Polyoxymethylen (POM) Spritzguss bei Mythentec

POM gehört zur Gruppe der technischen Thermoplaste und besitzt eine teilkristalline Werkstoffstruktur. Daraus ergibt sich eine Eigenschaftskombination, die insbesondere für mechanische Funktionsbauteile interessant ist. POM weist eine hohe Festigkeit und Steifigkeit bei gleichzeitig guter Zähigkeit auf und behält seine Abmessungen aufgrund der geringen Feuchtigkeitsaufnahme auch unter wechselnden Umgebungsbedingungen vergleichsweise stabil.

Charakteristisch sind zudem die niedrigen Reibwerte und die gute Verschleissbeständigkeit. Bewegliche Bauteile können dadurch in geeigneten Anwendungen mit geringer Reibung gegeneinander oder gegen andere Werkstoffe laufen. Diese Eigenschaften machen POM unter anderem für Gleitführungen, Zahnräder, Lagerstellen und mechanische Übertragungselemente interessant.

Auch die gute Ermüdungsfestigkeit sowie das günstige Rückstellverhalten sind für Bauteile relevant, die wiederholt mechanisch belastet werden. Je nach Werkstofftyp lassen sich deshalb auch Rast-, Feder- oder Schnappfunktionen direkt in ein Spritzgussteil integrieren.

POM besitzt darüber hinaus eine gute Beständigkeit gegenüber zahlreichen Kraftstoffen, Ölen, Fetten, Lösungsmitteln und anderen Medien. Die konkrete Medienbeständigkeit ist jedoch immer anhand des eingesetzten POM-Typs, der Konzentration, Temperatur und Einwirkdauer zu bewerten. Insbesondere gegenüber starken Säuren und stark oxidierenden Medien bestehen Einschränkungen.

Neben unveränderten Standardtypen stehen modifizierte POM-Compounds zur Verfügung. Je nach Anwendung können beispielsweise verstärkte, tribologisch optimierte, elektrisch modifizierte, UV-stabilisierte oder für bestimmte regulatorische Anforderungen ausgelegte Typen eingesetzt werden. Dadurch lässt sich das Eigenschaftsprofil gezielt auf die spätere Funktion des Bauteils abstimmen.

POM-C und POM-H im Vergleich

Grundsätzlich wird zwischen POM-C als Copolymer und POM-H als Homopolymer unterschieden. Beide Werkstoffgruppen besitzen die für POM charakteristische Kombination aus hoher Festigkeit, guter Masshaltigkeit und günstigen Gleiteigenschaften, unterscheiden sich jedoch in einzelnen technischen Eigenschaften.

• POM-H erreicht typischerweise eine etwas höhere Festigkeit, Steifigkeit und Härte. Je nach Anwendung kann dies bei stark mechanisch beanspruchten Präzisionsbauteilen von Vorteil sein.
• POM-C bietet dagegen häufig Vorteile hinsichtlich chemischer und thermischer Beständigkeit sowie Verarbeitungsstabilität. Insbesondere bei Anwendungen mit Medienkontakt oder erhöhten Anforderungen an das Langzeitverhalten kann dies relevant sein.

Eine pauschale Auswahl zwischen POM-C und POM-H ist deshalb nicht sinnvoll. Entscheidend sind unter anderem mechanische Belastung, Temperaturbereich, Medienkontakt, Reibpaarung, Bauteilgeometrie und die geforderte Masshaltigkeit. Zusätzlich müssen die Eigenschaften des konkreten Materialtyps und eventueller Additive berücksichtigt werden.

POM lässt sich im Kunststoff-Spritzgiessen wirtschaftlich zu komplexen technischen Serienbauteilen verarbeiten. Der teilkristalline Werkstoff stellt jedoch spezifische Anforderungen an die Prozessführung. Für reproduzierbare Bauteile müssen insbesondere Temperaturführung, Füllverhalten, Nachdruck und Kühlung auf Materialtyp, Geometrie und Werkzeug abgestimmt werden.

Im Gegensatz zu stark hygroskopischen Kunststoffen nimmt POM nur wenig Feuchtigkeit auf. Bei sachgerechter Lagerung ist daher für viele POM-Typen keine intensive Vortrocknung erforderlich. Entscheidend sind jedoch immer die Verarbeitungsvorgaben des jeweiligen Materialherstellers sowie die tatsächlichen Lagerungsbedingungen.

Besondere Aufmerksamkeit erfordert die thermische Prozessführung. POM besitzt ein definiertes Verarbeitungsfenster und sollte weder unnötig hohen Massetemperaturen noch langen Verweilzeiten ausgesetzt werden. Werkzeug, Plastifiziereinheit und Prozessparameter müssen deshalb so aufeinander abgestimmt sein, dass das Material kontrolliert aufgeschmolzen und ohne unnötige thermische Belastung verarbeitet wird.

Aufgrund seiner teilkristallinen Struktur zeigt POM während der Abkühlung eine vergleichsweise ausgeprägte Volumenkontraktion. Die daraus resultierende Verarbeitungsschwindung muss bereits bei der Werkzeugauslegung berücksichtigt werden. Ihre tatsächliche Höhe hängt unter anderem vom Materialtyp, von Wandstärken, Fliesswegen, Werkzeugtemperatur und Nachdruckbedingungen ab.

Die Eigenschaften von POM lassen sich besonders gut nutzen, wenn die Bauteilgeometrie bereits in der Entwicklungsphase auf Werkstoff und Fertigungsverfahren abgestimmt wird. Neben der mechanischen Funktion müssen dabei Fliessverhalten, Schwindung, Entformung und Abkühlung berücksichtigt werden.

