Die Anforderungen an die Eigenschaften von Luftführungskanälen im Fahrzeuginnenraum, ob im Pkw oder im Lkw, sind sehr vielschichtig. Sie sollen:
- möglichst leicht sein,
- Schall wirksam dämpfen,
- beim Durchströmen von warmer oder kalter Luft gut isolieren,
- Kondenswasserbildung nach dem Abschalten des Kaltluftstroms vermeiden,
- ausreichend temperaturbeständig sein,
- geringe Fogging-Werte aufweisen (geruchsneutrales Material),
- einfach verbaubar sein und selbst bei engen Einbauverhältnissen nicht klappern,
- beim Anschluss der Enden gut dichten,
- die Herstellung komplexer 3D-Geometrien ermöglichen, auch bei sehr langen Teilen, und
- möglichst kostengünstig herstellbar sein.
Die für die Serienproduktion von Luftführungskanälen genutzten Verfahren sind das Extrusionsblasformen von PP und das technologisch und verfahrenstechnisch ausgereifte Twinsheet-Thermoformen von Folien aus chemisch vernetztem PE-Schaum. Dabei ist das Extrusionsblasformen traditionsbedingt das noch vorrangig angewandte Standardverfahren. Die mit PP-Granulat als Ausgangsmaterial geformten Kanäle haben etwa 1mm dicke Wände aus starrem, hartem Kompaktmaterial.
Präzise und schnell
Für das Twinsheet-Thermoformen werden zwei auf Umformtemperatur aufgeheizte PE-Schaumfolien im Werkzeug vakuumunterstützt zu Halbschalen geformt und zugleich an der Außenkontur miteinander verschweißt; abschließend wird der Hohlkörper direkt im Werkzeug ausgestanzt. Außerhalb der Thermoformmaschine werden lediglich – wie bei blasgeformten Hartkanälen gleichfalls erforderlich – die Anschlussbereiche der Luftführungskanäle beschnitten.
Das in Tabelle1 für den elastischen, weichen Luftführungskanal aufgeführte, nahezu durchgehend positive Eigenschaftsprofil liegt in der Physik des Materials begründet. Ein Kanal aus PE-Schaum (Dichte etwa 70 bis 80kg/m³, je nach Anwendung) ist nicht nur gravierend leichter als einer aus PP-Vollmaterial (Dichte etwa 900kg/m³). Schaum besitzt strukturbedingt auch eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit und dämpft die Schallausbreitung stärker. So zeigt ein thermogeformter weicher Luftkanal (Schaumdichte 80kg/m³, d= 4mm), eingebaut in der B-Säule eines Fahrzeugs und beaufschlagt mit einer Luftgeschwindigkeit von 2,7m/s, über die gesamte Frequenzbandbreite von 500 bis 10000Hz eine bessere akustische Dämpfung als der blasgeformte harte Kanal: Die Minderung beträgt gut 3dB(A), was einer Halbierung der Geräuschintensität entspricht.
Schaumfolien, wie sie zur Herstellung der von Trocellen, Troisdorf, entwickeltenflexiblen XLPE-Luftführungskanäle zum Einsatz kommen, lassen sich prozesssicher thermoformen. Die für das Produktionsverfahren erforderlichen Voraussetzungen erfüllen prozessgeregelte Thermoformmaschinen – wie die UAR 155g neuester Generation. Ihre servomotorischen Antriebe für präzise, wiederholgenaue und schnelle Bewegungen, selbst beider große Massen bewegenden Formstation, schaffen die Grundlage für Prozessstabilität.
Beim Twinsheet-Thermoformen der Lüftungskanäle finden die Prozessschritte Heizen, Formen und Stanzen in derselben Station statt. Dazu führen zwei übereinander angeordnete und im Abstand verstellbare Transporteinrichtungen die als Rollenware in zwei Folienrollenaufnahmen bereitgestellte 3 bis 4mm dicke XLPE-Folie der Maschine zu. In der Formstation mit Ober- und Untertisch zur Aufnahme der beiden Werkzeughälften werden die beiden Folienbahnen mit höhenverstellbaren Heizungen aufgeheizt: jeweils einseitig auf maximal 200°C Oberflächentemperatur, die obere Folie von der Oberseite, die untere von der Unterseite. Mit Heizzeitende fahren beide Heizungen in weniger als 3s aus der Formstation heraus, um das Abkühlen der Folien bis zum Umformbeginn zu minimieren. Daher sind die servomotorischen Antriebe für den Werkzeugober- und -untertisch für sehr hohe Fahrgeschwindigkeiten bis 500mm/s ausgelegt– selbst mit maximal einer Tonne schweren Werkzeugen je Werkzeugtisch. Bei geringeren Geschwindigkeiten würde die Folie zu schnellabkühlen, die Prozesssicherheit wäre gefährdet.
Schaumfolien dehnen sich beim Aufheizen aus und hängen durch.Sie müssen daher während der Heizzeit gedehnt beziehungsweise gespreizt werden. Je nach Schaumtype und Hersteller, fällt diese Ausdehnung sehr unterschiedlich aus. Zu beachten ist daher, dass sich die beiden Folienbahnen während der Heizzeit nicht berühren. Ausgleichen lässt sich dieser Durchhang mit einem bedarfsgerecht einstellbaren Abstand zwischen den beiden Einspannebenen. Bei kleinen Formflächen und geringem Halbzeugdurchhang reicht in der Regel ein Abstand von etwa 50mm aus, bei großen Formflächen und Halbzeugen mit großem Durchhang werden wesentlich größere Abstände gewählt, etwa 200mm.
