Kunststoff ersetzt Metall

Lukas Huber, Key Account Manager bei Wagner, Waldstatt, Schweiz, zeigt die Serienvariante der Lenkungskupplung mit Metalleinleger.(Bildquelle: David Löh/Redaktion Plastverarbeiter)

„Die Energiekosten sind sehr hoch und auch der Personalaufwand pro Bauteil. Außerdem fallen die Kunststoffteile fertig aus der Maschine, das geht beim Aluminium nicht. Da sind immer nachgelagerte Prozesse notwendig“, beschreibt Lukas Huber, Key Account Manager bei Wagner, Waldstatt, Schweiz, einige der Vorzüge von Kunststoff gegenüber Metall. So oder so ähnlich argumentierte er auch bei einem Auftrag aus der Automobilindustrie, bei dem es um eine Kupplung für das Lenksystem eines Mittelklassewagens ging. Ein attraktives Projekt: 300.000 Teile pro Jahr mit einer Laufzeit von zehn Jahren.

Aus welchem Werkstoff gefertigt wird, ist für das Unternehmen im Grunde nicht wichtig. Es verfügt über drei Hochöfen für den Aluminiumdruckguss, außerdem über Zinkdruckguss-Maschinen sowie über 16 Spritzgießmaschinen. „Das ist unsere Stärke: Wir sind werkstoffneutral. Daher ist uns egal, aus welchem Werkstoff das Bauteil schlussendlich ist“, fügt Huber hinzu. Auf Aluminium-Druckguss fällt derzeit der größte Umsatzanteil. Gefolgt von der Kunststoffverarbeitung. Letzteres macht etwa 30 bis 40 Prozent des Geschäfts aus. Zink spielt in dieser Hinsicht eher eine Nebenrolle. Vor allem die Schweizer Industrie fragt Teile aus diesem Werkstoff nach.

Bei den Vorserientests stellte sich heraus, dass die Kunststoff-Hybrid-Variante (links) die Anforderungen besser erfüllte als die aus Zink (rechts). (Bildquelle: David Löh/Redaktion Plastverarbeiter)

Unabhängig vom Ausgangsmaterial nutzt das Unternehmen bei jedem Auftrag sein Know-how dazu, den Kunden eingehend über Alternativen zu beraten und ihm am Ende ein möglichst gutes Produkt anzubieten – auch wenn dieser sich nicht aktiv nach anderen Werkstoffarten erkundigt. „Die Anfrage kam als Aluminium- oder Zinkdruckgussteil. Wir haben uns das ganze Bauteil mal angeschaut und dem Kunden vorgeschlagen, man könnte hier auch eine Kunststofflösung machen“, erzählt Huber. Denn in diesem Fall wäre das Material wesentlich günstiger, das Teil müsste nicht nachbearbeitet werden und leichter wäre es auch. Aufgrund dieser Argumente einigten sich die beiden Unternehmen darauf, auf einem Prototypenwerkzeug das Bauteil sowohl aus Zink als auch aus einem hochgefüllten Polyamid mit Metalleinleger herzustellen. Beide Materialien, Kunststoff und Zink, haben denselben Schwund. „Dadurch bekamen wir die gleichen Toleranzen hin“, sagt Huber. „Und unser Kunde konnte mit beiden Werkstoffen Tests machen. Schlussendlich fiel die Entscheidung auf die Kunststofflösung, da sie doch um einiges günstiger war.“ Ein Grund für den günstigeren Preis ist die wesentlich längere Werkzeugstandzeit. Beim Zinkdruckguss muss das Werkzeug viel früher gewartet werden.

Die Spritzgießmaschine fertigt 300.000 hybride Lenkungskupplungen pro Jahr. (Bildquelle: David Löh/Redaktion Plastverarbeiter)

Kunststoff-Metall-Hybrid mindestens genauso gut

Bei den Vorserientests stellte sich heraus, dass die Kunststoff-Hybrid-Variante sogar besser war als die aus Zink. Aber das könnte auch ein Fehler sein aufgrund des Prototypenstatus. „Wir haben das Bauteil jedenfalls danach noch optimiert“, meint Huber. Beispielsweise wurde die Innengeometrie etwas stabiler ausgelegt. Und das Ganze enthält noch eine Stahlhülse. Damit lassen sich die engen Toleranzen leichter erreichen. Diese sind besonders streng, da das Bauteil auf eine Welle gepresst wird.