Möglichst gleichmässige Wandstärken unterstützen eine homogene Füllung und Abkühlung. Starke Materialanhäufungen sollten nach Möglichkeit vermieden werden, da sie längere Kühlzeiten, unterschiedliche Schwindung und lokale Einfallstellen begünstigen können. Sind unterschiedliche Wandstärken konstruktiv erforderlich, sollten Übergänge möglichst gleichmässig ausgeführt werden.

Radien reduzieren Spannungsspitzen und verbessern gleichzeitig das Fliessverhalten der Kunststoffschmelze. Ausreichende Entformungsschrägen erleichtern die sichere Entnahme des Bauteils aus dem Werkzeug und schützen empfindliche Oberflächen oder Strukturen.

Rippen können zur Erhöhung der Bauteilsteifigkeit eingesetzt werden, ohne massive Wandstärken aufzubauen. Ihre Dimensionierung und Anbindung müssen jedoch so gestaltet sein, dass lokale Materialanhäufungen und daraus resultierende Oberflächen- oder Massabweichungen möglichst vermieden werden.

POM eignet sich zudem für die Integration mechanischer Funktionen. Rastnasen, Schnappverbindungen, Führungen, Lagerstellen oder Verzahnungen können abhängig von Belastung und Geometrie direkt Bestandteil des Spritzgussteils sein. Gerade bei solchen Funktionsbereichen müssen zulässige Dehnung, Dauerbelastung, Kerbwirkung und Fertigungstoleranzen bereits während der Konstruktion berücksichtigt werden.

Bei hochpräzisen Baugruppen sollte nicht nur die einzelne Bauteiltoleranz betrachtet werden. Entscheidend ist das Zusammenspiel sämtlicher Komponenten unter den späteren Einsatzbedingungen.

Bei POM müssen insbesondere das ausgeprägte Schwindungsverhalten des teilkristallinen Werkstoffs und die Anforderungen an eine kontrollierte Temperaturführung berücksichtigt werden.

Die Lage und Dimensionierung der Anspritzpunkte beeinflussen Fliesswege, Druckverteilung, Orientierung und Nachdruckwirkung. Das Angusskonzept wird deshalb anhand von Bauteilgeometrie, Materialtyp und Qualitätsanforderungen festgelegt. Bei komplexeren Geometrien muss zusätzlich berücksichtigt werden, an welchen Stellen sich Fliessfronten treffen und welche Auswirkungen daraus auf mechanische oder optische Funktionsbereiche entstehen können.

Eine ausreichende Werkzeugentlüftung unterstützt eine kontrollierte Formfüllung und reduziert das Risiko eingeschlossener Luft. Gleichzeitig muss die Temperierung so ausgelegt sein, dass das Bauteil möglichst gleichmässig abkühlt. Besonders bei Bauteilen mit engen Toleranzen ist eine reproduzierbare thermische Werkzeugbalance entscheidend.

Auch die erwartete Verarbeitungsschwindung fliesst in die Dimensionierung der Kavität ein. Da sie nicht allein eine konstante Materialkennzahl ist, sondern von Materialtyp, Geometrie und Prozessbedingungen beeinflusst wird, wird die Werkzeugauslegung auf die konkrete Anwendung abgestimmt.

Abhängig von Stückzahl, Bauteilgrösse und Projektanforderungen können unterschiedliche Werkzeug- und Angusskonzepte eingesetzt werden. Ziel ist stets ein technisch zuverlässiges und zugleich wirtschaftliches Konzept für die geplante Serienproduktion.

POM-Spritzgussteile können bereits im Werkzeug mit unterschiedlichen Oberflächenstrukturen gefertigt werden. Die resultierende Oberfläche wird unter anderem durch Werkzeugoberfläche, Materialtyp und Prozessbedingungen beeinflusst. Je nach Bauteil können glatte technische Oberflächen ebenso vorgesehen werden wie definierte Strukturen.

Bei nachfolgenden Oberflächenbehandlungen weist POM jedoch eine Besonderheit auf: Die geringe Oberflächenenergie erschwert das Lackieren, Bedrucken und insbesondere das Kleben im Vergleich zu vielen anderen Kunststoffen. Soll eine solche Weiterverarbeitung erfolgen, müssen Werkstofftyp, Vorbehandlung und eingesetztes Verfahren frühzeitig aufeinander abgestimmt werden.

Mechanische Nachbearbeitungen wie Bohren, Fräsen oder andere spanende Bearbeitungsschritte sind grundsätzlich möglich und können beispielsweise bei Funktionsflächen oder nachträglich einzubringenden Geometrien eingesetzt werden. In vielen Fällen ist es wirtschaftlicher, benötigte Funktionen direkt in das Spritzgussteil zu integrieren.

Auch mechanische Fügeverfahren, Schnappverbindungen oder geeignete Schweissverfahren können abhängig von Bauteil, POM-Typ und Fügestelle eingesetzt werden. Bei besonderen Anforderungen an Kennzeichnung oder Beschriftung können zudem entsprechend geeignete beziehungsweise modifizierte Werkstofftypen berücksichtigt werden.

Mythentec kann Spritzgussteile bei Bedarf in nachgelagerte Weiterverarbeitungs- und Montageschritte überführen. Welche Verfahren technisch sinnvoll sind, wird auf Grundlage der Bauteilfunktion und des konkreten Werkstoffs bewertet.