Reaktionsspritzguss (RIM): Was ist das?

In diesem Artikel beleuchten wir detailliert, was Reaktionsspritzgießen ist, welche verschiedenen Arten dieser Fertigungstechnologie es gibt, welche Materialien verwendet werden und welche Vor- und Nachteile sie bietet . Tauchen wir ein in die Welt des Reaktionsspritzgießens.

Was ist Reaktionsspritzguss?

Reaktionsspritzgießen ist ein Produktionsverfahren, bei dem niedrigviskose Duroplaste gemischt, in eine Form gepumpt und dort ausgehärtet werden. Dabei nehmen die Formteile die durch die Form vorgegebene Gestalt an. Im Gegensatz zum herkömmlichen Spritzgießen, bei dem die Formteile lediglich abkühlen müssen, um ihre Form zu erhalten, benötigen RIM-Teile Zeit zum Aushärten, damit sich ihre Form festigt.

Beim RIM-Verfahren werden zwei flüssige Komponenten unter hohem Druck gründlich vermischt und anschließend unter niedrigem Druck in den Formhohlraum eingespritzt. Dieser niedrige Einspritzdruck ist für das Verfahren wichtig, da er im Vergleich zum herkömmlichen Spritzgießen den Einsatz kostengünstigerer Werkzeuge ermöglicht.

Beim Kunststoffspritzgießen kühlt das Material einfach im Werkzeug ab . Beim Reaktionsspritzgießen hingegen findet eine chemische Reaktion zwischen den verschiedenen Komponenten im Werkzeug statt, wodurch das fertige Bauteil entsteht. Diese Reaktion verläuft schnell, und die Zykluszeiten beim Reaktionsspritzgießen können unter 60 Sekunden liegen.

2 Arten des Reaktionsspritzgießens

Ein häufig genannter Vorteil des Reaktionsspritzgießverfahrens ist die hohe Designflexibilität, die es ermöglicht. Bauteileigenschaften wie Flexibilität und Festigkeit lassen sich weitgehend steuern.

Ein Faktor, der dies ermöglicht, ist die Verfügbarkeit verschiedener Arten von RIM-Verfahren.

Strukturelles Reaktionsspritzgießen (SRIM)

Das Strukturreaktionsspritzgießen (SRIM) ist eine Art des RIM-Verfahrens, das zur Herstellung von Bauteilen mit höherer Steifigkeit eingesetzt wird. Dies wird durch die Verstärkung der Bauteile mit verschiedenen Fasern erreicht. Im Gegensatz zu anderen RIM-Verfahren liegen die beim SRIM verwendeten Fasern in folgender Form vor:

• Mats
• Meshes
• Vorformlinge

Die Verstärkungselemente werden vor dem Einspritzen des flüssigen Polymers in die Formen eingelegt. Teile, die mittels Strukturreaktionsspritzgießen hergestellt werden, finden in verschiedenen Branchen Anwendung, darunter in der Medizin- , Automobil- und Luftfahrtindustrie.

Zu den mit dieser Technologie hergestellten Bauteilen gehören Regale, Paneele und Türen, bei denen Steifigkeit ein wichtiges Merkmal ist.

Für optimale Ergebnisse müssen die in SRIM verwendeten Siebe oder Matten vollständig gesättigt sein. Daher werden in diesem Verfahren sehr niedrigviskose flüssige Polymere bevorzugt, da diese besser in der Form fließen können.

Verstärktes Reaktionsspritzgießen (RRIM)

Das verstärkte Reaktionsspritzgießen ist eine Variante des RIM-Verfahrens, die zur Herstellung wesentlich größerer Bauteile eingesetzt wird. Dank seiner Fähigkeit, langlebige und leichtere Bauteile zu produzieren, gewinnt es in der Transportindustrie zunehmend an Bedeutung.

