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KU_2014_12_Mehr-als-nur-Schaumblaeschen - Kunststoffe.de

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Spritzgießen RENAISSANCE DER SCHÄUMVERFAHREN
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[FAHRZEUGBAU] [MEDIZINTECHNIK] [VERPACKUNG] [ELEKTRO & ELEKTRONIK] [BAU] [KONSUMGÜTER] [FREIZEIT & SPORT] [OPTIK]
Mehr als nur Schaumbläschen
Die optimierte Auslegung macht physikalisch geschäumte Kunststoff-Formteile noch leichter
Das Spritzgießen physikalisch geschäumter Formteile ist bei den Anwendern in der Breite angekommen. Das volle
Potenzial dieses Sonderverfahrens lässt sich jedoch erst dann erschließen, wenn bereits in der Designphase
wichtige Aspekte zur schäumgerechten Bauteilgestaltung beachtet werden. Im Vergleich zum Kompaktspritzgießen liegt dann in den meisten Fällen das wirtschaftlichere Verfahren mit deutlich höherer Produktivität vor.
Die Mittelkonsole der
Mercedes-Benz C-Klasse
(W 205) enthält sechs
geschäumte Einzelteile
(Bild: Trexel)
D
as Spritzgießen physikalisch geschäumter Bauteile nimmt mehr und
mehr Fahrt auf, speziell in der Automobilindustrie. Dabei kommt das Thermoplast-Schaumspritzgießen (TSG) nicht allein in der Fahrzeugbranche zum Zug, es
ist längst auch bei den Herstellern Weißer
Ware sowie elektronischer Bauteile und
Geräte oder auch in der Verpackungsindustrie etabliert. Insbesondere die aus
dem Automobilbau stammenden Anwendungen geben jedoch Einblick in die
neueren Entwicklungsschritte des physikalischen Schäumens.
Anhand des in der Industrie bekanntesten und mit Abstand am weitesten verbreiteten Schäumverfahrens, dem MuCellVerfahren des Technologieanbieters Trexel,
Inc., Wilmington, Massachusetts/USA, las-
sen sich die Phasen Entwicklung, Markteinführung, Wachstum und Stand der
Technik in einer Entwicklungskurve zusammenfassen (Bild 1). Dabei werden die
Bauteile qualitativ zusätzlich nach ihrer
visuellen Oberflächengüte – „Klasse A“Oberflächen, Sichtbereich und NichtSicht­bereich – eingeordnet.
Die Grafik untermauert eindrucksvoll
die Einschätzung des TSG-Verfahrens als
Erfolgsgeschichte mit großer Perspektive, aber auch, basierend auf umfangreichen Entwicklungsarbeiten, den langen
und steinigen Pfad, der notwendig war,
um den Durchbruch aus dem Nischen­
dasein hin zum heute produktionssicheren Großserienverfahren zu bewerkstelligen. Zahlreiche Eigenschaften, die sich
positiv auf Formteil und Prozess aus­
wirken, machen das MuCell-Verfahren
insbesondere für Anwendungen von
hoher Maßhaltigkeit sowie für gewichtsoptimierte Bauteile interessant.
Dabei wird das Potenzial zusätzlicher
Gestaltungsmöglichkeiten geschäumter
Bauteile bei Nicht-Sichtbauteilen oder
bei folienhinterspritzten Anwendungen
noch wenig genutzt, obwohl es sich gerade in diesen Bereichen durch seine
Vorteile aufdrängen würde:
WW Verzugsarmut,
WW Einfallstellenfreiheit bei Dünnwanddesign,
WW hohe Fließfähigkeit der Schmelze und
WW niedrige Drücke im Werkzeug.
Dieser Effekt – hier Leichtbaudesign genannt (Bild 2) – kann nicht hoch genug
eingeschätzt werden. Bei der in [1] »
Kunststoffe 12/2014 www.kunststoffe.de
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SPECIAL RENAISSANCE DER SCHÄUMVERFAHREN Spritzgießen
„Klasse A“- Oberflächen
Sichtbereich
InterieurSichtteil
Sichtbereich,
Klasse A, genarbt
hochglanz
(Int./Ext.)
Entwicklung
MuCell
MuCell
HVACKlimagehäuse
Lüfterzarge
MuCell
Schlossgehäuse
Lüfterräder
MuCell
MuCell kaschiert
MuCell und Folienhinterspritzen
MuCell und Öffnungsprägen
MuCell mit TPU (thermoplastisches Polyurethan)
MuCell mit Softlack
MuCell und Variothermverfahren
MuCell und Dekor-Hinterspritzen
MuCell und Öffnungsprägen
MuCell mit ???
MuCell mit ???
Sichtteil
Klasse A,
lackiert
(Int./Ext.)
