Polyurethan: Der Alleskönner in der Kunststofftechnik

Polyurethan (PUR) bietet dank seiner einstellbaren Eigenschaften eine enorme Vielseitigkeit. Häufig findet das Material in der kostengünstigen Produktion großer Formteile Anwendung. Dabei lässt es sich außerdem leicht mit anderen Werkstoffen kombinieren. Zudem erfüllt PUR die Anforderungen zahlreicher Anwendungen hinsichtlich Gewichtsreduktion, Festigkeit, Haltbarkeit, Feuchtigkeitsbeständigkeit und Ästhetik.

Somit können die die Eigenschaften der finalen Formteile je nach eingesetzter PUR-Rezeptur anforderungsgerecht an den speziellen Anwendungsfall angepasst werden. Darauf bezugnehmend möchten wir Sie in diesem Beitrag über den Werkstoff Polyurethan und den Reaktionsspritzguss (RIM) informieren.

Abbildung: Polyurethan-Gehäuse mit Flammschutz (UL94 V0) für Laborgeräte

Inhaltsverzeichnis

1.  POLYURETHAN: Definition und Vorteile
2.  MATERIALVIELFALT: Arten von Polyurethanen
3.  VERARBEITUNG: Der Reaktionsspritzguss (RIM)
4.  PUR-SCHÄUME: Unendliche Einsatzmöglichkeiten 
5. Fazit

POLYURETHAN: Definition und Vorteile

Polyurethane sind Kunststoffe, welche durch die Polyadditionsreaktion von Polyolen und Isocyanaten entstehen. Die Eigenschaften der Polyurethane können im Zuge dessen weitestgehend variiert werden und sind somit je nach Anforderungen gezielt einstellbar. Je nach Vernetzungsgrad können aus Polyurethanen unterschiedlichste Materialien erzeugt werden, darunter Schäume, Harze oder Elastomere. Diese Vielseitigkeit ist auch Anlass dafür, dass das Material unendliche Anwendungsmöglichkeiten aufweist. Folgend werden die wesentlichsten Vorteile nochmals gelistet:

• Günstiger Formenbau bzw. Werkzeugbau
• Hohe Designfreiheit
• Witterungs- und Temperaturbeständigkeit
• Energieabsorbierend
• Leicht und stabil
• Einfach zu kombinieren mit anderen Werkstoffen (Kunststoff, Holz, Metall)
• Haptisch und Ästhetisch ansprechend
• Schalldämmend
• Biokompatibel
• Niedriger Wärmedurchgangskoeffizient

MATERIALVIELFALT: Arten von Polyurethanen

Polyurethan-Formteile sind für ihre extreme Widerstandsfähigkeit bekannt und werden daher für die Fertigung von Fahrzeug- und Maschinenkomponenten eingesetzt. Insbesondere werden Polyurethane häufig zur Herstellung von Kotflügeln, Armaturenbrettern, Türenverkleidungen und Stoßfängern/Stoßstangen verwendet. Diese können je nach Anforderungen und Anwendungsbereich aus PUR-Gießharz, PUR-IWS (Integralweichschaum), PUR-IHS (Integralhartschaum) oder aus PUR-Elastomer-Materialien gefertigt werden.

PU Gießharz

Bei diesem Material handelt es sich um ein 2-Komponenten-Polyurethan-Gießharz ohne Zugabe von Treibmitteln und mit einer niedrigen Viskosität. Ein großer Vorteil, den die Verarbeitung von Gießharz mit sich bringt, ist dass das Material im Zuge der Reaktion nicht expandiert und der Werkzeugbau bzw. das Verschlusssystem somit aufgrund niedriger Drücke kostengünstig ausgeführt werden kann.

