Weniger Gewicht bei gleicher oder höherer Belastbarkeit

Automobiler Leichtbau

Arburg bietet drei Spritzgieß-Sonderverfahren für den Leichtbau an: Partikelschaum-Verbund-Spritzgießen, Faser-Direkt-Compoundieren und Profoam.

Steigerung der Effizienz, Reduktion von Gewicht und Kosten, Schonung von Ressourcen: Leichtbauteile sind für viele Branchen interessant, allen voran für die Automobilindustrie. Arburg hat mehrere Spritzgießverfahren für die effiziente Fertigung leichter, aber dennoch stabiler Bauteile aus Kunststoff zusammen mit Partnern entwickelt und auf den Markt gebracht. Dazu zählen das Partikelschaum-Verbund-Spritzgießen (PVSG) und das Faser-Direkt-Compoundieren (FDC). Die jüngste Entwicklung ist die physikalische Schäumtechnik Profoam, mit der sich auf konventionellen Spritzgießmaschinen verzugsarme Bauteile mit homogener Schaumstruktur fertigen lassen.

Blende für ein Handschuhfach Foto: Arburg
Blende für ein Handschuhfach Foto: Arburg

Hochglänzende Oberfläche
Ein Profoam-Beispiel ist eine Blende für ein Handschuhfach im Sichtbereich des Pkw-Interieurs: Ein hybrider Allrounder 630 H produzierte das Bauteil aus PC (GF5) mit 2.500 kN Schließkraft in einer Zykluszeit von rund 60 s. Eine dynamische Werkzeugtemperierung ermöglicht trotz Schäumtechnik eine hochglänzende Oberfläche. Das Bauteil ist konsequent auf den Schäumprozess ausgelegt. Durch die geringere Viskosität kann es mit einer Wandstärke von 1,8 mm gefüllt werden. Der Schäumdruck verhindert das Entstehen von Einfallstellen bei der Verrippung. Im Kompaktspritzgießen dagegen wäre eine Wandstärke von 2,5 mm erforderlich. Mit rund 200 g ist die geschäumte Blende daher insgesamt rund 30 % leichter als ein vergleichbares Kompaktbauteil.

Das gemeinsam mit dem deutschen Kunststoffzentrum SKZ, Würzburg, entwickelte Faser-Direkt-Compoundieren (FDC) ermöglicht faserverstärkte Leichtbauteile mit individueller Faserlänge, Faseranteil und Materialkombination. Über eine von Arburg entwickelte Seitenbeschickung an der Spritzeinheit werden dabei Endlosfasern aus kostengünstigen Glasfaserrovings zugeschnitten und direkt der flüssigen Schmelze zugeführt. Theoretisch lassen sich bis zu 100 mm lange Fasern zuschneiden, in der Praxis bewährt hat sich eine Länge von maximal 33,6 mm bewährt.

Das minimiert die Faserschädigung bei der Materialaufbereitung. Faserlänge, Faseranteil und Materialkombination lassen sich individuell einstellen und damit die Bauteileigenschaften gezielt beeinflussen. Dieser Spritzgießprozess führt zu Leichtbauteilen mit hoher Belastbarkeit bei gleichzeitig reduzierter Wandstärke. Hinzu kommt ein deutlicher Kostenvorteil der Ausgangsmaterialien in Vergleich zu Langfasergranulaten.

Kombination FDC mit Organoblech
Partikelschaum-Verbund-Spritzgießen: Ein Verbundteil aus geschäumter und gespritzter Kunststoffkomponente kann in einem weiteren Schritt als Normteil integriert werden. Foto: Arburg
Partikelschaum-Verbund-Spritzgießen: Ein Verbundteil aus geschäumter und gespritzter Kunststoffkomponente kann in einem weiteren Schritt als Normteil integriert werden. Foto: Arburg

Für zusätzliche Stabilität sorgen Organobleche. Die Endlosfasern in Gewebe- oder Gelegeform erhöhen die mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit und Steifigkeit. Auch hier greifen die Vorteile des Multi-Material-Designs: Durch die Kombination des FDC-Prozesses mit Organoblechen entstehen hochbelastbare Composite-Bauteile, die gegebenenfalls Metall substituieren können.
Der Fertigungsprozess kann mit einem Sechs-Achs-Roboter automatisiert werden. Er heizt die Organobleche direkt im Greifer vor. Dann werden sie in die Position vor einem Infrarot-Heizstrahler geschwenkt, bis die festgelegte Umformtemperatur erreicht ist, und schließlich in das Werkzeug einlegt.

