Glasumspritzen

KH ist es dennoch gelungen, verschieden geformte Glasplättchen so zu umspritzen, dass der Kunststoff eine Art Fensterahmen für sie bildet und sie so in die umgebende Bauteilgeometrie integriert. Der dafür nötige Entwicklungsprozess nahm fünf Jahre in Anspruch. Die Herausforderung bestand darin, die Linsen frei schwebend im Werkzeug zu platzieren, damit das vollständige Umspritzen des Randes in einem Prozessschritt möglich wurde. Das erste Fenster, mit dem man die neue Technologie entwickelte, hatte einige Millimeter im Durchmesser und war circa einen Millimeter dick. Die Fertigungstoleranz von wenigen Hundertstel Millimeter galt es ebenso zu berücksichtigen wie die Tatsache, dass eine Vorspannung, mit der eingelegte Bauteile üblicherweise beaufschlagt werden um den Spritzdruck zu kompensieren, im Fall von Glas nicht möglich war. Das Werkzeugkonzept verlangte deshalb innovative Lösungen, die das Konstruktionsteam um Michael Klar auch fand. Um den Wettbewerbsvorsprung zu sichern, können sie an dieser Stelle nicht detailliert erläutert werden. In der aktuellen Serienanwendung aus dem Medizinsektor legt ein Roboter vollautomatisch mehrere unterschiedliche Glasfenster ins Werkzeug ein, wo sie dann wie mit einem Fensterrahmen umspritzt werden. Das so entstandene Bauteil erhält in einem Folgeprozess seine endgültige Geometrie. Für die Entwicklung der Automation wurde zu Beginn des Projektes eigens ein Spritzgießwerkzeug geschaffen, um die teuren Glaslinsen durch Dummies aus Kunststoff zu ersetzen. Je näher die Lösung rückte desto häufiger verwendete man die „echten“ Plättchen.

Ein zentraler Punkt betraf die Dichtigkeit der fertigen Baugruppen nach Kundenvorgabe. Da sich die Materialien nicht stoffschlüssig verbinden, musste der Kunststoff das Glas durch seine Schwindung so fest umschließen, dass kein Luftaustritt möglich ist, durfte es aber natürlich nicht beschädigen. An anderer Stelle wurde bei Forschungsprojekten zum Thema Glasumspritzen in der Vergangenheit versucht, eine Weichkomponente als verbindende Schicht zwischen beide Materialien einzufügen. Das Vorhaben musste allerdings mangels Erfolg beendet werden. Die Technologie von KH kommt ohne Zwischenschicht aus, das Glas ist komplett von verschiedenen Kunststoffen mit und ohne Verstärkungs- und Füllmaterialien umschlossen. Nach dem Spritzgießen erfolgen inline jeweils eine Kamera- und Dichtigkeitsprüfung.

Das fertige Produkt ist für die Sterilisierung im Autoklav geeignet, allein durch das Spezialglasfenster aber vergleichsweise kostenintensiv. Für Einweg-Anwendungen, die im Rahmen des Projektes ebenfalls benötigt wurden, entwickelte KH ein weiteres innovatives Verfahren, bei dem statt Glas eine Funktionsfolie als Fenster zum Einsatz kommt. Hier stellte der sogenannte „Froscheffekt“ die größte Herausforderung dar: Durch die Schwindung des Kunststoffs wölbte sich die hauchdünne Schicht nach oben oder unten. Deshalb nutzt man nun ein intelligentes Verbundsystem, mit dem die Funktionsfolie planparallel gehalten werden kann und das präzise Messergebnisse ermöglicht.

Für einen innovativen Augentrichter erhielt das KH-Team sogar den begehrten TecPart-Preis, denn das Bauteil umfasst das Beste aus drei Werkstoffwelten: die optische Linse aus Saphirglas, ein robustes Gewinde aus Edelstahl und Kunststoff (POM), der mit seiner geometrischen Flexibilität alles verbindet – formschlüssig und ohne die bisher übliche Verklebung.

Dafür werden die Glaslinse (Durchmesser 8 mm, Dicke 1,8 mm) und der Gewindeeinleger in Serie vollautomatisch und präzise ins Spritzgießwerkzeug eingelegt. Die Linse muss absolut plan platziert sein, damit sich beim Gebrauch des Augentrichters keinerlei optische Verzerrung ergibt. Sie wird mit Vakuum in Position gehalten, während den Gewindeeinleger zwei sich später zurückziehende Stifte fixieren. Beide Einlegeteile müssen den Spritzgießprozess auf einer Maschine mit 500 kN Schließkraft ohne Veränderung ihrer räumlichen Lage und ohne Beschädigung überstehen.

Bei der Auslegung des Prozesses galt es besonders die Schwindung des Kunststoffs zu beachten, um eine sichere Verbindung zu erreichen, aber keinen zu hohen Druck auf das Glas auszuüben, der die Optik beeinträchtigen könnte. Das Spritzgießwerkzeug ist so konstruiert, dass ohne Umbau verschieden dimensionierte Gewindeeinleger verwendet werden können.

Der Augentrichter wird in optischen Instrumenten für Labor und Medizin eingesetzt und hält den Bedingungen einer Dampfsterilisation im Autoklav stand.

Technische Herausforderungen beim Umspritzen von Glas mit Kunststoff

Das KH-Verfahren zum Umspritzen von Glas benötigt keine Haftvermittler, Weich-Komponente oder ähnliches. Die Linse wird freischwebend ins Werkzeug eingelegt. Die Druckverhältnisse sind dem Material angepasst.

Ganz allgemein gesprochen ist das Umspritzen von Glas ein sehr anspruchsvoller Prozess und zählt zu den sogenannten Insert-Molding-Verfahren. Im Gegensatz zum klassischen Spritzgießen wird dabei nicht ausschließlich Kunststoff verarbeitet, sondern ein Fremdmaterial in das Kunststoffbauteil integriert. Glas stellt hierbei besondere Anforderungen, da es spröde ist und empfindlich auf mechanische Spannungen sowie starke Temperaturunterschiede reagiert. Der Erfolg hängt deshalb stark von einer passenden Bauteilkonstruktion, der Werkzeugauslegung, der Materialkombination und den Prozessparametern ab. Zu beachten sind unter anderem:

1. Unterschiedliche Wärmeausdehnung

Besonders wichtig ist der Unterschied zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten von Glas und Kunststoff. Während Kunststoffe sich bei Temperaturänderungen vergleichsweise stark ausdehnen, bleibt Glas nahezu dimensionsstabil. Dieser Unterschied kann nach dem Abkühlen zu Spannungen innerhalb des Bauteils führen. Die heiße Kunststoffschmelze trifft zudem auf ein vergleichsweise kühles Glaselement. Dadurch entstehen Temperaturgradienten, die Spannungen verursachen können. Ist der Temperaturunterschied zu groß, kann das Glas reißen. Um dies zu vermeiden, wird das Glas häufig vorgewärmt. Dadurch sinken die thermischen Spannungen erheblich.

• Glas: ca. 8–9 × 10⁻⁶/K
• Kunststoffe: häufig 50–150 × 10⁻⁶/K