Am Ende war das Kunststoffteil ebenso stabil wie das aus Zink, aber es wog nur gut ein Viertel davon. „Das wird sicher ein Entscheidungskriterium gewesen sein. Weil jedes eingesparte Gramm für den Kunden wieder einen Vorteil gegenüber der Konkurrenz bedeutet“, erläutert Huber.

Ein Greifer entnimmt die fertigen Bauteile aus dem Werkzeug und legt sie auf ein Band. Nach der Sichtprüfung durch einen Mitarbeiter werden sie verpackt. (Bildquelle: David Löh/Redaktion Plastverarbeiter)

Hochwertige Qualitätssicherung sorgt für fehlerfreie Teile

Nach der Testphase lief die Serienproduktion dann aber nicht so reibungslos an, wie gedacht. „Wir hatten anfangs Schwierigkeiten mit der Vereinzelung der Einlegeteile“, erklärt Huber. Schließlich musste ein Roboter jeweils ein kleines Metallröhrchen in jede der vier Kavitäten einlegen. Dafür musste ein Sortier- und Zuführsystem die Metallteile dem Greifer ausreichend schnell und korrekt auf der Aufnahmestation bereitstellen. Doch manchmal meldete der Greifer, die Teile lägen falsch, und manchmal lagen die Teile tatsächlich nicht in Position. Diese Probleme erforderten zwar einiges an Arbeit, und kosteten sicher auch Nerven. Dennoch löste das Unternehmen sie zügig. Die weitaus größte Verzögerung kam zustande, weil das Projekt beim Kunden nicht wie geplant anlief. „Diese Bauteile produzieren wir für Fahrzeuge für den chinesischen Markt, wo sie auch montiert werden. Also liefern wir direkt nach Asien. Allerdings kam der Autohersteller dort in Verzug mit der Produkteinführung dieses neuen Fahrzeugs.“ Ein dreiviertel Jahr später begann dann aber die Serienproduktion der Lenkungskupplung. Jetzt fertigt eine Spritzgießmaschine im Dreischichtbetrieb 300.000 Bauteile pro Jahr.

Um diese Teile so fehlerfrei und hochwertig wie möglich herzustellen, führt das Unternehmen eine intensive Qualitätssicherung durch: Sensoren überwachen die Temperatur jedes einzelnen der vorgeheizten Einlegeteile, um sicherzustellen, dass deren Verzug dem des Kunststoffs entspricht. Außerdem messen die Mitarbeiter die Maßhaltigkeit der Bauteile. „Wir prüfen zwar nicht jedes Bauteil. Aber im Vergleich zu den anderen Produkten, die wir hier fertigen, haben wir hier ein erhöhtes Prüfintervall“, fügt Huber hinzu.

Die fertigen Bauteile werden von einem Mitarbeiter geprüft und verpackt. (Bildquelle: David Löh/Redaktion Plastverarbeiter)

Statt Hybrid ein reines Kunststoffteil

Aufgrund der preislichen und funktionalen Vorzüge der hybriden Lenkungskupplung sollen weitere Automodelle damit ausgestattet werden. Derzeit ist sind Fahrzeuge einer französischen Marke im Gespräch. Diesmal geht es allerdings um eine Variante komplett aus Kunststoff. „Von der neuen Version versuchen wir gerade, das Einlegeteil einzusparen“, sagt Huber. Bei gleicher Maßhaltigkeit und Stabilität. „Das Ganze wäre dann auch wieder um einiges günstiger“, fügt er hinzu. Schließlich spart das Unternehmen die teuren Einlegeteile aus Metall. Zudem verkürzt sich der Gesamtprozess, da das Vereinzeln der Röhrchen wegfällt, was auch das Handling vereinfacht. Kurz: Das Teil komplett aus Kunststoff zu fertigen, erspart dem Hersteller einen Rattenschwanz an Komplikationen in der Produktion.