MuCell mit speziellen Materialien (PP)
MuCell
MuCell
Nicht-Sichtbereich
Fertigungsreife/Verfahrenstechniken
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Unterboden
Mittelkonsole
Bedienblende
IT-Träger
Anschlagdämpfer
Airbagabdeckung
Scheinwerfergehäuse
Displayrahmen
Interieurleiste
Unterbodenplatte
Markteinführung
Wachstum
Stand der Technik
© Kunststoffe
Bild 1. Stellvertretend für andere Schäumprozesse sind hier Automobil-Anwendungen des MuCell-Verfahrens in einer Entwicklungskurve
zusammengefasst (Bild: Trexel)
Die Autoren
Dipl.-Ing. (FH) Harald Heitkamp ist
Sales Manager und technischer Berater
für MuCell bei der Trexel GmbH, Siegen;
h.heitkamp@trexel.com
Dipl.-Ing. (FH) Markus Betsche ist Sales
Manager und technischer Berater für
MuCell bei Trexel; m.betsche@trexel.com
Service
Literatur & Digitalversion
BB Das Literaturverzeichnis und ein
PDF des Artikels finden Sie unter
­beschriebenen Waschmaschinenblende
ging zum Beispiel ein Anteil von knapp
zwei Dritteln der Gewichtsersparnis von
insgesamt über 30 % darauf zurück, dass
eine schäumgerechte Bauteilgestaltung
im Vorfeld erarbeitet wurde. Lediglich der
„Rest“ der Gewichtseinsparung war auf
die Schaumstruktur des Materials zurückzuführen. Es lohnt sich, bei den Potenzialen des TSG-Verfahrens näher auf die
schäumgerechte Formteilgestaltung einzugehen. Dabei sind zum Verständnis
drei grundlegende Erkenntnisse von Bedeutung.
www.kunststoffe.de/945259
English Version
BB Read the English version of the article
in our magazine Kunststoffe international
or at www.kunststoffe-international.com
Drei grundlegende Erkenntnisse zur
schäumgerechten Formteilauslegung
Erstens: Die in der Füllphase unter Einspritzdruck in die Kavität expandierende
Einphasenlösung aus Treibfluid und Ma­
trixpolymer baut im Werkzeug beim Aufschäumen quasi einen eigenen Druck auf.
Maschinenbaulich (Bild 3) reicht dazu in
der Füllphase die vergleichsweise nie­
drige Schließkraft für eine Teilfüllung aus.
Zudem entfällt die Nachdruckphase. Für
den Bauteildesigner ändern sich die aus
dem Kompaktspritzgießen bekannten
Regeln, nach denen die Bauteilgeometrie
im Allgemeinen und Rippen im Beson­
deren „von dick auf dünn“ angespritzt
werden. Der sonst übliche Verzug tritt bei
geschäumten Bauteilen nicht auf, da sich
der Druck während der Expansions­
phase überall in der Kavität gleichmäßig
aufbaut.
Die zweite Erkenntnis leitet sich aus den
gewichtsbezogenen mechanischen Kennwerten der geschäumten Bauteile ab. Beim
TSG-Verfahren bilden sich Integralschäume
aus (Bild 4), wobei die Dicke der kompakten
© Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 12/2014
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Spritzgießen RENAISSANCE DER SCHÄUMVERFAHREN
Träger
PP-T 20
Nicht-Sichtbereich
Luftkanal
PP-T 20
Nicht-Sichtbereich
Seitenbeplankung oben (R+L)
PP-T 20
folienkaschiert
Abdeckung Klappe (R+L)
PC+ABS
folienkaschiert
Rahmen für Ablagefach
PA 6-GF 30
genarbte Erodierstruktur
Armrest Bracket
k. A.
Nicht-Sichtbereich
Tabelle 1. Materialauswahl und Oberflächengestaltung der geschäumten Einzelteile bei der
Auslegung der Mittelkonsole
Randschicht aus physikalischen Gründen
den hauptsächlichen Einfluss auf den Biegemodul ausübt. Mit diesem Wissen lassen
sich die Bauteile nun lastgerecht und leichtgewichtig modellieren.
Die dritte Erkenntnis bezieht sich auf
die rheologischen Eigenschaften der aus
Treibmittel (SCF, Super Critical Fluid) und
Polymer homogenisierten Einphasenlösung. Im Vergleich zum reinen Kunststoff
wandelt sich deren Charakter zu einem
leichter fließenden Material, was zur Folge hat, dass sich größere Fließweg/Wanddicke-Verhältnisse erzielen lassen. Anders
ausgedrückt: Der Bauteildesigner kann
dünnwandiger konstruieren, um Bauteilgewicht einzusparen. Zu diesem Themenkomplex wurde bei einem Expertentreffen am IKV in Aachen [2] geplant, Auslegungsrichtlinien zu erarbeiten, um damit den Weg zu Prüfnormen für geschäumte Spritzgussteile zu ebnen.
