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Vakuum-Guss


September 2012
Aktualisierung 08.04.2017

Polyurethan-Vakuumguss

Das Vakuumgiessen stellt für Prototypen und Kleinserien die schnelle und kostengünstige Alternative zum Spritzguss-Verfahren dar. In der Silikonkautschuk-Form werden 2K-Polyurethangießharze unter Vakuum vergossen und anschließend ausgehärtet. Das Vakuum ermöglicht hierbei lunkerfreie Abgüsse hoher Genauigkeit. Die von Spritzgussteilen bekannten Einfallstellen durch Masseanhäufungen treten nicht auf. Mit ausgesuchten Gießharzen können so zum Beispiel transparente, gummiähnliche oder wärmeformbeständige Formteile gefertigt werden.Die für die Herstellung der Silikon-Kautschukform notwendigen Urmodelle werden in der Regel schnell und kostengünstig durch PolyJet-Technologie  hergestellt.

Die PolyJet Technologie arbeitet ähnlich einem Tintenstrahldrucker, nur dass die Düsen im Druckkopf flüssigen, photopolymeren Kunststoff schichtweise auftragen. Eine, im Druckkopf integrierte, UV-Lampe härtet das entstehende Rapid Prototyping Modell sofort aus, so dass unnötige Zeit zur Nachvernetzung entfällt.

Funktionsweise: Voraussetzung für den Formenbau ist stets ein Urmodell, welches als Abformmuster dient. Mit Hilfe dieses Modells wird nun eine Silikonform erzeugt. Für hochgenaue Konturen werden auch zusätzliche Metalleinsätze verwendet. Die Oberfläche und jedes Detail des Modells werden durch das Silikon 1:1 wiedergegeben. Nach Aushärten des Silikons wird die Form erstmals geöffnet und das Urmodell wieder entnommen. Nachdem Anguß und Entlüftungen eingebracht sind wird der erste Guß vorbereitet. Die Formhälften werden auf 70°C erwärmt und, nachdem sie mit einem Trennspray behandelt wurden, zusammen gebunden. Nach außen hat die Form lediglich eine Öffnung – den Anguss. In diesen wird ein Schlauch oder Trichter eingeführt. Nun werden die Harzkomponenten (A + B) und die vorbereitete Form in der Gießanlage positioniert und die Kammer geschlossen. Nach dem Einschalten der Pumpe hat die Anlage innerhalb von 3-4 Minuten das absolute Vakuum erreicht. Das Material muss nun etwa 7-8 Minuten bei vollem Vakuum evakuiert werden. Erst dann kann der eigentliche Guss stattfinden. Polyol (A) und Isocyanat (B) werden nun unter Hochvakuum vermischt und über den Schlauch oder Trichter in die Silikonform gegossen. Gleichzeitig wird die Kammer belüftet. Durch Schwerkraft und Druckausgleich wird das noch flüssige Material in die Form gedrückt und zwar bis in die kleinste “Nische“. Währenddessen beginnt das Material bereits zu reagieren. Die Silikonform mit dem enthaltenen Gießteil wird nun noch ca. 1h bei 70°C gelagert. Danach ist das PU-Material komplett ausgehärtet und kann entformt werden. Dieser Prozess kann mit einer Silikonform etwa 20-25 Mal wiederholt werden, bis die Form seine Lebensdauer erreicht hat und ersetzt werden muß.

Zur Herstellung von Polyurethan werden Polyole und Isocyanaten vernetzt da sie ein entscheidener Bestandteil sind, kann die Wahl des Polyols die Eigenschaften eines Polyurethanharzes beeinflussen.

Die Harzkomponente ist aus so genannten Polyolen, welche häufig mit Füllstoffen und verschiedenen Additiven ausgerüstet werden.

Die Härterkomponente eines Polyurethangießharzes besteht aus so genannten Isocyanaten. Die Härtung der Polyurethane zu polymeren Kunststoffen beruht auf einer chemischen Reaktion der Alkoholgruppe des Harzes mit der Isocyanatgruppe des Härters.