Die einbaufertigen Strukturbauteile lassen sich in Großserie mit dem im Spritzguss üblichen Zykluszeiten herstellen. In Kombination mit dem Umspritzen von Organoblechen lassen sich mit dem FDC-Prozess hochfeste Composite-Bauteile mit zusätzlichen Versteifungen oder Funktionen erzeugen.

Partikelschaum plus Thermoplast

Beim Partikelschaum-Verbund-Spritzgießen (PVSG), das Arburg mit der Krallmann Gruppe, Hiddenhausen, und Ruch Novaplast, Oberkirch, realisiert hat, können an ein geschäumtes Vorprodukt unlösbar Thermoplaste angespritzt und auf diese Weise zusätzliche Funktionen und Normteile wie zum Beispiel Gewinde, das sogenannte K-Fix-Element, ins Bauteil integriert werden. Es entsteht eine dauerhafte und stoffschlüssige Verbindung zwischen Partikelschaum (EPP, EPS) und Thermoplast (ABS, PP, TPE). Die Elemente können weiter als Novafeed & Fix Elemente umschäumt werden, um zum Beispiel große oder flächige Bauteile mit integrierten Funktionselementen zu produzieren. Das Multi-Material-Design vereint die Vorteile beider Werkstoffe für funktionelle Leichtbauteile. Ergebnis sind stabile Bauteile mit geringem Gewicht und energieabsorbierenden Eigenschaften, in die sich zusätzliche Normteile und Befestigungselemente integrieren lassen.

Ein Beispiel ist ein isolierender Flaschenhalter, der aus zwei Halbschalen besteht, die mit einem Filmscharnier verbunden sind. Zunächst spritzt ein hydraulischer Allrounder 470 S an ein Vorprodukt aus expandiertem Polypropylen (EPP) stoffschlüssig ein Gewinde aus PP an, von denen zwei Stück pro Fertigteil benötigt werden.

Mit Profoam lassen sich Thermoplaste physikalisch schäumen. Das neue Verfahren eignet sich besonders gut für faserverstärkte Materialien. Foto: Arburg
Mit Profoam lassen sich Thermoplaste physikalisch schäumen. Das neue Verfahren eignet sich besonders gut für faserverstärkte Materialien. Foto: Arburg

Die Zykluszeit beträgt rund 50 s und ist an den rund 100 s dauernden Schäumvorgang angepasst. Die Handhabung übernimmt ein in die Fertigungszelle integrierter Sechs-Achs-Roboter mit Selogica-Bedienoberfläche. Im nächsten Schritt werden die zwei Elemente übernommen und in den Schäumautomaten eingelegt. Im Anschluss an den Schäumvorgang wird der fertige Flaschenhalter über eine Rutsche auf ein Förderband ausgeworfen und aus der Anlage ausgeschleust.

Physikalisches Schäumen

Abgerundet wird das Spektrum innovativer Verfahren für den Leichtbau durch das neue physikalische Schäumverfahren Profoam, das auch faserverstärkte Kunststoffe schonend verarbeitet und durch mikrozelluläre Strukturen für eine deutliche Gewichtsreduktion sorgt.

Arburg hat dieses Verfahren zusammen mit dem Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV), Aachen (Deutschland), erforscht und zur Serienreife weiterentwickelt. Im Gegensatz zum chemischen Schäumen ist bei diesem physikalischen Schäumprozess keine mechanische Schwächung der Bauteile durch Spaltprodukte sowie keine Korrosion und Verschmutzung des Werkzeugs zu befürchten. Das zum Schäumen benötigte einphasige Gemisch aus Polymerschmelze und Prozessgas lässt sich auf konventionellen Spritzgießmaschinen mit geringem technischen Zusatzaufwand erzeugen.

