Kunststoff.NRW - In der Kunststoffbranche werden kontinuierlich neue Wege gesucht, um Herstellungskosten zu minimieren, Bauteilgewichte zu reduzieren sowie Produktdesign in Hinblick auf Qualität und Funktionalität zu verbessern. Vor diesem Hintergrund hat der Anteil spritzgegossener Konstruktionsteile in den letzten Jahren stetig zugenommen. Wenngleich Maschinentechnik und Verarbeitungsverfahren einen hohen Entwicklungsstand erreicht haben, werden konventionell hergestellte Spritzgussteile den heutigen Anforderungen nicht immer in allen Punkten gerecht. Der Schlüssel zum Erfolg liegt deshalb häufig in der Entwicklung innovativer Sonderverfahren. Ein solches ist die Wasserinjektionstechnik (WIT), die in vielen Anwendungsfällen eine kostengünstige Fertigung komplexer, qualitativ hochwertiger Kunststoffhohlkörper in einem Arbeitsgang durch Injektion von Wasser ermöglicht. 

Die am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) entwickelte WIT knüpft an die bekannte und seit Jahren etablierte Gasinjektionstechnik (GIT) an. Die Kernidee der GIT/WIT – oder allgemein gesagt der Fluidinjektionstechnik – ist auf eine Patentschrift von 1938 zurückzuführen, in der Hobson die Methode sowie die erforderliche Werkzeugtechnik zur Herstellung polymerer Hohlkörper unter Zuhilfenahme eines fluiden Mediums (z.B. Gase oder Flüssigkeiten) beschreibt. Erst durch die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten des IKV, Wasser an Stelle von Gas als fluides Prozessmedium zur Schmelzeverdrängung zu verwenden, hat diese eigentlich alte Idee zur letzten Jahrhundertwende für flüssige Medien Eingang in die industrielle Praxis gefunden. 

Grundsätzlich kann man die Fluidinjektionstechnik (FIT) von ihrem Ablauf her dem Mehrkomponenten-Spritzgießen zuordnen. Statt einer zweiten Kunststoffschmelze wird ein Prozessmedium benutzt, das über einen so genannten Injektor in die schmelzeflüssig Seele des Vorspritzlings zur Hohlraumbildung injiziert wird. Dabei handelt es sich um Gas – in der Regel Stickstoff – im Fall der GIT und Wasser bei der WIT. Das primäre Ziel bei der Entwicklung der WIT war die Senkung der Kühl- und damit der Zykluszeiten bei gleichzeitig Material sparenden Herstellung stabähnlicher Hohlkörper (Griffe, Armlehnen, Medienleitungen etc.) und bei Bauteilen mit integrierten dickwandigen Bereichen (großflächig verrippte Bauteile, Kombination dünn-/dickwandiger Bereiche). Wasser hat im Vergleich zu Stickstoff eine deutliche höhere Dichte, eine etwa 40 Mal höhere Wärmeleitfähigkeit und eine vierfach größere Wärmekapazität. Durch die weitaus bessere Kühlwirkung von Wasser können somit im Vergleich zur GIT signifikante Kühlzeit- und somit Zykluszeitreduzierungen von bis zu 70% erzielt werden. Diese Tatsache lässt sich damit begründen, dass sich bei der WIT neben der üblichen Werkzeugkühlung zusätzlich eine fluidseitige Innenkühlung ergibt. Im direkten Vergleich mit der GIT bietet die WIT jedoch noch weitere Vorteile. So sind mit Hilfe der WIT einerseits geringere Restwanddicken realisierbar – d.h. es lässt sich Material einsparen –, andererseits lassen sich Formteile mit deutlich größerem Außendurchmesser verglichen zur GIT realisieren.

Typische Anwendungen der WIT lassen sich vor allem in Form von stabförmigen Bauteilen in den vielseitigen Anwendungsgebieten Automotive, Freizeit/Consumer sowie Braune und Weiße Ware finden (Anwendungsbeispiel im Bild rechts oben). Insbesondere aus dem Bereich der Automobilindustrie ist eine stetig steigende Nachfrage nach qualitativ hochwertigen und komplexen/hochintegrierten Produkten aus polymeren Werkstoffen zu verzeichnen. Auch für die Herstellung von Formteilen mit „funktionalen Hohlräumen“ wie beispielsweise hochintegrierten Medienleitungen (Kfz-Kühlwasserrohre) kann die WIT angewendet werden. Im Bild unten ist ein entsprechendes Modellbauteil zu erkennen. Bislang werden diese hauptsächlich aus Metall oder, wenn aus Kunststoff, dann in konventionellen Verfahren wie Extrusion, Umformung und anschließender Konfektionierung oder 3D-Blasformen hergestellt. Hier bietet die WIT besonders deutliche wirtschaftliche Vorteile durch Reduktion von Prozessschritten sowie der Zykluszeit und somit der Produktionskosten. 

