Der Einsatz der Thermoplast-Schaumspritzgießtechnologie führt zu einer Vielzahl neuer Möglichkeiten, die bisher bei üblichen Spritzgießtechniken nicht genutzt werden konnten. Das Schaumspritzgießverfahren erschließt neue Märkte für innovative Produktformgebung. Optimale Herstellungsmöglichkeiten und niedrigere Stückkosten erlauben den Einsatz in den verschiedensten Industrie- und Technikzweigen.
Das Thermoplast-Schaumspritzgießen ist eines der bedeutendsten Sonderverfahren der Spritzgießtechnologie. Die historische Entwicklung des Schaumspritzgießens ist deshalb direkt mit dem technologischen Fortschritt des Spritzgießens verknüpft. Bei chronologischer Betrachtung fällt dem Buch „Der Spritzguss thermoplastischer Massen“ von Laeis [1] eine zentrale Bedeutung zu, da hier die frühe Entwicklung der Spritzgießtechnik bis 1945 detailliert beschrieben wird. Besonders eindrucksvoll sind darin die umfassende Darstellung aller Maschinenhersteller und die in der zweiten Auflage des Buches [2] enthaltene Patentsammlung. Die technologische Entwicklung war damals noch eng mit der Entdeckung und Kommerzialisierung neuer Kunststoffsorten verknüpft.
In diesem Kapitel werden die physikalischen Grundlagen, insbesondere die Stofftransportvorgänge in Polymeren, vorgestellt. Dies ist Voraussetzung für das Verständnis von Schäumprozessen, wie dem TSG-Verfahren.
Kunststoffe können mit chemischen oder physikalischen Treibmitteln geschäumt werden. In einigen Fällen ist auch eine Kombination sinnvoll. Chemische Treibmittel sind Substanzen, die sich unter Wärmeeinwirkung zersetzen und dabei Treibgase wie Kohlendioxid oder Stickstoff abspalten. Unter bestimmten Bedingungen kann die thermische Zersetzung auch durch eine chemische Zersetzung überlagert werden, wenn z. B. saure und basische Treibmittelwirkstoffe kombiniert werden.
Die Eigenschaften des im TSG-Verfahren gefertigten Kunststofferzeugnisses werden in entscheidendem Maße vom verwendeten Matrixmaterial, also von der Kunststoffsorte selbst geprägt. In Abschnitt 5.1 wird zunächst nur auf Polypropylen als Matrixmaterial eingegangen. Anhand signifikant unterschiedlicher Polypropylentypen wird gezeigt, welche für das TSGVerfahren geeignet sind und welche Eigenschaften des Matrixmaterials dafür entscheidend sind. In Abschnitt 5.2 wird ein Überblick zu verschiedenen technischen Thermoplasten als Matrixmaterialien gegeben.
Das TSG-Verfahren kann man grundsätzlich nach Art der Treibmitteldosierung unterteilen. Bild 6.1 stellt die verfahrensbedingten Vor- und Nachteile dar.
Die Vorteile lassen sich unabhängig vom TSG-Verfahren in Bauteil- und Verfahrensvorteile einteilen. Die Bauteilvorteile beruhen im Wesentlichen auf der Wirkung des nachdruckfreien Spritzgießens. Dies bedeutet, dass die Materialschwindung während des Abkühlens nicht durch das Nachdrücken von Schmelze erfolgt, sondern durch das Aufschäumen kompensiert wird.
Die Verfahren zur Herstellung eines TSG-Bauteils sind in ihrem Aufbau zum Teil sehr unterschiedlich, wie im vorangegangenen Kapitel 6 gezeigt wurde. Die technischen Unterschiede führen folglich bei der Prozessführung und dem Formteil selbst zu verschiedenen Vor- und Nachteilen.
Spritzgegossene Kunststoffschäume zeigen beim direkten Vergleich mit dem kompakten, ansonsten jedoch gleichen Werkstoff deutlich veränderte mechanische Eigenschaften. Durch das Schaumspritzgießen nehmen der E‑Modul und die Zugfestigkeit ab, Bild 8.1. Der Effekt ist umso größer, je mehr Gewichtseinsparung beim Schäumen erzielt wurde.
Schäumwerkzeuge werden bei der Konstruktion bisher in vielen Fällen nach den Kriterien des Standardspritzgießens ausgelegt. Diese Auslegungskriterien sind allerdings in den seltensten Fällen auf das Schaumspritzgießen übertragbar, wodurch oft nur mäßige Bauteilqualitäten hinsichtlich der Schaumstrukturen und der Oberflächenqualitäten erzielt werden. Soll jedoch das gesamte Potenzial des Schaumspritzgießens ausgeschöpft werden, sind neben der Materialauswahl und der Prozessführung (vgl. Bild 9.1) spezielle Richtlinien bei der Werkzeugauslegung einzuhalten und verschiedene Randbedingungen bei dem Einsatz von verschiedenen Verfahrens-/Werkzeugtechniken zu beachten.
Das Einmischen des Treibfluids in die Polymerschmelze ist einer der wesentlichen Schritte beim TSG-Verfahren. Um eine hohe Anzahl an Nukleierungskeimen zu generieren, ist die Lösung des Treibfluids auf molekularer Ebene notwendig. Die MuCell®-Technologie verwendet zur Gewährleistung des homogenen Einmischens ein spezielles Schneckendesign mit einem hierfür optimierten Mischteil.
Das TSG-Verfahren bietet ein großes Spektrum an bauteilspezifischen aber auch verfahrenstechnischen Vorteilen. Da sich für eine konkrete Anwendung aber nie gleichzeitig alle Vorteile in gleichem Maße nutzen lassen, muss für den zu fertigenden Artikel eine passende Auswahl getroffen werden.
