Physikalisches Schäumen: Material sparen und Produktionskosten senken

Steigende Rohstoffpreise, strengere Umweltvorgaben und ein zunehmender Kostendruck verändern die Anforderungen an die industrielle Kunststoffverarbeitung. Gleichzeitig sollen Bauteile möglichst leicht bleiben, ohne ihre mechanischen Eigenschaften einzubüßen. Besonders bei hohen Produktionsmengen entscheidet deshalb nicht nur der verwendete Werkstoff über die Wirtschaftlichkeit, sondern auch das Fertigungsverfahren.

Physikalisches Schäumen verfolgt einen anderen Ansatz als der klassische Spritzguss. Im Inneren des Bauteils entsteht eine feine Zellstruktur, während die Außenfläche geschlossen bleibt. Dadurch sinkt der Materialbedarf, zugleich verkürzen sich einzelne Prozessschritte während der Fertigung. Das Verfahren wird heute unter anderem in der Automobilindustrie, sowie in der Elektro- und Verpackungsindustrie eingesetzt, wenn große Stückzahlen wirtschaftlich produziert werden sollen.

Kurzfassung Beim physikalischen Schäumen bilden überkritische Gase im Bauteilinneren eine gleichmäßige Zellstruktur, während die Oberfläche geschlossen bleibt. Der geringere Kunststoffverbrauch reduziert Materialkosten und verringert gleichzeitig das Gewicht der Bauteile. Niedrigere Einspritzdrücke und kürzere Zykluszeiten erhöhen die Wirtschaftlichkeit der Serienfertigung. Weniger Materialeinsatz und ein reduzierter Energiebedarf senken die CO₂-Emissionen über den gesamten Herstellungsprozess. Werkzeugkonstruktion und Prozessparameter müssen exakt aufeinander abgestimmt werden, damit die Zellstruktur gleichmäßig entsteht.

Funktionsprinzip des Verfahrens

Beim konventionellen Spritzguss wird Kunststoffschmelze mit hohem Druck in das Werkzeug eingespritzt. Während der anschließenden Abkühlung gleicht eine Nachdruckphase das Schrumpfen des Materials aus. Dieser Prozess erfordert hohe Schließkräfte und verursacht einen entsprechend hohen Energiebedarf.

Beim physikalischen Schäumen wird der Kunststoffschmelze vor dem Einspritzen ein überkritisches Gas – meist Stickstoff oder Kohlendioxid – beigemischt. Im Werkzeug expandiert das Gas kontrolliert und bildet zahlreiche mikroskopisch kleine Zellen im Inneren des Bauteils. 

Durch den entstehenden Innendruck übernimmt das Gas einen Teil der Aufgaben, die beim herkömmlichen Spritzguss durch den Nachdruck erfüllt werden. Dadurch sinken sowohl der erforderliche Einspritzdruck als auch die Belastung von Maschine und Werkzeug.

Weniger Kunststoff pro Bauteil

In vielen Kunststoffbauteilen entfällt ein großer Teil des Materialeinsatzes auf Bereiche, die für die äußere Form kaum relevant sind. Genau dort setzt das physikalische Schäumen an. Die feine Zellstruktur ersetzt einen Teil des massiven Kunststoffkerns, wodurch der Materialbedarf sinkt.

Abhängig von Geometrie, Wandstärke und Werkstoff lassen sich Materialeinsparungen von bis zu 20 Prozent erreichen. Besonders bei hohen Stückzahlen reduziert sich dadurch der Rohstoffverbrauch deutlich. Gleichzeitig fällt das Gewicht jedes einzelnen Bauteils geringer aus. Dieser Effekt wirkt sich beispielsweise auf Transport, Lagerung und Montage aus, da leichtere Komponenten einfacher gehandhabt werden können.

Auch in der Automobilindustrie besitzt das geringere Bauteilgewicht einen hohen Stellenwert. Jede Gewichtsreduzierung unterstützt das Ziel, den Energieverbrauch eines Fahrzeugs zu senken, ohne die Konstruktion vollständig zu verändern.

Kürzere Fertigungszeiten und geringerer Maschinenbedarf

In der Serienfertigung beeinflusst die Zykluszeit unmittelbar die Produktionsmenge. Bereits geringe Zeitersparnisse pro Spritzgießvorgang führen bei großen Stückzahlen zu einer höheren Ausbringung.

Da beim physikalischen Schäumen die Nachdruckphase weitgehend entfällt und weniger Material abkühlen muss, verkürzt sich der gesamte Fertigungszyklus. Auf derselben Produktionsanlage können dadurch innerhalb eines bestimmten Zeitraums mehr Bauteile hergestellt werden.

Zusätzlich sinkt der erforderliche Einspritzdruck. Dadurch wird eine geringere Zuhaltekraft der Spritzgießmaschine benötigt. Für bestimmte Bauteile reichen deshalb kleinere Maschinen aus als beim konventionellen Spritzguss. Gleichzeitig werden Werkzeug und Maschine mechanisch weniger beansprucht, was den Werkzeugverschleiß während der Produktion reduziert.

