Das Umspritzen ist ein vielseitiges Fertigungsverfahren, das über den Spritzguss einen thermoplastischen Kunststoff an ein festes Kunststoffsubstrat bindet. Diese Methode bietet eine leistungsstarke Kombination aus Ästhetik, Haptik und funktioneller Leistung und bietet zudem Vorteile wie eine überlegene Griffigkeit, Stoßdämpfung, Schlagfestigkeit, verbesserten Oberflächenschutz und bessere chemische Isolierung für ein insgesamt verbessertes taktiles Erlebnis. 

Ein wesentlicher Vorteil des Umspritzens ist seine Fähigkeit, mehrere Materialien (und Komponenten) in ein einziges Werkstück umzuwandeln, das durch mechanische und chemische Verbindungen zusammenhält. Dieses Verfahren eignet sich perfekt für Projekte, die kundenspezifische Designs, Flexibilität und eine verbesserte Funktionalität erfordern, und reduziert dabei die Kosten für die Konsolidierung einzelner Bauteile in ein einzelnes integriertes Werkstück.

Kurzanleitung

Die folgende Tabelle bietet einen kurzen Überblick über die wichtigsten technischen Details, Materialien und Vorteile des Umspritzens.

Arten von Umspritzverfahren

Es folgt eine kurze Beschreibung der vorwiegend eingesetzten Umspritzmethoden:

• Starrer Kunststoff über Metall: Ein Metallbauteil fungiert als Substrat, um das Kunststoff geformt wurde. Das Metallteil kann dabei CNC-bearbeitet oder gegossen sein, und wird in die Spritzgussform platziert, in die dann der geschmolzene Kunststoff ein- und um das Werkstück herumgespritzt wird. Diese Methode, die man häufig bei der Arbeit mit Inserts oder Transferformen verwendet, ist ideal für die Produktion von Teilen, die die Festigkeit von Metallen mit dem ästhetischen Finish eines Kunststoffes verbinden sollen. Also zum Beispiel Handgriffe oder Türknäufe.
• Elastomer über starrem Kunststoff: Eine Elastomerschicht wird über einen Kunststoffkern gegossen, wodurch eine weichere Oberfläche entsteht, die den Komfort und die Griffigkeit verbessert. Dies wird in der Regel durch sogenanntes Zwei-Schuss-Umspritzen erreicht, bei dem zwei Materialien hintereinander in die gleiche Gussform eingespritzt werden. Dies findet häufig bei Handgriffen von Elektrowerkzeugen, Griffen und Knöpfen Anwendung, die selbst unter Druck ein haltbares und dennoch gepolstertes Gefühl bieten sollen.
• Steifer Kunststoff auf steifem Kunststoff: Sowohl das Substrat als auch der Kunststoff für das Umspritzen sind typische starre Kunststoffe. In der Regel werden dazu Kunststoffe verwendet, die über einen ähnlichen Schmelzpunkt verfügen, um eine starke Verbindung sicherzustellen. Beispiele dafür sind Spielzeuge mit weichen Griffen oder mehrfarbigen Oberflächen.
• Elastomer auf Metall: Hier wird ein Metallsubstrat mit einem Elastomer umspritzt, was die strukturelle Festigkeit eines Metalls mit den widerstandsfähigen und weich anzufassenden Eigenschaften eines Elastomers verbunden. Diese Kombination ist ideal für Werkzeuge und Produkte, die sowohl Haltbarkeit als einen komfortable, sicheren Halt erfordern.

Warum sollte man TPE – Umspritzanwendungen wählen?

Thermoplastische Elastomere (TPE) sind ideal für das Umspritzen, da sie Flexibilität, Haltbarkeit und die Fähigkeit sich mit verschiedenen starren Kunststoffen wie ABS oder Polkarbonaten zu verbinden mitbringen. Die Verbindung der Weichheit und Schlagfestigkeit von Gummi mit der einfachen Verarbeitung von Thermoplasten verbessert somit beim Einsatz von TPE die Ergonomie, die Griffigkeit und die Ästhetik des Produkts. Die Konsolidierung von Einzelteilen in ein einziges Werkstück reduziert erforderliche Montageschritte und senkt damit die Herstellungskosten.

Häufig verwendete TPE – Materialien, die für das Umspritzen gut geeignet sind, umfassen auch die Thermoplastischen Polyurethane (TPU), die für ihre hohe Elastizität und Abriebfestigkeit bekannt sind, und zudem eine starke Chemikalienresistenz und Flexibilität mitbringen, die gerade für den Automobilsektor und die Verwendung als Dichtungen interessant sind.