Kühlung spielt große Rolle
Beim Auftreffen der Werkzeughälften auf die aufgeheizten Folienbahnen strecken sie die Folien mechanisch so vor, dass die Außenkanten der Werkzeughälften abgedichtet werden. Beide Hohlkörper-Hälften werden sodann mit Vakuum geformt und an der Außenkontur der Formteile miteinander verschweißt. In dieser Phase ist zu beachten, dass die beiden Folienbahnen nicht flächig miteinander verkleben, bevor der Formprozess einsetzen konnte. Hierzu wird eine der beiden Tischbewegungen kontrolliert verzögert, so dass eine Werkzeughälfte die ihr zugeordnete Folie früher erreicht und ansaugt.
Um den Hohlkörper mit Vakuum formen zu können, müssen entweder beide Folien vor dem Verschweißen komplett ausgeformt sein oder im Verlauf des Formens muss Luft von außen in das Hohlkörperinnere nachströmen können. Hierfür sorgen kanalförmige Unterbrechungen der Schweißnaht, die im Werkzeug eingearbeitet sind. Diese Prozessvariante bietet weitere Vorteile bei der Formteilkühlung, um möglichst kurze, wirtschaftliche Zykluszeiten zu realisieren: Zusätzlich zur Kühlung über die temperierten Werkzeughälften wird der Hohlkörper durch Luftspülung von innen gekühlt. Eingebracht wird die Kühlluft mit Nadeln, die im Werkzeug in die Twinsheet-Teile einfahren. Die eingeblasene Kühlluftentweicht durch die Belüftungskanäle nach außen. Ohne diese zusätzlicheInnenkühlung wäre für einen Twinsheet-Luftführungskanal aus PE-Schaumfolie mindestens die doppelte Kühlzeit erforderlich.
Nach Kühlzeitende werden die Nutzen ausgestanzt. Dazu hat die obere Werkzeughälfte ausfahrbare Zackenmesser und die untere Nuten, in die die Messer beim Stanzen eintauchen. Die ausgestanzten Teile bleiben in Haltestegen (nicht ausgestanzte kleine Verbindungen zwischen Nutzen und Abfall) hängen und werden so aus der Formstation herausgefahren.
Thermogeformte Hohlkörper aus Schaumstoffen können nicht randlos beschnitten werden, denn sie haben stets eine außenliegende Schweißnaht. XLPE-Schaumfolie lässt sich bei einer Oberflächentemperatur von ca. 150°C gut schweißen und erfordert dazu eine spezifische Presskraft von etwa 0,4N/mm². Bedingt durch die geringe Dichte und die Elastizität des Schaums bildet sich allerdings selbst bei extrem hoher Presskraft kein Schweißwulst zum Inneren des Twinsheet-Teils hin aus. Der äußere Schweißrand an den Luftführungskanälen aus XLPE-Schaum ist etwa 3bis 4mm breit.
Wirtschaftliche Produktion mit viel Entwicklungspotenzial
Die beim Thermoformen von Luftführungskanälen erreichbaren Taktzeiten lassen sich mit dem Taktzeitberechnungsprogramm des Heilbronner Maschinenherstellers Illig ermitteln. Demnach setzt sich die Taktzeit aus der Summe von Heizzeit, Kühlzeit und Ablaufzeit (Folientransport, Öffnen und Schließen der Formstation) zusammen. Diese Zeiten dienen als Einstellparameter der Thermoformmaschine und können für die konkrete Anwendung optimiert werden.
Beim Thermoformen lassen sich im Unterschied zum Extrusionsblasformen auf dem großflächigen Werkzeug – die UAR 155g aus dem Beispiel hat eine Formfläche von maximal 1450x 1200mm – in einem Arbeitsschritt mehrere Formteile mit unterschiedlicher Größe und Geometrie gleichzeitig herstellen. Pro produziertem Luftführungskanal ergibt sich daher eine kurze Zykluszeit. Damit sind die Herstellkosten bei den aus Halbzeug (geschäumter Folie) hergestellten Luftführungskanälen vergleichbar mit den Herstellkosten der blasgeformten, harten Kanälen aus PP-Granulat. Das Thermoformen großen Stückzahlen des Produktes ist somit immer dann sinnvoll, wenn im Extrusionsblasformen die Produktqualität oder die Anforderungenan das Produkt nicht realisiert werden können.
Mittlerweile haben Luftführungskanäle aus XLPE-Schaumstoff bei mehreren europäischen Automobilherstellen bereits Einzug in die Serie einiger Modelle gehalten. Eingesetzt werden sie in Armaturentafeln, Mittelkonsolen und B-Säulen bis hin zum Dachbereich. Damit steht ihr Einsatz in der Breite des Fahrzeugbaus allerdings erst am Anfang.
Neue Technologie
Thermogeformte Luftführungskanäle aus Schaumstofffolie
ImHinblick auf Leichtbau bei Kraftfahrzeugen suchen Entwickler in allen Bereichen nach Möglichkeiten zur Gewichtseinsparung. So können die bisher aus hartem, blasgeformtem PP hergestellten Luftführungskanäle durch eine weiche, leichte und flexible Variante ersetzt werden. Diese wird aus geschäumter PE-Folie in einem mittlerweile technologisch ausgereiften Twinsheet-Thermoformprozess hergestellt. Die eingesetzten Thermoform-Maschinen müssen mit hoher Präzision schnell große Massen bewegen können. Denn die Werkzeugtische sind sehr groß, damit, um die Herstellkosten wettbewerbsfähig zu halten, in einem Prozessschritt mehrere Luftführungskanäle produziert werden können.