CO₂-Emissionen durch geringeren Ressourcenverbrauch

Unternehmen stehen zunehmend vor der Aufgabe, ihre Emissionen entlang der gesamten Wertschöpfungskette zu reduzieren. Neben dem Energieverbrauch rückt dabei auch der Materialeinsatz stärker in den Fokus, da beide Faktoren die CO₂-Bilanz eines Kunststoffbauteils unmittelbar beeinflussen.

Beim physikalischen Schäumen greifen mehrere Effekte ineinander. Da weniger Kunststoff verarbeitet wird, sinkt der Bedarf an Rohstoffen. Gleichzeitig verkürzen sich die Fertigungszyklen und die Maschinen arbeiten mit niedrigeren Einspritzdrücken. Dadurch reduziert sich auch der Energieverbrauch während der Herstellung.

Diese Einsparungen fallen bei jedem einzelnen Bauteil zunächst gering aus. In der industriellen Serienfertigung mit hohen Stückzahlen summieren sie sich jedoch zu einer deutlichen Verringerung des Material- und Energiebedarfs. Für Unternehmen, die ihre CO₂-Emissionen dokumentieren oder Nachhaltigkeitsziele erfüllen müssen, gewinnt dieser Effekt zunehmend an Bedeutung.

Gleichmäßige Druckverteilung verbessert die Maßhaltigkeit

Während des Abkühlens schrumpft Kunststoff. Beim konventionellen Spritzguss entstehen dadurch häufig innere Spannungen, die insbesondere bei großflächigen oder dünnwandigen Bauteilen zu Verzug führen können.

Beim physikalischen Schäumen verteilt sich der Druck innerhalb des Bauteils gleichmäßiger. Die feine Zellstruktur wirkt dem Materialschwund entgegen, wodurch geringere Spannungen entstehen. Das Risiko für Verformungen nimmt ab und die Maßhaltigkeit bleibt auch über lange Produktionsserien hinweg konstant.

Vor allem Bauteile mit komplexen Geometrien profitieren von dieser gleichmäßigeren Druckverteilung, da enge Fertigungstoleranzen zuverlässiger eingehalten werden können.

Werkzeug und Prozess müssen exakt abgestimmt sein

Die Eigenschaften eines geschäumten Kunststoffbauteils hängen nicht allein vom verwendeten Werkstoff ab. Ebenso entscheidend sind Werkzeugkonstruktion und Prozessführung.

Bereits geringe Unterschiede bei Wandstärken, Anspritzposition oder Werkzeugtemperaturen beeinflussen die Verteilung des Gases im Bauteil. Verläuft die Expansion nicht gleichmäßig, können unregelmäßige Zellstrukturen, Blasen oder Maßabweichungen entstehen.

Aus diesem Grund werden Werkzeugauslegung, Temperaturführung, Gasmenge, Einspritzgeschwindigkeit und Druck exakt aufeinander abgestimmt. Während der Serienfertigung müssen diese Parameter dauerhaft innerhalb definierter Toleranzen liegen, damit jedes Bauteil dieselben Eigenschaften aufweist.

Typische Einsatzbereiche in der Industrie

Das Verfahren eignet sich besonders für Kunststoffbauteile, die in großen Stückzahlen hergestellt werden. Material- und Energieeinsparungen fallen dort deutlich stärker ins Gewicht als bei kleinen Serien.

Zu den wichtigsten Einsatzbereichen zählen die Automobilindustrie, die Elektroindustrie sowie die Verpackungstechnik. Dort entstehen unter anderem Gehäuse, technische Funktionsteile, Verbindungselemente und weitere Kunststoffkomponenten, bei denen Gewicht, Maßhaltigkeit und Fertigungskosten gleichermaßen berücksichtigt werden müssen.

Je nach Bauteilgeometrie und Werkstoff lassen sich sowohl kleine Präzisionsteile als auch großformatige Kunststoffbauteile mit dem Verfahren herstellen.

Fazit

Physikalisches Schäumen verbindet einen geringeren Materialverbrauch mit einer wirtschaftlichen Serienfertigung. Die im Bauteilinneren entstehende Zellstruktur reduziert den Kunststoffbedarf, verkürzt die Zykluszeit und senkt den erforderlichen Einspritzdruck. Gleichzeitig verringern sich Bauteilgewicht, Energieverbrauch und CO₂-Emissionen.

Die Vorteile entstehen jedoch nur dann, wenn Werkzeugkonstruktion und Prozessparameter exakt aufeinander abgestimmt sind. Unter diesen Voraussetzungen eignet sich das Verfahren insbesondere für Unternehmen mit hohen Produktionsmengen, die Materialkosten senken und gleichzeitig den Ressourcenverbrauch in der Kunststoffverarbeitung reduzieren möchten.