Injection Moulding and Crosslinking

INJECTION MOULDING
Injection Moulding and Crosslinking
Economical Processing of Polyester BMC and Thermosets
Dietrich Hunold and
Hans Wobbe, Munich/Germany
Thermoset plastic moulding compounds are still associated with outdated
processing techniques. Huge innovations in thermoplastic materials, particularly their heat resistance, have even led to predictions of the early
demise of thermosets for large-scale plastic applications. However, thermoset processing has caught up. It is now a highly economical, state-of-the-art
technology.
Because of their excellent thermal and
physical properties and good chemical resistance, thermosets are particularly suitable as substitutes for metals in parts for
severe demands, and offer a very good
cost efficiency. Compared with thermoplastic materials, thermosets have clear
cost advantages, particularly in high-temperature applications. Typical applications can be found in all industries. In
household technology, applications include kitchen appliances, parts for white
goods or, e.g., a heat-shield for an electric
iron: Collectors and a wide variety of circuit breaker housings in electrical technology, and a headlamp reflectors, brake
servo units, brake pistons, pump housings, valve caps, ashtrays and pulleys,
etc. in automotive technology (title photo,
Figs. 1 and 2).
In compression moulding, only a few
parameters, such as the material state,
mould temperature, closing rate and curing time, can be set precisely. In injection
moulding, all parameters relevant to the
process and quality can be adjusted and
documented. These include the plastication and injection conditions, so that the
reproducibility and process reliability can
be controlled better than with compression moulding. In addition, a shorter cycle time can be used than in compression
moulding. The material is preheated during the plastication stage and continues
to be heated during injection as a result
of friction, so that it can be introduced
into the mould at a temperature close to
its reaction point.
In the processing of polyester and thermoset BMC, crosslinking takes place in
the mould. Gaseous reaction products
may be generated, which must escape. If
this is not possible because of the mould
technology, special venting programs are
activated. The mould is briefly opened by
a few millimetres, and then closed again.
In other cases, especially the processing
of polyester BMC, it is advantageous to
evacuate the cavities before the material
is injected. A vacuum connection and a
corresponding option in the machine control are necessary in such cases. These
functions, together with the special plastication features, distinguish injection
moulding machines for thermosets from
those for thermoplastics. Injection moulding is generally a very reliable process
for processing thermosets and offers a
high degree of reproducibility (Fig. 3).
Where mouldings must be produced to
particularly tight dimensional or mechanical specifications, injection-compression
moulding can also be used. In this process, the advantages of injection moulding and compression moulding are combined. The mould is closed leaving a gap
of a few millimetres. Then the material is
injected. Only then is the mould completely closed, so that the actual shaping
Competition Between
Processing Techniques
Apart from traditional compression
moulding, injection and injection-compression moulding are among the most
important processing techniques. The advantages of compression moulding are
the unrivalled gentle processing of longfibre-reinforced materials, which benefits
the strength and impact resistance of the
parts produced. Also, moulds can often
be provided with more cavities than with
injection moulding, since the moulding
compound can be introduced directly into
the individual cavities and a sprue system is unnecessary. Large surface-area
parts can often only be produced by compression moulding.
Despite these advantages, injection
moulding has continued to establish itself, and dominate new investments.
There are various reasons for this trend:
Translated from Kunststoffe 90 (2000) 3,
pp. 38±42
Vol. 90 (2000) 3  Carl Hanser Verlag, MuÈnchen
KU Kunststoffe plast europe
takes place in a compression stroke. Typical applications include valve caps or
poly V-pulleys.
Material Feed Technology
Free-flowing thermoset moulding compounds based on phenolic, melamine or
urea resins can be metered from a hopper
just like thermoplastic pellets, doughy
polyester and vinyl ester compounds require force feeding. There are basically
two ways of feeding these materials to
the plastication unit. The traditional stuffer screw technique or continuous screw
stuffers (e. g., AZ-Polyload from KraussMaffei) (Fig. 4). A modern piston stuffer
is shown in Fig. 5. The bale material is
charged to the supply hopper. As soon as
the stuffing piston has reached its lowest
position in the stuffer cylinder, it automatically traverses to its topmost end position and the material charging process is
initiated (Fig. 6). To accomplish this, the
unit, comprising feed hopper and stuffer
piston, executes a translatory movement,
and the bale of material drops from the
feed hopper into the stuffer cylinder.
