30 SPECIAL: SCHÄUMEN [FAHRZEUGBAU] [MEDIZINTECHNIK] [VERPACKUNG] [ELEKTRO & ELEKTRONIK] [BAU] [KONSUMGÜTER] [FREIZEIT & SPORT] [OPTIK] Weil Stickstoff (fast) nichts wiegt KraussMaffei und Gealan loten die Grenzen des MuCell-Schäumverfahrens aus Der Kunststoffverarbeiter Gealan Formteile GmbH fertigt im Thermoplast-Schaumspritzgießen Leichtbauteile für die Automobilindustrie. In der Verfahrenstechnik ebenso wie in der Nachbearbeitung der Spritzgussteile sucht das Unternehmen die Grenzen des Machbaren stetig zu erweitern. Auch das Schweißen geschäumter Teile und Anwendungen mit Sichtbauteilen stehen auf der Agenda. MuCell-Teil mit angeschäumter Dichtung, Metallnieten und Gewindeeinsatz: das Türmodul für den Mini. Im Vergleich zum Kompakt-Spritzgießen genügte ein Drittel weniger Schließkraft (Bilder: KraussMaffei) L eichter, umweltfreundlicher, rationel ler. Viele Fertigungstrends, die derzeit im Fokus stehen, vereinen sich in einem Verfahren: dem physikalischen Schaum spritzgießen. Trotz zahlreicher techni scher und wirtschaftlicher Vorteile ist die Marktdurchdringung dieser Technolo gie, auch die des marktbeherrschenden MuCell- Schäumverfahrens, noch nicht so umfassend, wie vor einem Jahrzehnt prognostiziert. Als offizieller Partner bietet die Krauss Maffei Technologies GmbH, München, Spritzgieß-Komplettsysteme mit der Tech nik des amerikanischen MuCell-Entwick Minderung des Verzugs um bis zu 70 %: Beim Funktionsträger für die Mittelkonsole des Ford Lincoln gab dies den Ausschlag für den Einsatz der MuCell-Technik lers Trexel Inc. an. Derzeit nutzen Pre miumhersteller in der Automobilindustrie Fahrzeuge mit kleineren Stückzahlen in Feldtests, um die Technologie später auf die Volumenmodelle übertragen zu kön nen. Und auch für Branchen, in deren Pro dukten die Fluidtechnik eine wichtige Rolle spielt, könnte das Verfahren interes sant sein. Umso wichtiger, dass engagierte Ent wicklungspartner wie die Gealan Form teile GmbH, Oberkotzau, das MuCell-Ver fahren umfassend erforschen und die technischen Grenzen stetig erweitern. Auch das Schweißen geschäumter Form teile und der Einsatz solcher Bauteile im Sichtbereich sind keine Tabus mehr. Das Verfahren in Kurzform MuCell bezeichnet in der Kunststoffverar beitung ein bestimmtes physikalisches Schäumverfahren mithilfe von Stickstoff (N2) oder Kohlendioxid (CO2) als Treibmit tel. Das Gas wird zunächst in einen über kritischen Zustand gebracht, in dem es inkompressibel wie eine Flüssigkeit ist, aber die Diffusions eigenschaften eines Gases aufweist, und dann in der Schne cke zur Kunststoffschmelze dosiert. © Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 5/2015 © Carl Hanser Verlag, München. Der Nachdruck, auch auszugsweise, ist nicht gestattet und muss beim Verlag gesondert beauftragt werden. Spritzgießen SCHÄUMEN Das Gealan-Team mit (v. l.) Lutz Fischer (Technische Leitung), Thomas Geier (Maschinenführer), Erich Geißler (Schichtführer), Raimund Wohn (Einrichter), Mourad Dhifalli (Materialaufbereiter) und Gerhard Laubmann (Geschäftsführer). Daneben Robert Weber (KraussMaffei), vorne Jörg Püttner (Abteilungsleiter Anlagen und Gebäude) mit dem Mini-Türmodul. Im Bild rechts der Blick auf die komplette Fertigungszelle Nach dem Einspritzen des Polymer- Gas-Gemisches in die Kavität bildet sich im Inneren des Bauteils eine Schaum struktur, die technische und wirtschaftli che Unterschiede im Vergleich zu kon ventionellen Teilen bedingt. Beispielswei se wird weniger Material benötigt, um die Kavität zu füllen. Die Gewichtsersparnis kann je nach Bauteilgeometrie und -mo difizierung bis zu 20 % betragen – was bei automobilen Anwendungen auch den Endnutzer freut, der von einem geringe ren Spritverbrauch profitiert. Damit die Zellen in der Schaumstruk tur möglichst fein verteilt sind, muss das Einspritzen sehr rasch erfolgen, gegen über Vollkunststoffteilen etwa 15 bis 30 % schneller. Der wichtigste