Was ist Low Pressure Moulding?

| Autor / Redakteur: Paul Ranft * / Kristin Rinortner

Was ist Niederdruck-Umspritzen?: Das auch als Low Pressure Molding bezeichnete Verfahren bietet zahlreiche Vorteile gegenüber Spritzguss und 2-K-Verfahren.
Was ist Niederdruck-Umspritzen?: Das auch als Low Pressure Molding bezeichnete Verfahren bietet zahlreiche Vorteile gegenüber Spritzguss und 2-K-Verfahren. (Bild: ©Tierney - stock.adobe.com)

Mit Low Pressure Moulding lassen sich sensible Bauteile wie Sensoren, Steckverbinder oder Leiterplatten schützen. Auch für die Kabelkonfektion bietet die Technik zahlreiche Möglichkeiten.

Unter technischen Gesichtspunkten ist das Low Pressure Moulding (Niederdruckverguss) zwischen dem Kunststoffspritzguss und dem Verguss mit 2-K-Massen anzusiedeln. Low Pressure Moulding weist gegenüber den anderen Verfahren klare anwendungsbezogene Vorteile auf.

Mit einem Druck von 5 bis 40 bar erfolgt die Verarbeitung unter wesentlich niedrigeren Drücken und somit wesentlich schonender als im klassischen Spritzgussverfahren. Hier liegen die Drücke in der Regel um den Faktor 20 bis 25 höher. Mit Low Pressure Moulding ist es also – im Gegensatz zum klassischen Spritzgussverfahren – problemlos möglich, auch empfindliche Bauteile wie Leiterplatten direkt zu umhüllen.

Im Gegensatz zum 2-K-Verguss liegt der deutliche Vorteil in wesentlich geringeren Zykluszeiten. Einem – unter Umständen durch nachgeschaltetes Tempern weiter verlängerten – mehr oder weniger zeitintensiven Aushärten stehen relativ kurze Kühlzeiten gegenüber. Die Gesamtzykluszeit beim Low Pressure Moulding liegt in der Regel zwischen 10 und 50 s.

Weiterhin wird bei Low Pressure Moulding, im Gegensatz zum 2-K-Verguss, kein separat zu fertigendes Gehäuse benötigt. Dies führt trotz höherer Materialkosten für den Schmelzklebstoff in sehr vielen Fällen zu einer Einsparung bei den gesamten Fertigungskosten.

Anwendungsgebiete des Niederdruckspritzens

Hauptanwendungsgebiet für das Low Pressure Moulding ist seit Einführung dieses Verfahrens der Schutz elektrischer und elektronischer Baugruppen vor äußeren Einflüssen. In den späten 1980-er Jahren stand zunächst die Abdichtung von Steckverbindern in der Automobilindustrie im Vordergrund. Erste Anwendungen gab es zunächst in der französischen Automobilindustrie, allen voran bei PSA. Ziel war es zunächst, empfindliche elektronische Bauteile, die für sich gesehen bereits aufwendig gekapselt waren, auch vor eindringender Feuchtigkeit über die notwendige Verkabelung zu schützen.

Einige Jahre später wurden die ersten Gehäuse durch direkte Kapselung der Leiterplatten im Low-Pressure-Moulding-Verfahren ersetzt und die möglichen Anwendungsgebiete weiteten sich auf andere Bauteile und Industriebereiche aus.

Heute hat sich das Verfahren nicht zuletzt durch eine Vielzahl von Weiterentwicklungen bei den Materialien, Verfahren und dem Verarbeitungsequipment zahlreiche Anwendungsgebiete in einer Reihe von Industriezweigen erschlossen.

Überblick zu den Vergussmaterialien

Aufgrund ihres Eigenschaftsspektrums werden beim Low Pressure Moulding überwiegend amorphe thermoplastische Polyamide eingesetzt. Ein für das Niederdruckverfahren günstiges Viskositätsspektrum kombiniert sich in dieser Materialgattung mit einem breiten Anwendungstemperaturbereich (–50 / 150°C) und zum Teil sehr guten klebetechnischen Eigenschaften.