Then the unit returns so that the stuffer
piston can be inserted into the stuffer cylinder. The pressurized piston compresses the material to the required stuffing pressure, which is measured and controlled at the feed port. Depending on the
material, a stuffing pressure of more than
40 bar may be necessary. This reliable
and economical process operates with
very low wear and low stress on fibres.
Thanks to the closed stuffing cylinder,
styrene emissions are very low. The machines are easy to operate, but unlike
stuffer screws do not operate continuously. The material charging requires a time
of about 20 s. If this time is not available
after the end of plastication, the cycle is
extended as necessary. Stuffers thus
reach their limits at large shot weights or
short cycle times, i. e., at high material
throughputs.
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INJECTION MOULDING
Outlook
Fig. 7. Principle of operation of the
Polyload continuous stuffer screw
As an alternative to batchwise piston
stuffers, continuously operating screw
stuffers are also available. An example is
the AZ Polyload material feed unit
(Fig. 7). This has a capacity of 50 or 100 l,
and is designed with a maximum stuffing
pressure of up to 70 bar, so that it can
even handle extremely viscous compounds. Thanks to stuffer control, metering is extremely accurate. The high capacity reduces the refilling cycles. Recharging takes place without interrupting the
injection moulding production. After filling, the feed unit is closed to keep styrene emissions to the workplace to a
minimum, as has been confirmed by
medical tests. In the receptacle itself, two
counter-rotating movements take place,
ensuring good homogeneity of the material and self-cleaning of the machine unit.
The conveying screw, designed for low
material stressing, rotates slowly and meters continuously into the injection
moulding machine plastication unit; the
receptacle rotates in the same direction,
feeding material to the screw and preventing the formation of dead zones
where the material can stagnate.
Material feed with AZ Polyload technology offers a wide processing window in
which both extremely viscous and lowviscosity formulations can be processed.
However, investment costs are somewhat
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higher than for feeding with piston stuffers. Since the feed system is electrically
driven, not only is it free of leakages of
hydraulic fluid, the unit also does not
place a load on the injection moulding
machine's hydraulic system. This improves efficiency.
A Triangular Relationship:
Machine, Mould, Material
In the processing of thermosets, good interaction between the machine, mould
and material are particularly important,
and the available parameters must be
carefully matched to one another. With
polyester BMC, in particular, a fund of
know-how regarding material formulation
is available. The material can be tailored
to a special application. One of the factors
is flowability. In many cases, particularly
dry, hard compounds are desirable, since
these offer the lowest risk of burn marks
in the part. With very hard moulding
compounds, however, piston stuffers are
at the limits of their capability. The AZ
Polyload offers a particularly wide processing range. It allows raw materials
manufacturers to vary the composition of
the compound within wide limits. With
many standard applications, however,
plunger technology is adequate.
In future, thermoset moulding technology
will continue to improve. Non-destructive
cure monitoring, in which the flow and
cure behaviour of the moulding compound is tested during processing, was
presented last autumn [1]. Special ultrasonic test heads are integrated into the
moulds and newly developed software
registers the cure behaviour. If the reaction rate changes, this can be immediately ascertained with this test method. The
system allows optimization of the curing
times, minimization of reject rates and
documentation of the characteristic ultrasound curve for each part tested. In a research project at MaÈrkisch Polytechnic in
Iserlohn, multicomponent thermoplastic
and thermoset technology are being investigated. Two processes are used: Twocomponent and coinjection technology.
Innovative combinations of the benefits of
thermosets and thermoplastics are being
pursued. The examples show that thermosets have an important future, and the development of further attractive applications can be expected.
