Dichtes Umspritzen von Einlegeteilen und deren Prüfung

(PresseBox) (Lüdenscheid, ) Das Umspritzen von Einlegeteilen, auch Hybridtechnik genannt, ist eine etablierte Technik. Der Trend geht jedoch zu immer komplexeren Bauteilen gepaart mit steigenden Anforderungen an die Dichtigkeit.

Durch die vielen Anwendungsmöglichkeiten spritzgießtechnisch hergestellter Hybridbauteile entstehen immer neue Problemstellungen. Eines dieser Problemfelder ist die Herstellung eines mediendichten Verbundes beim Umspritzen von Einlegeteilen. In einigen Geschäftsbereichen wird der dichte Verbund aus hygienischen Gründen gefordert oder in anderen Fällen um Beschädigungen im Inneren der Bauteile durch aggressive Medien und Umwelteinflüsse verhindern.

Das Kunststoff-Institut Lüdenscheid beschäftigt sich intensiv mit der Herstellung solcher dichten Verbünde. Kundenseitig werden neben komplexen Baugruppen vermehrt Fragestellungen im Bereich der dichten Umspritzung von Steckerkontakten und Rundleitern an das Haus herangetragen.

Umspritzen von Steckerkontakten

Wird ein umspritzter Steckerkontakt in der Grenzstelle betrachtet, kann man sagen, dass die Umspritzmasse sich dicht an den Einleger angepasst hat. Bei näherer Betrachtung, bspw. mittel einer REM-Aufnahme, werden Spalte sichtbar. Diese Spalte liegen bei Probekörpern des Kunststoff-Institut Lüdenscheids im Bereich von 14-18 µm. Diese Spaltbildung reicht aus, um Feuchtigkeit aufgrund der Kapillarwirkung eindringen zu lassen. Diese Feuchtigkeit gelangt zu den elektronischen Komponenten und verursacht dort Kurzschlüsse, Fehlströme oder lässt die Kontakte sogar korrodieren, wodurch die dauerhafte Funktion stark beeinträchtigt werden kann.

Ziel eines am Kunststoff-Institut Lüdenscheid durchgeführten Verbundprojektes war es, eine Matrix zu erstellen, aus der die erreichbaren Dichtigkeiten für Metall-Kunststoff-Verbindungen entnommen werden können. Diese Matrix sollte, auf Praxisversuchen beruhend, als Entscheidungshilfe dienen, um im Vorfeld erreichbare Dichtigkeiten abschätzen zu können bzw. um dem Anwender eine Übersicht zu geben, welche Verfahren zur Verfügung stehen, um die Dichtigkeiten an Hybridbauteilen zu erhöhen.

Bei den Metall-Kunststoff-Verbindungen wurden Stanzgitter aus einem CuSn6, mit verzinnter Oberfläche in die Versuchsreihe eingebunden. Um den Einfluss auf die erreichbaren Dichtigkeiten aufzuzeigen, wurden die Umspritzmaterialien, die Verfahrensparameter und die Einlegertemperaturen variiert. Ferner wurde der Einsatz von Haftvermittlern und zusätzlichen Fertigungsschritten auf die Dichtigkeit berücksichtigt. Die erreichten Leckagen der Versuchsteile wurden mittels Differenzdruckmethode ermittelt. Um den Einfluss der Alterung zu analysieren, wurden die Bauteile drei unterschiedlichen Klimawechseltests ausgesetzt.

Es wurde gezeigt, dass der Füllstoffanteil und die -art des Umspritzmaterials einen großen Einfluss auf die Dichtigkeit des Hybridbauteils haben. Glaskugelgefüllte Werkstoffe zeigten geringere Leckagen als glasfasergefüllte Materialien. Dies ist aller Wahrscheinlichkeit nach auf eine näherungsweise isotrope Schwindung derartiger Materialien zurückzuführen. Glasfasergefüllte Werkstoffe schwinden anisotrop und führen zu größeren Spalten und daher zu größeren Leckagen. Grundlegend konnte ermittelt werden, dass höhere Füllstoffgehalte tendenziell zu höheren Leckagen führen.

