Der umfassende Leitfaden zum Kunststoff-Umspritzverfahren

Das Kunststoff-Überformen wird in der Spritzgussindustrie häufig eingesetzt, um die Oberflächenqualität der Bauteile zu verbessern. Es hilft den Herstellern dabei, die Anforderungen an Sicherheit, Komfort und Funktionalität der Produkte zu erfüllen. So werden beispielsweise Küchenutensilien und Handwerkzeuge so gestaltet, dass sie besser in der Hand liegen. Ingenieure setzen Kunststoff-Überformung ein, um den Griffen bestimmte Strukturen zu verleihen und so ein Verrutschen während der Benutzung der Werkzeuge zu verhindern. Das Überformen ähnelt dem Einlegebildverfahren, da beide auf dem Spritzgussverfahren basieren. Während beim herkömmlichen Einlegeteilverfahren häufig Kunststoff oder Gummi um eine Metalloberfläche herum angebracht wird, ist das Umspritzen in der kundenspezifischen Sonderfertigung eine breiter gefasste Kategorie. Es umfasst sowohl das Zweikomponenten-Spritzgießen als auch Pick-and-Place-Verfahren, um ein flexibles Material auf ein vorgeformtes, starres Kunststoffsubstrat aufzubringen.

Manche Menschen betrachten das Überformen als ein Verfahren zur Oberflächenveredelung, einfach weil es das Aussehen eines Produkts verändern kann. Diese Sichtweise ist jedoch nicht zutreffend. Das Überformen ist vielmehr ein Spritzgussverfahren mit mehreren Materialien. Die Überformschicht bietet zwar Vorteile hinsichtlich Dichtheit und Optik, stellt jedoch einen zentralen Schritt bei der Formgebung des Bauteils dar – und ist kein “nettes Extra”, das erst nach der Fertigung des Hauptkörpers als abschließender Schliff aufgebracht wird.

In diesem Leitfaden wird das Überformungsverfahren erläutert und die einzelnen Schritte beschrieben.

Wie wichtig ist das Umspritzen?

Beim Umspritzen wird ein Substrat teilweise mit einem Sekundärmaterial umspritzt oder umhüllt. In den meisten Fällen handelt es sich bei dem im Umspritzverfahren verwendeten Substrat um Gummi oder Thermoplaste, wodurch ein einziges, integriertes Produkt entsteht. Im Fertigungssektor gibt es zahlreiche Anwendungsbereiche für das Umspritzverfahren.

Ergonomie und Ästhetik

Viele maßgefertigte Kunststoffprodukte werden aus starren technischen Thermoplasten wie Nylon, ABS oder PC hergestellt, um eine hohe strukturelle Festigkeit zu gewährleisten. Diese harten Oberflächen können jedoch bei längerer Nutzung zu Unbehagen beim Benutzer führen und einen schlechten Halt bieten. Durch das Umspritzen werden diese Produkte mit einer Elastomerschicht versehen, die den Druck während der Benutzung gleichmäßig auf die Hände des Anwenders verteilt. Beim Umspritzen entstehen Rillen an den Griffen der Geräte, die ein Abrutschen aus der Hand verhindern. Dies ist ein sehr wichtiger Sicherheitsaspekt bei Hämmern in Werkstätten.

Beim Einsatz von Elektrowerkzeugen trägt das Kunststoff-Überformen dazu bei, Stöße und Vibrationen zu dämpfen und somit die ergonomische Sicherheit zu fördern. Einige der beim Überformen verwendeten Materialien, wie beispielsweise weiche Elastomere, absorbieren die während des Betriebs entstehenden Vibrationen. Im Vergleich zu starren Kunststoffen können spezielle Elastomer-Umspritzungen hochfrequente Schwingungen um 20–30% reduzieren – ein erheblicher Dämpfungseffekt, der entscheidend ist, um das Risiko eines Hand-Arm-Vibrationssyndroms (HAVS) für Bediener in industriellen Umgebungen zu minimieren. ^[1].

