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15.03.2012

Harte Schale, weicher Kern

TPE-S Compounds für kratzfeste Oberflächen


Elastisch wie Gummi und verarbeitbar wie Kunststoff - thermoplastische Elastomere (TPE) kombinieren die flexiblen Eigenschaften von Elastomeren und die Verarbeitung von Thermoplasten und schließen damit die Lücke zwischen diesen Materialien. Aufgrund seiner vergleichsweise schlechteren Kratzfestigkeit hat sich der Werkstoff bisher nur bei wenigen Bauteilen im Automobil-
Interieur-Bereich etablieren können. Mit TPE-S Compounds soll sich das nun ändern.

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Thermoplastische Elastomere auf Basis von hydrierten Styrol-Block-Copolymeren (TPE-S), haben im Bereich Automobiltechnik bereits in großem Stil Einzug gehalten. Jedoch konnte sich dieser Werkstoff aufgrund seiner vorbehaltlich schlechteren Kratzfestigkeit im Vergleich zu den bisher eingesetzten Materialien wie zum Beispiel Softlackoberflächen, TPO, PVC-P, TPU oder klassischen Polyurethansystemen noch nicht für Bauteile im Interieur-Bereich etablieren. Im Laufe ihres gesamten Produktlebens werden an diese Materialien hohe Anforderungen hinsichtlich Verarbeitbarkeit, Erfüllung des Lastenheftes, hoher Qualität im Gebrauch und Beständigkeit gegenüber allen einwirkenden Medien und Kräften gestellt. Könnte die Oberflächenkratzfestigkeit von TPE-S optimiert werden, würde dieser Werkstoff noch stärker zum Einsatz kommen und die Bauteilkosten aufgrund der Vereinfachung des Herstellungsprozesses entscheidend reduzieren.

Oberflächeneigenschaften eines TPE-S und Ermittlung der Kratzfestigkeit

Die Oberflächeneigenschaften eines TPE-S werden in erster Linie durch deren Haptik, Optik, Kratzfestigkeit und Schreibeffekt charakterisiert. Eine TPE-S-Oberfläche zeichnet sich speziell dadurch aus, dass sie weich und warm wirkt und im Gegensatz zu den thermoplastischen, harten Kunststoffen anmutender, weniger glänzend und nicht stark reflektierend ist. Kratzfestigkeit und Schreibeffekt geben Aufschluss über den mechanischen Widerstand der Oberfläche gegenüber einwirkenden Kräften. Die Eigenschaften werden maßgeblich von den Rezepturbestandteilen geprägt und beeinflusst.

Zur Bestimmung der Kratzfestigkeit von lackierten oder unlackierten Kunststoffbauteilen für den Fahrzeuginnenraum gibt es verschiedene Prüfmittel und -methoden. Als Kratzfestigkeit versteht man den Widerstand gegen eine mechanische Einwirkung eines scharfen oder eines abgerundeten Gegenstands. Die wichtigste Prüfnorm ist die Prüfmethode nach VW PV 3951 mit dem Prüfgerät Erichsen 430 P I, die zum Beispiel bei einer Belastung mit 5 N eine Farbabweichung ?E von kleiner 0,5 Einheiten fordert. Bei diesem Test wird maschinell eine Gravierspitze mit definierter Prüflast in einem Gittermuster über die Prüfoberfläche gezogen. Das Gitter ist laut Norm in je 20 Belastungsschnitte im Abstand von jeweils 2?mm festgelegt. Die dabei entstehende Prüffläche wird mittels eines Farbmessgeräts und durch eine Prüfperson bewertet.

Das Farbmessgerät ermittelt die Farbveränderung ?E zwischen der gekratzten und ungekratzten Oberfläche, wohingegen die Prüfperson die Oberflächenbeschädigung bei unterschiedlicher Prüflast visuell vergleicht. Prüfmerkmale hierfür sind die Tiefe der Kratzer und die Art der Beschädigung auf der Oberfläche. Die Bewertung durch eine Prüfperson ist zwar subjektiv und ermittelt keinen definierten Wert, sollte aber dennoch zusätzlich zur farbmetrischen Beurteilung herangezogen werden, da sie Erkenntnisse über die Art der Oberflächenveränderung liefert. Diese Zusatzinformation ist wichtig, denn die Oberflächenbeschädigung eines thermoplastischen Elastomers kann sich nach einer Belastung teilweise wieder rückstellen. Der Anteil der reversiblen Verformung und der irreversiblen Deformation variiert aufgrund verschiedener Polymerbasen oder unterschiedlicher Werkstoffhärten stark.

2-Komponenten-Prüfkörper und-Prüfmethode

Neben herkömmlichen Spritzgussplatten zur Bestimmung der Materialkennwerte wie zum Beispiel Härte, Dichte und Mechanik stellt der TPE-Spezialist zur Bestimmung der Oberflächeneigenschaften auch 2-K-Prüfkörper her. Hiermit kann die mögliche Anwendung einer TPE-Spritzgussoberfläche mit einem thermoplastischen Trägerbauteil simuliert werden. Die Grundlage dieses Tests ist die Prüfung einer Oberfläche mit definierter Belastung, Geschwindigkeit und Prüfmittelgeometrie. Zunächst wird die Hartkomponente aus beispielsweise PC/ABS oder PP zu einem flächigen Bauteil gespritzt. Nach dem Betätigen des Kernzugs wird eine Kavität auf der Oberfläche der Hartkomponente freigegeben, die mit dem oberflächenmodifizierten TPE-S gefüllt wird. Die Weichkomponente wird über das Seitenaggregat gefördert und eingespritzt.

