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Komplexer 2K-Prozess gibt Autos was aufs Dach - Krauss Maffei

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PRODUKTION
Spritzprägen. Kunststoffverscheibungen und
großflächige dekorative
Bauteile in Hochglanzoptik sind einer der attraktivsten Wachstumsmärkte
für Kunststoffe im Automobilbau. Ausschlaggebend für den Erfolg dieser
Anwendungen ist die VerIm Zentrum der Produktionsanlage für Polycarbonat-Elemente steht eine 2K-Wendeplattenmaschine
mit 23000 kN Schließkraft (Foto: Webasto)
fügbarkeit geeigneter, auf
die Bedürfnisse des Pro-
dukts zugeschnittener Fertigungskonzepte. Nur so lässt sich das Potenzial dieser
Technologie – Leichtbau, Sicherheitsgewinn und Designfreiheit – in vollem Umfang
ausschöpfen.
Komplexer 2K-Prozess gibt
Autos was aufs Dach
MARKUS BOSS
BERND KLOTZ
ute optische, mechanische und
thermische Eigenschaften machen
Polycarbonat (PC) zu einem bevorzugten Material für die Herstellung
optischer Teile im Automobilbau. 2003
entschied sich die Webasto AG, Stockdorf,
in ihrem Werk in Schierling in die PCVerarbeitung einzusteigen. Ziel war es,
Dachelemente aus PC zu entwickeln,
denn mit einer spezifischen Dichte von
1,2 g/cm3 eignet sich der Kunststoff für
den Leichtbau besonders. Gegenüber
Glas spart ein PC-Dach je nach Größe bis
zu 50 % Gewicht ein. Das reduzierte Gewicht verlagert den Schwerpunkt des
Fahrzeugs nach unten, und dadurch verbessern sich – auch weil die Durchsichts-
G
ARTIKEL ALS PDF unter www.kunststoffe.de
Dokumenten-Nummer KU110350
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flächen in den Dächern in den letzten Jahren immer größer geworden sind –
Straßenlage und Fahreigenschaften.
Viele Vorteile, ein Manko
Und das Material birgt weitere Vorteile:
PC ist sehr schlagzäh und damit nahezu
unzerbrechlich, es ist unempfindlich gegen Bagatellschäden oder Steinschläge am
Auto. Bei Unfällen verringert es gar die
Verletzungsgefahr für die Fahrzeuginsassen. Designer profitieren von einer höheren Gestaltungsfreiheit, Konstrukteure
von den Möglichkeiten der Funktionsintegration. Ein Manko: PC-Bauteile sind
nicht per se kratzfest, weshalb sie nach
dem Spritzen eine Lackieranlage durchlaufen müssen. Dabei werden Vorderund Rückseite in zwei Durchgängen mit
einem Primer und einem speziellen
Hard-Coat versehen (mehr dazu im folgenden Artikel ab S. 100).
Was Webasto zunächst als Entwicklungsprojekt im Schierlinger KunststoffKompetenzzentrum mit einem Versuchswerkzeug betrieb, mündete bald im ersten Geschäftserfolg, als das Unternehmen
2005 den Auftrag für das Panoramadach
des Smart Fortwo erhielt und zwei Jahre
später in die Serienfertigung einstieg. Das
Smart-Dach ist mit einer Fläche von
i
Kontakt
Webasto AG
D-82131 Stockdorf
TEL +49 89 85794-0
> www.webasto.com
KraussMaffei Technologies GmbH
D-80997 München
TEL + 49 89 8899-0
> www.kraussmaffei.com
© Carl Hanser Verlag, München
Kunststoffe 3/2010
PRODUKTION
nicht völlig geschlossene oder sich öffnende Werkzeug eingespritzt. Dieses wird
erst während des Erstarrungsvorgangs
komplett geschlossen. Da sich der
Schließdruck so gleichmäßig aufbaut, liefert das Spritzprägen in seinen Varianten
bei allen Kunststoffen Formteile mit sehr
guter Oberfläche und geringer mechanischer Anisotropie.
