Von Jeremy Williams, Berater/Trainer

In der Kunststoffspritzgussbranche arbeiten wir mit Nebenprodukten aus der Erdölraffination und mit Werkzeugen aus Metallguss und so bleibt es nicht aus, dass unsere Terminologie zumindest leicht verwirrend ist.

Drei Begriffe, die oft miteinander verwechselt werden sind Schweiß-, Fließ- und Bindenähte. Tatsächlich stellen Fließ- und Bindenähte unterschiedliche Arten von Schweißnähten dar. Betrachten wir doch einmal genauer, welche Ursachen zu Fließ- und Bindenahtfehlern führen, wie sich diese auf die Festigkeit des Teils auswirken und worin sie sich unterscheiden.

Welche Ursachen haben Binde- und Fließnähte?

Genauso wie viele andere Unstimmigkeiten, liegt die Wurzel dieser unerwünschten Merkmale in der Produktkonstruktion. Da unsere Kunststoffschmelze durch einen Anguss eingespritzt wird, muss sie durch die Kavität und um verschiedene Geometrien herum fließen, wie z. B. Druchbrüche oder Schraubdome (in Abb. 1 gezeigt).

Weist ein Schraubdom eine Bindenaht auf, wird er an der entstanden Schwachstelle beim Anziehen der Schraube wahrscheinlich versagen.

Im Automobilbereich kann dies zu Teilen führen, die aufeinander schlagen, die quietschen oder klappern.

In der Elektronikbranche verhindert der gebrochene Schraubdom das einwandfreie Andrücken einer Dichtung, so dass eine Schaltplatine (PCB) einen Wasserschaden erleiden kann.

Tritt ein solcher Fehler in der Dichtringnut von Rohrleitungsbauteilen auf, kann es zur Undichtigkeit und damit zu einem tropfenweisen Auslaufen kommen.

Im Armaturensektor wird eine solche Armatur bei nicht einwandfreier Handhabung der Schwachstellen den Berst- oder Deformationstest nicht bestehen, so dass Produktausfälle im Einsatz beim Kunden die Folge sind.

Abb. 1: Ein Schraubdom

Abb. 1: Ein Schraubdom

Stellen Sie sich dies als Wasser vor, das einen Fluss entlang fließt, in dem ein Felsen aus der Wasserfläche heraus ragt. Sobald das Wasser auf den Felsen trifft, muss sich der Strom teilen, außen herum fließen und am anderen Ende wieder zusammen fließen.

Worauf wir unser Augenmerk richten wollen, ist das Zusammenfließen, um so zu bestimmen, ob eine Binde- oder Fließnaht vorliegt.

Fließnaht

Eine Fließnaht ist definiert als das Aufeinandertreffen zweier Fließfronten, nachdem der Massestrom sich auf Grund eines Konstruktionsmerkmals des Teils geteilt hat. Stellen Sie sich vor, Sie fahren nach einem langen Bürotag auf die Autobahn – alle sind in der gleichen Richtung unterwegs und müssen sehen, wie sie ohne Schaden ans Ziel gelangen. Abb. 2 zeigt, wie sich die Fließfront auf Grund des rechteckigen Durchbruchs teilt und am anderen Ende wieder vereint. Da in der Werkzeugkavität weiterer Raum vorhanden ist, bewegt sich die Fließfront weiter vorwärts und erzeugt so eine neue Fließfront.

Abb. 2: Die Schmelze fließt außen um den rechteckigen Druchbruch herum, vereint sich dahinter und fließt weiter, wobei sie eine Fließnaht formt

Abb. 2: Die Schmelze fließt außen um den rechteckigen Druchbruch herum, vereint sich dahinter und fließt weiter, wobei sie eine Fließnaht formt

Diese Verbindung ist weniger stark wie ein kontinuierlicher Fluss. Da die Fließfront sich vereint und weiter durch die Kavität fließen kann, besteht eine größere Chance, diesen Bereich mit Druck zu beaufschlagen zu können, um so dessen Festigkeit zu erhöhen.

Bindenaht

Eine Bindenaht liegt vor, wenn zwei Fließfronten aufeinander treffen, doch, statt sich zu vereinen, ähnelt das Geschehen eher einem Frontalzusammenstoß an einer Kreuzung. Dies ist nicht schön und wird auch nicht gut enden.

Abb. 3: Die Schmelze fließt um einen aufrecht stehenden Kern herum

Abb. 3: Die Schmelze fließt um einen aufrecht stehenden Kern herum

Treffen diese zwei Fließfronten aufeinander, ist keine weitere Kavitätsgeometrie mehr zum Durchfließen vorhanden, so dass es schwierig wird, diesen Teilebereich mit Druck zu beaufschlagen. Das anschließende Ergebnis weist sogar noch weniger Festigkeit als eine Fließnaht auf.

Wahl des Kunststoffs

Bestimmte Kunststoffe sind in Punkto Festigkeit unempfindlicher als andere. Kunststoffe (HDPE, PP, POM) mit fadenförmiger, geordneter Struktur (wie in Abb. 4 gezeigt) führen üblicherweise zu höheren Festigkeiten, da sich die Polymerketten leichter verbinden können. Die ungeordneten Strukturen mit den Benzolringen, die sich in anderen Kunststoffen finden (PC, PMMA, ABS), mindern die Fähigkeit der Polymerketten zu einem leichten Zusammenschluss. Die Benzolringe erhöhen auch die Viskosität, senken die Schrumpfrate und steigern die Festigkeit, bis auf die der Binde- und/oder Fließnähte.