Ähnlich wie beim SRIM werden beim RRIM dem Formteil Verstärkungsfasern hinzugefügt. Es gibt jedoch einige wichtige Unterschiede, darunter:

• Die im RRIM-Verfahren verwendeten Fasern sind Kurzstrangfasern. Die Fasern werden zuvor gehackt oder gemahlen.
• Die Fasern und das flüssige Polymer werden gemischt, bevor sie in die Form eingespritzt werden

Glasfasern sind die herkömmlichen Verstärkungsmittel , aber der Einsatz von Kohlenstofffasern wird immer üblicher.

Teile, die mit dem RRIM-Verfahren hergestellt werden, sind deutlich fester und schlagfester als Teile, die im herkömmlichen RIM-Verfahren gefertigt werden. Daher eignet sich dieses Verfahren gut zur Herstellung von Bauteilen wie Karosserieteilen, die verformungs- und verschleißfest sein sollen.

Im Vergleich zu Verfahren wie dem Formpressen schrumpfen RRIM-Teile beim Entformen deutlich weniger. Auch die Wärmeausdehnung ist bei extremen Temperaturen geringer.

In RIM verwendete Komponenten und Materialien

Reaktionsspritzgießen ermöglicht die Herstellung von Bauteilen mit einem breiten Eigenschaftsspektrum. Dies ist den verschiedenen Rohstoffen und Additiven zu verdanken, die mit diesem Verfahren kompatibel sind.

Polyurethan ist der Werkstoff, der am häufigsten mit RIM in Verbindung gebracht wird, aber auch Teile aus Polyharnstoffen, Polyamiden, Silikon und anderen Werkstoffen können mit dem RIM-Verfahren verarbeitet werden.

Arten von Materialien im Zusammenhang mit RIM

Je nach Zusammensetzung des flüssigen Duroplasts können im Reaktionsspritzgießverfahren Teile aus folgenden Materialien hergestellt werden:

• Strukturschäume: Strukturell Polyurethanschäume sind leicht, steif und langlebig. Diese Materialien haben eine Zellstruktur, die durch Treibmittel erreicht wird. Strukturschäume können in eine Vielzahl von Formen gebracht werden und werden sogar anstelle einiger Spritzgussteile verwendet. Diese Schäume werden verwendet für starre Gehäuse beschützen medizinische und elektronische Geräte.

• Elastomere Polyurethane: Diese Klasse von Polyurethanen ist sehr flexibel und verfügt über eine hervorragende Schlag-, Abrieb- und Korrosionsbeständigkeit. Diese Materialien sind beliebt für militärische Anwendungen, und können auch lackiert oder pigmentiert werden.

• Flexible Schaumstoffe: Diese Elastomerschäume sind deutlich dichter, bleiben aber dennoch flexibel. Je nach Material kann die Materialoberfläche eine hautähnliche Oberfläche aufweisen oder nicht. Die hautähnliche Oberfläche macht die Teile leichter zu reinigen und langlebiger. Diese Materialien werden für medizinische Geräte, Produkte für Babys usw. verwendet.

• Hartschaumstoffe: Diese styroporähnlichen Materialien können im Vergleich zu Strukturschäumen ein breiteres Spektrum an Dichten erreichen und sind beständiger gegen Chemikalien. Zu den Anwendungen, bei denen Hartschäume eingesetzt werden, gehören Schwimmhilfen. 

• Dicyclopentadien: Dieses Material, auch DCPD genannt, wird aus erhitzten Gasölen hergestellt. Sie haben eine sehr hohe Schlagfestigkeit und werden verwendet, um Schutzschilde herstellen Wird im Militär- und Verteidigungsbereich sowie in schweren Maschinen verwendet.  

In RIM verwendete Additive und Katalysatoren

Ohne den Einsatz verschiedener Additive wäre das Reaktionsspritzgussverfahren nicht so erfolgreich wie heute. Zu diesen Zusatzstoffen gehören:

• Katalysatoren: Katalysatoren sind Substanzen, die hinzugefügt werden chemische Reaktionen um sie zu beschleunigen oder den für die Reaktionen erforderlichen Druck und die Temperatur zu senken. Amine, Zinn, Zink, Wismut und sogar Zirkonium wurden als Katalysatoren bei der Herstellung von Polyurethanen verwendet.