Fig. 1. Typical applications of polyester and thermosets from the field of electrical engineering
Fig. 2. Typical applications of polyester and thermosets from the field of automotive engineering
Fig. 3. Manufacturing cell with AZ 50 Polyload and
automatic part removal
Fig. 4. Stuffer screw, type AZ 100 Polyload on a
KM 300-1900 C offers a receptacle volume of
100 litres
Fig 5. Piston stuffer Poly 700 on a KM 200-700 C
with a hopper volume of 42 litres
Fig. 6. Principle of operation of the Poly piston
stuffer
1 Feed hopper, 2 Stuffing cylinder, 3 Hydraulic
cylinder, 4 Feed port
Vol. 90 (2000) 3
SPRITZGIESSEN
Spritzgieûen
und Vernetzen
Wirtschaftliche Verarbeitung von
Feuchtpolyester und Duroplasten
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Dietrich Hunold und
Hans Wobbe, MuÈnchen
Duroplastischen Kunststoff-Formmassen haftete das Image ruÈckstaÈndiger Verarbeitungsmethoden an. Sprunghafte Innovationen bei
thermoplastischen Materialien besonders im Bereich der TemperaturbestaÈndigkeit lieûen sogar ein baldiges Ende duroplastischer
Groûserien-Kunststoffanwendungen erwarten. Doch die Duroplasttechnik hat aufgeholt, sie ist heute dank sehr wirtschaftlicher Verarbeitungsverfahren wieder brandaktuell.
Aufgrund der sehr guten thermischen
und physikalischen Eigenschaften sowie
ihrer guten MedienbestaÈndigkeit eignen
sich duroplastische Materialien besonders zur Substitution von Metallen in
hochbeanspruchten Bauteilen und bieten hier ein sehr gutes Preis-LeistungsVerhaÈltnis. Auch gegenuÈber thermoplastischen Materialien bieten Duroplaste
vor allem bei Hochtemperaturanwendungen einen deutlichen Kostenvorteil.
Anwendungsbeispiele finden sich in allen Branchen. In der Haushaltstechnik
sind es zum Beispiel hitzebestaÈndige
KuÈchenwerkzeuge, Bauteile fuÈr weiûe
Ware oder ein BuÈgeleisen-Hitzeschild;
in der Elektrotechnik Kollektoren sowie
unterschiedlichste LS-SchaltergehaÈuse
und in der Automobiltechnik Scheinwer-
ferreflektoren,
BremskraftverstaÈrker,
Bremskolben, PumpengehaÈuse, Ventildeckel, Aschenbecher oder Riemenscheiben (Titelbild, Bild 1 und 2).
Verarbeitungsverfahren
im Wettbewerb
Neben der traditionellen Presstechnik
zaÈhlen heute das Spritzgieûen bzw.
das SpritzpraÈgen zu den wichtigsten
Verarbeitungsverfahren duroplastischer
Formmassen. Die Vorteile der Presstechnik liegen zunaÈchst in der unuÈbertroffen
schonenden Verarbeitung von langfaserverstaÈrkten Werkstoffen, was sich positiv auf die Festigkeit und SchlagzaÈhigkeit der hergestellten Bauteile auswirkt.
Weiterhin kann die KavitaÈtenzahl der
Werkzeuge in vielen FaÈllen groÈûer gewaÈhlt werden als beim Spritzgieûen, da
die Formmasse direkt in die einzelnen
KavitaÈten gebracht wird und ein Angusssystem entfallen kann. GroûflaÈchige
Bauteile koÈnnen vielfach nur im Pressverfahren hergestellt werden.
Trotz dieser Vorteile hat sich das
Spritzgieûverfahren
immer
weiter
durchgesetzt und dominiert bei Neuinvestitionen. FuÈr diese Entwicklung sind
verschiedene GruÈnde verantwortlich.