Mittelkonsole mit sechs
­unterschiedlichen geschäumten Teilen
Den neuesten Stand des physikalischen
Schäumens mit der MuCell-Technik [3]
27
zeigt eindrucksvoll die von der Grammer
AG, Amberg, entwickelte Mittelkonsole
(Titelbild) der neuen Mercedes-Benz CKlasse. Um ein Optimum an Produktivität
und Gewichtsersparnis zu erreichen, richtete das Unternehmen, das im Interieurbereich eine führende Rolle einnimmt,
die Verfahrenseigenheiten entlang der
gesamten Entwicklungskette an einem
strategischen Ansatz aus.
Das Bauteildesign berücksichtigt alle
Auslegungsrichtlinien zur Erzielung einer
gewichtsoptimierten Konstruktion nach
dem MuCell-Verfahren unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten. Dabei enthält die
Baugruppe der Mittelkonsole sechs unterschiedliche MuCell-Formteile, wobei
sich die Gesamtteilezahl durch Rechts/
Links-Ausführungen erhöht (Tabelle 1). Je
nach Position in der Baugruppe wurde für
jedes Bauteil die geeignetste Lösung aus
Design und Material angewendet.
Die dünnwandigen Bauteile erfüllen
die hohen Qualitätsvorgaben seitens
Daimler insbesondere mit Blick da­ »
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SPECIAL RENAISSANCE DER SCHÄUMVERFAHREN Spritzgießen
Kompaktspritzgießen
Referenzbauteil
Spritzgießen mit MuCell
Spritzgießen + MuCell +
Leichtbaudesign
(Referenz bzw. Änderung 0 %)
IT-Träger
Zarge
Ölwanne
Unterboden
(Konzept mit Öffnungshub)
Bemerkung
Gewicht
Investition
Produktivität
Bauteilkosten1)
mechanische
Kerneigenschaft
1)
50
%
50
%
50
%
25
25
25
0
0
0
-25
-25
-25
50
%
50
%
50
%
25
25
25
0
0
0
-25
-25
-25
50
%
50
%
50
%
25
25
25
0
0
0
-25
-25
-25
60
%
30
60
%
30
60
%
30
0
0
0
-30
-30
-30
Spritzgussteil nach klassischer
Auslegung:
• Rippen/Wanddicke
• Fließwege
• von dick auf dünn angespritzt
Spritzgussteil nach klassischer
Auslegung mit MuCell geschäumt:
• leichter durch Schaumstruktur
• Produktion ohne Nachdruck
MuCell ermöglicht Bauteilgestaltung
mit freier topografischer Lastauslegung:
• Leichtbaudesign
- dünnwandig
- dick mit niedriger Dichte
• Produktionssteigerung
Kalkulation auf Basis eines Volumenmodells mit 300 000 Fahrzeugen pro Jahr
© Kunststoffe
Bild 2. Potenziale des Thermoplast-Schaumspritzgießens im Vergleich zum Kompaktspritzgießen. Den größten Effekt können Verarbeiter erzielen,
wenn sie ein schäumgerechtes Design in die Entwicklung einbeziehen (Bild: Trexel)
rauf, Verzug und Einfallstellen auszuschließen. Ein Resultat, das ohne das Prinzip des physikalischen Schäumens für die
vorliegende Konstruktion nicht hätte erzielt werden können. Die Formteile wurden mit dem Inertgas Stickstoff (N₂) als
Treibfluid geschäumt, wobei je nach Anforderung verschiedene Standardmateri-
alien der Automobilbranche zum Einsatz
kamen. Die Sichtteile, wie zum Beispiel
die Seitenbeplankung, sind dünnwandig
mit einem Wanddicke/Rippen-Verhältnis
von 1 : 1 ausgelegt und aus optischen
Gründen mit Folien kaschiert.
