Die komplett montierte Bedienelementbaugruppe ist fertig für den Einbau im Multifunktionslenkrad. (Bildquelle: BCS)

Die komplett montierte Bedienelementbaugruppe ist fertig für den Einbau im Multifunktionslenkrad. (Bildquelle: BCS)

Jedes Fahrzeug besitzt ein Lenkrad. Aus den Holzlenkrädern mit 3 bis 5 Speichen der Anfangszeit der Automobile sind haptisch und optisch anmutende Multifunktionslenkräder meist mit Leder- oder Kunstlederüberzug geworden. Die dünnen Metallspeichen, deren Hauptaufgabe früher darin bestand, die Lenkräder aus Massivholz zusammenhalten, sind in den letzten 20 Jahren zu Design- und Funktionsspeichen geworden. In ihnen sind Bedienelemente integriert, die dem Fahrer das bequeme Aktivieren von unterschiedlichen Funktionen ermöglicht, ohne dass er die Hände vom Lenkrad nehmen muss. In den neuen Fahrzeuggenerationen werden haptische Schalter durch berührungssensitive Tasten mit Touchfunktionen ersetzt.

Die 2-komponentigen Rahmen aus PBT und LSR sind die tragenden Elemente des Lenkradbedienelements. (Bildquelle: Simone Fischer/Redaktion Plastverarbeiter)

Die 2-komponentigen Rahmen aus PBT und LSR sind die tragenden Elemente des Lenkradbedienelements. (Bildquelle: Simone Fischer/Redaktion Plastverarbeiter)

Jeder Schalter in IML-Technologie mit Black-Panel-Effekt besitzt einen Unterbau. Unter der Bedienoberfläche verbirgt sich eine komplexe Elektronik sowie der zughörige Halterahmen, der verschiedene Funktionen erfüllen muss. Zum einen muss er den Schalter in der Lenkradspeiche sehr präzise positionieren und fixieren. Zum anderen dämpft er Schwingungen, damit beim Übertragen des haptischen Signals keine unerwünschten Vibrationen ans Lenkrad weitergegeben werden und keine ungewollten Geräusche entstehen. Die Upper-Housings für diese beiden Bedienelemente werden vom Unternehmen Wilhelm Weber mit Sitz in Esslingen hergestellt. Der Kunststoffverarbeiter und Formenbauer ist auf Mehrkomponententeile und anspruchsvolle Materialkombinationen spezialisiert. Der Rahmen, an den Silikondurchführungen und Dichtringe aus LSR angespritzt werden, besteht aus einem PBT GF30. „Die Silikonbereiche sind entscheidend“, erläutert Antonio Trinchese, Leiter Geschäftsentwicklung und Vertrieb bei Weber. „Die Silikonführungen dürfen keinerlei Überspritzungen besitzen, da ansonsten die Funktion des Schalters gestört werden könnte.“

„Die Silikonführungen dürfen keinerlei Überspritzungen besitzen, da ansonsten die Funktion des Schalters gestört werden könnte.“

Heiß und kalt

Die beiden Düsenseiten sind thermisch voneinander getrennt, um eine reibungslose Verarbeitung von Thermoplast und Flüssigsilikon zu ermöglichen. (Bildquelle: Simone Fischer/Redaktion Plastverarbeiter)

Die beiden Düsenseiten sind thermisch voneinander getrennt, um eine reibungslose Verarbeitung von Thermoplast und Flüssigsilikon zu ermöglichen. (Bildquelle: Simone Fischer/Redaktion Plastverarbeiter)