Die Rolle des Überformens geht über den Sicherheitsaspekt hinaus und verleiht den Formteilen zudem eine ästhetische Note. Bei diesem Verfahren können verschiedene Farbschichten auf die Form aufgebracht werden. Diese Farbschichten werden dann auf das fertige Produkt übertragen. So können beispielsweise Zangen mit ähnlichen Abmessungen in verschiedenen Farben erhältlich sein. Diese Farbunterschiede können für die Vermarktung der hergestellten Kunststoffformteile entscheidend sein.

Zum Zwecke der Abdichtung und Versiegelung

Durch das Umspritzen wird eine wasserdichte Abdichtung um elektronische Bauteile, Schalter, Gehäuseschnittstellen und Steckverbinder herum gewährleistet. Bei diesem Verfahren werden Elastomere dauerhaft mit dem Substrat verbunden, wodurch eine durchgehende Barriere entsteht, die sich allen komplexen Geometrien anpasst. Dieser Vorteil der durchgehenden Abdichtung löst die Probleme herkömmlicher Dichtungen und O-Ringe, die einen zusätzlichen Montageaufwand erfordern. Das Umspritzen trägt zur Produktzuverlässigkeit bei, insbesondere bei Produkten, die Regen, Feuchtigkeit und Reinigungschemikalien ausgesetzt sind. Als Auftragsfertiger nutzt First Mold das Umspritzen als zuverlässiges Mittel, um höhere Schutzarten (IP) wie IP67 oder IP68 zu erreichen, die der strengen Norm IEC 60529 für Wasser- und Staubbeständigkeit entsprechen und so langfristige Zuverlässigkeit in rauen Umgebungen gewährleisten. ^[2].

 Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Anwendungsbereiche des Umspritzens zur Lösung von Dichtungsproblemen zusammen:

Arbeitskosten

Die meisten auf Spritzguss spezialisierten Ingenieurbüros streben eine Optimierung ihrer Fertigung an, um sich den Prinzipien von Industrie 4.0 anzupassen. Eine der Strategien zur Erreichung dieses Ziels besteht darin, die herkömmliche Montage durch Umspritzung zu ersetzen. Die Integration zahlreicher Komponenten und Funktionen in ein einziges Spritzgussteil reduziert den manuellen Arbeitsaufwand erheblich. Dadurch erzielen Hersteller eine gleichbleibende Produktionsqualität und eine hohe Gesamtanlageneffektivität (OEE).

Auch wenn das Umspritzen im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren wie der Montage mit relativ höheren Werkzeugkosten verbunden ist, sind die Betriebskosten dafür relativ niedriger. Nehmen wir zum Beispiel die Herstellung eines Elektrowerkzeugs. Bei der konventionellen Fertigung sind für die Herstellung eines einfachen Elektrowerkzeugs eine Reihe von Fertigungsschritten erforderlich, die durch das Umspritzen vereinfacht werden könnten.

Bei der herkömmlichen Montage eines Akku-Bohrers wären ein separat spritzgegossenes Gehäuse, ein separater Gummigriff, das Auftragen von Klebstoff, das manuelle Positionieren, eine Aushärtungszeit sowie eine Endkontrolle erforderlich. All diese Arbeitsschritte sind mit einem höheren Zeitaufwand und höheren Arbeitskosten verbunden.

Durch das Umspritzen konnten wir diese Arbeitsschritte reduzieren, was zu einem geringeren Personalbedarf, schnelleren Produktionszyklen, einem geringeren Bestand an unfertigen Erzeugnissen und einer verbesserten Maßhaltigkeit führte.

Wie sieht der Fertigungsprozess beim Umspritzen aus?

Das Umspritzen ist ein mehrstufiger Prozess, der vom Entwurf bis zum Auswerfen reicht.

