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Überlegungen zum Teiledesign für 2K-Spritzguss und das Umspritzen von Einlegeteilen

EIN LEITFADEN ZUM FORMEN MIT ZWEI WERKSTOFFEN UND DEN VERBINDUNGSOPTIONEN BEI KUNSTSTOFFEN, ELASTOMEREN UND METALL-EINLEGERN

Das 2K-Spritzgießen, auch Overmoulding genannt, ist ein Spritzgussverfahren, bei dem einem vorhandenen Formteil zusätzliche Kunststoff schichten hinzugefügt werden, um eine Kombination von Eigenschaft en zu erzielen, die mit einem einzigen Werkstoff nicht möglich wäre. Eine der häufi gsten Anwendungen ist das Aufbringen einer weichen Schicht aus einem gummiähnlichen Material auf einen harten Träger, zum Beispiel aus einem TPE (thermoplastischen Elastomer), um Komfort und Griffi gkeit zu verbessern. Eine andere, „kosmetische“ Anwendung wäre das Umspritzen eines Teils mit einem Werkstoff in einer anderen Farbe oder mit anderem Oberfl ächenfi nish aus ästhetischen Gründen. Weichkomponenten sind auf vielerlei Gegenständen zu fi nden, vom medizinischen Instrument über Handwerkzeuge bis zu Zahnbürsten oder Dichtungen und Verschlüssen in technischen Baugruppen.

orange overmould part
Insert moulding is an easy way to integrate threaded metal inserts into components like this plastic drone propeller.

Beim Spritzgießen lässt sich durch 2K-Spritzguss eine hervorragende Haft ung zwischen verschiedenen Materialien erzielen, sodass das manuelle Zusammenfügen entfällt. Außerdem machen verschiedene Automatisierungsoptionen einen wirtschaft lichen Einsatz dieser Verfahren möglich. Auch durch die Reduzierung komplexer Montageschritte lassen sich Kosten sparen und die Produkteinführungszeit verkürzen. Aber der wichtigste Aspekt ist das viel breitere Spektrum der Materialeigenschaft en, das Produktentwicklern zur Verfügung steht.

Beim 2K-Spritzguss werden im Wesentlichen zwei Methoden unterschieden: Das Zwei-Schuss-Spritzgießen und die Umlegetechnik („Pick-and-Place“). Bei ersterem Verfahren wird nur eine Fertigungsform verwendet, beim letzteren zwei.

Die Werkstoff auswahl für den 2K-Spritzguss ist nicht ganz einfach. Trägermaterial und Overmoulding können sich eff ektiv ergänzen. Voraussetzung ist jedoch, dass die beiden Werkstoff e kompatibel sind. Welche Werkstoff e zu wählen sind, hängt nicht nur von der Funktion des 2K-Spritzgussteils ab, sondern auch von der Fertigungsmethode. Da der Zusammenhang zwischen Prozess und Endprodukt beim 2K-Spritzguss komplizierter ist als beim Einkomponenten-Spritzguss, ist es ratsam, sich bei der Werkstoff wahl von Fachleuten beraten zu lassen

Zwei-Schuss-Spritzguss und Umlegetechnik: Ein Vergleich

Betrachten wir zunächst den Zwei-Schuss-Spritzguss, bei dem ein Vorspritzling erzeugt und dann umgehend mit einem anderen Werkstoff , dem Overmoulding, umspritzt wird. Dies ist in der Regel ein hoch automatisierter Prozess. Die zweite Methode ist die Umlegetechnik, bei der die Vorspritzlinge zunächst im Los gefertigt und dann einzeln und von Hand in eine zweite Form eingelegt werden, in der durch Umspritzen mit dem Overmoulding die fertigen Teile entstehen.

Beim Zwei-Schuss-Spritzgießen gibt es im Wesentlichen drei Methoden:

  • Die Transfertechnik ist eine robotergestützte Methode, bei der Trägerteile mechanisch aus einer Form gehoben und in eine andere, größere Form eingelegt werden. Das Overmoulding-Material wird eingespritzt und füllt den leeren Raum in der größeren Form. Parallel dazu wird meist in der ersten Form der nächste Vorspritzling produziert.
  • Die Drehtechnik ist ebenfalls ein robotergestützter Prozess. Hierbei bewegt sich die Form von einer Einspritzstation zur nächsten, um das Einspritzen des Trägerwerkstoff s und des Overmouldings zu ermöglichen.
  • Die Kernrückzugtechnik kann nur bei ganz bestimmten linearen Geometrien angewendet werden. Die Form verfügt über einen Schiebekern, der nach dem Einspritzen des ersten Werkstoff s so zurückgezogen wird, dass Platz für die zweite Einspritzkomponente geschaff en wird.