Materialauswahl für das Umspritzen

Während TPE wie TPU und TPV aufgrund ihrer Flexibilität, Haltbarkeit und starken Bindungskräfte weithin bevorzugt werden, so sind Materialien wie Nylon, Polypropylen (PP) sowie Polycarbonat (PC) bei bestimmten Anwendungsgebieten eine ebenso beliebte Wahl. Die folgende Tabelle vergleicht diese häufig eingesetzten Umspritzmaterialien und hebt ihre einzigartigen Eigenschaften und Vorteile hervor.

Materialverpaarung und Kompatibilität

Die Auswahl der richtigen Kombination aus Substrat und Umspritzungsmaterial ist entscheidend für eine starke Verbindung und die Sicherstellung der daraus entstehenden Leistungen. Verschiedene Substrate, wie Polykarbonate oder Polyamide haben jeweils einzigartige Eigenschaften, die die Kompatibilität mit Umspritzungsmaterialien beeinflussen.

Die folgende Tabelle zeigt einen Vergleich zwischen den gängigsten Substraten, ihren Schlüsseleigenschaften und ihrer Kompatibilität im Hinblick auf die Verbindung mit TPE:

Die chemische Kompatibilität beim Umspritzen ist und bleibt unerlässlich für das Erreichen einer starken, haltbaren Verbindung der Materialien, die dadurch die Verlässlichkeit des Produkts, seinen Widerstand gegen Belastungen und die langfristige Leistung beeinflussen. Die folgende Tabelle zeigt einen umfassenden Überblick über die Kompatibilität von Materialien für das Umspritzverfahren, und zeigt, wie verschiedene weichere Materialien sich effektiv mit härteren Substanzen verbinden können.

Die Top 10 der Regeln für die Erstellung von umspritzten Bauteilen

Die folgenden 10 Regeln liefern einige wesentliche Richtlinien für die Optimierung des Umspritzverfahren und stellt somit sowohl die Leistung als auch Haltbarkeit des Endprodukts sicher.

1. Materialchemie anpassen: Stellen Sie sicher, dass TPE und das Substrat chemisch miteinander kompatibel sind und in der Lage sind, eine starke und haltbare Verbindung zu erzielen.
2. TPE-Dicke sicherstellen: Das Einhalten einer minimalen Dicke des TPE auf dem Substrat von in der Regel 1 mm ist notwendig, um eine ausreichende Verklebung zu fördern. Für Bereiche mit dünneren Schichten sollte eine mechanische Verbindung/Verriegelung genutzt werden.
3. Balance zwischen Substrat und TPE-Dicke: Die Dicke des Substrats sollte mindestens doppelt so hoch sein wie die Dicke des TPE, um Verformungen zu minimieren und die strukturelle Integrität zu erhalten.
4. Durchflussraten optimieren: Halten Sie das Verhältnis von Flusslänge zu Dicke (L/T) zwischen 80:1 und 120:1 wenn Sie neue Entwürfe entwickeln, um den Materialfluss und die Haftung zu verbessern.
5. Auswahl passender Größen für Angussöffnungen: Wählen Sie die Größe der Angussöfnungen auf Basis der Dicke und der Art des TPE und fangen Sie mit der kleinsten an, um den Materialfluss effektiv zu kontrollieren.
6. Entlüftung einbauen: Fügen Sie Abluftöffnungen von 0,01 bis 0,02 Millimeter entlang des Perimeters und am Ende der Füllung hinzu, um Lufteinschlüsse zu vermeiden, und einen gleichmäßigen Strom zu gewährleisten.
7. Implementieren Sie effektive Absperrschieber: Entwerfen Sie präzise Strömungssperren, um Materialrückstände bzw. Flash zu vermeiden, und gleichzeitig saubere Trennflächen zu erhalten.
8. Nutzen Sie ein ausgeglichenes System aus Angusskanälen: Verwenden Sie für große Teile oder Teile mit mehreren Kavitäten, ein ausgewogenes Läufersystem oder einen Heißkanal, um einen gleichmäßigen Materialfluss und eine gleichbleibende Qualität der Verbindungen zu erzeugen.
9. Fügen Sie Oberflächentexturen hinzu: Der Einsatz von texturierten Innenoberflächen in der Gussform verringert das Anhaften und maskiert ästhetische Probleme für eine bessere Oberflächengüte.
10. Entwerfen für den Auswurf:Nutzen Sie die starren Oberlächen, um auf ihnen leichter Druck für das Auswerfen des Werkstücks ausüben zu können.