Die Geometrie der Prüfplatte wird in Anlehnung an die Prüfmethode nach VW PV 3952 festgelegt und zeigt sowohl eine glänzende wie auch eine matte Narbungshälfte zur Bewertung der Kratzfestigkeit und des Schreibeffekts. Als Hartkomponente kann nahezu jeder Thermoplast verarbeitet werden. Die Probendicke der Hartkomponente beträgt 2 mm, während die Dicke des TPEs von 0,8 bis 2 mm variiert werden kann. Das Ergebnis der Kratzfestigkeitsmessung zeigt die Farbänderung der Probenoberfläche vor und nach der Prüfbelastung und wird als Mittelwert aus zwei automatisch ermittelten Messungen angezeigt. So hat gute Kratzfestigkeit einen kleinen, schlechte Kratzfestigkeit einen hohen Wert zur Folge.

2-K-Bedienelemente für den Automotive-Bereich

Bereits seit Jahren werden die Bedienräder in der Baugruppe des Lüftungssystems mit 2-K-Lösungen des TPE-Anbieters realisiert. Dabei besteht die mechanisch beanspruchte Komponente aus ABS/PC-Blends, welche mit einer TPE-Schicht überspritzt werden. Die TPE-Außenschicht gibt dem hinterleuchteten Bauteil eine weiche und angenehm wirkende Oberfläche.

Gerade bei solchen Bauteilen gibt es fortwährend Designänderungen und Verbesserungen hinsichtlich Qualität und Funktionalität. Um die hohen Anforderungen der Anwendung erfüllen zu können, muss deshalb auch das haftungsmodifizierte TPE-S permanent weiterentwickelt werden. Im Mittelpunkt der Neuentwicklungen stehen die bessere Kratzfestigkeit und eine Aufwertung des Bedienrads durch Glanzanpassung.

Um die Kratzfestigkeit zu verbessern, wurden sowohl die Polymerbasis, als auch der Füllstoff ersetzt und die verfahrenstechnischen Parameter im Herstellungsprozess angepasst. Hervorzuheben sind insbesondere Glanz und Haptik des neu entwickelten Materials, welches sich durch eine sehr trockene und matte Oberfläche von herkömmlichen TPEs unterscheidet. Gute Verarbeitbarkeit und gute Abriebwerte sind weitere vorteilhafte Materaileigenschaften.

Ein weiteres wichtiges Bauteil im Interieur eines Pkw ist der zwischen den Lamellen der Lüftung (Ausströmer) liegende Slider (Bedienelement), der dem Luftstrom die gewünschte Richtung gibt. Da dieses filigrane Element der Lüftungsanlage mit Daumen und Zeigefinger betätigt wird, sind die Verschleißeigenschaften und die Haptik entscheidende Kriterien. Sowohl eine definierte Heißluftbeständigkeit und ein geringeres Emissionsverhalten, als auch die Haftung zu ABS/PC sind, zusätzlich zur Oberflächenqualität, Bestandteile des Anforderungsprofils.

Neue Anwendungen generieren

Die Ergebnisse der Grundlagenentwicklung neuer Compounds für die Business Unit Skin Materials haben zwar noch nicht direkt in den angestrebten Anwendungsbereichen der Tür - wie zum Beispiel Armlehne oder Türseitenverkleidungsteil - Einzug gehalten, jedoch konnten daraus positive Effekte genutzt werden, um Anwendungen mit ähnlichen Anforderungsprofilen zu generieren. Beispiele hierfür sind Türgriffe, Bedienelemente im Lüftungssystem oder Türdichtungselemente im Exterieurbereich. Um weitere Anwendungsfelder zu erschließen, kontaktiert der Anbieter weitere OEMs - stets mit dem Fokus auf Oberflächenqualität, Gewichtsersparnis, Emissionsreduzierung und Preisoptimierung. Ziel für die nächsten Jahre ist es, diese Erkenntnisse zu multiplizieren und Projekte im Bereich von Mittelkonsole, Seitenverkleidung oder Dashboard erfolgreich abzuschließen.

Quellen: Diplomarbeit Josef Neuer, Kunststofftechnik (FH), „Untersuchung des Einflusses der Hauptrezepturbestandteile auf ausgewählte Materialeigenschaften eines Thermoplastischen Elastomers“ aus dem Jahr 2007

 

Neue Technologie


Die Mischung macht‘s

Thermoplastische Elastomere fanden bisher im Automobil-Interieur wegen der vergleichweise schlechteren Kratzfestigkeit der Oberfläche nur selten Anwendung. Für eine neue Type änderte der Hersteller sowohl die Polymerbasis als auch die Füllstoffzusammensetzung und auch das Herstellungsverfahren, um die Oberflächeneigenschaften von TPE-S, einem hydrierten Styrol-Block-Copolymer, zu verbessern. So lassen sich auch TPE-Anwendungen im Innenbereich von Pkws darstellen, wie besispielsweise Bedienräder und Slider in der Baugruppe des Lüftungssystems.

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