Zykluszeitvorteil ergibt sich aber aus der Eliminierung der Nachdruckzeit, die durch das Aufschäu men in der Kavität ersetzt wird. Zudem genügen, da das Gas in der Kunststoff schmelze deren Viskosität herabsetzt und der Nachdruck entfällt, niedrigere Schließkräfte an der Maschine. Bei der Auslegung der Teilegeometrie selbst bietet das Schäumverfahren eben falls Vorteile. Es bringt im Bauteil Stabilität direkt an die gewünschten Stellen, sodass andere Bereiche, die weniger Stabilität benötigen, filigraner gestaltet werden können. Hier können Fließwege und Wände dünner ausgeführt werden. An Stellen, wo Wände und Rippen aufeinan der treffen, bilden sich dadurch weniger ausgeprägte Einfallstellen, weil die Mate rialanhäufung geringer ist. Zudem wirkt der Schäumdruck im Gegensatz zum Nachdruck auch angussfern. Die verfahrensbedingt ausgewoge nere Druckverteilung und die gleichmä ßige Schwindung in Längs- und Quer richtung verringern Spannungen und Verzugstendenzen im Bauteil. Dabei ist die Schaumstruktur nur zu sehen, wenn man die Kunststoffkomponenten ausein ander schneidet, denn dort, wo die Schmelze am Werkzeug anliegt, bildet sich eine geschlossene kompakte Haut – die allerdings in der Regel aufgrund von Schlieren an der Bauteiloberfläche ästhe tischen Ansprüchen nicht genügt. Damit die Vorzüge des Verfahrens voll zur Geltung kommen, braucht es speziell dafür ausgelegte Werkzeuge. Besonders auf Entlüftung und Kühlung ist zu achten, weil die Werkzeuge kälter gefahren wer den als beim Kompaktspritzgießen. der sich während der Eingasung ereignet. Abweichungen von dieser Toleranz können dann mit konkreten Handlungsanweisun gen an die Maschine verknüpft werden. Serienanwendungen: Wirtschaftliche vs. technische Motivation Bei seinen verschiedenen Projekten folgt Gealan unterschiedlichen Motivations gründen, wenn das Unternehmen auf das physikalische Schäumen setzt. So stand bei einem Funktionsträger für die Mittel konsole des Ford Lincoln, der auf einer Spritzgießmaschine des Typs GX 650 läuft, die Spannungsminderung im Vorder grund. Bei dem eingesetzten Poly phthalamid (PPA) mit 50 %-igem Glas faseranteil konnte der Verzug um bis zu 70 % verringert werden. Zudem wurde bei dem Artikel eine Gewichtseinsparung Qualitätsüberwachung mithilfe von 8 % erreicht, was sich in diesem Fall der Maschinensteuerung besonders lohnt: Das Material ist hoch Wer die Grenzen eines Verfahrens erwei wertig und daher sehr teuer. Überwiegend wirtschaftliche Gründe tern will, muss es zunächst sicher beherr schen. Gealan produziert mit MuCell- bestimmten die Entscheidung von Verar Maschinen von KraussMaffei derzeit rund beiter, Tier-One-Kunde und OEM beim 15 verschiedene Artikel in Serie und be Türmodul des BMW Mini (Titelbild). Neben trachtet das Verfahren als wichtigen Bau eine 8 %-ige Gewichtsersparnis trat die stein in ihrem Angebotsportfolio. Möglichkeit, das Bauteil auf einer beste Den Betrieb seiner schlüsselfertigen henden 10 000 kN-Maschine zu fertigen – MuCell-Anlagen hat KraussMaffei denkbar im konventionellen Verfahren wäre eine einfach gestaltet: Über die intuitiv bedien Schließkraft von 15 000 kN nötig gewesen. bare Maschinensteuerung MC6 kann der Ein Drittel weniger Schließkraft bedeutet Anwender alle bekannten Möglichkeiten Schonung des Werkzeugs und einen ge der Qualitätsüberwachung und -dokumen ringeren Aufwand für Energie und andere tation nutzen. So lässt sich beispielsweise Betriebsmittel. ein Toleranzband über den signifikanten Auch die Ersparnis bei der Zykluszeit Druckabfall des „super critical fluids“ legen, ist beachtlich: Es dauert nur etwa 1 s, » Kunststoffe 5/2015 www.kunststoffe.de © Carl Hanser Verlag, München. Der Nachdruck, auch auszugsweise, ist nicht gestattet und muss beim Verlag gesondert beauftragt werden. 