• Surfactants: Diese Verbindungen reduzieren die Oberflächenspannung zwischen flüssigen, gasförmigen und festen Komponenten. Beim RIM tragen sie zur Stabilisierung und Aushärtung des Polyurethanschaums bei, indem sie dessen Zerfall verhindern. Sie helfen außerdem, die Zellgröße zu kontrollieren und Begrenzen Sie die Schrumpfung nach der Aushärtung. 

• Treibmittel: Diese Substanzen erzeugen Gase, die wiederum die Zellen in den RIM-Teilen bilden. Ein Treibmittel kann entweder chemisch oder physikalisch sein. Häufig verwendete Treibmittel sind Wasser und flüssiges Kohlendioxid.

• Antioxidantien und UV-Stabilisatoren: Diese werden hinzugefügt zu die Abbaurate begrenzen des letzten Teils.

• Pigmente: Diese werden hinzugefügt, um dem Produkt eine bestimmte Farbe.

• Weichmacher: Weichmacher können hinzugefügt werden, um das Endteil flexibler zu machen.

Prozess von RIM

Der grundlegende Prozess des Reaktionsspritzgießens beginnt mit zwei Flüssigkeiten, die in zwei separaten Tanks gelagert werden. Diese Flüssigkeiten werden getrennt aufbewahrt und können während der Lagerung unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Wenn der RIM-Prozess gestartet werden soll, werden die folgenden Schritte befolgt.

Schritt 1: Komponenten messen oder dosieren

Für die Mischung werden präzise Flüssigkeitsmengen aus den Lagertanks entnommen. Die Mengen der einzelnen Komponenten müssen genau kontrolliert werden , da sie die Eigenschaften des Endprodukts beeinflussen. Hierfür werden Dosiereinheiten eingesetzt.

Schritt 2: Mischen 

Die beiden genau abgemessenen Flüssigkeiten werden mithilfe eines Prallmischers unter hohem Druck vermischt . Dadurch werden alle flüssigen Komponenten, einschließlich etwaiger notwendiger Zusätze, gründlich vermischt.

Schritt 3: Mischung in die Form verteilen

Das Einfüllen der flüssigen Mischung in den Formhohlraum erfolgt unmittelbar nach dem Mischen, da die chemischen Reaktionen zwischen den Komponenten mit dem Mischen beginnen.

Die Flüssigkeit wird vom Nachmischer in die beheizte Form dosiert, der sie unter reduziertem Druck gut durchmischt . Die Temperatur der Mischung ist in dieser Phase im Vergleich zum herkömmlichen Spritzgießen ebenfalls niedriger (140–248 °F).

Wenn sich die flüssige Mischung in der Form befindet, findet eine exotherme Reaktion der Komponenten statt. Das Material verbleibt lange genug in der Form, damit die Ausdehnung und Aushärtung erfolgen kann. Dadurch nimmt der entstehende Feststoff die Form der Form an und behält sie bei.

Schritt 4: Abkühlen

Die exotherme Reaktion kann zu Temperaturen von bis zu 350 °F (177 °C) im Inneren der erhitzten Form führen. Um das Formteil von Hand entnehmen zu können, müssen diese Temperaturen gesenkt werden. Dies geschieht mithilfe von Wasserleitungen innerhalb der Form.

Schritt 5: Entformen

Sobald das Teil ausreichend ausgehärtet und abgekühlt ist, wird es aus der Form gelöst. Dieser Vorgang muss sorgfältig durchgeführt werden, um eine Beschädigung des frischen Teils zu vermeiden.  

Schritt 6: Nachbearbeitung

Dies kann, falls vom Kunden gewünscht , das Entfernen von überschüssigem Material oder das Aufbringen einer Behandlung oder Beschichtung auf die Oberfläche des fertigen Teils umfassen.

Vorteile und Grenzen von RIM

Das Reaktionsspritzgießen bietet gegenüber dem herkömmlichen Spritzgießen und anderen Fertigungsverfahren eine Vielzahl von Vorteilen. Zu diesen Vorteilen gehören:

• Überlegene Teileeigenschaften: Die im RIM-Verfahren hergestellten Teile können stärker, leichter und flexibler als Teile, die mit anderen Fertigungsverfahren hergestellt wurden. Dadurch konnte es in einigen Anwendungen sogar den Kunststoffspritzguss ersetzen.