Für die kontinuierliche Zufuhr von Material und Treibfluid sorgt eine patentierte Granulatschleuse mit zwei Kammern, die über einen Verschlusskegel getrennt bzw. verbunden werden. Die untere Speicherkammer steht kontinuierlich unter Treibfluiddruck, während der Druck in der oberen Schleusenkammer zwischen Umgebungs- und Treibfluiddruck wechselt. Beim Füllen der oberen Kammer mit Granulat ist der Verschlusskegel zur unteren Kammer geschlossen. Sobald Granulat aufgefüllt ist, wird die Materialzufuhr abgesperrt und Treibfluiddruck aufgebaut. Anschließend wird der Verschlusskegel zwischen den beiden Kammern geöffnet, sodass Granulat in die untere Speicherkammer nachrieseln kann.

Material und Treibfluid werden von einer Standard-Drei-Zonen-Schnecke eingezogen. Die Plastifiziereinheit ist – ähnlich wie beim Silikon-Spritzgießen – zusätzlich zum Schneckenantrieb hin abgedichtet und mit einer Nadelverschlussdüse ausgerüstet. Dadurch entsteht im Bereich des Granulat-Einzugs eine Treibfluid-Atmosphäre unter konstantem Druck. Die Drücke und Temperaturen in der Plastifiziereinheit erhöhen die Sorptionsgeschwindig¬keit des Treibfluids in der Schmelze. Erst beim oder kurz nach dem Einspritzen in das Werkzeug ist das Material einem Druckabfall ausgesetzt, es kommt zu einer Übersättigung und Desorption des Treibfluids.

An der Steuerung der Granulatschleuse wird der variable Parameter „Prozessgasdruck“ eingestellt. Foto: Arburg
An der Steuerung der Granulatschleuse wird der variable Parameter „Prozessgasdruck“ eingestellt.
Foto: Arburg

Das Gas tritt in Form mikrozellulärer „Bläschen“ wieder aus, die beim Erstarren der Schmelze „eingefroren“ werden. Ergebnisse sind, abhängig von Material und Nukleierungsverhalten, eine weitgehend homogene Schaumstruktur und eine deutlich reduzierte Bauteildichte.

Einfache Prozessführung

Profoam zeichnet sich durch eine einfache Prozessführung aus. Der abgeschlossene Aufbau des Systems mit einer von Arburg entwickelten eigenen Steuerung erlaubt den Einsatz des Geräts an verschiedenen Allrounder-Spritzgießmaschinen. An der Steuerung der Granulatschleuse, die über eine Schnittstelle mit der Selogica-Maschinensteuerung kommuniziert, muss zusätzlich nur der variable Parameter „Prozessgasdruck“ eingestellt werden.

Im Vergleich zu herkömmlichen Kompakt-Spritzgießteilen weisen mit Profoam gefertigte Bauteile mit ihren feinen Zellstrukturen neben dem geringeren Gewicht auch weniger Einfallstellen, Verzug und innere Spannungen auf. Auch unterschiedliche Wandstärken sind mit Profoam möglich. Aufgrund der reduzierten Viskosität der gasbeladenen Schmelze können die Spritzgießmaschinen mit geringerer Zuhaltekraft und Einspritzdrücken gefahren werden, was den Energiebedarf reduziert. Hinzu kommen kürzere Zykluszeiten. Im Vergleich zu Teilen, die im Kompaktspritzgießen hergestellt werden, lässt sich eine signifikante Gewichtsreduzierung erreichen. Abhängig vom Material kann die Oberflächenqualität durch eine dynamisch temperierte Prozessführung weiter verbessert werden. Auf diese Weise lässt sich zum Beispiel Schlierenbildung verringern.