Abb. 4: Oben - geordneter Struktur von HDPE Unten - PC mit ungeordneter Struktur

Abb. 4: Oben – geordneter Struktur von HDPE Unten – PC mit ungeordneter Struktur

Kunststoffe mit technischen Füllstoffen wie Glass, Kohlenstoff, Metallflocken usw. verringern die Fähigkeit die Festigkeit von Binde- oder Fließnaht positiv zu beinflussen. Dies hat mehrere Gründe.

So liegen die Temperaturen, bei denen wir die meisten Thermoplaste verarbeiten (400 bis 600° F) erheblich unter dem Schmelzpunkt der meisten Füllstoffarten (der von Glas liegt bei 2552 bis 2912° F) … insofern sie überhaupt schmelzen. In dieser Situation haben wir nicht nur ein Gebilde in der Kavität, das den Massestrom beeinflusst, sondern auch noch einen Festkörper, der in der Fließfront eingesetzt ist und für weitere Spannungen sorgt. Daher müssen wir die Faserausrichtung vor dieser Geometrie prüfen und untersuchen, wie sie sich die Ausrichtung hinter dem Hindernis unterscheidet (dargestellt in Abb. 5).

Abb. 5: Faserausrichtung vor und hinter dem Durchbruch

Abb. 5: Faserausrichtung vor und hinter dem Durchbruch

Der Schlüssel zum Verständnis der Festigkeitsänderungen im entsprechenden Teil liegt im Verständnis, wie die Probekörper gebrochen sind und die Daten gesammelt werden.

Bei der in Abb. 6 dargestellte Izod Schlagbiegeprüfung wird der Prüfkörper mit einer definierten Aufschlagenergie beansprucht. Die gelieferten Werte, üblicherweise in ft-lb/in2. zeigen die zum Bruch des Probekörpers notwendige Energie an. Je mehr Energie zum Bruch des Probekörpers notwendig ist, desto fester ist das Material.

Abb. 6: Izod-Schlagprüfgerät

Abb. 6: Izod-Schlagprüfgerät

Ein weiterer Bereich, den wir prüfen müssen, sind die ASTM-Daten der gekerbten und ungekerbten Probekörper, die in der nachfolgenden Abb. 7 dargestellt sind. Die Elemente, die das Polymer bilden, bestimmen ihre Anordnungen und Bindungen und somit die Festigkeit. Eine Bindenaht ist ähnlich einer Kerbe, die sich im ASTM-Probekörper befindet.

Abb. 7: ASTM-Probekörper

Abb. 7: ASTM-Probekörper

Zwar wird ein Formteil mit einer Bindenaht sich nicht exakt wie der Probekörper verhalten, doch wird uns das Datenblatt zeigen, in welchem Umfang Festigkeit möglicherweise reduziert wird.

Es gibt beispielsweise bestimmte Kunststoffe, die eine so hohe Festigkeit aufweisen, dass ein ungekerbter Probekörper durch ASTM-Prüfung nicht beschädigt wird, obwohl der Wert des gekerbten Probekörpers außerordentlich niedrig ist. Ein Beispiel hierfür ist das in der Medizintechnik genutzte PC (in nachfolgender Tabelle 1 dargestellt).

Tabelle 1: Calibre™ MEGARAD™ 2081-15

Tabelle 1: Calibre™ MEGARAD™ 2081-15

Andere Kunststoffe wie das in Tabelle 2 gezeigte PP brechen bei der ASTM-Prüfung sowohl in gekerbtem wie auch im ungekerbtem Zustand.

Tabelle 2: Gapex® HP RPP20EU98HB

Tabelle 2: Gapex® HP RPP20EU98HB

Keiner dieser Kunststoffe ist unzureichend, doch müssen wir deren Grenzen verstehen und wissen, wie wir die Konstruktion richtig ausführen, damit die Anforderungen an das Formteil erfüllt werden.

Wonach wir in den gelieferten Angaben suchen, ist ein Festigkeitsabfall zwischen ungekerbtem und gekerbtem Probekörper. Dieser hilft uns zu verstehen, wie schwach eine Bindenaht im Vergleich zu einer kontinuierlichem Fließfront sein könnte.

Werkzeugkonstruktion

Die Angussposition hat starken Einfluss auf die Stellen, wo Binde- oder Fließnähte innerhalb der Teilegeometrie liegen wird. Durch den Einsatz von Strömungssimulationen sind wir in der Lage vorherzusagen, wo diese auftreten können. Die Angusspositionen können so ausgelegt werden, dass die Binde- oder Fließnähte einen überschaubaren Einfluss auf die Festigkeit und Funktionalität des Formteils haben.

Verarbeitung

Die Verbesserung der Festigkeit von Binde- oder Fließnähten kann unter dem Aspekt der Verarbeitung ungeheuer schwierig sein, da eine Vielzahl von Faktoren, wie beispielsweise die Teilegeometrie, die Angussposition, der Fließweg und das Material bereits unveränderbar festgelegt sind. Die verbleibende, prozesstechnische Möglichkeit besteht dann darin, das Formteil durch die Kombination aus Schmelztemperatur, Werkzeugtemperatur Fließgeschwindigkeit und Nachdruck entsprechend zu verdichten.

Schlussfolgerung

Der Unterschied zwischen einer Binde- und einer Fließnaht ist erheblich und wirkt sich dramatisch auf die strukturelle Widerstandsfähigkeit des Teils aus. Binde- und Fließnähte sind Bestandteil des Kunststoffspritzgießens. Auf Grund der Produktanforderungen gestaltet sich deren Beseitigung oft schwierig. Bei einer engen Zusammenarbeit von Produktdesigner, Werkzeugbauer und Spritzgießer ist jedoch ein Erfolg sicherlich erzielbar.