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Weichschaumteile Reaction Injection Moulding Hintsteiner

RIM VERFAHREN

Das Reaction Injection Moulding Verfahren: In vielen Bereichen eine kostengünstige Spritzguss-Alternative

Reaction Injection Moulding (RIM), auch bekannt als Niederdruck-Spritzgussverfahren, kommt bei der Produktion von Kunststoffformteilen zum Einsatz. Aufgrund vielfältiger Vorteile, wie der optimalen Eignung zur Produktion großer Formteile, den vergleichsweise geringen Kosten und der Möglichkeit für eine hohe Baukomplexität, stellt das RIM-Verfahren im Vergleich zum herkömmlichen Spritzgussverfahren in zahlreichen Bereichen eine hochwertige und sinnvolle Alternative dar. Zu den präferierten Segmenten zählen etwa der Motorsport, Maschinenbau, die Schienenindustrie und der Fahrzeugbau.

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Unsere RIM-Leistungen auf einen Blick:

 

info

Größe
Bauteilgewicht bis 10 kg
Bauteilgröße bis ca. 2 Meter

material

Materialien
Weichschaum
Integralschaum
PUR / PU Gießteile
von Shore A45 (weich)  bis Shore D80 (steif)

leistung

Leistungen
Werkzeugkonstruktion
Werkzeugbau  / Formenbau
Teilefertigung
Oberflächen-Veredelung

zeit

Durchlaufzeit
1-6 Wochen für Werkzeugbau und Teilefertigung

 

 

Was ist RIM?

Das Niederdruck-Spritzgussverfahren Reaction Injection Moulding (RIM) wird zur Produktion von Kunststoffformteilen verwendet. Polyol und Isocyanat sowie mögliche weitere Zusätze werden dabei zunächst miteinander vermischt und anschließend als Reaktionsmasse mit einem Druck von vier bis sechs Bar in ein Werkzeug aus Aluminium, Polymerbeton oder Ureol (Kunststoff) gespritzt. Durch die Vernetzungsreaktion härtet das Material in der Form aus. Mit dem RIM-Verfahren können sowohl weiche als auch harte Bauteile aus Polyurethan in verschiedenen Shore-Härten, Integralschaum oder Gummi-Teile (Elastomer) produziert werden.

Im Vergleich zum herkömmlichen Spritzgussverfahren zeichnet sich Reaction Injection Moulding (RIM) durch eine niedrigere Viskosität aus – was mit größeren Fließwegen einhergeht. Bei gleicher Wanddicke lassen sich mit dem RIM-Verfahren also größere Fließwege erreichen. Das Verfahren ist deshalb besonders gut für dünnwandige, große und komplexe Bauteile geeignet.

Bei der Kleinserien Produktion werden mehrheitlich Polymerbeton (PB) Werkzeuge gefertigt. 

Durch die hohe Festigkeit der Werkzeugoberflächen lassen sich mit dem Niederdruck-RIM-Verfahren größere Stückzahlen produzieren. In vielen Fällen stellt das RIM-Verfahren eine geeignete Alternative zum herkömmlichen Spritzverfahren dar.

Was sind die Vorteile der RIM-Technologie?

Obwohl das RIM-Verfahren im Vergleich zum herkömmlichen Spritzgussverfahren in einigen Bereichen bedeutende Vorteile bieten kann, wird es in der Praxis bisher nur selten angewandt. Dies liegt primär an mangelndem Wissen um das Verfahren selbst. Zudem sind bislang erst wenige Kunststoffverarbeiter in der Lage, die Produktion mit dem RIM-Spritzgussverfahren durchzuführen. Im Folgenden können Sie sich einen Überblick über die Vorteile des RIM-Verfahrens verschaffen:

  • Optimal für die Produktion großer Formteile geeignet (bis 2000 mm)
  • Hohe Baukomplexität möglich
  • Günstiges Fließverhalten
  • Kostengünstiger Werkzeugbau
  • Lange Lebensdauer der Werkzeuge
  • Oberflächengüte sowie Wiederhol- und Detailgenauigkeit entspricht den Serienteilen
  • Oberflächenveredelung möglich
  • Hohe Stabilität
  • Geringes Teilegewicht
  • Große Materialvielfalt
  • Hohe Wärmeformbeständigkeit von PUR-Teilen
  • Gute mechanische Eigenschaften
  • Für ZSB-Erstellung geeignet
  • Prototypen aus mehrkomponentigem Material können produziert werden
  • Für das Umgießen drucksensibler Elektrobauteile geeignet

Die wichtigsten Vorteile des RIM-Verfahrens werden im Folgenden detailliert vorgestellt.

RIM-Verfahren ist optimal für die Produktion großer Formteile geeignet

Einer der größten Vorteile des Niederdruckspritzgieß-RIM-Verfahrens ist die Möglichkeit, sehr große Formteile in hoher Qualität herzustellen. Dabei gibt es kaum eine Größenbeschränkung. Dies ist vor allem der niedrigen Viskosität zu verdanken, aus der größere Fließwege resultieren. Mit dem RIM-Verfahren können sowohl dünnwandige als auch komplexe und große Bauteile in bester Qualität produziert werden. Häufig kommt das Verfahren deshalb bei der Herstellung von Komponenten mit einer Größe von 100 bis 2000 mm zum Einsatz.

RIM überzeugt durch geringe Kosten beim Werkzeugbau

Im Vergleich zum herkömmlichen Spritzgießen überzeugt das RIM-Verfahren beim Werkzeugbau mit einem sehr viel geringeren Aufwand und damit einhergehenden geringen Investitionskosten. Zwar kann das normale Spritzgießen durch den Einsatz von Stammformen und Einsätzen in der Fertigung von Prototypen und Kleinserien verhältnismäßig ressourcenschonend eingesetzt werden. Die beim Spritzgussverfahren zum Einsatz kommenden Aluminium- und Stahlwerkzeuge sind jedoch wesentlich teurer als Polymerbeton und Kunststoff, die beim Reaction Injection Moulding-Verfahren eingesetzt werden.

Doch warum ist ein solch kostengünstiger Werkzeugbau beim Reaction Injection Moulding-Verfahren möglich? Bei der RIM-Methode werden zwei Materialkomponenten in einem Mischkopf miteinander vermengt und direkt im Anschluss als Reaktionsmasse in das entsprechende Werkzeug eingespritzt, in dem das Material aushärtet. Beim RIM-Verfahren ist ein weniger starker Zuhaltedruck nötig, als dies beim Spritzgussverfahren der Fall ist. Somit reichen bei der RIM-Produktion weniger druckstabile und somit auch günstigere Werkzeuge aus. Neben den Kostenvorteilen überzeugt das RIM-Verfahren auch dadurch, dass es für die Produktion von bis zu 2.500 Teilen jährlich eingesetzt werden kann. Möchte ein Produktionsunternehmen Vor- oder Kleinserien produzieren, kann sich der Reaction Injection Moulding-Prozess aus finanzieller Sicht also durchaus lohnen.

RIM überzeugt durch hohe Qualität

Durch die hohe Design-Freiheit bei der technischen Umsetzung des Verfahrens sowie die Möglichkeit der direkten Funktionsintegration bei hoher mechanischer Bauteilfestigkeit sorgen verschiedene physikalische Eigenschaften für eine besonders hohe Qualität der Bauteile. Dazu gehört beispielsweise die Gewichtsreduktion.

Optische Vorteile des RIM-Verfahrens

Durch das RIM-Verfahren ergibt sich eine sehr hohe Flexibilität sowohl bei der Optik als auch bei der Haptik der Oberfläche. Dabei sind auch innovative Hybridanwendungen eingeschlossen. Bei gleichbleibend hoher Prozesssicherheit bietet die Methodik eine sehr hohe Oberflächenauswahl.