31 32 SPECIAL SCHÄUMEN Spritzgießen Modernste Ausstattung: Blick in eine der Gealan-Fertigungshallen. Hier produziert der Verarbeiter derzeit 15 verschiedene MuCell-Artikel in Serie (Bild: KraussMaffei) Technischer Einstieg Da beim Einstieg in die MuCell-Technik eine Reihe technischer Gegebenheiten zu beachten sind, benötigen Anwender einen erfahrenen Partner. KraussMaffei bietet Interessenten im eigenen Technikum die Möglichkeit, das Schäumverfahren mit bestehenden Anwendungen zu erproben; hierfür stehen Komplettanlagen mit Schließkräften von 1300 bis 16 000 kN zur Verfügung – mit externen Partnern sind sogar bis zu 54 000 kN möglich. Bei Bedarf unterstützt KraussMaffei seine Kunden auch bei der Artikel- und Werkzeugauslegung. BB www.kraussmaffei.com/de/cellform.html Die Autoren Andreas Handschke ist Produkt- und Technologie-Manager Multinject/SpinForm/MuCell der KraussMaffei Technologies GmbH, München. Gerhard Laubmann ist Geschäftsführer der Gealan Formteile GmbH, Oberkotzau. Entwicklungspartner bis das Bauteil aus glasfaserverstärktem ABS vollkommen gefüllt ist – rund ein Drittel der üblichen Zeit. Dazu Lutz Fi scher, Technischer Leiter bei Gealan: „Mit den Einsparpotenzialen konnten wir un sere Kunden überzeugen und fertigen die Teile seit 2012 in Serie.“ Die Verwendung solch anspruchsvol ler Materialien hat KraussMaffei in seiner Entwicklungsarbeit, insbesondere bei der Auslegung der Plastifiziereinheiten, be reits berücksichtigt: Da der Systemliefe rant die MuCell-Schnecken im eigenen Haus fertigt, konnte er u. a. deren Ver schleißfestigkeit und das Schließverhal ten der Rückströmsperren verbessern. Neue Beschichtungen verringern beson ders bei der Verarbeitung glasfaserver stärkter Materialien die Abrasion und er höhen damit die Langlebigkeit – ein Plus punkt für Wirtschaftlichkeit und Prozess sicherheit. KraussMaffei Technologies GmbH D-80997 München Türmodul komplett umkonstruiert BB www.kraussmaffei.com Um dem Kunden in der Anfangsphase des Mini-Projekts die Vorzüge des MuCell-Verfahrens zu erläutern und diese voll ausschöpfen zu können, konstruierte Gealan das Türmodul komplett um. Hier trat das Gealan-Tochterunternehmen CAXsolutions auf den Plan, das mit 35 Mit arbeitern Ingenieurdienstleistungen an bietet. Das X im Namen ist Programm: Es steht als Variable für die große Bandbreite der Fragestellungen, die mithilfe des Computers untersucht werden. Von der Vorentwicklung und dem Innovations management über das Teiledesign und die Werkzeugauslegung, reicht die Palet te weiter zur Simulation der Materialalte rung und Lebensdauer und von der Bau Gealan Formteile GmbH D-95145 Oberkotzau BB www.gealan.com Service Digitalversion BB Ein PDF des Artikels finden Sie unter www.kunststoffe.de/1019576 English Version BB Read the English version of the article in our magazine Kunststoffe international or at www.kunststoffe-international.com teilvermessung durch Lichtstreifenpro jektion bis hin zum Prototyping im 3D-Druck. Beim Türmodul konnte beispielswei se die wabenartige Struktur auf der Rück seite neu angelegt werden. Mit dem MuCell-Verfahren ist nun ein Wanddicke/ Rippen-Verhältnis von 1 : 1 möglich, wo im konventionellen Spritzgießen 2 : 1 üblich sind. Das Mini-Modul zeigt auch die Ferti gungstiefe des Verarbeiters. Nach dem MuCell-Prozess wird es im FIPFG-Verfah ren (formed in place foam gasket) mit ei ner geschäumten Dichtung aus PUR ver sehen. Eingebrachte Metallnieten verstär ken die Partien, an denen später die Ver schraubung sitzt, und ein Gewindeein satz dient ebenfalls zur Befestigung. Abschließend erhält das Modul eine aufgeklebte Dämmmatte und ist dann bereit für den Einbau im Auto. Hier schließt es den Rohbau ab und sitzt hin ter der Türverkleidung. Für größere Leichtbauanwendungen ist Gealan ge rüstet: Eine vorhandene Maschine mit 25 000 kN Schließkraft, auf der Heckver kleidungen für den 2er BMW entstehen, kann ebenfalls mit MuCell-Technik ausge stattet werden. Kostensparende Entwicklungen für Fluidsysteme Serienanwendungen müssen stabil lau fen. Spannend wird