Umspritzen von Metall Einlegeteilen
Nachfolgend zu sehen sind zwei Bauteile mit integrierten umspritzten Metall Einlegeteilen: Links ein Wasserfilter für den Heimgebrauch und rechts ein Pumpenhebel für einen Rasenmäher. Auf den ersten Blick sehen beide Bauteile gelungen aus.
Bei genauerem Hinsehen wird aber deutlich, dass das linke Bauteil ein Problem hat: Ein Riss im umspritzten Kunststoff. Auf dem Mikroskop ist der Riss deutlich zu sehen, von Auge wird er aber kaum wahrgenommen.
Dies hat bei obigem Bauteil tatsächlich zu Problemen geführt, da die Dichtheit des Filters nicht mehr gewährt werden konnte. Durch folgende Strategien können solche Produktfehler, die sich erst spät im Projekt bemerkbar machen, vermieden werden:
Einflussgrössen auf umspritzte Bauteile:
Werkzeug- und Teilegestaltung
Keine scharfen Ecken / Kanten: Spannungsspitzen können zu Rissbildung führen. Deshalb alle scharfkantigen Übergänge verrunden
Optimierte Wandstärken: Zu große Unterschiede in der Wanddicke verursachen ungleichmäßige Abkühlung und somit Spannungen im Bauteil
Position des Einlegeteils: Sollte möglichst zentriert und symmetrisch sein, um Spannungsausgleich zu ermöglichen.
Spiel und Toleranzen: Einlegeteil darf nicht zu fest in der Kavität sitzen. Besser leichtes Spiel vorsehen.
Verarbeitung und Temperaturführung
Werkzeugtemperatur: Zu niedrige Werkzeugtemperatur führt zu hoher Schwindung und Spannungsrissen.
Schmelztemperatur: Zu hohe Schmelztemperatur kann zu Abbaureaktionen führen, zu niedrige zu schlechter Haftung.
Kühlung: Ungleichmäßige oder zu schnelle Abkühlung führt zu inneren Spannungen. Gefahr von Rissen beim Einlegen oder Abkühlen.
Einlegetechnologie
Vorwärmen des Einlegeteils: Kalte Metalleinleger erzeugen hohe Temperaturdifferenzen, was zu Spannungsrissen führt. → Vorwärmung auf z. B. 80–120 °C.
Oberflächenbehandlung: Saubere, eventuell strukturierte Oberfläche des Einlegers verbessert die Haftung und reduziert lokale Spannungen.
Entkoppelung durch Design: Bei besonders kritischen Kombinationen können Gummipuffer, Dichtlippen o. ä. als Pufferzone zwischen Kunststoff und Metall dienen.
Nachträgliche Belastungen
Montagekräfte / Schrauben: Wird das Bauteil später mechanisch beansprucht (z. B. Schrauben durch das Einlegeteil), können zusätzliche Spannungen Risse begünstigen.
Temperaturschwankungen im Einsatzfall: Zyklische Belastung durch Ausdehnungsunterschiede Metall vs. Kunststoff → zyklische Spannungen und Rissbildung.
Auswahl geeigneter Kombinationen
Passende Kombinationspartner: z. B. GF-verstärkte Materialien haben oft reduzierte Schwindung und verhalten sich „näher“ an Metall.
Haftvermittler: Bei starker Differenz kann chemisches Bonding über Haftvermittler helfen.
Simulation: Einsatz von Füllsimulation (Moldflow) zur Erkennung von Risikozonen vorab.
Bei unseren Beispielen war vor Allem die Wahl des Kunststoffs entscheidend: Beim Wasserfilter wurde ein ABS verwendet während beim Pumpenhebel ein glasfaserverstärktes PA46-GF30 verwendet wurde. Das verstärkte Material hat zwar eine höhere Bruchspannung aber auch eine kleinere Bruchdehnung. Was die beiden Materialien aber unterscheidet, ist der Wärmeausdehnungskoeffizient:
- Beim ABS beträgt der Längenausdehnungskoeffizient 0.088 mm/(m·K)
- Beim PA46-GF30 beträgt der Längenausdehnungskoeffizient 0.025 mm/(m·K) (parallel) oder 0.060 mm/(m·K) (senkrecht)
Das verstärkte Material hat eine geringere Schwindung und wird deswegen weniger stark belastet als das unverstärkte ABS. Zum Vergleich: Stahl hat einen Längenausdehnungskoeffizient von etwa 0.012 mm/(m·K). Die Schwindung von Stahl ist also kleiner als die der Kunststoffe und näher an der des verstärkten Kunststoffs.
Beim vorliegenden Bauteil mit Spannungsriss hat ein Materialwechsel am Ende zum gewünschten Resultat geführt.