Bei allen drei Zwei-Schuss-Methoden wird das Overmoulding-Material auf einen warmen Vorspritzling aufgebracht, was die chemische Bindung fördert. Alle drei Methoden erfordern Spezialmaschinen und teure Formen. Durch die hohe Automatisierung sind sie jedoch für die Fertigung in größeren Serien von mindestens 10.000 oder oft auch 100.000 Stück oder mehr durchaus wirtschaft lich.

Bei der Umlegetechnik werden zwei völlig separate Formen verwendet. Ein Los der Vorspritzlinge wird in einer Form gefertigt und kühlt dann ab. Danach werden die Teile von Hand in eine zweite, größere Form eingelegt, und der verbleibende freie Platz wird durch Einspritzen des Overmoulding-Materials gefüllt. Die für diesen Prozess verwendete Ausrüstung ist weniger komplex, und die Formen sind einfacher als bei den Zwei-Schuss-Methoden, sodass auch die Einrichtung einfacher und schneller geht

Vergleich der 2K-Spritzgussmethoden

Während das manuelle Einlegen der Vorspritzlinge in die zweite Form langsamer vonstattengeht als die robotergestützten Prozesse, kann die Fertigung kleiner bis mittlerer Teilevolumen in der Regel schneller und zu erheblich niedrigeren Kosten abgeschlossen werden. Die größte Herausforderung bei der Umlegetechnik ist die geringere chemische Bindung zwischen Overmoulding und abgekühltem Vorspritzling. Um eine möglichst feste Haft ung zu erzielen, müssen die Vorspritzlinge sehr vorsichtig gehandhabt werden, damit die Oberfl ächen nicht verunreinigt werden. Auch die Wahl des richtigen Werkstoff s ist wichtig, um mit der Umlegetechnik eine gute Verbindung zu erzielen.

Faktoren, die für das Zwei-Schuss-Verfahren sprechen Faktoren, die für die Umlegetechnik sprechen
Serienfertigung - in der Regel über 10.000 Teile Kleinere Fertigungsvolumina – in der Regel weniger als 10.000 Teile
Design und Werkstoff e für den ganzen Produktionslauf stehen fest Prototypen oder Werkstoff e müssen getestet werden, Design könnte sich ändern
Ausreichend Zeit und Geld für eine Investition in den Zwei-SchussProzess mit seinen kostspieligen Formen Produkte und Geräte müssen schnell auf den Markt gebracht werden, um die Nachfrage zu befriedigen, während die Formen für das Zwei-Schuss-Verfahren hergestellt werden
 Möglichst feste chemische Bindung zwischen den Schichten ist wichtig  Design, das chemische Bindung spezifi ziert und bei dem eine feste Verbindung durch die Auswahl der richtigen Werkstoff e erzielt werden kann

 

Die Rolle der Verbindung

Die Verbindung zwischen den Kunststoffschichten sorgt für ihren Zusammenhalt. Je nach Teilegeometrie können Verbindungen verschiedenen Kräften ausgesetzt sein, die bewirken können, dass sich die Schichten voneinander lösen. Dazu gehören:

  • Direkte Zugkraft, die die Trennung einer Stumpfverbindung bewirkt
  • Scherung durch Zug parallel zur Haftfläche, die eine Trennung an einer Überlappnaht bewirkt
  • Ablösung, die in der Regel an einer Kante beginnt und sich entlang der Kontaktfläche zwischen den Werkstoffen fortsetzt

Die Haftfestigkeit ist besonders dann wichtig, wenn einer der Werkstoffe ein Elastomer ist, das sich biegen und vom Träger weg gezogen werden kann. Dies gilt sowohl für thermoplastische Elastomere, die bei Wiedererwärmung weich werden, als auch für thermostatische Werkstoffe, die nicht erweichen.

Es gibt zwei grundsätzliche Verbindungsarten zwischen Schichten. Die erste ist die chemische Bindung an der Grenzfläche der beiden Kunststoffe, die andere ist die mechanische Verbindung, die von der Geometrie der Grenzfläche abhängt. Eine akzeptable Verbindung wird durch eine Kombination aus Teiledesign, Werkstoffauswahl, Formdesign und Formungsprozess erzielt.