Bei der Werkzeugauslegung beziehungsweise Verarbeitung ist folgendes zu beachten:

  • Die Kühlzeit nimmt mit der Wandstärke des Bauteils stark zu. Deshalb ist eine korrekte Einstellung dieses Parameters erforderlich. Bei einer zu geringen Kühlzeit besteht die Gefahr eines nachträglichen Aufschäumens und damit von Ausschuss.
  • Der Einsatz offener Heißkanalsysteme ist bei Profoam nicht möglich.
  • Zur Verhinderung von Lufteinschlüssen ist eine gute Werkzeugentlüftung vorzusehen.
  • Vor allem der Bereich der Werkzeugkerne muss gut gekühlt beziehungsweise temperiert werden, um optimale Ergebnisse in der Serienfertigung zu erreichen.

Besonders gut lassen sich geschäumte Bauteile mit Faserverstärkung herstellen und somit bessere mechanische Eigenschaften erzielen. Dank reduzierter Scherkräfte verringert sich die Schädigung der Fasern, was zu einer größeren mittleren Faserlänge führt.

Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen der Schaumstruktur verdeutlichen die Vorteile der Technik: Die Randschicht des Bauteils bleibt kompakt, die für die mechanische Festigkeit des Gehäuses wichtigen langen Glasfasern bleiben erhalte. Beim Einsatz dieser Materialien ergibt sich für Profoam in der Regel eine größere mittlere Glasfaserlänge im Bauteil als beim herkömmlichen Kompaktspritzgießen.

Gehäuse wiegt 13 % weniger

Ein Praxisbeispiel für ein mittels Profoam hergestelltes Bauteil ist ein Kinematik-Gehäuses, das im Interieur eines Pkws eingebaut wird. Für dessen Produktion kam ein hydraulischer Allrounder 630 S mit 2.500 kN Schließkraft und einem 1-fach-Werkzeug zum Einsatz. Die Zykluszeit für das Leichtbauteil aus Polycarbonat mit 20 % Glasfaseranteil (PC-GF 20) betrug rund 65 Sekunden. Sehr eindrucksvoll ist bei diesem Produkt das Potenzial der Gewichtsreduktion: Mit 361 g wiegt das Gehäuse 13 % weniger als ein herkömmliches kompaktes Spritzgießteil mit 414 g. Damit einher geht ein entsprechend geringerer Materialverbrauch.

Um die Steifigkeit des Bauteils zu erhöhen, kann das FDC-Verfahren mit Organoblechen kombiniert werden. Die Handhabung übernimmt ein Sechs-Achs-Roboter. Foto: Arburg
Um die Steifigkeit des Bauteils zu erhöhen, kann das FDC-Verfahren mit Organoblechen kombiniert werden. Die Handhabung übernimmt ein Sechs-Achs-Roboter. Foto: Arburg
Oberflächenqualität bleibt Thema

Leichtbau-Verfahren sind besonders interessant, wenn sich damit Produkte fertigen lassen, die über weniger Gewicht bei gleicher oder höherer Belastbarkeit verfügen. Der neue Profoam-Prozess ist nicht nur eine einfache und flexibel einsetzbare Schäumtechnik, sondern ermöglicht auch eine materialschonende Verarbeitung gerade von faserverstärkten Kunststoffen. Auf diese Weise wird eine Gewichtsreduktion mit besseren mechanischen Eigenschaften kombiniert. Zusätzlich kann ganz anders konstruiert und somit schon beim Bauteildesign Gewicht eingespart werden.

Eine Herausforderung bei den Leichtbau-Verfahren bleibt die Verbesserung der Oberflächenqualität. Hier wünscht sich vor allem die Automotive-Industrie noch deutlichere Fortschritte. Eine dynamisch temperierte Prozessführung, die Kombination mit Mehrkomponententechnik oder das Hinterspritzen von Folien sind Lösungsansätze. Gerade wegen seines ressourcenschonenden Materialeinsatzes wird das Schaumspritzgießen von Leichtbauteilen in Zukunft weiter an Bedeutung gewinnen.

Manuel Wöhrle