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15.03.2012

Ein gutes Team für mehr Ästhetik

Variotherme Temperierung und Leichtbautechnologien eröffnen neue Chancen

Der Trend zu immer kleineren, dünneren und leichteren Geräten stellt Hersteller von Elektronik-Produkten für den Verbraucher nicht nur hinsichtlich der Gerätefunktionen vor immer neue Herausforderungen. In Bezug auf die Gehäuse gilt es, ein geringes Gewicht und sehr dünne Wandstärken mit einer hohen mechanischen Stabilität in Einklang zu bringen. Hinzu kommen aus ästhetischen Gründen steigende Anforderungen an die Qualität der Oberflächen.

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Ob Handys, Laptops oder Netbooks: Consumer-Electronics-Produkte sind längst mehr als nur Arbeitsmittel, sie sind Ausdruck des Lebensstils ihrer Besitzer. Das Design avanciert zu einem wichtigen Differenzierungsmerkmal. So lassen sich viele Geräte bereits durch eine Auswahl hochwertiger Motive personalisieren und für Tablet-PCs mit Touch-Screen sind Snap-on Cover in Mode, die sich nach Lust und Laune auswechseln lassen. Die kreative Freiheit der Produktdesigner bewegt sich dabei stets im Spannungsfeld zwischen Leichtbau-trend und mechanischer Stabilität, zwischen Ästhetik und Robustheit. Die neuen Ultrabooks, die die Lücke zwischen Notebooks and Tablet-PCs schließen, machen dies besonders deutlich. Trotz schneller Prozessoren, SSD-Speicher und langer Batterielebensdauer zeichnen sie sich durch eine besonders geringe Bauteildicke der Kunststoffteile von unter 20 mm aus.

Speziell bei Laptops mit Kunststoffdeckeln sorgen immer wieder Knarrgeräusche oder Verwindungen beim Öffnen für Unmut bei den Nutzern. Vor allem, weil eine zu geringe mechanischer Stabilität die Lebensdauer des LCD-Bildschirms verringern kann. Zudem müssen die Geräte im Rahmen der Qualitätskontrolle beim Hersteller auch Falltests - je nach Testkriterien aus einer Höhe von 50 bis 100 cm - unbeschadet überstehen. So führt die Immer-dünner-und-leichter-Philosophie letztendlich dazu, dass immer mehr teure Werkstoffe mit hohem Faseranteil eingesetzt werden, um die Abdeckungen noch in Kunststoff ausführen zu können. Das Problem dabei ist jedoch, dass die Oberflächenqualität mit steigendem Fasergehalt sinkt. Die Fasern sind an der Oberfläche sichtbar und zeichnen sich auch noch nach dem Lackieren ab.

Class A-Oberflächen trotz hoher Faseranteile

Die Praxis zeigt, dass sich mit Hilfe von Variotherm-Verfahren auch Polymere mit einem hohen Fasergehalt zu Bauteilen mit ansprechenden Oberflächenqualitäten verarbeiten lassen. Bei der variothermen Prozessführung wird die formgebende Oberfläche des Werkzeugs in jedem Zyklus vor dem Einspritzvorgang beheizt und nach der Formfüllung wieder gekühlt. Auf diese Weise erhöht sich die Kontakttemperatur zwischen Schmelze und Werkzeugwand. Dies verzögert die Ausbildung einer erstarrten Randschicht. Die Folge sind geringere erforderliche Fülldrücke sowie verbesserte Oberflächeneigenschaften.

Bei der variothermen Werkzeugtemperierung wird entweder der Formeinsatz oder nur die Oberfläche der Kavität erhitzt. Dabei kann sich die Energiequelle der Heizung innerhalb oder außerhalb des Werkzeugs befinden: Bekannt sind Heißdampf, Heißgas, Induktion, Infrarot- oder Laserstrahlung, konturnahe Temperierung durch eine abwechselnd heiße und kalte Flüssigkeit, elektrische Heizpatronen und Kontakt des Formeinsatzes mit einem beheizten Block über Wärmeleitung.