Wichtige Designbetrachtungen beim Umspritzen

Effekt vom Verhältnis Flusslänge/Dicke (L/T) auf die Bindungskräfte

Das Verhältnis von Flusslänge zu Dicke (L/T) hilft dabei starke Bindungskräfte in TPE-Substrat-Kombinationen zu erhalten. 

• Schmelztemperatur: Der Schmelzpunkt ist die Temperatur, bei denen die Umspritz- und Substratmaterialien einer Veränderung des L/T – Verhältnisses, das wiederum die Bindungskräfte beeinflusst.
• Empfohlener L/T – Bereich: Falls das L-T-Verhältnis außerhalb von 80 bis 120:1 liegt, so kann es passieren, dass das umspritzte Produkt nicht über ausreichende Bindungskräfte verfügt.
•  Hohe L/T Verhältnisse: Falls das Umspritzen eines Werkstücks in einem L/T- Verhältnis von mehr als 120:1 resultiert, so empfehlen sich mehrere Angussöffnungen um einen zu geringen Fluss des geschmolzenen Materials durch eine einzige Öffnung zu vermeiden.
• Wandstärke: Nutzen Sie eine minimale Wandstärke bei TPE von 1m016 mm um eine ausreichende Bindung zu erzeugen. Für dünnere Bereiche, die verbunden werden müssen, sollten Sie TPE-Verriegelungen einsetzen, um die Haftung zu verbessern.

TPE-Schrumpung und Komponentendesign

Die Schrumpfung von TPE trägt zum Erscheinungsbild der umspritzten Teile bei. Please add the metrics equivalent

• Schrumpfwerte: TPE weißt im Allgemeinen Schrumpfungswerte zwischen 0,2 % und 1,4 % auf, während thermoplastische Basismaterialien eine Schrumpfungsrate von 0,02 % bis 1,4 % aufweisen. Diese Unterschiede in der Schrumpfungsrate können zu Verformungen und Fehlausrichtungen führen.
• Empfehlungen für die Dicke: Die Dicke des Substrates sollte mindestens doppelt so dick wie die TPE-Schicht sein, um ein Verformen und ein Verziehen mit Fehlausrichtungen zu vermeiden.
• Vorsicht mit Rippen: Beim Umspritzen können rippenartige Strukturen wie Kühlkörper wirken, und zu einer ungleichmäßigen Abkühlung führen, die ggf. die Qualität des Teils beeinträchtigt. Um diese Ursache der Verformung oder generell Schwachpunkte zu vermeiden, entwerden Sie die Rippen sehr vorsichtig und reduzieren oder modifizieren Sie sie in Bereichen, die für Schmelz- oder Saugspuren anfällig sind. Wenn die Rippen für die Festigkeit notwendig sind, dann muss der Kühlprozess angepasst werden.
• Kräuselung: Ein Kräuseln kann entstehen, wenn TPE sich über die Kanten des Substrats erstreckt, und daraus resultierend zu einer Faltenbildung im Umspritzmaterial führen. Das richtige Substratdesign und die Unterstützung in der Nähe von Kanten kann dabei helfen, das Problem anzugehen, indem dem TPE eine stabile Oberfläche zum Anhaften gegeben wird.

Entwurf der Sperr-/Schiebereinrichtungen

Geeignet konstruierte Sperreinrichtungen verhindern ein Austreten von Überschussmaterial (Flash) während des Umspritzens.

• Abbsperrnuten: Nutzen sie Abbsperrnuten um Grate zu verhindern und Luft aus dem TPE-Umspritzbereich austreten zu lassen. Dieses Design mit zwei Funktionen bietet einerseits eine dichte Abdichtung gegen austretendes Material und erlaubt gleichzeitig der Luft in der Form zu entweichen.
• Penetration mit Werkzeugstahl: Werkzeugstahl, eine Art kohlenstoffreicher Stahl, sollte das Substrat um etwa 0,0762 bis 0,1016 mm penetrieren, um eine effektive Abschottung zu erreichen und eine Gratbildung zu verhindern.
• Entlüftung über Absperrnuten: Während Absperrnuten bei der Entlüftung des TPE-Abschnitts helfen können, indem eingeschlossene Luft entweicht, ist bei der Integrierung von Entlüftungsöffnungen Vorsicht geboten. Die direkte Positionierung von Abluftöffnungen an den Absperrkanten kann die Bildung von Flash begünstigen, da dies kleine Lücken erzeugt, durch die das Umspritzmaterial austreten kann.

Einfluss der Oberflächentextur auf den Teileauswurf

Die Oberflächenstruktur der Form beeinflusst, wie leicht das umspritzte TPE-Werkstück ausgeworfen werden kann.