Nach den ersten vielversprechenden Ergebnissen und WIT-Vorserienuntersuchungen wurden am IKV seit Ende 1998 innerhalb kürzester Zeit die Grundlagen sowohl zur Anlagen- und Injektor- als auch zur Verfahrenstechnik gelegt und nachhaltig Prozessverständnis durch eine Vielzahl von Untersuchungen generiert. Nicht zuletzt deswegen ist diese Technologie erstaunlich schnell von der Industrie aufgegriffen worden. Einerseits wurden WIT-Anlagen und WIT-Injektoren von einer ganzen Reihe von Anbietern, wie beispielsweise Spritzgießmaschinenherstellern und einigen KMU, entwickelt und bereits seit dem Jahr 2001 erfolgreich vertrieben. Andererseits existiert bereits eine beträchtliche Anzahl von Serienanwendungen, von denen einige sogar in der einschlägigen Fachpresse publiziert worden sind. Stellvertretend für diese Serienanwendungen sind beispielsweise die Umsetzung eines Kfz-Türaußengriffs und eines Küchenmaschinengriffs oder aber unterschiedliche Bauteile für ein Kinderdreirad zu nennen. Ein Beispiel aus der Automobilindustrie ist ein Führungsrohr für einen Ölmessstab. Die Präsentation dieser innovativen Technologie auf mehreren Ständen auf der weltgrößten Kunststoffmesse K2004 demonstrierte eindrucksvoll die industrielle Relevanz des Verfahrens, nachdem das IKV schon auf der K2001 den Prozess der internationalen Fachwelt vorgestellt hat. Im Jahr 2002 erhielt das IKV für diese Technologie den VDI Innovationspreis. 

Wenngleich schon eine beträchtliche Zahl an Serienanwendungen für die WIT existiert, besitzt das Verfahren noch ein hohes Entwicklungs- und Innovationspotenzial. Darauf konzentrieren sich auch aktuelle Forschungsaktivitäten des IKV, wie beispielsweise die Kombination der Mehrkomponententechnik mit der WIT, welche zu einer weiteren Prozess- und Funktionsintegration (Barriereeigenschaften bei Medienleitungen, Kombination von harten und flexiblen Segmenten etc.) bei Kunststoffprodukten führt. Andere Forschungsprojekte beschäftigen sich mit der für eine erfolgreiche Anwendung der WIT maßgeblichen Injektortechnik für die Fluideinleitung in das Bauteil oder der Entwicklung von Instrumenten zur Prozessüberwachung und Qualitätssicherung.

In der Kunststoffbranche werden kontinuierlich neue Wege gesucht, um Herstellungskosten zu minimieren, Bauteilgewichte zu reduzieren sowie Produktdesign in Hinblick auf Qualität und Funktionalität zu verbessern. Vor diesem Hintergrund hat der Anteil spritzgegossener Konstruktionsteile in den letzten Jahren stetig zugenommen. Wenngleich Maschinentechnik und Verarbeitungsverfahren einen hohen Entwicklungsstand erreicht haben, werden konventionell hergestellte Spritzgussteile den heutigen Anforderungen nicht immer in allen Punkten gerecht. Der Schlüssel zum Erfolg liegt deshalb häufig in der Entwicklung innovativer Sonderverfahren. Ein solches ist die Wasserinjektionstechnik (WIT), die in vielen Anwendungsfällen eine kostengünstige Fertigung komplexer, qualitativ hochwertiger Kunststoffhohlkörper in einem Arbeitsgang durch Injektion von Wasser ermöglicht. 

Die am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) entwickelte WIT knüpft an die bekannte und seit Jahren etablierte Gasinjektionstechnik (GIT) an. Die Kernidee der GIT/WIT – oder allgemein gesagt der Fluidinjektionstechnik – ist auf eine Patentschrift von 1938 zurückzuführen, in der Hobson die Methode sowie die erforderliche Werkzeugtechnik zur Herstellung polymerer Hohlkörper unter Zuhilfenahme eines fluiden Mediums (z.B. Gase oder Flüssigkeiten) beschreibt. Erst durch die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten des IKV, Wasser an Stelle von Gas als fluides Prozessmedium zur Schmelzeverdrängung zu verwenden, hat diese eigentlich alte Idee zur letzten Jahrhundertwende für flüssige Medien Eingang in die industrielle Praxis gefunden. 