1. Gestaltung

Die Konstruktionsphase beim Umspritzformen ist von entscheidender Bedeutung, da sie die funktionalen, ästhetischen und fertigungstechnischen Anforderungen an die Endprodukte festlegt. In dieser Phase werden in der Regel wichtige Entscheidungen getroffen, um mögliche Fehler wie Einfallstellen, Verformungen und Delaminationen zu vermeiden. In der Konstruktionsabteilung setzen wir verschiedene Softwareprogramme wie Mold Flow Analysis, CAD und CAE ein, um die Prozessparameter zu optimieren und die Eigenschaften des Endprodukts vorherzusagen. Der Konstruktionsprozess umfasst verschiedene Aspekte wie Materialverträglichkeit, Haftmechanismus, Wandstärke, Angussposition, Entformungsschräge und Schrumpfung.

Kompatibilität der Materialien

Die Auswahl der geeigneten Überformungsmaterialien für die Verbindung mit dem Substrat ist ein entscheidender Aspekt bei der Konstruktion. Die Überformungsmaterialien können auf vielfältige Weise mit dem Substrat verbunden werden, beispielsweise durch chemische Adhäsion, mechanische Verriegelung, molekulare Diffusion oder Anziehung aufgrund der Oberflächenenergie. Eine gute Materialverträglichkeit führt zu einer stärkeren Verbindung, verhindert ein Ablösen und stellt sicher, dass sich die Überformung nicht vom Substrat löst. Die folgende Tabelle fasst verschiedene Überformungsmaterialien zusammen, die mit den jeweiligen Substratmaterialien kompatibel sind.

Wanddicke

Im Überformungsverfahren wird eine gleichmäßige Wandstärke angestrebt, um einen gleichmäßigen Materialfluss, Maßhaltigkeit und eine gleichmäßige Abkühlung zu gewährleisten. Dies trägt dazu bei, Fehler zu minimieren.  Darüber hinaus lassen sich durch eine gleichmäßige Wandstärke Hohlräume vermeiden, die Zykluszeit verkürzen und Verformungen minimieren. Die Wände sollten nicht zu dick sein, um eine zu langsame Abkühlung zu vermeiden. Andererseits können dünnere Wände zu unvollständiger Füllung oder Unterfüllungen führen. Die folgende Tabelle fasst die empfohlenen Wandstärken für verschiedene Materialien zusammen.

Standort des Tors

Der Anguss muss für eine gleichmäßige Befüllung und eine wirksame Fehlervermeidung richtig platziert werden. Durch die richtige Platzierung des Angusses werden Schweißnähte minimiert, die Restspannung verringert und der erforderliche Einspritzdruck gesenkt. Zu den gängigen Angusspositionen gehören der Randanguss, der Fächeranguss und der Unterwasseranguss, wie in den folgenden Abbildungen dargestellt.

Schrumpfung

Alle Thermoplaste schrumpfen beim Abkühlen. Bei der Konstruktion gleichen Ingenieure diese Schrumpfung aus, indem sie die Formhohlräume entsprechend der erforderlichen oder erwarteten Schrumpfung größer dimensionieren. Diese Schätzung orientiert sich an der folgenden Formel:

S = (L_m – L_p) * 100%/L_m

Wo

S = Schrumpfung (%)

Lm = Abmessung des Formhohlraums

Lp = Abmessung des Endstücks

Beim Überformen kommt es jedoch zu einer eingeschränkten Schrumpfung, da das starre Substrat die natürliche Schrumpfung des Sekundärmaterials physikalisch begrenzt. Ingenieure müssen häufig zusätzlich zu dieser Formel eine Formflussanalyse heranziehen, um den Formhohlraum genau zu dimensionieren und Verformungen zu verhindern.

2. Herstellung des Substrats

Nach der Konstruktionsplanung beginnt das Team mit der Fertigung des Basiskomponenten, auf die ein Sekundärmaterial aufgespritzt wird. Dieses Substrat bildet das Gerüst des Produkts und bestimmt dessen strukturelle, maßliche und funktionale Eigenschaften. Die Materialien für die Herstellung des Substrats werden je nach Anwendungszweck ausgewählt. Dies bedeutet, dass ein Substrat aus Thermoplasten, Metallen oder Verbundwerkstoffen hergestellt werden kann. Für die Fertigung der Substrate kommen verschiedene Verfahren wie CNC-Bearbeitung, Spritzguss, additive Fertigung, Druckguss und Stanzen zum Einsatz. Das gewählte Verfahren muss ein Substrat gewährleisten, das über ausreichende mechanische Festigkeit, präzise Abmessungen und eine gute Oberfläche für die Haftung verfügt.