Kann der Anwender die Art der Umspritzmasse nicht ändern, kann er beispielspielsweise Haftvermittler einsetzen. Haftvermittler die auf ein metallisches Einlegeteil appliziert werden, bedeuten jedoch einen zusätzlichen Arbeitsschritt, welcher mit zusätzlichen Kosten verbunden. Dies muss im Vorfeld in die Kalkulation eingebracht werden. In den Untersuchungen wurden verschiedene Haftvermittler eingesetzt und deren Einfluss auf die Mediendichtigkeit der Hybridbauteile untersucht. Die Materialkombinationen wurden dabei unterschiedlichen Bauteilstressungen ausgesetzt, welche den späteren Einsatz simulieren.

Es wurden Haftvermittlersysteme ermittelt, welche eine Steigerung der Dichtigkeit des Verbundes gegenüber der unbeschichteten Referenz hervorrufen können. Allen Haftvermittlern gemeinsam ist die Erkenntnis, dass sie auf das Gesamtsystem und deren Anforderungen abgestimmt sein müssen. In die Versuchsreihen wurden im Markt befindliche Systeme getestet. Die Auswahl wurde anhand des chemischen Aufbaus, der thermischen und mechanischen Eigenschaften durchgeführt.

Hierbei konnten Haftvermittler ermittelt werden, die die Dichtigkeit der Hybridbauteile um den Faktor 7 steigern konnten.

In einem weiteren Versuchsaufbau wurde die Möglichkeit eines nachträglichen Abdichtens undichter Hybridbauteile eruiert. Hierbei wurden duroplastische Vergussmassen auf Basis von Polyurethan, Epoxid, Silikon und Methacrylat eingesetzt die auf bewusst gewählte, undichte Umspritzungen appliziert wurden. Die Dichtigkeit der nachbehandelten Verbünde wurde analog zu den anderen Untersuchungen über den Verlauf der drei Bauteilstressungen erfasst und bewertet. Hierbei zeigte sich, dass der Verguss zu höheren Dichtigkeiten des Verbundes führen kann. Problematisch sind für die Vergussmassen schockartige klimatische Prüfbedingungen, da diese bei tiefen Temperaturen verspröden. Innerhalb der Tests konnten allerdings Materialkombinationen ermittelt werden, die den Anforderungen standhielten.

Erzielbare Dichtigkeiten beim Umspritzen von Rundleitern

Neben der Umspritzung metallischer Einleger werden dem Kunststoff-Institut vermehrt Fragestellungen im Bereich der Kabel- und Rundleiterumspritzung gestellt. Hierbei ist das Umspritzen von Rundleitern mit thermoplastischen Kunststoffen weit verbreitet und Stand der Technik. Anwendungsbeispiele finden sich im Automotivbereich, weiße Ware und der Photovoltaik. Aktuell werden die Anforderungen an diese Systeme weiter vorangetrieben, sodass vermehrt mediendichte Verbünde durch das Umspritzen gefordert werden. Eben diese Verbünde stellen die Verarbeiter vor einer hohen Herausforderung, da oftmals chemische unähnliche Materialien vom Rundleiter und dem Umspritzmaterial miteinander kombiniert werden müssen. Liegen bei einer entsprechenden Anwendung, chemisch unähnlich Materialien vor, können sich diese auch durch den Umspritzprozess nicht miteinander verbinden, sodass ein Spalt entstehen kann. Eben in diesen Spalt können Flüssigkeiten eindringen, wodurch die Bauteile als nicht mediendicht beurteilt werden.