• Größere und dünnere Teile: Im Vergleich zum Spritzguss hat die Mischung, die in die Form in RIM abgegeben wird, eine viel niedrigere Viskosität. Diese Mischung ist leichter fließfähig, sodass Hersteller größere Teile oder Teile mit dünneren Wänden herstellen können. 

• Verwendung von Einlagen: Ein weiterer Vorteil der niedrigen Viskosität der im RIM-Verfahren verwendeten Mischungen besteht darin, dass viele Einsätze erfolgreich in der Form verwendet werden können. Dies ermöglicht mehr komplexe Formen im Teil erreicht werden.

• Geringe Werkzeugkosten: Die Einrichtung eines Kunststoffspritzgusses ist teuer, da die verwendeten Werkzeuge hohen Temperaturen und Drücken standhalten müssen. Andererseits verwendet RIM niedrigere Temperaturen und Drücke und erfordert geringere Schließkräfte. Dies ermöglicht die Verwendung kostengünstigerer und leichter zu bearbeitender Formmaterialien, einschließlich Aluminium. 

Leider ist RIM kein perfekter Prozess und bringt einige Herausforderungen mit sich. Diese beinhalten:

• Längere Zykluszeiten: Im Vergleich zum Spritzgießen hat das Reaktionsspritzgießen eine deutlich längere Zykluszeit. Spritzgegossene Teile können in Sekundenschnelle hergestellt werden, während die Zykluszeiten für RIM-gefertigte Teile in der Regel mehrere Minuten.

• Begrenzte Materialoptionen: Polyurethan ist zwar eines der am häufigsten verwendeten Materialien, aber das RIM-Verfahren funktioniert derzeit nicht mit thermoplastischen Polymeren und vielen anderen Materialien.

• Schadstoffe: Einige der Materialien, die für das Reaktionsspritzgießen verwendet werden, produzieren flüchtige organische Verbindungen.

• Werkzeuge mit geringer Kraft: Die für RIM verwendeten Werkzeuge können hergestellt werden aus weniger teure Materialien. Allerdings sind sie dadurch auch leichter zu beschädigen und weniger für die Massenproduktion geeignet. 

Anwendungen von RIM

Im RIM-Verfahren hergestellte Teile finden sich in vielen Branchen, und die Liste wächst stetig . Dieses Fertigungsverfahren eignet sich im Vergleich zum Kunststoffspritzguss besser für Produkte mit geringeren Stückzahlen.

Einige bemerkenswerte Beispiele für die Verwendung von RIM-Produkten sind:

• Gehäuse und Gehäuse für die Elektronik
• Paneele und Kanäle für die Luft-und Raumfahrtindustrie
• Motorgehäuse in der Schifffahrtsindustrie
• Türen, Fenster und Revisionsklappen in der Bauindustrie
• Flexible und elastische Produkte für die Sport- und Freizeitbranche.
• Automobilstoßstangen, Türverkleidungen, Armlehnen und Spoiler in der Transportindustrie
• Gehäuse für Geräte im medizinischen Bereich, wie zum Beispiel CT-Scanner und MRTs.

Fazit

Reaktionsspritzgießen ist ein Fertigungsverfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Duroplasten. Dadurch ergeben sich gegenüber dem herkömmlichen Spritzgießen mehrere Vorteile , darunter geringere Werkzeugkosten dank niedrigerer Prozesstemperatur und niedrigerem Prozessdruck.

Im RIM-Verfahren hergestellte Teile lassen sich verstärken, um ihre Festigkeit oder Steifigkeit zu erhöhen. Die Liste der kompatiblen Werkstoffe ist zwar noch kurz, wächst aber stetig. RIM findet bereits in vielen Schlüsselindustrien Anwendung , darunter die Medizin-, Automobil- und Luftfahrtindustrie.

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