim Mehrkomponentenspritzguss
Die größte Herausforderung beim Zwei- oder Drei-Komponenten-Spritzguss liegt darin, die beiden oder die drei Kunststoffe optimal miteinander zu verbinden. Dabei gilt es, die Eigenschaften der womöglich unterschiedlichen Werkstoffe zu beachten und aufeinander abzustimmen, die Schwindung der ersten Komponente einzubeziehen und letztere abzudichten sowie Temperatur und Einspritzdruck bei der zweiten (und dritten) Komponente so zu wählen, dass der Vorspritzling nicht beschädigt bzw. geometrisch deformiert wird.
Abdichtung
Wenn die erste Komponente gespritzt ist, wird der Vorspritzling in die zweite Werkzeugposition gebracht, um im neuen Freiraum innerhalb der freien Geometrie den zweiten Kunststoff aufzunehmen. Dabei muss der erste Kunststoff in der zweiten Kavität sicher abgedichtet werden, ohne dabei beschädigt zu werden. Abschabungen können hier auftreten, wenn die Form nach dem Drehen wieder schließt. Auch das Aufbringen der Dichtkanten auf den ersten Kunststoff kann zu Beeinträchtigungen oder Abdrücken führen, da ein gewisser Druck zum Abdichten aufgebracht werden muss – nicht zu viel und auch nicht zu wenig. Das Werkzeug muss höchst präzise ausgelegt sein, um den ersten Kunststoff auf einen hundertstel Millimeter genau mit der richtigen Vorspannung für die Dichtung abzudrücken.
Schwindung
Für den zweiten kritischen Faktor, die Schwindung des Kunststoffs, braucht es sehr viel Erfahrung im 2K-Spritzguss. Wenn der zweite Kunststoff eingespritzt wird, ist der Schwindungsprozess bei der ersten Komponente in der Regel noch nicht abgeschlossen, wodurch er weiter schwinden wird. Gleichzeitig muss im Werkzeug der Vorspritzling gegenüber dem Hohlraum des Fertigteils abgedichtet werden. Darüber hinaus unterliegt auch der zweite Kunststoff einem anschließenden Schwindungsprozess, der wiederum Einfluss auf den Vorspritzling haben kann und zu unerwünschten Verformungen des gesamten Bauteils führen kann. Um dies zu verhindern, nutzen wir bei der Auslegung eines 3K-Werkzeugs in der Konstruktion Simulationen zur Unterstützung sowie die langjährige Erfahrung unserer Mehrkomponenten-Experten. Diese lehrt z. B. bei flachen Bauteilen, dass es oft vorteilhaft ist, die Werkzeugkavität für die erste Komponente bewusst leicht gewölbt auszulegen, da sich dann das gesamte Bauteil durch die Schwindung der zweiten Komponente so verformt, dass abschließend ein gerades, ebenes Bauteil entsteht. Um im Mehrkomponentenspritzguss exakt die vorgegebenen Maße des Kunden zu treffen, wird die Werkzeuggeometrie anfangs so ausgelegt, dass mehr Stahl im Werkzeugeinsatz belassen wird, um nach ersten Versuchen die Werkzeugkavität noch korrigieren zu können und auf die finalen Maße anzupassen.
Komplexität 3K-Spritzguss
Beim 3K-Spritzguss werden die Werkzeugauslegung und der Spritzgussprozess noch komplexer, da eine weitere Komponente abgedichtet und drei Schwindungsprozesse parallel einkalkuliert werden müssen. Meist handelt es sich um unterschiedliche Ausgangsstoffe, häufig um Hart-/Weich-Verbindungen, die ein unterschiedliches Handling benötigen. Der härtere Kunststoff erfordert in der Regel eine deutlich höhere Werkzeugtemperatur als der weiche Kunststoff. Daher kommt es auf eine geschickte Werkzeugauslegung an, damit sich die zwei oder drei unterschiedlichen Bereiche im Werkzeug mit ihrem abweichenden Temperaturmanagement nicht gegenseitig negativ beeinflussen.