Die Anlage verfügt
über flexible Spritzprägeprogramme für
verschiedene
Verfahrensvarianten
Niedriges Eigenspannungsniveau des Formteils
(Bild: KraussMaffei)
Ein typisches PC-Dachelement demonstriert diese Anforderungen: Bei einer
Wanddicke von 4,5 mm, einem Fließweg
von 1200 mm mit einem Anspritzpunkt,
einer Schmelzetemperatur von 300 °C
und einer Werkzeugtemperatur von 95 °C
1,2 m2 bis heute das größte aus PC hergestellte automobile Dachelement. Mehr
als 250 000 Einheiten wurden inzwischen
produziert. Mit der kürzlich in Betrieb genommenen zweiten Fertigungslinie, in
deren Zentrum eine 2K-Wendeplattenmaschine MXW 2300- 17200/8100 SpinForm (Hersteller: KraussMaffei Technologies GmbH, München) mit 23000 kN
Schließkraft steht, konnte Webasto das
Produktionsvolumen für PC-Dachelemente auf nun 320 000 Teile pro Jahr erhöhen. Die beiden Spritzaggregate sind
rechts und links von der Schließeinheit
positioniert; das eine ist konventionell angeordnet, das zweite befindet sich hinter
der beweglichen Aufspannplatte und wird
zusammen mit dieser bewegt.
Verschiedene Prozessvarianten
zum Prägen
Bei der Installation der neuen Anlage
nutzte Webasto die Erfahrungen mit dem
bestehenden System, um den Prozess weiter zu optimieren. So war bislang der
Werkzeugbau der Technologietreiber: Alle Abläufe waren von dem 120 t schweren
Werkzeug getragen und mussten entsprechend aufwendig angepasst werden. Zusammen mit dem Systemlieferanten ist es
gelungen, den Prozess zu stabilisieren und
den Fokus mehr auf die Anlagenfunktionalität zu richten. Die neue Maschine
kommt mit einem 40-t-Werkzeug für ein
0,8 m2 großes Bauteil aus. Mit dem Expansionsprägen, Schließprägen, Öffnungsprägen sowie Kraftprägen stehen
dem Einsteller verschiedene Prozessvarianten zur Verfügung.
Der gesamte Spritzvorgang ist letztlich
an die Anforderungen des nachfolgenden
Prozessschritts des Lackierens gebunden.
Kunststoffe 3/2010
Prägewerkzeug, Spritzgießmaschine und Peripherieeinrichtungen ergeben zusammen ein exakt
abgestimmtes Produktionssystem für PC-Verscheibungen (Foto: Webasto)
Denn der Lack wird mit Lösemitteln angesetzt, die bei ungünstigen Spannungszuständen schon bei der Lackierung Risse im Kunststoff auslösen können. Die
Lösemittel sind aber für eine gute Haftung des Lacks unverzichtbar. Beim
Trocknen von Primer und Lack werden
die Bauteile zweimal für jeweils ca. eine
Stunde auf 130 °C aufgeheizt. Bei diesem
Prozessablauf würden Eigenspannungen
das Formteil verziehen und damit unbrauchbar machen. Deshalb müssen die
großflächigen Kunststoffscheiben mit
sehr niedrigen Eigenspannungen gefertigt werden.
Dieses wichtige Qualitätskriterium,
das für alle hochwertigen optischen Bauteile gilt, bedingt ein sogenanntes Niederdruckverfahren – eben das Spritzprägen.
Dabei wird die Kunststoffschmelze in das
liegt der maximale Werkzeuginnendruck
bei 250 bar, über das gesamte Formteil liegen die Innendrücke zwischen 150 und
200 bar. Auch der Nachdruck, der beim
Prägeverfahren ausschließlich über die
Schließeinheit aufgebracht wird, ist über
das gesamte Bauteil, angussnah wie auch
angussfern, identisch. Man spricht deshalb vom Schließen-Nachdruck. Auf dieser Basis wird die Schließkraft der Maschine ausgelegt.
Durch Veränderungen der Materialrezeptur lässt sich die Tönung der fertigen
Scheibe einstellen und an jedes Produkt
und Design anpassen. Verbesserte Infrarotabsorber erreichen eine nahezu vollständige Filterung von UV-Strahlen bei
trotzdem hoher Transparenz und sorgen
für ein angenehmes Innenraumklima im
Fahrzeug.
