Elastomer Spritzgießen

Nachdem wir im letztem Blog auf das Duroplast Spritzgießen eingegangen sind, beschäftigen wir uns in diesem Blog mit den Elastomeren.

Ein Elastomer ist ein Kunststoff, der per Vulkanisation elastisch gemacht werden kann. Und es war die Suche nach Elastomeren, die die ganze Kunststoffentwicklung entscheidend geprägt hat. Denn der wissenschaftliche Run auf künstlich erzeugte Stoffe, also den Kunststoff überhaupt, begann, als man das Kautschuk-Monopol brechen wollte. Tausende Forscher wollten den ersten künstlich erzeugten Kautschuk erfinden und damit reich werden. Auf dem Weg dahin entdeckten sie aber zunächst viele andere Kunststoffe – wie das Acrylglas.

Kautschuk wird vulkanisiert

Kautschuk war der bis dahin einzige Stoff mit einer gewissen Elastizität. Schon die Azteken spielten mit Kautschukbällen, und in Europa und den USA war man nach seiner Entdeckung fasziniert von den Möglichkeiten dieses Materials. 1839 entdeckte ein gewisser Herr Goodyear eine industriell anwendbares Verfahren, wie man Kautschuk aus dem Rohzustand in die elastische Form bringen konnte. Das sogenannte Vulkanisieren ermöglichte erstmals die massenhafte Herstellung unter anderem von Reifen, wie man aus dem Namen des Erfinders unschwer ableiten kann.

Das Vulkanisieren ist bis heute ein entscheidendes Element auch beim Spritzgießen von Elastomeren, die in der Spritzgussmaschine aus Rieseln in elastische Formteile überführt werden müssen. Erst das genaue Verständnis dieses Vorgangs erlaubte später die Entwicklung des künstlichen Kautschuks. Zunächst verwendete Goodyear eine Art Kochmethode, wobei in diesem Verfahren dem flüssigen Kautschuk Schwefel zugesetzt wurde. Heute reicht es, wenn man ein entsprechend geeignetes Elastomer auf eine bestimmte Temperatur erhitzt. Ein Elastomer setzt sich wie der Kautschuk aus Makromolekülen zusammen, die als lange Ketten miteinander verbunden sind. Bei Erhitzung verbinden sich die Makromoleküle der neuen Elastomere durch Brücken untereinander, die beim Kautschuk des Herrn Goodyear eben noch durch Schwefelmoleküle gebildet wurden.

Durch diese Brücken vernetzen sich die Makromoleküle dreidimensional und erhalten damit elastische Fähigkeiten. Elastisch bedeutet in Maßen verformbar zu sein – bei anschließender Rückkehr in den Originalzustand. Dabei entscheidet die Zahl der Brücken, also die Dichte der Vernetzung, über das Ausmaß der Elastizität. Je mehr Brücken ausgebildet wurden, desto geringer wirkt die Elastizität.

Wie funktioniert Elastomer-Spritzgießen?

Der Spritzguss von Elastomeren erfolgt ähnlich wie für Thermoplaste, in dem der Rohstoff durch Erhitzung stark verflüssigt in das Werkzeug gepresst wird. Jedoch erfolgt die für die Elastizität der Kunststoffteile entscheidende Vernetzung der Moleküle durch Vulkanisation, die vor dem Abkühlen durch eine zweite Phase der Erhitzung im Werkzeug stattfindet. Dabei ist die Dichte der Vernetzung entscheidend für den Grad der Elastizität.

Besonderheiten beim Elastomer Spritzgießen

Dieses Phänomen gilt es genauestens zu beachten und zu methodisieren, wenn man ein Elastomer spritzgießen will. Anders als bei den Thermoplasten werden die Elastomere nicht einfach durch Erhitzung verflüssigt und erstarren beim Abkühlen im Werkzeug – der Hohlform, die dem Bauteil die Form gibt. Dieser Prozess verläuft vielmehr diskontinuierlich in Phasen. Man verbindet hierbei das Vulkanisieren mit der Formgebung. Mit einer Schneckenspritzgießmaschine wird das Elastomer als Riesel (oder Band) in die Maschine gezogen und in der vorgeheizten Schnecke auf ca. 80 Grad erhitzt und damit verflüssigt.

In der Schnecke wird das Elastomer geknetet und zu einer homogenen Masse mit gleichmäßiger Temperaturverteilung geformt, die damit eine höhere Qualität des Bauteils vorbereitet. Beim Spritzgießen der Elastomere mit einer Kolben-Spritzeinheit übernimmt diese Aufgabe ein speziell vorgewärmter Zylinder. Die am Ende sehr dünnflüssige Masse wird dann durch Kanäle in die Kavität des Werkzeugs gepresst, in dem die endgültige Vulkanisation und Verfestigung stattfindet.

Beim Pressen entsteht zusätzliche Reibungswärme, die das Vulkanisieren vorbereitet und damit den Prozess verkürzt. Sowohl die Düsen, die Eintrittsöffnungen wie auch das Werkzeug müssen schon beim Bau an die geringe Viskosität des Elastomers angepasst werden. Gleichzeitig ermöglicht die Dünnflüssigkeit ein extrem präzises Arbeiten. Während des Vulkanisierens entsteht eine gewisse Materialausdehnung und ein daraus folgender Druck, dem das geschlossene Werkzeug widersteht und damit zusätzlich die Bildung der exakten Form unterstützt.

Nach einer berechneten Standzeit ist die Phase beendet und das Bauteil kann aus dem wieder geöffneten Werkzeug ausgeworfen oder ausgeblasen werden. Die Länge dieser Standzeit nimmt den größten Teil des Prozesses in Anspruch. Daher werden zum Elastomer Spritzgießen häufig spezielle Spritzgießmaschinen verwendet, die mehrere Schließeinheiten und damit Werkzeuge bedienen können.

Hightech-Kautschuk für Autoreifen

Elastomere finden mit ihrer je nach Vernetzung der Moleküle unterschiedlichen Fähigkeiten in der Elastizität höchst unterschiedliche Verwendungszwecke. Dazu kommen Unterschiede in der Zusammensetzung der Elastomere. Die bekanntesten Erscheinungsformen der Elastomere im Alltag sind sicherlich auf der einen Seite die ganz profanen Gummibänder in der Küche. Auf der anderen Seite finden wir die Autoreifen, heute echte Hightech-Produkte mit einer Vielzahl an vorberechneten und speziell entwickelten Eigenschaften. So erfordert die verlangte Abriebfestigkeit und Temperaturbeständigkeit z.B. eines Hochgeschwindigkeitsreifens den Einsatz von Silikonen oder Arten des sogenannten Fluorkautschuk. Bei den Silikonkautschuken wird die für die Elastizität notwendige Vernetzung der Makromoleküle durch zusätzliche Verstärker wie organische Peroxide unterstützt.

Bei den hochtemperatur-vernetzenden Silikonen (HTV) entsteht daraus ein Kunststoff, der seine Elastizität und damit Form auch bei größeren Temperaturunterschieden beibehält. So ist dieser Kunststoff in der Anwendung für Temperaturen zwischen – 40° und 250° Grad geeignet, ohne seine wichtigste Eigenschaft zu verlieren. Andere Elastomere erstarren bei Kälte zu einer glasähnlichen Substanz. Den Moment im Temperaturbereich, in dem ein Elastomer seine Elastizität verliert, bezeichnet man dementsprechend auch als Glasübergangstemperatur.

Kunststoffspritzguss bei Stocker

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