Die chemische Bindung findet auf Molekülebene statt und wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst. Der erste besteht in der Benetzbarkeit des Trägers durch das eingespritzte Overmoulding-Material. Bessere Benetzung bedeutet mehr Kontakt zwischen den beiden Werkstoffen und daher eine größere Bindungsfläche. Ausschlaggebend für die Benetzung sind Werkstofftemperatur, Viskosität des Overmouldings sowie Struktur und Porosität der Trägeroberfläche. An der Grenzfläche kann die Bindung auf drei verschiedene Arten stattfinden:

  • Mechanische Verflechtung der Polymermoleküle
  • Co-Kristallisation
  • Chemische Reaktion zwischen den Polymerketten

Die Haftung kann auch auf einer Kombination dieser drei Faktoren beruhen, und durch eine strukturierte Oberfläche vergrößert sich die Haftfläche. Neben der Kompatibilität der Kunststoffe an sich kann das Vorhandensein von Zusätzen, Füllstoffen und bestimmten Oberflächenbehandlungen die chemische Interaktion zwischen Träger und Overmoulding beeinträchtigen.

Spritzguss- und Werkstoffanbieter können als wertvolle Informationsquelle dabei helfen, Kunststoffe zu finden, die sowohl den Vorstellungen des Designers von den Funktionseigenschaften des Fertigteils entsprechen und untereinander kompatibel sind, damit optimale Haftung gewährleistet ist. Auch das Verarbeitungsverfahren kann sich stark auf die Haft ung auswirken. Dies gilt insbesondere für die Umlegetechnik. Bei diesem Verfahren kühlt der Vorspritzling zunächst ab, bevor er überspritzt wird. Dabei ist er sowohl den Umgebungsbedingungen als auch Berührungen durch die Handhabung ausgesetzt. Es ist sehr wichtig, dass der Hersteller während der Lagerung und Handhabung darauf achtet, dass sich auf der Oberfl äche des Trägers keine Verunreinigungen ansammeln, damit optimaler Zusammenhalt gewährleistet ist. Dies ist ein Bereich, dem Proto Labs besonders große Beachtung schenkt.

Eine mechanische Verbindung kann anstelle von oder zusammen mit einer chemischen Verbindung eingesetzt werden. Wenn der Overmoulding-Kunststoff in Vertiefungen im Träger fl ießt, besonders bei schwalbenschwanzartigen Vertiefungen, die nach unten weiter werden, ergibt sich eine Verriegelung im Trägermaterial. Andere Möglichkeiten, die chemische Bindung zu verstärken, bestehen im Umwickeln des Trägers mit dem Overmoulding oder Vergrößern der Haft fl äche durch Rillen, Pfl öcke, Stäbe oder Noppen. Ein poröses Trägermaterial hat winzige Löcher, in die ein Elastomer eindringen kann, sodass eine mechanische Bindung entsteht. Um ein Ablösen zu verhindern, ist darauf zu achten, dass das Overmoulding nicht über exponierte Kanten verfügt. Ein erhöhter Rand aus dem Trägermaterial kann die Kanten des Overmoulding-Elastomers schützen.

Kompatibilität für chemische Verbindung
WERKSTOFF DES VORSPRITZLINGS
OVERMOULD MATERIAL ABS POLYLAC PA-717C BS/PC BAYBLEND T65 XF PC MAKROLON 2458 PBT CELANEX 2002-2 PP MOPLEN RP348R NYLON 66 ZYTEL 70G30HSLR
TPU Pearlthane 11T85 C C C C M M
TPV Santoprene 3170 101-87 M M M M C M
TPE Thermolast K TC6 MLZ 101-64 M M M M C M
LSR Elastosil 3003/30 A/B - - M M - M
TPC Hytrel 4068FG C C C C M M

M = mechanische Verbindung C = chemische Bindung

three types of mechanical bonding
Werkstoff e für den 2K-Spritzguss

Es gibt Tausende möglicher Kombinationen von Trägerund Overmoulding-Werkstoff en. Einige der gängigen Möglichkeiten sind in der der Tabelle weiter oben aufgeführt. Wenn Sie jedoch spezielle Eigenschaft en benötigen, können Werkstoffl ieferanten viele weitere Optionen vorschlagen.