Die Materialpaarung und die Textur der Oberfläche im Bereich der Überspritzung wurde vom Lieferanten der Schalter, BCS Automotive Interface Solutions mit Sitz in Radolfzell, so gewählt, dass eine Direktanspritzung des Silikons an den Thermoplasten ohne Aktivierungsschritt möglich und die benötigte Haftfestigkeit gegeben ist. Weber wurde vom TIER 1 frühzeitig für das 2K- Thermoplast-Silikon-Projekt ins Boot geholt. Dies ermöglichte dem Unternehmen eine detaillierte Machbarkeitsstudie hinsichtlich Materialpaarung, Schussgewicht sowie Kavitätenanzahl und schaffte Mitsprachemöglichkeiten hinsichtlich Teilegestaltung und Werkzeugbau. Denn dieses Werkzeug hat es in sich, da ein Thermoplast und ein Flüssigsilikon verarbeitet werden. „Dies erfordert eine thermische Trennung der beiden Düsenseiten, da ich einmal heize und einmal kühle“, beschreibt Trinchese die Herausforderung. „Der Werkzeugbereich, in den der Thermoplast eingespritzt wird, wird gekühlt und der für das Silikon wird auf über 170 °C geheizt. Es ist wichtig, das Silikon thermisch sauber zu führen, damit es auf dem Weg in die Kavität keinen Wärmeeintrag erfährt.“ Dadurch wird vermieden, dass die Vernetzung vorzeitig einsetzt. Andererseits darf die Thermoplastseite keine Abkühlung erfahren, da es sonst unter anderem zum ungleichmäßigen Füllen der Kavitäten und Problemen bei der Maßhaltigkeit kommt.

Auf einem Arburg Allrounder 470 C werden mit dem 6-kavitätigen Werkzeug die 2K-Rahmen gefertigt. (Bildquelle: Simone Fischer/Redaktion Plastverarbeiter)

Auf einem Arburg Allrounder 470 C werden mit dem 6-kavitätigen Werkzeug die 2K-Rahmen gefertigt. (Bildquelle: Simone Fischer/Redaktion Plastverarbeiter)

Der Werkzeugbereich, in den das PBT über Heißkanäle mit Nadelverschlusssystem direkt eingespritzt wird, wird auf 80 bis 120 °C temperiert. Die Temperaturspanne ist deshalb so groß, da die einzelnen Kavitäten unterschiedliche Vorlauftemperaturen benötigen, um über eine homogene Werkzeugtemperatur die Qualität des Rahmens sicherzustellen. Die Silikonplatte wird elektrisch beheizt und der Werkstoff über einen eigengefertigten Dreiplatten-Kaltkanal direkt mit 18 beziehungsweise 24-Düsen in die 6 beziehungsweise 8 Kavitäten geführt. Das Schussgewicht ist mit 0,38 g pro Bauteil sehr gering. „Mit dem kleinsten Schneckendurchmesser von 12 mm können wir diese kleinen Mengen mit unseren Spritzgießmaschinen von Arburg sehr gut dosieren“, so der Vertriebsleiter. Die Kavitäten für die Silikonkomponente werden evakuiert, um ein widerstandsloses und blasenfreies Füllen zu ermöglichen sowie die geforderten Toleranzen und Oberflächenbeschaffenheit einzuhalten. Die Zykluszeit für das gesamte Bauteil liegt zwischen 33 und 36 Sekunden. „Auf die erzielte Zykluszeit sind wir stolz, denn sie ist über die Projektlaufzeit die wichtigste Prozessgröße“, sagt Antonio Trinchese.

„Auf die erzielte Zykluszeit sind wir stolz, denn sie ist über die Projektlaufzeit die wichtigste Prozessgröße.“

Wo immer es möglich ist, setzt das Unternehmen die Direkteinspritzung bei den mehrkomponentigen Bauteilen ein. Dadurch spart es sich das Handling mit den Angüssen und über die Laufzeit des Projektes auch die Werkstoffe. Trinchese hierzu: „Wir sind dazu übergegangen, lieber in die Werkzeugtechnik zu investieren als in das Angusshandling. Durch die Direktanspritzung sichern wir uns zusätzlich einen Qualitätsvorsprung.“

Drehen statt umsetzen

Das Werkzeug zum Herstellen von vier Rahmensätzen bekommt im Werkzeugbau für seinen Einsatz den letzten Schliff. Im Vordergrund die Düsenseiten, im Hintergrund die bewegliche Seite mit Indexplatte. (Bildquelle: Simone Fischer/Redaktion Plastverarbeiter)

Das Werkzeug zum Herstellen von vier Rahmensätzen bekommt im Werkzeugbau für seinen Einsatz den letzten Schliff. Im Vordergrund die Düsenseiten, im Hintergrund die bewegliche Seite mit Indexplatte. (Bildquelle: Simone Fischer/Redaktion Plastverarbeiter)