Bei der Presstechnik sind nur wenige
Parameter wie der Zustand des Materials, die Werkzeugtemperatur, die
Schlieûgeschwindigkeit und die HaÈrtezeit genau einstellbar. Dagegen lassen
sich beim Spritzgieûen alle prozess- und
qualitaÈtsrelevanten Parameter variieren
 Carl Hanser Verlag, MuÈnchen KU Kunststoffe
Jahrg. 90 (2000) 3
SPRITZGIESSEN
sowie dokumentieren. Dazu zaÈhlen insbesondere die Plastifizier- und Einspritzbedingungen, so dass sich die Reproduzierbarkeit und damit die Prozesssicherheit besser beherrschen laÈsst als beim
Pressen. Zudem kann in der Regel mit
einer kuÈrzeren Zykluszeit gearbeitet
werden als beim Pressen. Das Material
wird bereits in der Plastifizierung vorgewaÈrmt und heizt sich beim Einspritzen
durch die Reibung weiter auf, so dass
es mit einer Temperatur, die nahe der
Reaktionstemperatur liegen kann, ins
Werkzeug gelangt.
Bei der Verarbeitung von Feuchtpolyester- und Duroplast-Formmassen findet
die Vernetzung im Spritzgieûwerkzeug
statt. Dabei koÈnnen gasfoÈrmige Reaktionsprodukte entstehen, die entweichen
koÈnnen muÈssen. Gelingt dies nicht
durch werkzeugtechnische Maûnahmen,
so werden spezielle LuÈftprogramme ak-
Bild 2. Typische Anwendungsbeispiele fuÈr
Polyester und Duroplaste aus dem Bereichen
Automobilbau
tiviert. Das Werkzeug wird dabei nach
teilweiser FuÈllung der Form kurzzeitig
fuÈr wenige Millimeter geoÈffnet und anschlieûend wieder geschlossen. In anderen FaÈllen, insbesondere bei der Verarbeitung von Feuchtpolyester-Formmassen, ist es vorteilhaft, die KavitaÈten zu
evakuieren, bevor das Material eingespritzt wird. Erforderlich sind dann ein
Vakuumanschluss und eine entsprechende Option in der Maschinensteuerung. Diese Funktionen sind, neben
den Besonderheiten der Plastifizierung,
das Unterscheidungsmerkmal zwischen
Spritzgieûmaschinen fuÈr duroplastische
Formmassen und fuÈr Thermoplaste. Das
Spritzgieûen ist insgesamt ein sehr sicheres Verfahren zur Verarbeitung von
Jahrg. 90 (2000) 3
Bild 1. Typische Anwendungsbeispiele fuÈr Polyester und Duroplaste aus dem Bereichen Elektrotechnik
Duroplastwerkstoffen und bietet eine
hohe Reproduzierbarkeit (Bild 3).
In FaÈllen, in denen besonders dimensions- oder festigkeitskritische Spritzlinge herzustellen sind, kann auch das
SpritzpraÈgen eingesetzt werden. In diesem Verfahren werden die Vorteile des
Spritzgieûens und des Pressens kombiniert. Dazu wird das Werkzeug bis auf
einen PraÈgespalt von wenigen Millimetern geschlossen. Anschlieûend wird
das Material eingespritzt. Erst dann
wird das Werkzeug vollstaÈndig geschlossen, so dass die eigentliche Ausformung
in einer Pressbewegung erfolgt. Typische Anwendungsbeispiele sind Ventildeckel oder Poly-V-Riemenscheiben.
Material-Zufçhrtechniken
WaÈhrend die rieselfaÈhigen duroplastischen Formmassen auf der Basis von
Phenol-, Melamin- oder Harnstoffharzen
genau wie thermoplastische Granulate
uÈber einen Trichter dosiert werden koÈnnen, erfordern die teigfoÈrmigen, glasfaserverstaÈrkten Polyester- und Vinylestermassen eine ZwangsfoÈrderung. FuÈr
die ZufuÈhrung dieser Materialien zur
Plastifiziereinheit bieten sich grundsaÈtzlich zwei MoÈglichkeiten an. Die traditionelle Stopfertechnik oder der kontinuierlich arbeitende Schneckenstopfer
(Typ: AZ-Polyload, Hersteller: KraussMaffei, Bild 4). Ein aktuelles Beispiel fuÈr
einen Kolbenstopfer zeigt Bild 5. Das
ballenfoÈrmige Material wird in den Vorratstrichter eingelegt. Sobald der Stopfkolben im Stopfzylinder seine Minimalposition erreicht hat, faÈhrt er automatisch in seine obere Endlage und der
Materialnachladeprozess wird eingeleitet (Bild 6). Dazu fuÈhrt die Einheit aus
Vorratstrichter und Stopfkolben eine
Bild 3. Fertigungszelle
mit AZ 50 Polyload
und automatischer
Formteilentnahme
39
SPRITZGIESSEN
extrem zaÈhe als auch extrem weiche
Formulierungen verarbeitet werden koÈnnen. Allerdings liegen die Investitionskosten etwas hoÈher als bei der ZufuÈhrung uÈber Kolbenstopfer. Da das ZufuÈhrsystem elektrisch angetrieben wird, sind
nicht nur Leckagen einer Hydraulik ausgeschlossen, sondern das Aggregat belastet auch nicht das Hydrauliksystem
der Spritzgieûmaschine: Der Wirkungsgrad wird entsprechend verbessert.