Hartschaum (IHS)

Ein beigefügtes Treibmittel erzeugt bei der Verarbeitung eine harte Struktur mit einer höherdichten Haut und einen mikrozellulären Kern mit geringer Dichte. Diese Haut verleiht dem Formteil Festigkeit und Haltbarkeit, während der Kern (Füllung des Bauteiles) dank der niedrigen Dichte das Gewicht des fertigen Kunststoffteiles wesentlich reduziert. Wandstärken von 2 - 100mm können dabei je nach Anwendung realisiert werden. Wie es der Name schon beschreibt, sind sowohl die Haut als auch der Schaumkern der Struktur hart und nicht elastisch ausgeführt.

Weichschaum (IWS)

Weichschaum ist ähnlich dem Hartschaum aufgebaut. Die Außenfläche ist geschlossenzellig und im Inneren des Bauteils (Kern) ist das Material aufgeschäumt. Die Dicke der Haut und die Dichte der Schäume können anforderungsgerecht angepasst werden und bestimmen dabei die Flexibilität, Festigkeit und Stützeigenschaften einer Schaumstruktur. Der Unterschied liegt letztendlich in der Elastizität von Weichschäumen, welche Komponenten daraus pralldämpfende und abriebfeste Eigenschaften verleiht. Auch bei dynamischer Dauerbelastung bleibt diese Elastizität erhalten. Eingesetzt werden Weichschäume für leichtgewichtige Komfortbauteile oder industrielle Formteile mit dämpfenden Eigenschaften wie zum Beispiel Prallplatten, Dämpfer, Scheuerleisten oder Anfahrschutz.

Abbildung: Armauflage mit genarbter Oberfläche aus PUR-Integralweichschaum (IWS)

PUR-Elastomer

Ist ein hoch verschleißfestes und kompaktes Polyurethan-Material, das bei unterschiedlichen Umwelteinflüssen ein gleichbleibendes elastisches Verhalten vorweist. Die Eigenschaften sind ähnlich eines vulkanisierten Formteiles. Dahingehend wird das Material auch als PU-Gummi bezeichnet. Polyurethan-Elastomere weisen eine hervorragende Schlagzähigkeit, Haltbarkeit, Dimensionsstabilität und Korrosions- sowie Abrieb- und Verschleißfestigkeit auf.

Abbildung: Walzenbeschichtung mit PUR-Gummi Shore A85

VERARBEITUNG: Der Reaktionsspritzguss (RIM)

Reaktionsspritzguss bzw. Niederdruckspritzguss oder kurz auch RIM ist ein Verfahren zur Herstellung von PUR-Formteilen mit einer Vielzahl an einstellbaren Eigenschaften. Durch diese Anpassungsfähigkeit werden die Komponenten in den verschiedensten Branchen eingesetzt. Von der Automobilindustrie, über die Wehrtechnik bis zur Medizintechnik finden Formteile, hergestellt anhand des RIM-Verfahrens, Anwendung.

RIM funktioniert über die Vermischung der Polymerflüssigkeiten Polyol und Isocyanat. Diese flüssigen Polymere werden mit Pumpen über einen Mischkopf mit niedrigem Druck in temperaturgeregelte Formen aus Kunststoff oder Metall befördert und dosiert. In der Form (Werkzeugbau) erzeugen die kombinierten Chemikalien eine exotherme Reaktion, die die flüssigen Ausgangsmaterialien in ein stabiles Formteil umwandelt. Mit diesem Prozess können ganz einfach Produkte erstellt werden, die gemäß Ihrer gewünschten Toleranz, Dichte, Dicke, Härte und ihres Gewichts anpassbar sind.

Da diese flüssigen polymeren Ausgangsmaterialien wenig Druck (~8 bar) und niedrige Temperaturen erfordern, können sie in kosteneffizienten Kunststoffformen oder Aluminiumformen eingespritzt werden. Somit reduzieren sich die Kosten für den Werkzeugbau. Während der Ausführung werden die Formen mäßig erhitzt (~40°). Die exotherme Reaktion bringt die Materialien aber schnell auf (~90°) und härtet das Teil innerhalb der Form umgehend aus. Die Aushärtezeiten variieren dabei von weniger als einer Minute bis zu mehreren Minuten, je nach Größe, Geometrie, Funktion und Wandstärke des Teils.

