Bauteile nach Maß

Technik - Werkstoffe

Kunststoffe – Es ist eine Kunst, große Bauteile aus Kunststoff in einem Prozess zu gießen. Was dabei zu beachten ist, ergibt sich aus dem Berufsalltag bei Herstellern wie Handtmann Elteka. Manche Projekte bleiben dabei in Erinnerung.

19. Februar 2016

In Form und Funktion anspruchsvolle Bauteile aus Kunststoff erfordern individuelle Lösungen, zum Beispiel aus dem gegossenen Polyamid PA 12C von Handtmann Elteka. Einen Biogas-Propeller mit einem Durchmesser von 2.500 Millimetern etwa hat der Hersteller komplett aus diesem Kunststoff und an einem Stück gegossen. Dies erspart eine aufwändige und kostenintensive Nachbearbeitung. Es ist zu erahnen, dass dafür ein intensiver Konstruktions- und Planungsprozess, Wissen und Erfahrung sowie ein feines Gespür fürs Gießen erforderlich sind.

Im Vorfeld wird dazu entschieden, ob ein Halbzeug oder der Formguss mehr Sinn macht. Je aufwendiger die Bearbeitung, desto wirtschaftlicher ist letztere Methode. Gerade bei Lauramid ist die gießtechnische Urformung von Bauteilen wegen geringerem Materialaufwand und kaum mechanischer Zerspanung kostengünstiger. Dies gilt vor allem bei komplexen Freiformflächen und Hinterschneidungen. Je größer jedoch das Bauteil, desto schwieriger ist aber der Guss an einem Stück.

Alles fürs passende Bauteil

»Darum sind das Wissen und das Können unserer Techniker und Ingenieure unser wichtigstes Kapital. Unsere Spezialisten begleiten jedes Gussprojekt von der ersten Machbarkeitsstudie bis zum fertigen Bauteil. So entstehen am Ende exakt die Bauteile, die der Kunde für seine Anwendung braucht«, erklärt Wolfgang Nägele, Vertriebsleiter bei Handtmann Elteka.

»Bestehende Vorgehensweisen können meist nicht übernommen werden, es bedarf bereits vor der eigentlichen Formenkonstruktion vieler Vorüberlegungen und Berechnungen sowie Wissen und Erfahrung«, erklärt der technische Leiter Georg Petzinger. Auf Basis eines mit dem Kunden erarbeiteten Anforderungsprofils diskutieren die Ingenieure deshalb zunächst die Eignung von Lauramid in der jeweiligen Anwendung. Dazu gehört auch eine Anpassung von Toleranzen, um das Bauteil funktionstauglich zu machen.

Wenn alle Kriterien erfüllt sind, wird die konkrete Gussform entwickelt. Eine der Herausforderungen dabei ist das physikalische Schwinden der Materialmenge während des Polymerisationsprozesses. Darum wird die zu erwartende Schwindung des Lauramids in einem 3D-Modell dargestellt. So beeinflusst etwa der Einguss einer Stahlnabe das Schwindungsverhalten erheblich. Auch die Materialmenge für ein großes Bauteil wie den Biogas-Propeller ist ein bedeutender Faktor in der Fertigung. Exakt vorausberechnen lässt sich die Materialschwindung aber nicht, hier kommt es wieder auf Erfahrung an.

Ebenso wichtig wie die Gussform selbst ist die Ausarbeitung eines für das gegossene Bauteil passenden Temperkonzeptes. Dieses hat unter anderem Einfluss auf die Materialeigenschaften. Finale Überlegungen der Ingenieure vor dem Fertigstellen der Form betreffen dann die Lage und Art der Verschlusssysteme der Gussform und die Zentrierung der verschiedenen Formsegmente. Schon vor dem ersten Abguss klären die Fachleute Punkte wie die Platzierung im Ofen oder Lagerung und Versand ab.

Der entscheidende Moment

»Nach den intensiven Berechnungen und der Entwicklungsarbeit im Vorfeld ist der erste Lauramid-Testguss mit einer neu entwickelten Form ein besonderer Moment«, erzählt Georg Petzinger. »Nur die Kombination aus Gussform und Know-how der Gießer lassen am Ende ein Bauteil wie den Propeller entstehen. Bei diesem Projekt haben wir eine spezielle Gussform mit Schwenkvorrichtung entwickelt und die Temperatureinwirkung beim Tempern und Abkühlen gezielt angepasst.« Weitere entscheidende Faktoren seien die Temperaturführung des Gussteils während des Gießprozesses und die Entlüftung der Gussform gewesen, damit keine Lufteinschlüsse entstehen können. Die eingegossene Stahlarmierung wurde zudem in spezieller Weise in der Gussform fixiert und abgedichtet.

Interview: Drei Fragen an Georg Patzinger

Je größer das Bauteil, desto schwieriger wird ein Konturguss. Warum?

Die Hauptherausforderung beim PA-12-Gießen ist die Größe des Bauteils und damit verbunden die benötigte Materialmenge. Die Lauramid-Schmelze schwindet beim Abkühlen um etwa drei Prozent. Aufgrund der Materialmenge ist diese Schwindung ein bedeutender Faktor im Herstellungsprozess. Wir sind einerseits bestrebt, Schwindungslunker zu vermeiden, andererseits dürfen lokale Einfallstellen die Konturtreue der Freiformflächen nicht verschlechtern. Um später eine porenfreie Oberfläche zu bekommen, müssen wir für eine geeignete Entlüftung der großflächigen Form sorgen.

Wie entsteht ein einwandfreies Bauteil?

Die genannte Materialschwindung setzt sich aus der thermischen Ausdehnung und der Dichteveränderung, die während der Polymerisations- und der Kristallisationsphase auftreten, zusammen. Wir versuchen, jedes Gussteil im flüssigen Zustand optimal zu speisen. Danach wird durch eine geeignete Temperaturführung, die Formgestaltung und eine entsprechende Formhandhabung während des Gießprozesses das Bauteil so beeinflusst, dass wir ein definiertes und für uns geeignetes Schwindungsverhalten erreichen.

Beim Konturguss in dieser Größe und Schmelzmenge, mit starken Wandstärkenunterschieden und einer schwindungsbehindernden Stahlnabe ist es durchaus eine Herausforderung, ein gleichmäßiges Formablöseverhalten und somit reproduzierbare Konturverläufe zu erreichen.

Welche Tricks haben Sie angewandt?

Details kann ich nicht verraten, aber allgemein gesprochen treffen wir Überlegungen zur Temperaturführung der Form und der Schmelze. Wir berücksichtigen die Schwindungen beim ersten 3D-Modell. Wir definieren das Abkühlen, wir verändern also die Temperaturführung. Wir öffnen die Gussform in bestimmten Phasen – oder eben auch bewusst nicht. Insgesamt kommt es darauf an, alle die Polymerisation beeinflussenden Faktoren aufeinander abzustimmen.

Erschienen in Ausgabe: 01/2016