Bild 1: Einordnung des Niederdruckumspritzens.
Bild 1: Einordnung des Niederdruckumspritzens. (Bild: Optimel)

Für spezielle Anwendungen stehen darüber hinaus thermoplastische Polyolefine zur Verfügung, die ihren Einsatz immer dann finden, wenn mit den bevorzugten Polyamiden auf den verwendeten Substraten (beispielsweise vernetztem Polyethylen) keine ausreichende Haftung zu erzielen ist. Wenn sinnvoll und notwendig, werden beide Produktklassen auch in Kombination eingesetzt, wobei das Polyolefin dann in der Regel die Funktion eines Haftvermittlers übernimmt und das danach aufgebrachte Polyamid für die Erfüllung der geforderten Endeigenschaften verantwortlich ist.

Bei beiden eingesetzten Produktklassen ist für das Low Pressure Moulding von entscheidender Bedeutung, dass es durch die vorhandenen klebetechnischen Eigenschaften in Verbindung mit entsprechenden Verarbeitungs-Viskositäten und günstigen Spektren der Oberflächenspannungen mit vielen Materialien, welche in den bevorzugten Anwendungsgebieten zur Anwendung kommen, eine sichere und dauerhafte Klebeverbindung eingeht. Nur so kann der Schutz der Bauteile vor schädlichen Einflüssen dauerhaft gewährleistet werden.

Bild 2: 
Beispiel für ein Vergusswerkzeug.
Bild 2: 
Beispiel für ein Vergusswerkzeug. (Bild: Optimel)

Verfahren und Werkzeuge aus hochfestem Aluminium

Das Verfahren ist grundsätzlich dadurch gekennzeichnet, dass das zu schützende und/oder zu verklebende Bauteil in ein speziell für dieses Projekt konzipiertes Vergusswerkzeug eingelegt und mittels des ausgewählten geeigneten Vergussmaterials mit optimierten Parametern (Materialtemperatur, Materialdruck, Zykluszeiten etc.) komplett oder in Teilbereichen ummantelt wird.

Die Anforderungen, die bei dem jeweiligen Produkt erfüllt werden müssen, entscheiden letztlich über jeden einzelnen Verfahrensschritt und -parameter. Je genauer das jeweilige Anforderungsspektrum beschrieben ist, desto besser können Vergussmaterial, Verfahrensparameter, Werkzeuggestaltung und Produktionsequipment bestimmt werden. Das Ergebnis ist dann ein technisch und kommerziell optimierter Prozess sowohl für eine Serienproduktion mit hohen als auch für Sonderbauteile mit geringen Stückzahlen.

Aufgrund der relativ niedrigen Vergussdrücke (in der Regel maximal 20 bis 40 bar Massedruck) beim Low Pressure Moulding können die Werkzeuggrundkörper und in vielen Fällen auch die Vergusskavitäten aus hochfestem Aluminium hergestellt werden. Neben kürzeren Bearbeitungszeiten in der spanenden Herstellung ist hier auch die Wärmeleitfähigkeit oft vorteilhaft, da sie ein verbessertes Temperaturmanagement ermöglicht. Stahl wird immer dann eingesetzt, wenn beispielsweise aufgrund von speziellen Einlegeteilen erhöhte Anforderungen an das Werkzeugmaterial für die Vergusskavitäten gestellt werden.

Auch ein unter Umständen notwendiger Einsatz von Schiebern und / oder mechanischen Auswerfern kann den Einsatz von Stahlbauteilen erfordern. Bei den teilweise notwendigen Entformungshilfen in Form von mechanischen und/oder pneumatischen Auswerfern finden in den letzten Jahren auch zunehmend spezielle Materialien zur Beschichtung der Werkzeugoberflächen Anwendung.

Im Gegensatz zu früheren Zeiten findet man heute hier einige Produkte mit sehr hohen Standzeiten und hervorragenden Entformungseigenschaften, die auch aus Gründen der hierdurch optimierten Prozesssteuerung, u. a. bei integrierten Vergussstationen in verknüpften Produktionslinien eingesetzt werden.