Mit RIM kann die Fertigung schneller beginnen

Durch die deutlich schnellere Produktion von Werkzeugen beim Niederdruck-Spritzgussverfahren sorgt die RIM-Variante dafür, dass die Fertigung wesentlich zeitnaher beginnen kann. In der Regel startet diese drei bis vier Mal schneller als beim normalen Spritzgussverfahren.

Anders sieht es aus, wenn eine höhere Stückzahl gefordert ist. Hierbei empfiehlt sich das herkömmliche Spritzgießen als Verfahren der ersten Wahl. Da bei der Produktion von Form- oder Bauteilen im RIM-Prozess mit einer Zyklusdauer von etwa 15 Minuten gerechnet werden muss, lohnt sich das Verfahren nur bei fünf bis 1000 Stück pro Jahr. Sollen jedoch täglich beispielsweise mehrere hundert Teile produziert werden, lässt sich dies mit dem RIM-Verfahren nicht, beziehungsweise nicht wirtschaftlich realisieren. In vielen Fällen kann die längere Produktionszeit der RIM-Variante jedoch durch die bedeutenden Vorteile in Bezug auf Flexibilität und Teilegröße kompensiert werden.

Reaction Injection Moulding

Wie funktioniert das RIM-Verfahren?

Bei den Begriffen Kunststoffspritzguss und Reaktionsspritzguss kommt es selbst unter erfahrenen Ingenieuren des Öfteren zu Missverständnissen. Mit dem Wort Reaktion wird jedoch bereits signalisiert, dass zwischen den beiden Verfahren große und wichtige Unterschiede bestehen. Da es sich beim Reaction Injection Moulding-Verfahren um einen Reaktionsprozess handelt, bei dem eine chemische Reaktion stattfindet, kann man hierbei von einem Herstellungsverfahren sprechen. Unmittelbar vor der Verarbeitung wird der Kunststoff über eine chemische Reaktion erzeugt. Bei der Polyaddition reagieren Polyol und Isocyanat zu Polyurethan. Während der chemischen Reaktionen dehnen sich die Polymere aus und verdicken sich. Erst nachdem die Masse in das erhitzte Werkzeug eingespritzt wird, härtet sie aus. Dadurch wird die Produktion komplizierterer Konstruktionen als beim herkömmlichen Spritzgießen möglich. 

Das Reaction Injection Moulding-Verfahren kann grob in die folgenden drei Schritte gegliedert werden:

  • Reaction: Polyol und Isocyanat werden miteinander vermischt und es kommt zu einer chemischen Reaktion zwischen den beiden Materialien
  • Injection: Das reaktive Gemisch wird in das Werkzeug beziehungsweise die Form injiziert
  • Moulding: Die Masse härtet in der Form aus, wodurch das gewünschte Formteil entsteht

Vermischung

Der erste Schritt bei der Entstehung des mit dem RIM-Verfahren hergestellten Formteils ist die Vermischung der beiden Komponenten Polyol und Isocyanat. In separaten Kreisläufen werden die zwei Bestandteile in der RIM-Anlage durch Dosierzylinder und Pumpen befördert. Ist noch keine Vermischung erfolgt, werden die Komponenten in einem Kreislauf zurück in den Materialbehälter befördert. Soll ein Formteil hergestellt werden, zieht sich der Steuerkolben des Mischkopfs zurück, wodurch die beiden Bestandteile unter großem Druck aufeinander treffen. 

Durch die Vermischung der beiden Komponenten kommt es zu einer chemischen Reaktion, bei der Polyurethan entsteht. Da die beiden, miteinander reagierenden Teile eine sehr hohe Reaktivität aufweisen, werden als RIM-Anlagen vor allem Hochdruck-Dosiermaschinen verwendet. Die beiden Komponenten werden also unter sehr hohem Druck miteinander vermengt. Der enorme Druckaufbau für die Vermischung erfolgt im Mischkopf über eine Kombination aus Düsen und Nadeln, wobei für jede der zwei Komponenten jeweils eine Düse und eine Nadel im Mischkopf vorhanden ist. Der benötigte Druck kann über den Durchmesser der Düsenöffnung und die Stellung der Nadel eingestellt werden. Bei der Justierung müssen zudem die Viskosität und die Fördermenge berücksichtigt werden.