Bild 4. Schneckenstopfer Typ AZ 100
Polyload auf einer
KM 300-1900 C bietet
ein BehaÈltervolumen
von 100 l
Dreiecksverhåltnis:
Maschine, Werkzeug, Material
translatorische Bewegung aus und der
Materialballen faÈllt aus dem Vorratstrichter in den Stopfzylinder. Anschlieûend faÈhrt die Einheit wieder zuruÈck, so
dass der Stopfkolben in den Stopfzylinder eintauchen kann. Der mit Druck beaufschlagte Kolben verdichtet das Material auf den erforderlichen Stopfdruck,
der am EinfuÈllstutzen gemessen und ge-
Bild 5. Kolbenstopfer Typ Poly 700 auf einer
KM 200-700 C mit einem VorratsbehaÈltervolumen von 42 l
regelt wird. Je nach Material kann ein
Stopfdruck von mehr als 40 bar erforderlich werden. Das zuverlaÈssige und kostenguÈnstige Verfahren arbeitet sehr verschleiûarm und faserschonend. Bedingt
durch den geschlossenen Stopfzylinder
sind die Styrolemissionen sehr gering.
Die Maschinen sind einfach zu bedienen, arbeiten jedoch im Vergleich zum
Schneckenstopfer nicht kontinuierlich.
40
Die Materialnachladung benoÈtigt eine
Zeit von ca. 20 s. Steht diese Zeit nach
dem Ende der Plastifizierung nicht zur
VerfuÈgung, so verlaÈngert sich der Zyklus
entsprechend. Stopfer stoûen damit bei
groûen Schussgewichten oder kurzen
Zykluszeiten, also bei hohen MaterialdurchsaÈtzen, an ihre Grenzen.
Alternativ zu diskontinuierlich arbeitenden Kolbenstopfern stehen auch kontinuierlich arbeitende Schneckenstopfer
zu VerfuÈgung. Ein Beispiel ist die MaterialzufuÈhreinheit AZ Polyload (Bild 7). Diese wird mit den Fassungsvolumen von
50 bzw. 100 l ausgefuÈhrt und ist mit einem maximalen Stopfdruck von bis zu
70 bar auch fuÈr extrem zaÈhe Massen ausgelegt. Dank einer Stopfdruckregelung
arbeitet die Dosierung aÈuûerst praÈzise.
Das groûe FassungsvermoÈgen reduziert
die NachfuÈllzyklen. Der Nachladevorgang erfolgt ohne Unterbrechung der
Spritzgieûproduktion. Nach dem BefuÈllvorgang wird die ZufuÈhreinheit verschlossen, so dass die Styrolbelastung
des Arbeitsumfelds minimal ist, wie arbeitsmedizinische Untersuchungen zeigen. Im BehaÈlter selbst finden zwei
gleichlaÈufige Rotationsbewegungen statt,
die eine gute HomogenitaÈt des Materials
und den Selbstreinigungseffekt des
Maschinenaggregats gewaÈhrleisten. Die
materialschonend geschnittene FoÈrderschnecke rotiert langsam und dosiert
stetig in die Plastifizierung der Spritzgieûmaschine, im gleichen Drehsinn
rotiert der BehaÈlter, dabei fuÈhrt er
der Schnecke Material zu und verhindert
die Bildung von Totzonen, in denen
das Material unkontrolliert verweilen
koÈnnte.
