Aufheizqualität zuverlässig ermittelt

Abbildung 1: Prozessablauf der Fiber-Form-Technologie (Bilder: alle Krauss Maffei)

Bauteile aus faserverstärkten Thermoplasten entsprechen dem Trend der Zeit. Das Thermoformen von endlosfaserverstärkten thermoplastischen Halbzeugen rückt hierbei neben anderen Leichtbautechnologien wie das RTM-Verfahren (Resin-Transfer-Moulding) oder auch das Kurzfaserspritzgießen immer mehr in den Fokus der Bauteilhersteller. Hohe Festigkeiten bei äußerst geringem Gewicht und kurze Zykluszeiten bei der Herstellung gehören zu den Hauptanforderungen für faserverstärkte Thermoplastbauteile.

Im Hinblick auf die genannten Anforderungen ist das Spritzgießen von thermoplastischen Kunststoffen besonders geeignet, da im Spritzgießverfahren eine hohe Gestaltungsfreiheit, kurze Zykluszeiten sowie die Implementierung von Endlosfaserstrukturen und metallischen Inserts möglich ist.

Spritzgießen und Thermoformen kombiniert

Die von Krauss Maffei entwickelte Fiber-Form-Technologie kombiniert das Spritzgießverfahren mit dem Thermoformen von endlosfaserverstärkten thermoplastischen Halbzeugen, sogenannten Organoblechen. Hierbei handelt es sich um flächige Halbzeuge, die sich meist aus Glas- Kohlenstoff-, Aramid- oder Mischfasergelegen beziehungsweise Mischfasergeweben zusammensetzen. Diese sind in einer thermoplastischen Kunststoffmatrix, etwa aus Polyamid (PA) oder Polypropylen (PP), eingebettet. Der Herstellungsprozess kann dabei chronologisch in die Prozessschritte Aufheizen (1), Thermoformen (2) und Hinterspritzen (3) eingeteilt werden (Abbildung 1).

Abbildung 2: Fiber-Form-Anlagentechnologie (Fertigungslösung 1) zur Verarbeitung von Organoblechhalbzeugen der Größe ≤ 350 mm x 350 mm (B x H)

Für den Einsatz der Fiber-Form-Technologie hat Krauss Maffei standardisierte Fertigungslösungen entwickelt [1], die sich einfach nach den faserverstärkten Thermoplasthalbzeug-Größen klassifizieren lassen. Nachdem die notwendige Größe der Endlosfaserverstärkung ausgelegt wurde, kann eine der drei Fertigungslösungen herangezogen werden. Als Automatisierungskinematik werden für alle Fertigungslösungen jeweils zwei voneinander entkoppelte Robotereinheiten definiert. Dadurch lassen sich das Aufheizen des Organoblechs und die Entnahme des Fertigteils zeitlich voneinander entkoppeln, was zu einer weiteren Verkürzung der Zykluszeiten führt. Bedingt durch die unterschiedlichen Bauteilgrößen unterscheiden sich die Roboterkinematiken hinsichtlich ihrer Bewegungsfreiheiten und ihren Traglasten. Für kleine (Abbildung 2) und mittelgroße Organoblechhalbzeuge werden Lineareinheiten mit zwei voneinander entkoppelten Kinematiken der  Baureihe Twin Z des Unternehmens eingesetzt (Tabelle 1, Fertigungslösung 1,2). Für größere Bauteile sind höhere Schließkräfte und größere Spritzgießmaschinen notwendig. Was wiederum bedeutet, dass größere und komplexere Wege zurückgelegt werden müssen. Aus diesem Grund kommen für die Verarbeitung von gößeren Organoblechhalbzeug-Größen  Knickarmroboter zum Einsatz (Tabelle 1, Fertigungslösung 3).

Tabelle: Automatisierungskonzepte zur Serienfertigung von faserverstärkten thermoplastbauteilen mit der Fiber-Form-Technologie für unterschiedliche Halbzeuggrößen

Eine zentrale Bedeutung für den Gesamtprozess hat hierbei der erste Prozessschritt – der Aufheizvorgang des Organoblechs. Dieser gilt für alle Fertigungslösungen bei der Verarbeitung von faserverstärkten Thermoplasthalbzeugen. Aus wirtschaftlicher Sicht und im Hinblick auf eine hohe Produktivität hat sich die Infrarot-Heiztechnologie sowohl in der Forschung, als auch in der Industrie bewährt und durchgesetzt. Die wesentlichen Vorteile der IR-Technik im Vergleich zur Erwärmung im Umluftofen sind geringere Investitionskosten und eine höhere Leistungsdichte der IR-Strahler, die zu deutlich kürzeren Aufheizzeiten führt.

Abbildung 3: Beispielhaftes Abkühlverhalten eines aufgeheizten Organoblechs während des Transfers in das Werkzeug. Als Material wurde Tepex Dynalite 104-RG600/47% verwendet. Die Halbzeugdicke beträgt 0,5 mm.