Niederdruckverguss-Verfahren (Low Pressure Moulding) Der Niederdruckverguss (Low Pressure Moulding) mit Polyamid und Polyolefinen (Hotmelts) ist ein Verfahren, das zum Verkapseln und Schutz von elektronischen Komponenten (z.B. Leiterplatten) eingesetzt wird. Ziel ist es, die Elektronik vor Feuchtigkeit, Staub, Schmutz und Vibrationen zu schützen. Das Niederdruckgießen wird auch zum Abdichten von Steckverbindern und zum Formen von Tüllen und Zugentlastungen eingesetzt. Der Schlüssel zu diesem Verfahren sind Rohstoffe und spezielle Formanlagen. Als Formmassen werden Polyamide, besser bekannt als Hotmelts, eingesetzt. Es handelt sich um Thermoplaste, d.h. das Material wird beim Erwärmen weniger viskos und kann sich verformen, härtet dann beim Abkühlen aus und behält die gewünschte Form. Diese Polyamide unterscheiden sich von anderen Thermoplasten in der Viskosität und der Haftung. Viskosität: Bei der Verarbeitungstemperatur (210°C) ist die Viskosität sehr niedrig, typischerweise etwa 2 Pa s. Niedrigviskose Materialien benötigen einen niedrigen Einspritzdruck, um in einen Hohlraum einzuspritzen. Haftung: Polyamide sind im Grunde genommen Hochleistungs-Schmelzklebstoffe. Die Klebeeigenschaften von Polyamid sind es, die ein ausgewähltes Substrat abdichten. Die Haftung erfolgt rein mechanisch.

Low Pressure Moulding: Entwicklungen beim Produktionsequipment

Speziell im Bereich Produktionsequipment haben in den letzten Jahren enorme Entwicklungen stattgefunden. So kommen seit einigen Jahren neben den Tankgeräten auch spezielle HotMelt-Extruder zur Anwendung. Diese bieten den Vorteil, die entsprechenden Vergussmaterialien in sehr kurzer Zeit und bedarfsgerecht aufzuschmelzen und somit ein „vercracken“ des Materials durch langes Verweilen bei Verarbeitungstemperatur zu vermeiden.

Dies ist besonders günstig bei unterschiedlich eingefärbten Materialien und bei geringen Verbrauchsmengen pro Vergusszyklus. Auch im Bereich der Tankgeräte sind durch an die unterschiedlichen Prozesse angepasste Tankgeometrien und -Größen deutliche Verbesserungen erzielt worden.

Die gravierendsten Veränderungen haben jedoch im Bereich der Anlagensteuerung und Flexibilität im Anschluss der Aufschmelzeinheiten stattgefunden. Durch Einsatz spezieller Profibussysteme, eigener SPS in den Aufschmelzeinheiten sowie einer Optimierung bei Verknüpfungen und Schnittstellen ist es heute möglich, die unterschiedlichen Aufschmelzeinheiten mit den unterschiedlichen Vergussanlagen zu verbinden.

Bild 3: 
Auszug aus dem Maschinen-Programm bei Optimel.
Bild 3: 
Auszug aus dem Maschinen-Programm bei Optimel. (Bild: Optimel)

Die Steuerung der Vergussanlage erkennt nach Anschluss einer entsprechend ausgerüsteten Aufschmelzeinheit die Art und den jeweiligen Typ der Aufschmelzeinheit und lädt automatisch das entsprechende spezifische Steuerungsprogramm. Ein enormer Vorteil speziell für Anwender die mehrere unterschiedliche Anlagen für unterschiedliche Projekte mit durchaus limitiertem Zeithorizont betreiben. Auf geänderte Anforderungen kann somit reagiert werden ohne das komplette Anlagenequipment austauschen zu müssen.

Zudem bieten die aktuellen Steuerungen umfangreiche Möglichkeiten für individuelle Programm-Anpassungen, sei es für Prozessüberwachungen, Datenerfassung oder Eingliederung in ein übergeordnetes Steuerungs-System.

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Dieser Beitrag ist erschienen im Sonderheft Elektromechanik III der ELEKTRONIKPRAXIS (Download PDF)

* Dipl.-Wirtsch.-Ing. Paul Ranft ist Inhaber von OptiMel Schmelzgußtechnik in Iserlohn.

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