Die MaterialzufuÈhrung uÈber die AZ
Polyload-Technologie bietet ein groûes
Verarbeitungsfenster, mit dem sowohl
Bei der Verarbeitung der Duroplaste
kommt es besonders auf das gute Zusammenspiel von Maschine, Werkzeug
und Material an, das anhand saÈmtlicher
zur VerfuÈgung stehender Parameter gut
aufeinander abgestimmt werden muss.
Insbesondere bei Feuchtpolyesterformmassen liegt ein erhebliches Know-how
in der Materialformulierung. Das Material kann auf den speziellen Anwendungsfall hin abgestimmt werden. Einer
der Faktoren ist die FlieûfaÈhigkeit. In
vielen FaÈllen sind besonders trockene,
harte Massen wuÈnschenswert, da hier
die Gefahr von Brennern im Formteil
am kleinsten ist. Bei sehr harten Formmassen geraten Kolbenstopfer jedoch
vielfach an ihre Leistungsgrenze. Das
AZ-Polyload bietet ein besonders breites
Verarbeitungsspektrum. Damit kann der
Rohstoffhersteller die Materialzusammensetzung in weiten Grenzen variie-
Bild 6. Funktionsprinzip des Kolbenstopfers
Typ Poly
Jahrg. 90 (2000) 3
SPRITZGIESSEN
ren. Bei vielen Standardanwendungen
ist die Stopfertechnik jedoch ausreichend.
chenden Werkzeuge integriert und die
neuentwickelte Software erfasst das
HaÈrteverhalten. Øndert sich der Reakti-
Bild 7. Funktionsprinzip des
kontinuierlichen Schneckenstopfers Typ Polyload
Thermo- und Duroplaste. Dabei kommen
zwei Verfahren zur Anwendung: Das 2K-Verfahren und die Co-Injektionstechnik. Hier werden innovative Kombinationen der positiven Eigenschaften von Duroplasten und Thermoplasten verfolgt.
Die Beispiele zeigen, dass Duroplaste eine bedeutende Zukunft vor sich haben
und die Entwicklung weiterer interessanter Anwendungen zu erwarten ist.
Literatur
1 Stark, W.: FlieûhaÈrtungsverhalten von Duroplasten ± das neue BAM-Verfahren im kritischen Vergleich und erste Anwendungsbeispiele. In: Tagungsumdruck AVK-TV12,
Baden-Baden 1999
Ausblick
In Zukunft wird sich die DuroplastSpritzgieûtechnik weiter verbessern. Eine zerstoÈrungsfreie AushaÈrtekontrolle,
die waÈhrend der Verarbeitung das Flieûund HaÈrteverhalten der jeweiligen Formmasse pruÈft, wurde bereits im vergangenen Herbst vorgestellt [1]. Spezielle UltraschallpruÈfkoÈpfe sind in die entspre-
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onsverlauf, so laÈsst sich das anhand dieser PruÈfmethode sofort feststellen. Das
System ermoÈglicht eine Optimierung der
HaÈrtezeiten, eine Minimierung der Ausschusszahlen und es dokumentiert die
charakteristischen Ultraschallkurven fuÈr
jedes uÈberpruÈfte Formteil. Ein Forschungsprojekt an der MaÈrkischen Fachhochschule in Iserlohn beschaÈftigt sich
mit der Mehrkomponententechnik fuÈr
Die Autoren dieses Beitrags
Dr.-Ing. Dietrich Hunold, geb. 1961, ist Produktmanager fuÈr Spritzgieûmaschinen zur Verarbeitung von Duroplasten und BMC bei der
Krauss-Maffei Kunststofftechnik GmbH,
MuÈnchen.
Kontakt: [email protected]
Dr.-Ing. Hans Wobbe, geb. 1951, ist GeschaÈftsfuÈhrer der Krauss-Maffei Kunststofftechnik GmbH, MuÈnchen.