Abbildung: Kostengünstiger Werkzeugbau aus Ureol-Kunststoffwerkzeugen

PUR-SCHÄUME: Unendliche Einsatzmöglichkeiten 

PUR-Schäume liefern ein sehr breites Einsatzfeld. Durch die unterschiedliche Aufschäumung von Polyol und Isocyanat können so Schäume für Bauzwecke, Matratzen, Fahrzeugpolsterungen oder Verpackungsmaterialien hergestellt werden. Folgend werden die wichtigsten PUR-Schaumarten und deren Eigenschaften näher beschrieben.

Integralschäume

Integralschäume sind Schäume, die in einem One-Shot-Verfahren eine zähe und dichte Außenhaut und einen weicheren Kern bilden. Eingesetzt werden diese zur Herstellung von harten und weichen Formteilen.

• Shore A20 bis Shore A90
• Verschiedene Dichten und Härten für unterschiedliche mechanische und physikalische Eigenschaften
• Biokompatibel
• Antibakteriell auf Oberflächen
• Flammschutz ist möglich
• Hervorragende stoßdämpfende Eigenschaften
• Schalldämmend
• Einleger aus Metall, Kunststoff, Holz sowie Befestigungen wie Gewindeinserts sind problemlos zu integrieren

Isolierschäume

Isolierschaum ist ein harter Füllschaum mit außergewöhnlichen Isolationseigenschaften. Hauptsächlich wird dieser für das Hinterfüllen und/oder strukturelle Unterstützung eingesetzt.

• Kann formgebunden hergestellt werden
• Geringe Dichte
• Extrem niedriger Isolations-K-Wert
• Feuerhemmend

Strukturschäume

Strukturschäume werden im Verbund als Kern für Sandwichstrukturen verwendet und sind eine kostengünstige Alternative zu Wabenstrukturen. Sie bieten eine hohe Festigkeit (Druckfestigkeit) bei einer geringen Dichte.

• Wird zur Herstellung von Hartschalenkoffern, Gehäusen oder leichten Strukturformteilen verwendet
• Besitzen eine robuste Außenhaut und einen leichten, wie auch steifen Kern
• Verschiedene Dichten je nach Anforderung
• Feuerhemmend UL94V0

Abbildung: Leichtbau-Formteil aus Strukturschaum

Weichschäume

Weichschaum ist ein Schaumstoff, der hauptsächlich für Polsterungen verwendet wird. Beispielsweise kommt dieser bei Fahrzeugsitzen zum Einsatz, welche zusätzlich noch mit Vinyl, Leder oder anderen Textilien überzogen werden.

• Flexibel und weich
• Ausführung in verschiedenen Härten und Dichten, um dem Endprodukt bestimmte eine Haptik zu verleihen

Abbildung: Weichschaum wird z.B. für Fahrzeugsitze verwendet und anschließend kaschiert

Fazit

Polyurethan (PUR) ist eine unglaublich vielseitige und leichte Materialgruppe, die sich mit günstigen Kunststoff- oder Aluminiumwerkzeugen für jede Anwendung in Form bringen lässt. Aufgrund ihrer universellen Einsetzbarkeit werden Polyurethane in beinahe allen Branchen für technische Kunststoffformteile eingesetzt - Dies reicht vom Automotive-Sektor, über die Wehrtechnik bis hin zur Medizintechnik. Neben der einstellbaren Eigenschaften, die je nach Anforderungen spezifisch angepasst werden können, erlaubt der Herstellungsprozess auch das Umspritzen von Blechen, Stahl oder Holz, wie auch die direkte Integration von Scharnieren oder Befestigungspunkten in das Bauteil.