Da Consumer-Electronics-Produkte sehr kurze Produktlebenszyklen aufweisen, sind schnelle und effiziente Fertigungsverfahren von besonders großer Bedeutung. Der Vergleich verschiedener Heiz/Kühl-Verfahren zeigt, dass induktionsbasierte Variotherm-Verfahren zu den schnellsten Systemen am Markt gehören. Zudem haben Untersuchungen der Firma RocTool, Le Bourget du Lac/Frankreich, gezeigt, dass das Induktionsverfahren auch in Bezug auf den Energieverbrauch fluidbasierten Systemen mit Wasser oder Dampf überlegen ist. Die Franzosen sind mit zwei Systemen für induktive Variotherm-Verfahren am Markt: mit dem Cagesystem und dem 3iTech-Verfahren. Bei ersterem befinden sich die Induktoren außen am Werkzeug. Durch sie fließt hochfrequenter Wechselstrom, der ein elektromagnetisches Feld an der Trennebene des Werkzeugs erzeugt. Dieses Magnetfeld induziert Ströme an der Werkzeugoberfläche, wobei Wärme entsteht. Das andere Verfahren verwendet interne Induktoren, die gegen das restliche Werkzeug isoliert werden. So lassen sich gezielt die Kavitäten erwärmen. Um kurze Zykluszeiten zu erreichen, ist für beide Systeme eine schnelle, effiziente und konturnahe Oberflächenkühlung wichtig. Ein weiterer Vorteil induktionsbasierter Systeme ist, dass auch Polymere mit hohen Glasübergangstemperaturen verarbeitet werden können, für die fluidbasierte Variotherm-Lösungen nicht mehr geeignet sind.

Lässt sich selbst mit hochgefüllten Polymeren die geforderte Stabilität nicht erreichen, weichen einige Hersteller von Elektronik-Produkten auf Gehäuse aus Aluminium oder Magnesium-Legierungen aus. Die metallischen Werkstoffe weisen zwar eine höhere mechanische Stabilität auf, laufen allerdings dem Trend zu einer kontinuierlichen Gewichtsreduktion der Geräte entgegen.

Faser-Verbundwerkstoffe: Leichter als Leichtmetalle

Die Lösung dieses Problems liegt im Leichtbau. Eine starke Triebfeder für Leichtbautechnologien sind vor allem die Automobilindustrie und die Luftfahrttechnik. Basis innovativer Anwendungen sind oft Faser/Kunststoff-Verbundwerkstoffe, das heißt die Kombination einer als Verstärkung dienenden Faserstruktur mit einem Polymer. Mit steigendem Fasergehalt und steigender Faserlänge werden die mechanischen Eigenschaften besser. Endlosfasern, deren Länge im Bereich der Bauteilabmessungen liegt, können im Bauteil so verteilt werden, dass sie nur in Belastungsrichtung die benötigten Verstärkungsaufgaben erfüllen, wodurch der Fasergehalt und somit die Dichte des Bauteils reduziert werden. Bei gleichbleibendem Fasergehalt lassen sich damit die Eigenschaften der Bauteile weiter verbessern.

Die Faserstruktur kann unter anderem als Roving (Gewebe oder Gelege), textiles Halbzeug oder ungeordnet (zum Beispiel als Schnittfasern) ausgeprägt sein und aus einem beliebigen Material bestehen. Meistens werden Glasfasern, Kohlenstoff-Fasern, Aramidfasern, Naturfasern oder Polymerfasern in thermoplastische oder duroplastische Matrixsysteme eingebettet. Betrachtet man die mechanische Stabilität, so sind Kohlefaser-Verbundwerkstoffe kaum zu schlagen. Bei gleichen Steifigkeits- und Festigkeitswerten ist CFK um rund 70 Prozent leichter als Stahl und um rund 40 Prozent leichter als Aluminium - bei nur 20 Prozent höheren Kosten. Durch die Verwendung entsprechender Halbzeuge kann die Steifigkeit des Bauteils an die Beanspruchung angepasst und das Gewicht reduziert werden. Außerdem lassen sich zusätzliche Funktionen in das Bauteil integrieren und die Fertigungsprozesse daraufhin optimieren.