es aber dort, wo man Dinge versucht, die vermeintlich nicht möglich sind. Die Grenzen des MuCell-Verfahrens zu erkunden und aus zureizen, ist das erklärte Ziel des Ge alan-Teams. Deshalb hat man auch mit zwölf herkömmlich konstruierten An © Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 5/2015 © Carl Hanser Verlag, München. Der Nachdruck, auch auszugsweise, ist nicht gestattet und muss beim Verlag gesondert beauftragt werden. Spritzgießen SCHÄUMEN Querschnitt eines physikalisch geschäumten Spritzgussteils mit angeschäumter PUR- Dichtung; * geschäumt im Höhen/Breitenverhältnis 1 : 1 (Bild: Gealan) wendungen MuCell-Tests gefahren und Kennzahlen wie Schließkraft und Zyklus zeit dokumentiert. Oberflächenkompo nenten in Sichtbauteilen wie Hand schuhkästen wurden dabei ebenso ein bezogen wie wasserführende Fluidsys teme, etwa das Innenleben eines Durch lauferhitzers mit Heizelementen und Hydraulik. Denn neben dem Automobilsektor bilden Fluidsysteme ein wichtiges Stand bein von Gealan. Hier geht es um die Substitution von Metallbauteilen durch Kunststoff, etwa in Wärmetauschern von Gaswandheizgeräten, bei Dreiwegeventi len oder sogenannten Flowmetern, die eingesetzt werden, um die richtige Men ge Heizenergie für die gewünschte Was sertemperatur bereitzustellen. Gealan sieht hier aus zwei Gründen ein beson ders interessantes Einsatzgebiet für das Schaumspritzgießen: zum einen durch die Spannungs- und Verzugsarmut der geschäumten Teile, zum anderen aber auch durch den enormen Materialpreis für Hochleistungskunststoffe, der bei über 7 EUR/kg liegen kann. Für Fluidbauteile kommen vorwie gend vernetzendes Polyphenylensulfid (PPS) oder PPA zum Einsatz, die über die gesamte Lebensdauer einer Heizung – etwa 15 Jahre – zuverlässige Festigkeit be sitzen und ebenso beständig gegen Che mikalien wie gegen Sauerstoff sind. Be sonders dort, wo Brauch- und nicht nur Heizungswasser durch die Rohre strömt, werden hochwertige Materialien verwen det. Mit dem physikalischen Schäumen könnten sich nun durch Gewichtsreduk tion erhebliche Einsparpotenziale er schließen lassen, weshalb Gealan die Ver suche in diesem Bereich aktiv vorantreibt – erste Tests bezeichnet das Unterneh men als erfolgversprechend. Da sich das Unternehmen nicht nur als Teile-, sondern als Entwicklungsliefe rant für seine Kunden versteht, unterhält die CAXsolutions für den Bereich Fluid technik sogar ein spezielles Wasserlabor, in dem mit einem eigens entwickelten Prüfkörper Kennwerte für die Material alterung ermittelt werden können. Diese Zahlen fließen in Simulationen für die Le bensdauer von Bauteilen ein und liefern zuverlässigere Ergebnisse als Berechnun gen mit Materialdatenblättern der Her steller. Grenzerfahrungen: Was geht mit MuCell? Auch die Weiterverarbeitung physikalisch geschäumter Bauteile stand im Fokus der Versuche. So erwies sich beispielsweise das Verschweißen von MuCell-Teilen als durchaus möglich, wenn gewisse Richtli nien befolgt werden und der Prozess zu dem an die technischen Gegebenheiten der geschäumten Teile angepasst wird. Dieses Versuchsportfolio bildet bei Ge alan nun einen reichen Erfahrungsschatz für zukünftige Projekte. Auch KraussMaffei ist in dieser Rich tung aktiv: Neben dem Schweißen wid met der Maschinenhersteller sich in eige nen Tests besonders dem Thema Sicht flächen. Die Entwicklungen laufen auf Hochtouren und das Projektteam ist zu versichtlich, Anwendern zukünftig mehr Sicherheit in dem noch weitgehend un ergründeten Marktsegment der Oberflä chenbauteile geben zu können. Hierzu gehören nicht nur mittels dynamischer Werkzeugtemperierung erzeugte Hoch glanzoberflächen, sondern allgemein das Thema Sichtflächen, wie zum Beispiel matte, strukturierte oder nachbehandelte Oberflächen. W Kunststoffe 5/2015 www.kunststoffe.de © Carl Hanser Verlag, München. Der Nachdruck, auch auszugsweise, ist nicht gestattet und muss beim Verlag gesondert beauftragt werden.