Nach der Vermischung erfolgt die Injektion in das Werkzeug beziehungsweise in die Form.

Injektion in das Werkzeug

Durch den Nachmischer gelangt das entstandene Polyurethan direkt in das Werkzeug beziehungsweise in die Form, wodurch die Eigenschaften der Mischung erhalten bleiben. Das Werkzeug ist dabei in einer Presse verbaut, die das Werkzeug trotz hohem Forminnendruck zuhält. Der Forminnendruck entsteht beim Einspritzen der Masse in das Werkzeug, in dem das Bauteil entsteht. Da die flüssige Masse einen geringeren Druck und eine geringere Temperatur erfordern als beim herkömmlichen Spritzgießen, reichen verhältnismäßig kostengünstige Werkzeuge aus Aluminium oder Polymerbeton vollkommen aus. Die Formen werden mäßig erhitzt, während die exotherme Reaktion dazu führt, dass sich die Masse innerhalb kurzer Zeit auf etwa 325°C erhitzt. Dies wiederum führt zu einer sehr schnellen Aushärtung der Masse.

Aushärtung

Je nach Größe, Wandstärke, Funktion und Geometrie variiert die Zeit für die Aushärtung zwischen unter einer Minute bis zu mehreren Minuten. Ist die Aushärtung abgeschlossen, kann das fertige Bauteil aus dem Werkzeug entnommen werden.

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Werkzeuge beim RIM-Verfahren

Bevor die Bauteile gefertigt werden, muss zunächst das passende Werkzeug hergestellt werden. Bei geringen Stückzahlen wird üblicherweise ein Polymerbeton Werkzeug (PB) erstellt

Hierfür wird zunächst die Hälfte der gewünschten Form in einen aus Ureol bestehenden Formwerkstoff gefräst. Eine andere Möglichkeit wäre ein bestehendes Urmodell bzw. Mastermodell (Fräsen oder 3D Druck) zu erstellen und anschließend Formschlüssig zu unterbauen.

Anschließend geht es an die Herstellung der Werkzeughälfte. Dafür wird die das Urmodell in mehreren Durchgängen mit einem Epoxidharz bestrichen, woraufhin die Form mit einem Rahmen aus beschichteten Platten (Spanplatten oder Kunststoffplatten) umbaut wird. Jetzt wird die Form mit einem Aluminiumgrieß oder Quarzsand hinterfüllt, wodurch die nötige Druckfestigkeit des Werkzeugs erreicht wird. Durch Aufstampfen (Verdichten) des Füllstoffs erfolgt die Hinterfüllung, welche als Kunstharzform die zweite Werkzeughälfte bildet. Im Anschluss wird die erste Werkzeughälfte frästechnisch nachbearbeitet. Dabei wird die Kontur nachgefräst und die gewünschte Wandstärke festgelegt. Bei Erstellung eines beidseitigen massiven Werkzeuges wird nach Fertigstellung der ersten Werkzeughälfte auch die zweite identisch aufgebaut. Durch die Einarbeitung von Losteilen werden zudem Hinterschnitte realisiert. Losteile und auch Schieber können entweder aus Aluminium gefräst werden oder mittels Polyurethan Harz abgegossen werden.

RIM Materialien

Als Materialien kommen beim Reaction Injection Moulding-Verfahren Polyol und Isocyanat zum Einsatz. Der Mischung kann zudem eine Verstärkung zugegeben werden. Da bei der Fertigung von Bauteilen mitunter sehr unterschiedliche Anforderungen an die Materialeigenschaften und Toleranzen gestellt werden, stellt sich die Frage, ob das RIM-Verfahren die herkömmliche Spritzguss-Variante ersetzen kann.