So wurde beispielsweise auf der JEC Composite Show 2009 erstmalig die Komplettfertigung von Notebook-Gehäusen aus Faser-Verbundwerkstoffen in einer Zykluszeit von zwei Minuten demonstriert. Der dort eingesetzte Verbundwerkstoff auf Thermoplast-Basis mit Endlosfaserverstärkung ermöglicht die Fertigung dünner Gehäuseteile, die um 15 bis 20 Prozent leichter sind als vergleichbare Notebook-Gehäuseteile aus Magnesium-Legierungen. Ebenso sind für Mobiltelefone erste Ansätze in dieser Richtung erkennbar.

Ein i-Pad Cover aus einem hinterspritzten Naturfasergewebe belegt, dass es nicht immer CFK sein muss. Die Naturfaser-Variante zeigt, dass die relativ teuren CFK-Matten durch kostengünstige Textilien ersetzt werden können, sofern die Steifigkeiten dann für die Anwendung ausreichen. Ein weiteres Merkmal des Naturfasergewebes ist die leichte Verformbarkeit und der leichte Beschnitt des textilen Materials - Themen, die auch heute noch eine große Herausforderung in der Leichtbautechnik darstellen. Zweifelsfrei werden sich dadurch neue optische Gestaltungsmöglichkeiten ergeben, die die Produktdesigner schon in naher Zukunft werden nutzen können. Denkbar sind auch Kombinationen verschiedener Verfahren. Beispielsweise lassen sich hinterspritzte Faserverbundmaterialien mit IML foliendekorieren oder im Clearmelt-Verfahren mit Hilfe der Wendeplattentechnik mit einem PUR-Klarlack überfluten.
Die genannten Beispiele zeigen das große Potenzial der Leichtbautechnologie. In Verbindung mit variothermen Methoden können Verbundbauteile mit hochwertiger Oberfläche und kurzen Zykluszeiten in einem Schritt hergestellt werden. Die Bauteile benötigen nach dem Spritzguss keine Nachbearbeitung.

Gemeinsam mit dem Fraunhofer ICT und weiteren Partnern arbeitet Engel Austria daran, endlosfaserverstärkte Einlegeteile unmittelbar vor der Formgebung zum Beispiel durch Tape-Legen herzustellen. Vorteilhaft ist hierbei vor allem, dass auch lokal lastorientiert gearbeitet werden kann und sich der Verschnitt der hochwertigen Materialien reduzieren lässt.

Ausblick: Weitere Integration und In-situ-Prozesse

Vielversprechend sind zudem neue Ansätze für den thermoplastischen Reaktivspritzguss auf Spritzgießmaschinen, das heißt das Imprägnieren von trockenen Verstärkungsgeweben über extrem leichtfließende Monomerschmelzen, die in der Kavität zum Beispiel zu Polyamid polymerisieren. Aufgrund der bis um einen Faktor 20 niedrigeren Viskosität der Reaktionspartner gegenüber Epoxidharzen können feinste Faserstrukturen noch leichter ohne Faserschädigung infiltriert werden. Beim Einlegen der Verstärkungselemente ist es oft sinnvoll, in Richtung der Schwerkraft und nicht dagegen zu arbeiten, weshalb sich vertikale Schließeinheiten in bestimmten Anwendungen als vorteilhaft erweisen. Daher wird der österreichische Hersteller seine Duo Großmaschinen auch in vertikaler Ausführung anbieten. Die in den letzten Jahren für horizontale Zweiplatten-Schließeinheiten prozessspezifisch entwickelten Maschinensteuerungs-Programme - für zum Beispiel das Spritzprägen mit feinfühliger Kraft- und Platten-Parallelitätsregelung - können auch bei der Großmaschine in vertikaler Ausführung genutzt werden.

 

Veranstaltung


Theorie und Praxis live

Die variotherme Prozessführung in Verbindung mit Leichtbautechnologien wird auch auf dem Engel-Symposium 2012 eine Hauptrolle spielen. Die internationale Veranstaltung findet am 13. und 14. Juni in St. Valentin und Linz in Österreich statt. Neben Fachvorträgen erwarten die Besucher Live-Demonstrationen aus den Branchen Automotive, Teletronics, Packaging, Technical Moulding und Medical.

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