• Anhaftungsprobleme: Aufgrund ihrer geringen Oberflächenenergie können polierte Werkzeugstahloberflächen Probleme mit dem Anhaften von TPE erzeugen, weil sich dadurch die Adhäsion zwischen Form und TPE erhöht. Dies kann das Entfernen von Teilen erschweren. Andere Materalien, Verunreinigungen, Merkmale der Form und ihres Designs sowie die Bedingungen der Formgebung können zusätzlich zu Problemen mit dem Anhaften führen. Gerade Polierte Oberflächen sind besonders anfällig für Probleme mit dem Anhaften von TPE.
• Empfohlene Textur: Legen Sie die Spezifikationen für die maximale und minimale Oberflächenrauigkeit fest. Eine sandgestrahlte oder leicht elektroerodierte Oberfläche sollte eine Tiefe von 0,0254 mm nicht überschreiten. Im Kontrast dazu stehen Bereiche wie Angusskanäle oder Anschnittöffnungen, die eine rauere Textur zwischen 0,0762 und 0,1016 aufweisen sollten, um einen Materialfluss mit minimaler Adhäsion zu fördern. 
• Nutzung von Trennmitteln: Ein Nickel-PTFE-Trennmittel kann auf die Textur aufgetragen werden, um ein Anhaften zu verhindern.

Design des Systems der Angusskanäle und Größe der Anschnittöffnungen

Die Größe der Anschnittöffnungen sowie das Angusskanalsystem sind kritische Elemente beim Umspritzen, da sie den ordentlichen Fluss, die Gleichförmigkeit und die effektive Verbindung der Materialien bestimmen:

• Größe der Anschnittöffnungen: Die Größe der Anschnittöffnungen sollte für die Flusscharakteristiken des verwendeten TPE und seiner Dicke angemessen sein. Fangen Sie mit kleinen Anschnittöffnungen an, um den Fluss zu kontrollieren und passen Sie diese entsprechend der Materialeigenschaften an.
• Gleichförmigkeit der Angusskanäle: Für große Gussformen mit mehreren Kavitäten ist ein ausgeglichenes System aus Angusskanälen oder ein System beheizter Kanäle empfehlenswert, um einen gleichmäßigen Fluss und eine effektive Verbindung der verschiedenen Komponenten sicherzustellen. Die Gleichmäßigkeit ist entscheidend für eine konsistente Qualität der Produkte und eine optimale Verbindung.

Umspritzen vs. Spritzguss mit Inserts

Das Umspritzen nutzt normalerweise zwei unterschiedliche Materialien in der Art, dass eine zusätzliche Schicht auf das Basismaterial, das Substrat, aufgebracht wird, während beim Spritzguss mit Insert-Teilen (kurz Umgießen) ein Fertigungsverfahren genutzt wird, bei dem bereits vorgefertigte Einsätze – i.d.R. aus Materialien wie Metall oder Kunststoff gefertigt – in eine Kavität einer Gussform platziert werden. Die folgende Tabelle zeigt ein Kompendium der wichtigsten Aspekte der Umspritzens und des Umgießens:

Wichtige Erkenntnisse für effektives Umspritzen

Das Umspritzen ist ein vielseitiges Verfahren, das Materialien kombiniert um ihre Eigenschaften wie ihre Griffigkeit, Chemikalienbeständigkeit und ihre Ästhetik zu verbessern, womit es ideal für elektrische Werkzeuge, medizinische Geräte oder Autoteile ist. Schlüsselfaktoren für den Erfolg des Einsatzes dieses Verfahrens ist die Materialverträglichkeit, die Stärke der Verbindung, die Kontrolle des Schrumpfung sowie die ordnungsgemäße Entlüftung der Form.

Während das Umspritzen die Materialien nahtlos miteinander integriert, können Alternativen wie Klebstoffe besser für chemische wenig kompatible Materialien oder flexible Verbindungen geeignet sein, wie sie gerade für leichte und feingliedrige Produkte ideal sind. Die mechanische Verzahnung bietet starke, lösbare Verbindungen und eignet sich daher für schwere Komponenten oder Teile, die gewartet werden müssen. Diese Methode kann die Komplexität verringern und eine leichte Demontage oder Anpassung ermöglichen.

Fall  sich das Umspritzen einmal als ungeeignet erwiesen hat, haben Sie bereits alternative Methoden wie die Klebeverbindung oder die mechanische Verbindung oder das Co-Molding ausprobiert? Was waren für Sie die Schlüsselfaktoren für die Entscheidung und wie haben sich diese auf Ihr Produktdesign und Ihre Fertigungseffizienz ausgewirkt?

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