Kunststoffsubstrate werden in der Regel im Spritzgussverfahren hergestellt, wobei die folgenden Schritte durchlaufen werden:

1. Kunststoffgranulat
2. Materialtrocknung
3. Schmelzen im Fass
4. Spritzguss in die Form
5. Verpacken und Aufbewahren
6. Kühlung
7. Auswurf
8. Fertiges Substrat

Metallsubstrate kommen zum Einsatz, wenn eine hohe Wärmeleitfähigkeit, mechanische Festigkeit und Verschleißfestigkeit gefordert sind. Diese Substrate werden in der Regel durch CNC-Bearbeitung, Schmieden, Druckguss, Metallstanzen oder Metallspritzguss hergestellt. Nach der Fertigung unterziehen Ingenieure diese Substrate jedoch weiteren Verfahren wie Oberflächenbearbeitung, Entgraten, chemischer Reinigung oder Sandstrahlen.

3. Vorbereitung der Oberfläche

Die Haftung zwischen dem Substrat und dem Umspritzmaterial hängt vom Zustand des Substrats ab. Daher müssen die Oberflächen beider Materialien gut vorbereitet werden, um die Wirksamkeit des Umspritzprozesses zu gewährleisten. Eine nicht vorbehandelte Oberfläche weist Verunreinigungen auf, ist oxidiert, hat eine geringe Oberflächenenergie und ist möglicherweise zu glatt, was zu einer verminderten Haftung führt. Dies hat zur Folge, dass sich das Bauteil ablöst, es zu einer Delaminierung kommt und das Bauteil vorzeitig ausfällt.

Es gibt mehrere Gründe, warum wir Oberflächen vor dem Umspritzen vorbereiten. Erstens entfernen wir Verunreinigungen wie Staub, Öle, Oxide und Formtrennmittel. Diese Verunreinigungen können die Haftung zwischen dem Substrat und den Umspritzmaterialien beeinträchtigen. Zweitens erhöht die Vorbereitung die Oberflächenenergie der Materialien. Diese Oberflächenenergie bezeichnen wir als Oberflächenbenetzbarkeit. Drittens verbessert die Oberflächenvorbereitung die mechanische Verriegelung zwischen dem Substrat und dem Umspritzmaterial.

Die Oberflächenvorbereitung ist eine zwingende Voraussetzung für Anwendungen, bei denen eine langfristige Haftfestigkeit entscheidend ist. Zu diesen Anwendungen zählen Bauteile für die Luft- und Raumfahrt, Sensoren für die Automobilindustrie, wasserdichte Elektronik und elektrische Steckverbinder. Für die Vorbereitung der Oberflächen stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung. Ein weit verbreitetes Verfahren ist die Plasmabehandlung. Dabei wird die Oberfläche gereinigt und die Oberflächenenergie erhöht, indem durch eine Plasmaentladung hochenergetische Ionen und Elektronen erzeugt werden.

Zu den weiteren Verfahren zählen die Koronabehandlung, die Flammbehandlung, das chemische Ätzen und die Laserstrukturierung.

4. Einlegen des Einsatzes

Das in dieser Phase gefertigte Substrat oder der Einsatz wird vor dem Einspritzen der Umspritzmaterialien präzise in die Zweikomponentenform positioniert. Sie müssen das Substrat mit höchster Präzision einsetzen, um die beste Qualität des Endprodukts zu erzielen. Wird der Einsatz falsch eingelegt, kann dies zu einer Fehlausrichtung des Umspritzmaterials führen, was wiederum die Bildung von Graten und eine schlechte Haftung zur Folge hat. Der Großteil des Ausschusses beim Umspritzen ist auf eine fehlerhafte Positionierung des Einsatzes zurückzuführen. Um diese Fehler zu vermeiden, setzen die meisten Hersteller auf automatisierte Handhabungssysteme. 