Grundsätzlich kann man die Fluidinjektionstechnik (FIT) von ihrem Ablauf her dem Mehrkomponenten-Spritzgießen zuordnen. Statt einer zweiten Kunststoffschmelze wird ein Prozessmedium benutzt, das über einen so genannten Injektor in die schmelzeflüssig Seele des Vorspritzlings zur Hohlraumbildung injiziert wird. Dabei handelt es sich um Gas – in der Regel Stickstoff – im Fall der GIT und Wasser bei der WIT. Das primäre Ziel bei der Entwicklung der WIT war die Senkung der Kühl- und damit der Zykluszeiten bei gleichzeitig Material sparenden Herstellung stabähnlicher Hohlkörper (Griffe, Armlehnen, Medienleitungen etc.) und bei Bauteilen mit integrierten dickwandigen Bereichen (großflächig verrippte Bauteile, Kombination dünn-/dickwandiger Bereiche). Wasser hat im Vergleich zu Stickstoff eine deutliche höhere Dichte, eine etwa 40 Mal höhere Wärmeleitfähigkeit und eine vierfach größere Wärmekapazität. Durch die weitaus bessere Kühlwirkung von Wasser können somit im Vergleich zur GIT signifikante Kühlzeit- und somit Zykluszeitreduzierungen von bis zu 70% erzielt werden. Diese Tatsache lässt sich damit begründen, dass sich bei der WIT neben der üblichen Werkzeugkühlung zusätzlich eine fluidseitige Innenkühlung ergibt. Im direkten Vergleich mit der GIT bietet die WIT jedoch noch weitere Vorteile. So sind mit Hilfe der WIT einerseits geringere Restwanddicken realisierbar – d.h. es lässt sich Material einsparen –, andererseits lassen sich Formteile mit deutlich größerem Außendurchmesser verglichen zur GIT realisieren.

Typische Anwendungen der WIT lassen sich vor allem in Form von stabförmigen Bauteilen in den vielseitigen Anwendungsgebieten Automotive, Freizeit/Consumer sowie Braune und Weiße Ware finden (Anwendungsbeispiel im Bild rechts oben). Insbesondere aus dem Bereich der Automobilindustrie ist eine stetig steigende Nachfrage nach qualitativ hochwertigen und komplexen/hochintegrierten Produkten aus polymeren Werkstoffen zu verzeichnen. Auch für die Herstellung von Formteilen mit „funktionalen Hohlräumen“ wie beispielsweise hochintegrierten Medienleitungen (Kfz-Kühlwasserrohre) kann die WIT angewendet werden. Im Bild unten ist ein entsprechendes Modellbauteil zu erkennen. Bislang werden diese hauptsächlich aus Metall oder, wenn aus Kunststoff, dann in konventionellen Verfahren wie Extrusion, Umformung und anschließender Konfektionierung oder 3D-Blasformen hergestellt. Hier bietet die WIT besonders deutliche wirtschaftliche Vorteile durch Reduktion von Prozessschritten sowie der Zykluszeit und somit der Produktionskosten. 

Nach den ersten vielversprechenden Ergebnissen und WIT-Vorserienuntersuchungen wurden am IKV seit Ende 1998 innerhalb kürzester Zeit die Grundlagen sowohl zur Anlagen- und Injektor- als auch zur Verfahrenstechnik gelegt und nachhaltig Prozessverständnis durch eine Vielzahl von Untersuchungen generiert. Nicht zuletzt deswegen ist diese Technologie erstaunlich schnell von der Industrie aufgegriffen worden. Einerseits wurden WIT-Anlagen und WIT-Injektoren von einer ganzen Reihe von Anbietern, wie beispielsweise Spritzgießmaschinenherstellern und einigen KMU, entwickelt und bereits seit dem Jahr 2001 erfolgreich vertrieben. Andererseits existiert bereits eine beträchtliche Anzahl von Serienanwendungen, von denen einige sogar in der einschlägigen Fachpresse publiziert worden sind. Stellvertretend für diese Serienanwendungen sind beispielsweise die Umsetzung eines Kfz-Türaußengriffs und eines Küchenmaschinengriffs oder aber unterschiedliche Bauteile für ein Kinderdreirad zu nennen. Ein Beispiel aus der Automobilindustrie ist ein Führungsrohr für einen Ölmessstab. Die Präsentation dieser innovativen Technologie auf mehreren Ständen auf der weltgrößten Kunststoffmesse K2004 demonstrierte eindrucksvoll die industrielle Relevanz des Verfahrens, nachdem das IKV schon auf der K2001 den Prozess der internationalen Fachwelt vorgestellt hat. Im Jahr 2002 erhielt das IKV für diese Technologie den VDI Innovationspreis. 

Wenngleich schon eine beträchtliche Zahl an Serienanwendungen für die WIT existiert, besitzt das Verfahren noch ein hohes Entwicklungs- und Innovationspotenzial. Darauf konzentrieren sich auch aktuelle Forschungsaktivitäten des IKV, wie beispielsweise die Kombination der Mehrkomponententechnik mit der WIT, welche zu einer weiteren Prozess- und Funktionsintegration (Barriereeigenschaften bei Medienleitungen, Kombination von harten und flexiblen Segmenten etc.) bei Kunststoffprodukten führt. Andere Forschungsprojekte beschäftigen sich mit der für eine erfolgreiche Anwendung der WIT maßgeblichen Injektortechnik für die Fluideinleitung in das Bauteil oder der Entwicklung von Instrumenten zur Prozessüberwachung und Qualitätssicherung.