Da die geplante Stückzahl der Fahrzeuge im Jahr 2022 bei rund 2,7 Mio. liegt, hat der Kunststoffverarbeiter im hauseigenen Werkzeugbau zwischenzeitlich zwei Indexwerkzeuge gefertigt. Zunächst eine Form, die drei Sätze produziert, und eine weitere, mit der vier Sätze hergestellt werden. Beide Werkzeuge sind mit Indexplatten ausgeführt, um die geforderte Qualität und Maßhaltigkeit der Bauteile sicherzustellen. Aufgrund von Erfahrungswerten, des filigranen Rahmens und um Freischwindung zu vermeiden, wurde von der Umsetztechnik abgesehen. Die Toleranzen für das Bauteil sind sehr eng, da durch die Domdurchführungen das Oberteil positioniert wird. „Im Bereich der langen, dünnen Stege war die Verzugsneigung sehr groß. Dies hatte bereits die Moldflow-Analyse im Vorfeld gezeigt“, führt der gelernte Werkzeugmacher aus. „Daraufhin haben wir die Kavitäten segmentiert ausgeführt und diese Bereiche schrittweise bombiert.“ Um die Maßhaltigkeit der Bauteile exakt zu ermitteln, wurden fünf Teilesätze bei Quality Analysis, Nürtingen, mit Computertomografie vermessen. Basierend auf den erhaltenen Messwerten, werden bei Bedarf die entsprechenden Stellen in den Kavitäten nachgearbeitet. Durch dieses Überprüfen der Bauteile kommt der Werkzeugbauer schneller ans Ziel, denn er bekommt gegebenenfalls die vorhandenen Problemstellen aufgezeigt. Die Möglichkeiten, um die Kavitäten zu vermessen hat das Unternehmen vor Ort, sodass die Ergebnisse verglichen werden können.

Die Einsätze in der Indexplatte sind aufgrund der hohen Ansprüche an die Bauteile sehr aufwendig ausgeführt. (Bildquelle: Simone Fischer/Redaktion Plastverarbeiter)

Die Einsätze in der Indexplatte sind aufgrund der hohen Ansprüche an die Bauteile sehr aufwendig ausgeführt. (Bildquelle: Simone Fischer/Redaktion Plastverarbeiter)

Für die Erstellung eines Werkzeuges hat das Esslinger Unternehmen alle Wertschöpfungsschritte, ausgenommen das Härten, im eigenen Haus. Nach einer ersten Herstellbarkeitsbewertung erfolgt das Design for Manufacturing (DFM), anschließend die Konstruktion und die Fertigung. Die Durchlaufzeit im Werkzeugbau beträgt je nach Kavität zwischen 10 und 12 Wochen. Danach erfolgen die Funktionsprüfung und der erste Schuss. Rund 40 der aktuell 125 Mitarbeiter sind in das Anfertigen von Werkzeugen und Dreheinheiten involviert und erwirtschaften rund 45 Prozent des Umsatzes.

Kaltkanal ist Eigenbau

Die Düsenseite ist bei diesem Werkzeug 2-teilig, da eine thermische Trennung zwischen Thermoplast- und Silikonbereich notwendig ist. (Bildquelle: Simone Fischer/Redaktion Plastverarbeiter)

Die Düsenseite ist bei diesem Werkzeug 2-teilig, da eine thermische Trennung zwischen Thermoplast- und Silikonbereich notwendig ist. (Bildquelle: Simone Fischer/Redaktion Plastverarbeiter)

Weber fertigt seit vielen Jahren Silikonkomponenten für Medizintechnik, Automobilindustrie, Gebrauchsgüter und technische Anwendungen. In den letzten Jahren kam verstärkt das Herstellen von Silikonoptiken, wie Regenlichtsensoren, Optiken für LED Matrixlichter und überspritzte LED Platinen hinzu. Für diese reinen Silikonteile sind zwischenzeitlich 9 der insgesamt 21 Mehrkomponentenmaschinen im Einsatz. Um die zahlreichen Kaltkanalwerkzeuge wartungsfreundlicher zu gestalten, ist der Werkzeugbauer dazu übergangen, diese selbst herzustellen. Die Dreiplatten-Kaltkanäle sind nun so aufgebaut, dass alle materialführenden Bereiche nach dem Zerlegen gut zugänglich und damit mühelos zu reinigen sind. Die Normteile, die in den Kaltkanälen verwendet werden, kauft der Formenbauer zu.