5. Zweite Injektion

In dieser Phase wird der Umspritzprozess definiert. Ein geschmolzenes Polymer wie TPE, TPU oder andere technische Thermoplaste wird in den Formhohlraum eingespritzt und fließt um das positionierte Substrat herum. Beim Kontakt mit dem Substrat verbinden sich die Materialien chemisch oder mechanisch. In dieser Phase müssen die Verarbeitungsparameter präzise gesteuert werden, da sie die Gesamtqualität des Endprodukts bestimmen.

Der Prozess beginnt mit der Zuführung von Polymergranulat in einen beheizten Zylinder. Der Zylinder verfügt über eine rotierende Schnecke, die das Granulat vorwärts befördert. Während die Granulate vorwärtsgeschoben werden, wird ihre Schmelztemperatur durch Heizbänder erhöht, während die Reibung zwischen der Schnecke und dem Polymer das Schmelzen des Polymers unterstützt. Dies führt zu einer homogenen Polymerschmelze. Die Polymerschmelze sammelt sich am vorderen Ende der Schnecke an, bis sich ein ausreichendes Volumen für den Einspritzvorgang angesammelt hat.

Während sich die Hubschraube weiter vorwärts bewegt, drückt sie das angesammelte geschmolzene Polymer durch die Düse, den Anguss, das Angusskanalsystem und die Angussöffnung in den Formhohlraum. Im Formhohlraum fließt das geschmolzene Material um das Substrat herum, wodurch eine Verbindung entsteht und das Material erstarrt. Sobald das geschmolzene Material um das Substrat herum erstarrt ist, lässt man es abkühlen. Anschließend wird das Endprodukt durch die Auswerferstifte aus der Form ausgestoßen. Die folgende Tabelle fasst die Verarbeitungsparameter zusammen.

Hinweis: Die genaue Schmelztemperatur hängt von den jeweiligen Polymertypen ab, die miteinander verbunden werden sollen. Es ist entscheidend, die Schmelztemperatur des zweiten Schusses strikt innerhalb des thermischen Verarbeitungsfensters des Materials zu halten, um eine kohäsive chemische Verbindung zu erzielen, ohne das darunterliegende kundenspezifische Substrat zu schmelzen oder zu zersetzen. ^[3].

Schlussfolgerung

Das Überformen bietet vielseitige Lösungen für fertigungstechnische Herausforderungen, indem verschiedene Materialien kombiniert werden, um die Funktionalität, Haltbarkeit, Ergonomie und Ästhetik eines Produkts zu verbessern. Hersteller, die ihren Produkten eine Soft-Touch-Oberfläche verleihen möchten, um die Griffigkeit oder Haptik zu verbessern und ein stilvolles Erscheinungsbild zu schaffen, das die Verbraucher anspricht, sind ideale Kandidaten für das Überformen. Wenn Sie ein einziges, massives Bauteil benötigen, das mehrere Materialschichten und Farben vereint, ist das Überformen die ideale Lösung für Sie.

Referenz

[1] Bernard, B. P., Nelson, N., Estill, C. F. und Fine, L. (1998). Der NIOSH-Bericht zum Hand-Arm-Vibrationssyndrom: Wachsamkeit ist entscheidend. Zeitschrift für Arbeits- und Umweltmedizin, 40(9), 780–785. Centers for Disease Control and Prevention (CDC) Stacks. Abgerufen unter https://stacks.cdc.gov/view/cdc/196388

[2] Internationale Elektrotechnische Kommission. (2013). IEC 60529:1989+AMD1:1999+AMD2:2013 CSV Konsolidierte Fassung: Schutzgrade von Gehäusen (IP-Code). Abgerufen von https://webstore.iec.ch/publication/2452

[3] Awaja, F., Gilbert, M., Kelly, G., Fox, B. und Pigram, P. J. (2009). Adhäsion von Polymeren. Fortschritte in der Polymerwissenschaft, 34(9), 948-968. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2009.04.007