Charakteristisch für alle Fiber-Form-Fertigungslösungen ist die Positionierung der Infrarot-Heizstation oberhalb der festen Werkzeugaufspannplatte. Dadurch lassen sich sehr kurze Transferwege zum Einlegen des aufgeheizten Organoblechs in das Werkzeug realisieren. Dies führt zu sehr kurzen Transferzeiten des faserverstärkten Thermoplasthalbzeugs in das Werkzeug und ermöglicht dadurch eine Serienfertigung von Bauteilen in großen Stückzahlen. Der Grund für eine schnelle Transferzeit liegt in der Abkühlung der aufgeheizten Organobleche. Während der Übergabe an das Werkzeug ist dessen Oberfläche der natürlichen und der erzwungenen Konvektion zwischen den Werkzeughälften ausgesetzt. Dies kann zu einer ungleichmäßigen Abkühlung des Organoblechs und somit der Oberflächentemperatur führen, was eine inhomogene Umformung zur Folge haben könnte. Das Maß der Abkühlung (Abkühlrate [K/s]) wird folglich maßgeblich durch die Umgebungsbedingung der Fertigung (Temperatur, Feuchte, Windgeschwindigkeit) beeinflusst und ist nicht konstant. Eine große Temperaturschwankung während der Fertigung kann beispielsweise durch das Öffnen eines Hallentors verursacht werden.

Aufheizhomogenität entscheidend für Bauteilqualität

Dass die Aufheizqualität sehr wichtig für den Umform- und Spritzgießprozess ist, zeigen die Abkühlkurven in Abbildung 3. Diese zeigen, dass die Abkühlung einen annähernden linearen Verlauf bei einer Abkühlrate von 6 K/s hat und die Temperaturen der einzelnen Bereiche sich während der Abkühlung nicht angleichen. Für eine gute Thermoumformung und eine gute stoffschlüssige Kunststoffanbindung ist eine homogene Temperaturverteilung jedoch unerlässlich. Daraus lässt sich  ableiten, dass die Qualität des Prozesses maßgeblich vom Aufheizvorgang beeinflusst wird. Eine inhomogene Temperaturverteilung auf der Organoblech-Oberfläche, verursacht durch eine schlechte Aufheizqualität, lässt sich nicht mehr korrigieren (lineares Abkühlverhalten) und kann sich im Umform- oder im Spritzgießprozess negativ auf die Bauteilqualität auswirken.

Abbildung 4: Beispielhafte lokale Temperaturmessung an Oberflächen zu einem Zeitpunkt t

Folglich ist eine homogene Aufheizung des Organoblechs wichtig für den Prozess. Es stellt sich jedoch die Frage, wie die Qualität der Aufheizung gemessen und bewertet werden kann. Zur kontaktlosen Messung der Oberflächentemperatur eignet sich die Thermografie, die den bildgebenden Verfahren zugeordnet werden kann [2]. Betrachtet man eine beispielhafte Oberflächentemperatur-Messung (Abbildung 4), so kann als Kenngröße für die Temperaturhomogenität die Streuung der gemessenen Temperaturen (T₁ – T₃) um den Temperatur-Mittelwert (T_M1-3) herangezogen werden. Einen weiteren wichtigen Aspekt stellt die Abweichung der gemessenen Temperaturwerte vom Temperatur-Sollwert dar. Hierbei muss berücksichtigt werden, dass der Temperatursollwert entsprechend der Abkühlrate und des Messzeitpunktes korrigiert werden muss.

Kennzahl für Aufheizqualität

Mit den beiden Kenngrößen für die Homogenität und für die Abweichung vom Temperatur-Sollwert lässt sich eine dimensionslose Kennzahl für die Aufheizqualität H_q ermitteln (Gleichung). Hierbei werden die beiden Kenngrößen für die Homogenität und die Abweichung vom Temperatursollwert als gleichwertig betrachtet. Je nach Anforderung kann aber auch eine Gewichtung der Kenngrößen vorgenommen werden. Um eine Vergleichbarkeit der Aufheizqualität verschiedener Organobleche zu ermöglichen, werden die beiden Kenngrößen in Relation zum jeweils vorgegebenen Toleranzbereich gesetzt. Eine niedrigere Kennzahl steht somit für eine bessere Aufheizqualität.

n: Anzahl der MessfelderTi: Temperaturmittelwert des Messfeldes i [°C] TSoll: Aufheiz-Solltemperatur im IR-Ofen [°C]TTol max: Maximaler Temperaturtoleranzwert [°C] bezogen auf TSolltEA: Zeit nach Ende des Aufheizvorgangs [s]vc: Abkühlrate [K/s]

Zusammenfassend lässt sich feststellen: Der Vorgang des Aufheizens von Organoblechen ist der wichtigste Prozessschritt des Fiber-Form-Prozesses. Die Organoblechtemperatur beeinflusst maßgeblich die Bauteilqualität. Eine zu geringe oder ungleichmäßige Organoblechtemperatur kann den Umformprozess negativ beeinflussen und auf Dauer Werkzeugschäden hervorrufen. Weiterhin ist nachgewiesen, dass eine geringere Organoblechtemperatur zu einer schlechteren Anbindung des Spritzgussmaterials mit dem Organoblech führt [3].

Vor diesem Hintergrund und des linearen Abkühlverhaltens ist es bedeutend, eine homogene Oberflächentemperatur des Organoblechs nach dem Aufheizvorgang zu gewährleisten und bewerten zu können. Die hier entwickelte Bewertungsmethode ermöglicht erstmals die Aufheizhomogenität von Organoblechen zu bestimmen und berücksichtigt die Abweichung, die Streuung und den geforderten Toleranzbereich.

Literaturverzeichnis

Fakuma: Halle/Stand  A7/7303