>
97
PRODUKTION
Auf dem Bildschirm der Maschinensteuerung können die Mitarbeiter in der Produktion über vier Wegaufnehmer Details der Parallelitätsregelung und
den zeitlichen Verlauf des Prägespalts in der Trennebene aufrufen – Voraussetzung für reproduziergenau gefertigte optische Bauteile (Bilder: KraussMaffei)
Aufkippen des Werkzeugs
vermeiden
Die Qualitätsanforderungen an das Bauteil stellen nicht minder hohe Anforderungen an das Werkzeug und die Funktionalität der Spritzgießmaschine. Gefragt ist eine reproduktionsgenaue Abfor-
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mung, sowohl von Schuss zu Schuss als
auch über die gesamte Bauteilfläche. Das
Bauteil wird – weil es ein optisches ist –
von der Seite angespritzt. Beim Einbringen der Masse treten angussnah höhere
Drücke auf als angussfern, dabei würde
das Werkzeug aufgekippt. Diesen Kraftbedingungen im Werkzeug muss die Anlage Rechnung tragen, um ein Werkzeugkippen zu vermeiden.
Die Schwierigkeit besteht darin, dass
die Wanddicken-Schwankungen über die
gesamte Größe des Bauteils maximal
0,02 mm betragen dürfen. Dafür sind
parallele, präzise und gleichmäßige Bewegungen der Werkzeugaufspannplatten
im Bereich von 0,01 mm notwendig, und
dazu muss die Maschine mit einer Parallelitätsregelung ausgerüstet sein. KraussMaffei favorisiert die Prägewegaufzeichnung, gemessen am Werkzeugspalt –
denn nur dort, direkt am Formteil, ist eine Regelung direkt über die Messung und
ohne Berücksichtigung weiterer Störgrößen möglich.
Reflexions- und Transmissionsoptik als Qualitätskriterien
Nur verzerrungsfreie Oberflächen erfüllen den Qualitätsanspruch, den Autohersteller und -käufer an Dachflächen
aus PC stellen. Zwei Kriterien sind dafür
prägend. Das erste heißt Reflexionsoptik
und meint die korrekte Ebenheit des Teils
in der Oberfläche. Denn nur ein abbildungsgenaues Spiegelbild spricht für
gute Anmutung und hohe Qualität. Ein
wichtiger Faktor ist hier der beschriebene 2K-Prozess, bei dem die zweite Komponente auf die erste gespritzt wird und
nicht in eine Stahlform. Die Reaktion auf
250
angussfern
angussnah
bar
200
Werkzeuginnendruck
Um den Vorteil der Funktionsintegration voll nutzen zu können, werden Verscheibungen zunehmend als 2K-Teile
ausgelegt. Die Gestaltung der Bauteile bedingt eine erste, transparente Komponente, die mit einer zweiten, schwarzen Komponente hinterspritzt wird (bei Glas ist
das der Schwarzdruck zum Kaschieren
unschöner Bereiche). Der Prozess verlangt eine hohe Konstanz, weil ein wesentlicher Teil der Kavität der zweiten
Komponente durch die erste Komponente vorgeformt wird. Anders als bei einem
herkömmlichen Spritzgießwerkzeug ist
die Kavität für die zweite abhängig vom
Prozessergebnis der ersten Komponente.
Beim zweiten Prozessschritt dichtet die
Kavität zwischen Stahl und transparentem Kunststoff ab – wenn dieser Teil nicht
auf den Hundertstelmillimeter reproduktionsgenau gefertigt wird, entstehen daraus Schwankungen bis hin zu Überspritzungen der zweiten Komponente.
Weil der Spannungshaushalt des gesamten Formteils auch durch die zweite
Komponente bestimmt wird, ist es in bestimmten Fällen von Vorteil, auch für die
zweite Komponente einen Prägeprozess
zu wählen. Bei geringer Anzahl von Anspritzpunkten lässt sich so ein niedriges
Eigenspannungsniveau des Formteils erzielen.
150
100
50
0
0
10
20
30
40
50
60
Zeit
70
s
80
© Kunststoffe
Typischer Werkzeuginnendruckverlauf eines Spritzprägeprozesses mit gleichem Druck zum Ende
der Prägephase. Zwischen den Druckaufnehmern liegen ca. 1200 mm Fließweg (Bild: Webasto)
© Carl Hanser Verlag, München
Kunststoffe 3/2010
PRODUKTION
In der Polarisationsoptik (hier mit monochromatischem Licht)
erkennt man den wesentlichen Vorteil des
Spritzprägens: Geringe Eigenspannungen
über die gesamte
Bauteilfläche schaffen ideale Bedingungen für die nachfolgende Kratzfestbeschichtung
(Foto: Webasto)
die Schmelze, etwa einseitiges Aufheizen
und Abkühlen, kann die Oberfläche
ebenso wie die beschriebenen Wanddickenänderungen beeinträchtigen. Es
entsteht ein sogenannter Fenstereffekt,
d.h. eine physikalische Unstetigkeit, die
durch das hinterspritzte Material hervorgerufen wird. Das menschliche Auge
empfindet eine Oberflächenveränderung
bereits mit einer Unstetigkeit ab 2 µm als
störend.