Fehlerbild: Viele kleine schaumartige Blasen deuten auf Feuchtigkeit im Material hin.

Eine für Gießharze meistens unerwünschte Eigenschaft der Isocyanatgruppe ist ihre Reaktionsfähigkeit mit Wasser. Reagieren beide Stoffe, kommt es zur Bildung von gasförmigem Kohlendioxid in der Reaktionsmasse. Tritt diese Reaktion bei der Bildung von Vergussmassen auf, so entstehen mehr oder weniger stark von Blasen durchsetzte Formkörper. In manchen Fällen kann sich anstelle einer massiven Vergussmasse ein regelrechter Schaum entwickeln.

Aus diesem Grund wird der Harzkomponente eines Polyurethangießharzes eine Wasser-bindende Substanz, ein so genanntes Zeolith, zugesetzt. Geeignete Zeolithe haben eine hohe Affinität zu Wasser, binden dieses an sich und sorgen so für eine störungsfreie Reaktion der Polyole der Harzkomponente mit den Isocyanatgruppen der Härterkomponente zu Polyurethan.

Vergießprobleme aufgrund ungünstiger Bauteilgeometrie: Lunker

Befinden sich in den vergossenen Baugruppen Bauteile, deren Unterseite konvex geformt ist, so wird eine eingeschlossene Luftblase problemlos an die Oberfläche der Vergussmasse streben und platzen. Ist die Unterseite eines Bauteils jedoch eben oder konkav ausgebildet, so ist die Entlüftung problematisch. Werden die zu vergießenden Bauteile jedoch vor Serienfertigung auf nach oben beschriebenen Problemstellen durchsucht und eine entsprechende Vergießmethode festgelegt, können Lunker leicht vermieden werden. Allein durch Vergießen des Bauteils in schräger Position kann die Lunkerbildung verhindert werden. Bei konkaver Unterseite der Bauteile ist die Schräglage der Bauteile meist die einzige Möglichkeit, Lunkerbildung zu vermeiden. Bei schwer zu entlüftenden Bauteilen ist die Beimischung geeigneter Entlüfter im Harz empfehlenswert.

 

Foto Firma SLM Solution

Weitere Information SLM Solution finden Sie hier.


Polyamid-Vakuumguss

 

Der Unterschied zum Polyurethan Vakuumguss:

Während des Verfahrens werden Monomere mit additiven und katalytischen Komponenten angereichert und zur Polymerisation unter Vakuum in eine Silikonkautschukform gegossen. Das Vakuum ermöglicht lunkerfreie Abgüsse der komplexen Formteile. Als Basis für die Gießformen dienen im Regelfall generativ gefertigte Urmodelle. Der entscheidende Vorteil des Verfahrens liegt in der Serienidentität des Materials: Die hergestellten Bauteile können als vollwertige Funktionsprototypen oder Kleinserien eingesetzt werden. Funktions- und Dauertests, die mit diesen Prototypen durchgeführt werden, liefern zuverlässige Ergebnisse und geben mehr Sicherheit für die optimale Auslegung der Serienteile. Insbesondere bei hohen thermischen oder mechanischen Beanspruchungen bieten Prototypen aus PA6 (auch als Nylon bezeichnet) daher die Alternative zu herkömmlichen Vakuumgussteilen aus PU.

Anionische Polymerisation:

Bei der anionischen Polymerisation sind es Anionen, d.h. negativ geladene Teilchen, die die Reaktion in Gang bringen und halten. Die Besonderheit an ihr ist, dass praktisch keine Kettenübertragung und keine Abbruchreaktionen stattfinden, so dass die Kettenreaktion weitergehen kann, solange noch Monomere vorhanden sind, es sei denn, man fügt andere Stoffe hinzu, die die Reaktion beenden. Polymere, die auf solche Weise immer weiterreagieren können, solange Monomere vorhanden sind, werden "Lebende Polymere" genannt.

Weitere Information finden Sie hier.

 

Sibylle Rogowski  | sibylle.rogowski@kunststoff-meister.de
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