Verbindung der Kunststoffe
Bei verschiedenen Kunststoffen geht es auch immer um eine gute Verbindung zwischen den Werkstoffen. Ideal ist, wenn die Kunststoffe eine chemische Verbindung miteinander eingehen. Das ist z. B. bei gleichartigen Kunststoffen häufig der Fall. Der erste Kunststoff wird dabei leicht angeschmolzen, um eine Verbindung mit der zweiten Komponente einzugehen, allerdings ohne dabei seine Geometrie zu verlieren. Bei Hart-/Weich-Verbindungen ist die chemische Verbindung, das Anschmelzen, aufgrund der unterschiedlichen Temperatureigenschaften oft schwierig. Hier werden häufig haftungsmodifizierte Kunststoffe eingesetzt, d. h. einem der beiden Kunststoffe werden haftungsmodifizierte Zusätze beigemischt, damit eine chemische Verbindung entsteht. Alternativ ist eine geometrische Lösung möglich, indem z. B. das erste Teil mit Hinterschnitten versehen wird, sodass sich beide Komponenten beim Einspritzen der zweiten Komponente miteinander mechanisch verhaken.
Co-Injection- oder Sandwich-Verfahren
Ein besonderes Verfahren, vornehmlich um 2K-Teile mit Hart- und Weich-Kunststoffen nacheinander in einem einzigen Spritzvorgang zu fertigen, ist das Co-Injection- oder Sandwich-Verfahren, das ebenfalls zum Mehrkomponentenspritzguss zählt. Wir nutzen es bei der Fertigung von Mascarabürstchen, die aus weichen Borsten und einem härteren, langen und andersfarbigen Griff bestehen. Dabei wird die erste Komponente spritzgegossen und direkt beim Einspritzverfahren wird der Kunststoff für die zweite Komponente in die gleiche Kavität nachgespritzt. Hier nutzen wir eine spezielle Einspritztechnik.
Chancen und Grenzen von 4K-Spritzguss
Teils erreichen uns Anfragen zu 4K-Spritzguss-Projekten. Ein solches Werkzeug ist zwar noch komplexer mit noch mehr zu überwachenden Parametern, im Regelfall jedoch technisch realisierbar. Der Mehrkomponentenspritzguss soll spätere Montageschritte einsparen, zu einer Verbesserung der Qualität des Bauteils führen und so hochwertiger, effizienter und wirtschaftlicher sein. Je komplexer und aufwendiger die Werkzeugauslegung und der Spritzguss selbst sind, desto wichtiger ist die Betrachtung der Wirtschaftlichkeit des 4K-Spritzgusses im Vorfeld.
Die Inbetriebnahme von Mehrkomponentenspritzgusswerkzeugen
Wenn Mehrkomponenten-Werkzeuge in Betrieb genommen werden, müssen häufig spezielle Anfahrvorschriften beachtet werden, um den Prozess für alle Komponenten zu starten. Dabei muss geprüft werden, ob die Teileentnahme über Robotik sicher funktioniert, ob der Anguss z. B. bei Weichkomponenten leicht zu entfernen ist und ob alle Einstellungen prozesssicher laufen. Wichtig für den Betrieb ist auch, dass die Spritzgussmaschine und das Equipment sowie die Spritzgusswerkzeuge stets in einem gewarteten, kalibrierten und validierten Zustand sind, um die gewünschte Qualität zu gewährleisten. Wenn z. B. ein Durchfluss bei der Werkzeugkühlung abweicht, wird die Schwindung des Bauteils eventuell nicht wie erwartet ausfallen, was wiederum Probleme beim Abdichten für die nachfolgende Komponente oder eine Deformation aufgrund eines anderen Schwindungsverhaltens des Teils nach sich ziehen kann.
RKT setzt in Abstimmung mit dem Kunden zudem auf ein durchdachtes Wartungs-, Instandhaltungs- und Ersatzteilmanagement. Dort, wo Verschleiß zu erwarten ist, oder z. B. ein Risiko von Schäden aufgrund einer filigranen Geometrie besteht, werden Komponenten für die 2K- und 3K-Werkzeuge wie auch bei allen anderen Spritzgusswerkzeugen auf Lager gelegt, um schnell reagieren zu können und Stillstandszeiten gering zu halten.