Neben Kompatibilität und Haft ung gibt es noch weitere Faktoren, die bei der Wahl des Kunststoff s für den 2K-Spritzguss zu berücksichtigen sind. Soll eine Polsterung erzielt werden, ist die Dicke der Weichkomponente oft genau so wichtig wie ihre Weichheit. Dünne Schichten, in der Regel dünner als 10 mm, fühlen sich unabhängig vom Material hart an. Aus diesem Grund haben viele Verbraucherprodukte parallel angeordnete Rippen. Diese geben das Gefühl eines dicken, weichen Polsters, wobei gleichzeitig Overmoulding-Werkstoff gespart und die Elastizität erhöht wird. Die tatsächliche Elastizität eines Werkstoff s steht nicht in direktem Verhältnis zu seiner gemessenen Härte. Ein besseres Maß wäre der Biegemodul, der die Biegefestigkeit eines Werkstoff s misst. Ein Werkstoff mit niedrigerem Biegemodul fühlt sich weicher an. Neben der Vielfalt von Kunststoff en, die sich für den 2K-Spritzguss eignen, gibt es auch Elastomere wie zum Beispiel Versafl ex, die speziell für 2K-Spritzgussanwendungen formuliert werden können.

Wenn es darum geht, die Griffi gkeit zu verbessern, gibt der Reibungskoeffi zient eines Materials Auskunft über seine Rutschfestigkeit. So haben zum Beispiel thermoplastische Elastomere (TPE) in der Regel einen hohen Reibungskoeffi zienten. Wie bei der Polsterung ist die Härte kein zuverlässiges Maß für die Griffi gkeit eines Materials. Da viele Kunststoff e sowohl thermoplastische als auch thermostatische Komponenten enthalten, können sie ein breites Spektrum von Merkmalen aufweisen. Bei der Wahl des richtigen Kunststoff s für eine Anwendung empfi ehlt es sich daher, fachkundigen Rat einzuholen.

how insert moulding works

Wie beim 2K-Spritzguss wird auch beim Umspritzen von Einlegeteilen ein Teil mit einem anderen Werkstoff umspritzt. Es handelt sich dabei jedoch nicht um einen Kunststoff träger, sondern um ein Metallteil, und der eingespritzte Werkstoff ist meist ein Hartkunststoff . Elektrokomponenten aus Metall oder spezialgefertigte Metallteile werden oft auf diese Weise in Kunststoff eingebettet. Ebenso können Gewindeeinsätze in Kunststoff teile eingegossen werden, um stabile und haltbare Baugruppen, zum Beispiel für Gerätegehäuse, zu erhalten. Das Umspritzen von Einlegern ist eine Alternative zum Einsetzen von Metallteilen durch Wärmekontaktnieten oder Ultraschallschweißen - Beides Verfahren, bei denen ein Kunststoff formteil an einer Stelle geschmolzen wird, damit ein Metallteil eingesetzt werden kann. Das Umspritzen von Einlegern lässt sich besser steuern und liefert eine bessere Verkapselung als die anderen Methoden. Beim Umspritzen erübrigt sich auch ein sekundärer Einsetzprozess, wodurch Zeit und Geld gespart werden.

Die Metallteile müssen in eine Form eingelegt werden, in der sie von Kunststoff umschlossen werden. Dies kann bei der Großserienfertigung mit Robotern geschehen, für kleinere und mittelgroße Serien erfolgt das Einsetzen in die Form jedoch manuell. Es kommt nicht zu einer chemischen Bindung zwischen Metalleinleger und Kunststoff , der Einleger und die Kunststoff komponente müssen daher für eine mechanische Verbindung ausgelegt sein.

Proto Labs akzeptiert vorgefertigte Einleger inkl. PEM, Dodge, Tri-Star, Spirol und Tappex.

Warum 2K-Spritzguss oder Umspritzen von Einlegern?

Zwar sind Design, Verarbeitung und Werkstoff wahl beim 2K-Spritzguss komplexer als beim Einkomponenten-Spritzguss, jedoch bietet der 2K-Spritzguss bedeutende Vorteile:

  • Er erlaubt eine Kombination von Werkstoff en, wodurch Eigenschaft en erzielt werden, die ein einzelner Kunststoff nicht liefern kann
  • Es sind weniger Montageschritte notwendig, was Zeit und Geld spart
  • Werkstoff e lassen sich auf eine Art verbinden, wie sie bei mechanischer Montage nicht möglich ist
  • Einleger verleihen den Teilen zusätzliche Festigkeit und Haltbarkeit

Kosteneinsparung

Durch 2K-Spritzguss können die Produktionskosten gesenkt werden. Während beim Standard-Spritzguss in einer Mehrkavitätenform mehrere Teile hergestellt werden können, kann beim 2K-Spritzguss ein Teil ohne Montageschritt aus verschiedenen Materialien gefertigt werden. Die Herstellung der Form ist komplizierter, aber die wiederkehrenden Kosten für die Montage von Tausenden von Teilen entfallen. Es gibt verschiedene Methoden zur Fertigung von 2K-Spritzgussteilen, und die Wahl des richtigen und effi zientesten Verfahrens hängt von den jeweiligen Anforderungen ab: Produkteinführungszeit, Gesamtvolumen und Wahrscheinlichkeit von Produktänderungen.