Der zweite Begriff heißt Transmissionsoptik und beschreibt ein Sicherheitsmerkmal, nämlich ein verzerrungsfreies
Sichtfeld ohne störende Partikel. Dies
wird beeinflusst vom Spannungszustand
des Bauteils (Doppelbrechungen) und
der Reinheit des Materials (Homogenität). Deshalb kommen Plastifizierung
und Prägetechnik an dieser Stelle entscheidende Bedeutung zu. Bei dem von
KraussMaffei und Webasto realisierten
Prozess schwimmt das Werkzeug auf der
Kunststoffmasse bis zur endgültigen Erstarrung. Dies führt zu verzerrungsfreien
optischen Formteilen. Für die Verarbeitung des PC kommen auf beiden
Kunststoffe 3/2010
Spritzaggregaten spezielle HPS-ATPlastifiziereinheiten zum Einsatz. Sie sorgen für eine hohe Schmelzehomogenität
und Reproduzierbarkeit.
Der Prägeprozess ermöglicht es, als
Maß für die Verzugsfreiheit auf die gesamte Fläche des Panoramadachs (72
Messpunkte) eine Wölbungstoleranz von
±1,5 mm einzuhalten. Auch Seiten- oder
Heckscheiben und andere Verkleidungsteile in Glasoptik können mit diesem Verfahren hergestellt werden. Die Qualität
der PC-Scheiben ist so hoch, dass derzeit
nur die aktuelle Gesetzeslage und die
mangelnde Wischerbeständigkeit der
Kratzschutzmittel den Einsatz als Frontscheibe verhindern.
Ausblick
Das Spritzprägen entwickelt sich zu einer
wichtigen Alternative bei der Fertigung
von Exterieurteilen. Denn Prägeprozesse
halten inzwischen auch im BodypanelBereich Einzug, etwa bei Motorhauben
oder Kotflügeln. Allein Webasto hat bereits acht Aufträge für Dachelemente mit
Serienstart in den nächsten zwei Jahren
akquiriert. Weitere Anwendungen, die in
den nächsten Jahren zur Serienreife gelangen sollen, sind Dachschalen für Cabrios, ein vollständig zu öffnendes Panoramadach aus PC sowie ein Heckmodul
inklusive Spoiler.
Mit der verfügbaren Maschinentechnik sind verschiedene Prägevarianten
möglich. Bei allen ist die Werkzeugtemperierung und die Kontrolle darüber ein
entscheidender Faktor. Die gesteigerten
Qualitätsansprüche rücken deshalb ein
weiteres Thema in den Mittelpunkt, das
den Prozess in Zukunft nachhaltig beeinflussen wird. Es heißt Dynamic Mold
Heating (DMH). Dabei kommuniziert
die Spritzgießmaschine mit den Temperiergeräten in Echtzeit über einen VaranBus, der Temperaturverlauf lässt sich somit vollständig variabel gestalten.
DIE AUTOREN
DIPL.-ING. MARKUS BOSS, 1972, arbeitet in der
Product Group Polycarbonat der Webasto AG im Werk
Schierling.
DIPL.-ING. (FH) BERND KLOTZ, geb. 1956, arbeitet
in der Verfahrensentwicklung der KraussMaffei Technologies GmbH, München.
SUMMARY
COMPLEX 2-COMPONENT PROCESS
HITS THE ROOF
COMPRESSION MOLDING. Plastic glazing and large
decorative parts with high-gloss optics are one of the
most attractive growth markets for plastics in the
automotive industry. The success of these applications
hinges critically on the availability of manufacturing
concepts appropriately tailored to the needs of the product. Only then can the potential of this technology –
lightweight construction, safety benefits and design
freedom – be fully exploited.
Read the complete article in our magazine
Kunststoffe international and on
www.kunststoffe-international.com
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