Doch nicht nur der Kaltkanal wird im eigenen Unternehmen gefertigt, sondern auch die Drehsysteme. Die Schwerpunkte liegen hier auf Index- und Drehtellerwerkzeugen, die um 120 oder 180 Grad drehen. Im Fall des Rahmens wurde ein Index-Werkzeug mit drehenden Einsätzen gebaut. Für beispielsweise 3-komponentige Bedienräder setzt der Verarbeiter bevorzugt Drehtellerwerkzeuge ein.

Maschinenpark erweitert

Im vorderen Teil der Spritzgießfertigung werden die mehrkomponentigen Bauteile gefertigt, im hinteren Bereich die Silikonoptiken. (Bildquelle: Simone Fischer/Redaktion Plastverarbeiter)

Im vorderen Teil der Spritzgießfertigung werden die mehrkomponentigen Bauteile gefertigt, im hinteren Bereich die Silikonoptiken. (Bildquelle: Simone Fischer/Redaktion Plastverarbeiter)

Für das Projekt Upper-Housing hat der Kunststoffverarbeiter in eine elektrische Spritzgießmaschine 570 S von Arburg, Loßburg, investiert. Sie ist für das Verarbeiten von 2-Komponenten ausgelegt, mit einer Gestica-Steuerung ausgestattet und verfügt über ein Linearhandling zur Teileentnahme. „Die Anlage wird in Kürze geliefert und ist verfügbar, wenn im Frühjahr 2021 die Stückzahlen ansteigen“, sagt Antonio Trinchese. Auf dieser Maschine wird das Werkzeug mit den 8-Kavitäten Teile produzieren, da die derzeit vorhandenen Maschinen für die Größe des Werkzeugs nicht ausreichend sind. Alle Maschinen des Unternehmens sind über einen Arburg Leitrechnersystem (ALS) verbunden, worüber die Spritzgießproduktion organisiert, optimiert und dokumentiert wird.

Für die Zukunft vorbereitet

Der Kunststoffverarbeiter sieht bei den eingehenden Anfragen eine Tendenz hin zu Bauteilen, an die Silikondichtungen angespritzt werden. Dadurch werden zusätzliche Montageschritte sowie die Teilevielfalt und die Logistik reduziert. Doch nicht immer sind die eingesetzten Materialpaarungen kompatibel und gehen ohne Oberflächenaktivierung eine dauerhaft haftfeste Verbindung ein. So werden derzeit PA und PC vor dem Anspritzen des LSR mit atmosphärischem Plasma vorbehandelt. Je nach Bauteilgeometrie wird in diesen Fällen mit Schiebewerkzeugen gearbeitet, um die Zykluszeit gering zu halten. Um für weitere Mehrkomponentenprojekte gut aufgestellt zu sein, engagiert sich Weber auch in verschiedenen Forschungsprojekten mit dem Hintergrund einer Oberflächenaktivierung im Werkzeug. Hier stehen die Weiterentwicklung und Integration von bestehenden Verfahren in den Spritzgießprozess, aber auch der Einsatz neuer Technologien wie der UV-Technik im Fokus.

„Die größten Herausforderungen des Projektes waren das niedrige Schussgewicht der Silikonkomponente in Verbindung mit PBT und die Direktanspritzung.“

Vertriebsleiter Antonio Trinchese erläutert an einem Bauteil die Herausforderungen des Projekts. (Bildquelle: Simone Fischer/Redaktion Plastverarbeiter)

Vertriebsleiter Antonio Trinchese erläutert an einem Bauteil die Herausforderungen des Projekts. (Bildquelle: Simone Fischer/Redaktion Plastverarbeiter)

„Die größten Herausforderungen des Projektes waren das niedrige Schussgewicht der Silikonkomponente in Verbindung mit PBT und die Direktanspritzung. Weiterhin die geforderte Maßhaltigkeit der filigranen Kontur und die Gratfreiheit des Silikons im Bereich der Domdurchführung“, fasst Vertriebsleiter Trinchese zusammen. Doch durch die frühzeitige Einbindung durch BCS in das Projekt wurden die Hürden gut gemeistert. Die durchlaufene Lernkurve vereinfacht und verkürzt die Anfahrkurve von ähnlich gelagerten Folgeprojekten.

 

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Über den Autor

Simone Fischer

ist Redakteurin Plastverarbeiter.

simone.fischer@huethig.de