Express-Produktion

Mit 2K-Spritzguss lässt sich die Produkteinführungszeit verkürzen. Wenn die Formen fertig sind, kann das 2K-Spritzgießen in der jeweiligen Variante schneller gehen als Verfahren mit Montageschritten. Zwei-Schuss-Spritzgussverfahren eignen sich am besten für die Großserienfertigung ab 10.000 Teilen. Die Umlegetechnik („Pick-and-Place“) ist bei vierstelligen Fertigungsvolumina wirtschaft licher. Während Design und Fertigung von Zwei-Schuss-Formen einen Monat oder länger dauern können, lassen sich mit der Umlegetechnik Prototypen, Teile für Markttests, Kleinserien oder Bridge-Tools innerhalb von Wochen parallel zur Herstellung der Zwei-Schuss-Formen fertigen. In beiden Fällen lässt sich die Serienfertigung schnell abwickeln, sobald die Formen fertig sind.

Prototypenherstellung und Kleinserien

Die Umlegetechnik ist ideal für die Fertigung kleiner oder mittelgroßer Serien. Da das Verfahren aufwendiger ist als der Zwei-Schuss-Spritzguss, sind die Fertigungskosten pro Teil bei dieser Methode in der Regel höher, doch entfällt der außerordentlich hohe Kosten- und Zeitaufwand für die Herstellung komplexer Zwei-Schuss-Werkzeuge. Die Gesamtkosten für Serien mit weniger als 10.000 Teilen sind bei der Umlegetechnik meist niedriger als beim Zwei-Schuss-Verfahren. Die Technik kann auch zur Herstellung von Prototypen verwendet werden, bevor in Zwei-Schuss-Formen für die Großserienfertigung investiert wird. Wenn es auf eine schnelle Markteinführung ankommt, kann es sinnvoll sein, das Produkt unter Einsatz der Umlegetechnik auf den Markt zu bringen, bis die Großserienfertigung gestartet werden kann. Und in Märkten, wo Teile oft umgestaltet werden müssen, trägt die Umlegetechnik zur Risikominimierung bei, da die Neukonstruktion der Formen zu einem Bruchteil der Kosten der Herstellung neuer Zwei-Schuss-Formen erfolgen kann.

Anwendungsspektrum

Der 2K-Spritzguss ist in Branchen wie der Konsumgüter-, Automobil- und Elektronikkomponenten-Industrie sehr verbreitet, eignet sich jedoch insbesondere für Anwendungen in Medizin und Gesundheitswesen. Geräte, die mit dem menschlichen Körper in Berührung kommen oder in ihn eindringen, müssen strengsten Anforderungen gerecht werden und präzise auf ihre Funktion abgestimmt sein. Oft müssen sie hohen Sterilisierungstemperaturen oder Chemikalien standhalten und Normen wie FDA, USP Class VI, ISO 10993 sowie Biokompatibilitätsstandards erfüllen. In vielen Fällen wird kein einzelner Kunststoff allen Anforderungen gerecht. Damit Sicherheit und Sterilität gewährleistet sind, müssen mehrere Werkstoff e so gut wie nahtlos ineinander übergehen. Und in diesem Bereich ist der 2K-Spritzguss kaum zu übertreff en. Es gibt noch viele andere Gründe für eine Entscheidung für den 2K-Spritzguss, zum Beispiel:

  • Komfort und Griffi gkeit: Ein harter Vorspritzling wird oft mit weichen Elastomeren umspritzt, um eine rutschfeste und griffi ge Oberfl äche für Dinge wie handgehaltene Werkzeuge und Geräte zu erzielen.
  • Anwendungen wie Dichtung, Stoß- und Schwingungsdämpfung. Eignet sich besonders gut, da es sich bei der Weichkomponente meist um ein Elastomer handelt.
  • Ästhetik: Dank des Verfahrens kann ein Vorspritzling zum Beispiel ein Prägemuster aufweisen, das mit einem Overmoulding-Material in einer Kontrastfarbe gefüllt wird, um Text, ein Logo oder ein anderes Muster zu erzeugen.
  • Erreichung bestimmter Eigenschaft en: Der 2K-Spritzguss kann die Oberfl ächenmerkmale von Teilen verändern, um ihnen die gewünschten elektrischen, thermischen oder anderen physikalischen Eigenschaft en zu verleihen.
  • Weitere Gründe: Er kann auch verwendet werden, um ein Objekt in ein anderes Material einzusetzen oder einzukapseln.
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