Insbesondere beim Träger und Luftkanal der Mittelkonsole wurden die
Möglichkeiten der Füllung genutzt und
diese lastabhängig topografisch ausgelegt. An mechanisch gering belasteten
Stellen beträgt die Wanddicke 1,5 mm
und wird nur an steifigkeitsrelevanten
Bereichen auf 1,8 
mm erhöht. Das
Thermoplast-Schaum­spritzgießen bietet
diese zusätzliche Gestaltungsfreiheit,
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Spritzgießen RENAISSANCE DER SCHÄUMVERFAHREN
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Praxisnutzen
vordere
Rückströmsperre
vollständige
Auflösung der SCF
in der Schmelze
SCF-Injektor
mittlere
Rückströmsperre
Injektion
der SCF
Plastifizieren
der Kunststoffschmelze
SCF-Fördersystem
© Kunststoffe
Bild 3. Die MuCell-Maschinenausrüstung mit adaptiertem Schneckendesign und Zusatzequip-
ment zur Erzeugung einer leicht fließenden Einphasenlösung zwischen SCF (Super Critical Fluid;
N2 oder CO2 im überkritischen Phasenzustand) und Polymerschmelze (Bild: KraussMaffei)
Leichtbau ist noch immer die treibende
Kraft hinter dem Thermoplast-Schaum­
spritzgießen, obwohl die Technologie aufgrund der veränderten Prozessführung
ein breites Spektrum an zusätzlichen
Möglichkeiten bietet, um bauteilspezifische Anforderungen mit geringerem Aufwand besser umzusetzen. Basis hierfür ist
das Grundverständnis der in dem Artikel
genannten Erkenntnisse. Richtig angewendet, können auf diese Weise
WW Werkzeuge einfacher gestaltet und damit Ausgaben reduziert werden;
WW alternative Werkzeugmaterialien eingesetzt und damit Zykluszeiten verkürzt und Kosten gesenkt werden;
WW gezielt Unterschiede bei der Wärmeausdehnung alternativer Werkzeugmaterialien genutzt werden, um schwindungsabhängige Bauteilmaße mittels
Temperatur in einem Werkzeug zu
egalisieren.
TSG im Sichtbereich
Bild 4. Die typische MuCell-Schaumstruktur besteht aus Bläschen mit einem Durchmesser
von 50 bis 100 µm (Bild: Trexel)
ohne auf die Einschränkungen des Kompaktspritzgießens Rücksicht nehmen zu
müssen.
Die im MuCell-Verfahren hergestellten Teile lassen sich in für derartige Interieurbauteile bewährte Montage- und
Nachfolgeprozesse integrieren. Dazu
zählt das Kaschieren mit unterschiedlichen Oberflächenmaterialien ebenso
wie die Verbindung physikalisch geschäumter Elemente mit gängigen
Schweißverfahren.
Letztendlich erreichte der Systemlieferant eine gegenüber der kompakten Bauteilvariante um 20 % gewichtsreduzierte Mittelkonsole, wobei der auf
den direkten Schäumgrad zurückzuführende Anteil weniger als die Hälfte davon beträgt. Ein weiteres Plus, das auf
der Waagschale der Wirtschaftlichkeit
für das MuCell-Verfahren zu Buche
schlägt, ist die Tatsache, dass die Teile
auf kleineren Spritzgießmaschinen mit
geringerer Zuhaltekraft gefertigt werden können.
Fazit
Im Bereich der Nicht-Sichtteile sowie mit
Einschränkung auch bei den Sichtteilen
ist das Schaumspritzgießen im Vergleich
zum tradierten Kompaktspritzgießen die
wirtschaftlichere Alternative. Der Schlüssel dafür liegt im Verständnis der eingangs genannten drei Erkenntnisse, die
speziell unter Beachtung einer schäumgerechten Formteilgestaltung Materialeinsparungen zwischen 20 % und 30 % ermöglichen.
Kreativ angewendet, bieten die Erkenntnisse ein breites Potenzial von Gestaltungs- und Lösungsmöglichkeiten für
Prozessbedingt hinterlassen alle Schäumverfahren auf der Bauteiloberfläche eine
mehr oder weniger ausgeprägte Schlierenbildung. Akzeptable Oberflächen im
Sichtbereich erfordern somit einen höheren Prozessaufwand:
WW Abstimmung von Material und Werkzeugoberfläche aufeinander,
WW nachträgliche Veredelung z. B. durch
Lackieren oder Kaschieren,
WW Veredelung im Spritzgießprozess z. B.
durch Hinterspritzen oder IMD,
WW Einsatz einer variothermen Werkzeug­
temperaturführung.
Dabei stellt sich die Frage, warum viele
Anfragen für MuCell in Verbindung mit einer hohen Oberflächengüte einhergehen,
wo es doch viele Bauteile gibt, die sich
leichter und schneller im TSG-Verfahren
umsetzen ließen. Dazu zählen z. B. Verstärkungsteile, Halter, Nicht-Sichtteile, folienhinterspritzte Teile – solche also, bei denen diese Technik ihre Vorteile ohne zusätzlichen Entwicklungsaufwand ausspielen kann.
viele Bauteile mit besonderen Herausforderungen. Kürzere Zykluszeiten aufgrund
der wegfallenden Nachdruckphase sowie
der Einsatz von Spritzgießmaschinen mit
geringeren Schließkräften helfen zusätzlich dabei, die Produktivität der Spritzgießbetriebe zu steigern. W
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