Im Vergleich zum Spritzguss ist die Materialvielfalt beim RIM-Verfahren vergleichsweise niedrig. In verschiedenen Anwendungsfeldern sind es jedoch gerade die Materialeigenschaften der durch RIM hergestellten Formteile, welche mit besonderen Vorteilen überzeugen. So verfügt das Material über eine hohe Stabilität bei gleichzeitig geringem Gewicht, Wärmeformbeständigkeit sowie hervorragende mechanische Eigenschaften. Das Herstellungsverfahren kommt zudem mit nur geringem Druck aus. Dadurch ist es zudem hervorragend zum Umgießen von Komponenten geeignet, die sehr drucksensibel sind. Hierzu gehören zum Beispiel elektronisches Bauteile z.Bsp. bestückte Leiterplatten oder sensible elektronische Komponenten die im RIM Verfahren vollflächig Vergossen werden. Auch die Entflammbarkeit kann durch spezielle Materialien gegeben sein. Für die Schienenindustrie oder für den Fahrzeug Innenraum gibt es abgestimmtes Polyurethane die den korrekten Normen entsprechen (UL94 V0, uvm.)

Produkte und Einsatzmöglichkeiten von RIM

Das RIM-Verfahren ist optimal zur Herstellung von großen Bauteilen geeignet, die sowohl höchsten ästhetischen als auch funktionalen Ansprüchen genügen sollen. Einige Beispiele für Produkte und Einsatzmöglichkeiten von RIM sind:

  • Motorsport-Teile
  • Verkleidungsteile
  • Stoßfänger
  • Heckspoiler
  • Gehäuse
  • Sitze
  • Joysticks
  • Armlehnen
  • Innenverkleidung

Bauteile, die über eine hohe Produktelastizität und Temperaturresistenz verfügen sollen

Sind für die gewünschten Formteile Faktoren wie Temperaturresistenz oder Produktelastizität relevant, eignet sich das RIM-Verfahren hervorragend. So halten Bauteile, die über das RIM-Prozedere hergestellt wurden, auch extreme Temperaturen von bis zu -50°C aus und sind zudem äußerst flexibel und schlagzäh.

Breites Anwendungsspektrum für Hybridbauteile

Werden hohe Anforderungen an die Strukturfestigkeit des Bauteils gestellt, kann ein Verstärkungsbauteil auf die RIM-Reaktionsmasse integriert werden. Damit ist das Verfahren optimal für die Produktion von Hybridbauteilen geeignet. Bei Hybridanwendungen können zudem mechanische Funktionsintegrationen realisiert werden.

Bauteile mit hohem Anspruch an Oberflächenhaptik und Oberflächengüte

Mit dem RIM-Verfahren können hochwertige Produkte mit speziellen Anforderungen an die Oberflächenhaptik realisiert werden. Dazu zählen etwa eine hohe Oberflächenbrillanz oder eine besonders flexible Oberflächenbeschaffenheit sowie innovative Soft Touch-Oberflächen.

Fazit zum Reaction Injection Moudling Verfahren

Ist der Prototyp hergestellt, kann mit dem Vakuumgussverfahren eine kostengünstige Vor- oder Kleinserie gefertigt werden. Dabei wird der Prototyp originalgetreu reproduziert. Produktionsunternehmen können Gussteile in Kleinserie von etwa 100 Teilen fertigen lassen und entsprechende visuelle oder mechanische Tests durchführen. Feine Details können dabei ausgearbeitet und die Formteile optimiert werden. Mit Beschichtungen, Lackierungen und vielem mehr kann das Teil nicht nur am Computer, sondern in seiner realen Gestalt betrachtet, ausprobiert und auch auf Messen oder bei Marktumfragen vorgestellt werden. Dadurch erhält das Unternehmen wertvolle Anregungen und Verbesserungsvorschläge. Zudem werden Vorserien zur Zertifizierung von Produkten benötigt. Durch den hohen Skaleneffekt von Prototypen ist das Vakuumgießen ab einer Stückzahl von über fünf die erste Wahl unter den verschiedenen Produktionsverfahren. Ab einer Zahl von fünf Formteilen nehmen die relativen Kosten für das Werkzeug stetig ab.

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