Innerhalb der Versuchsreihen wurden dreizehn Rundleiter aus den Bereichen Photovoltaik, Automotiv, Medizin und Industrie getestet. Die Tests zeigten, dass sich nicht alle Rundleiter während des Umspritzprozesses gleich verhielten. Im Bereich der Photovoltaik kam es bei einem Rundleiter zu Buthylsteratausschwitzungen, die eine Verbundhaftung zum Umspritzmaterial verhinderten. Ferner wurden Nachschwindungseffekte aufgezeigt, die zu einer Spaltbildung in der Grenzstelle führten.

Um eben diese Materialkombinationen dennoch mit einer Mediendichtigkeit ausstatten zu können, wurden Haftvermittler eingesetzt. Hierbei wurde zwischen Haftvermittlerfolien und Hotmelts unterschieden, die vor dem finalen Umspritzprozess auf den Rundleiter appliziert wurden. Letztere können mit Vergussmaschinen aufgetragen werden die in die Spritzgießkette eingebunden werden können. Die Ergebnisse zeigen, dass durch den Einsatz von Haftvermittler eine absolute Mediendichtigkeit erzielt werden kann.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Erzielung eines dauerhaften mediendichten Verbundes bei dem Umspritzen von Rundleitern vorrangig von der chemischen Kompatibilität abhängt. Diese kann durch geeignete Vorbehandlungsmethoden verbessert bzw. bei unähnlichen Partnern durch Haftvermittler, die in Form von Folien oder Hotmelts auf den Rundleitern appliziert werden, von einem Grobleck in einen absolut dichten Verbund überführt werden. Weitere Aktivitäten in diesem Bereich sollten die Eigenart der entsprechenden Rundleiter berücksichtigen (Nachschwindung und Ausschwitzen von Stoffen) und insbesondere bei den chemisch unähnlichen Werkstoffkombinationen die serientechnische und einfache Einbindung von geeigneten Vorbehandlungsmethoden Berücksichtigen.

Wann ist ein Bauteil dicht?

Die Frage nach der Dichtigkeit stellt sich oftmals in Verbindung mit dem Eindringen von Flüssigkeiten in ein System. Hierzu werden oftmals IP Prüfungen herangezogen, die eine Aussage treffen, ob ein Bauteil nach der Prüfung noch funktionstüchtig ist und das beispielsweise Wasser nur in dem Maße eingedrungen ist, dass es die Funktion nicht beeinträchtigt. Der Anwender erhält bei diesen Prüfungen ausschließlich eine Aussage, ob das Bauteil den Prüfungen standgehalten hat oder nicht. Eine Qualifizierung beispielsweise unterschiedlicher Materialien, Konstruktionen, etc. fällt schwer. Daher sollte bei der Prüfung der Bauteile nach IP - Schutzklassen immer eine Prüfung mit gasförmigen Medien (z. B. Luft) durchgeführt werden. Eine bewährte Dichtigkeitsprüfung ist die Differenzdruckmethode die für Bauteile im Bereich der IP 67, IP 69, etc. verwendet werden kann. Aus der Prüfung nach IP Schutzgraden mit anschließender Prüfung nach dem Differenzdruckverfahren konnten Richtwerte ermittelt werden, die nachfolgend aufgeführt sind.

- Wasserdicht 0,5 cm³/min bis 12 cm³/min
- Öldicht 0,6 cm³/min bis 4,5 cm³/min
- Benzindicht 0,1 cm³/min bis 3 cm³/min

Der Vorteil der Differenzdruckprüfung liegt darin, dass definierte Werte ermittelt werden können. Darüber hinaus lässt sich dieses Verfahren, aufgrund der relativ kurzen Prüfzeiten, auch als 100% Prüfung in die Serienproduktion einbinden. Aus den oben genannten Werten ist die enorme Spanne ersichtlich, die sich aufgrund unterschiedlicher Konstruktionen und Anforderungen ableiten lassen. Daraus ist ersichtlich, dass für jeden Anwendungsfall die Dichtigkeit und die Toleranzen individuell ermittelt werden müssen.

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