Die aktuelle Marktsituation der Automobilbranche ist durch Absatzzuwachs und stark steigende Energie- und Rohstoffpreise gekennzeichnet“, beschreibt Michael Kleinebrahm, Leiter der Anwendungstechnik bei Boy, das aktuelle Marktgeschehen. „Vor allen Dingen zeigen die so genannten Schwellenländer kräftige Zuwächse, sodass mehr und mehr in Ländern produziert wird, die niedrige Lohnkosten haben. Es wird global gedacht und gehandelt. Dies ist für den traditionellen mittelständischen Zulieferer in Deutschland ein besonders kritischer Punkt, da er oft gezwungen ist, ausländische Fertigungsstätten einzurichten oder mit solchen zu konkurrieren. Die technischen Entwicklungen ergeben jedoch für kreative mittelständische Unternehmen sehr gute Chancen.“ Eine dieser Chancen bietet dabei der Trend zur Individualisierung des Autos. Er geht einher mit höheren Anforderungen der Endverbraucher an die Haptik und Optik, insbesondere im Innenraum. „Im Interieur sind die Gestaltungsmöglichkeiten bislang eher eingeschränkt“, stellt Herbert Kraibühler, Geschäftsführer Technik bei Arburg, fest. „Ein Trend geht aber da hin, auch den Fahrzeuginnenraum modular zu gestalten. Warum nicht das Armaturenbrett mit dem Konterfei des Ehepartners oder Lieblingshaustiers verzieren? Dieser Wunsch lässt sich umsetzen, indem Kunststoffoberflächen individuell und flexibel inline lackiert oder bedruckt werden.“ Um eine hochwertige Anmutung zu erzielen, werden im Mehrkomponenten-Spritzgießen vermehrt hart/weiche, matt/glänzende oder mehrfarbige Bauteile gefertigt, darunter beleuchtete Schalter, Soft-Touch-Armaturen und nicht klappernde Lüftungselemente.

Komplexe Mehrkomponenten-Technologie

Eine komplexe Mehrkomponenten-Technologie für besondere Oberflächen setzt auch der Automobilzulieferer Faurecia Angell-Demmel ein. Das Unternehmen fertigt auf Netstal-Maschinen Bedienelemente, Zierteile und Schalter mit hochwertigem Echtmetall-Oberflächendesign. Hier galt es eine Materialkombination zu finden, die es erlaubt, bis zu drei Kunststoffarten, die bezüglich Verbund, Festigkeit, Dimensionsstabilität und optischen Eigenschaften aufeinander abgestimmt sind, gemeinsam mit Aluminiumstreifen in einem Werkzeug zu verarbeiten. Davon übernehmen eine bis zwei der Kunststoffkomponenten zusätzlich eine Lichtleitfunktion. Alles zusammen muss auch noch zum Metall eine sichere und feste Verbindung eingehen. Hinzu kam die komplexe Umform- und Stanztechnik, kombiniert mit Mehrkomponenten-Spritzguss, welche zwei völlig gegensätzliche Prozesse in ein und demselben Werkzeug darstellen.

Ebenfalls auf eine hochwertige Optik zielt Engel mit dem Clearmelt-Verfahren. Mittels Schiebetischtechnologie wird dabei ein thermoplastischer Träger mit transparentem Polyurethan überflutet. Die dadurch entstehenden kratzfesten, hochwertig anmutenden Oberflächen kombiniert mit Tiefeneffekten lassen neue Gestaltungsmöglichkeiten für das Interieur zu. Dazu Michael Fischer, Verkaufsleiter Technologien bei Engel: „Wir unterstützen zahlreiche Projekte, die das Verfahren am Markt implementieren und sind in intensiven Gesprächen mit zwei Firmen aus der Automobilindustrie. Vor allem beim Produktdesigns eröffnet das Verfahren neue Chancen, die Hochwertigkeit von Oberflächen mit deren Langlebigkeit zu verbinden.“ Franz Füreder, Leiter der Business Unit Automotive vom gleichen Unternehmen, ergänzt: „Die Weiterentwicklung der Technologie geht in Richtung Funktionsintegration, wobei wir den Fokus auf Schaltelemente setzen.“
Auch mit der von Trexel entwickelten MuCell-Technologie lassen sich Bauteile mit hohem ästhetischen Anspruch herstellen (siehe auch Interviewkasten Engel). Der Vorteil des Thermoplast-Schaumspritzgusses ist dabei, dass Einfallstellen, die besonders bei einer spiegelnden Oberfläche ins Auge fallen, vermieden werden. Die Kombination von MuCell mit dem In-Mold-Decoration-Verfahren ist seit Längerem im Serieneinsatz, zum Beispiel bei den Türverkleidungen der E-Klasse von Mercedes Benz.
Das MuCell-Verfahren bietet noch weitere Vorteile, wie Dr. Hartmut Traut, Business Director von Trexel, erklärt: „Der Umgang mit dem MuCell-Verfahren hat sich seit einigen Jahren substanziell geändert. Die Anwender des Verfahrens konzentrieren sich auf alternative Möglichkeiten des Konstruierens von Bauteilen und der Auslegung von Werkzeugen. Mit anderen Worten: Es wird nicht mehr so sehr auf die reine Dichtereduktion durch das physikalische Schäumen abgestellt, sondern vielmehr auf die Chancen, Gewichtsreduktionen von 20 Prozent und mehr durch die Beherrschung von Wanddickensprüngen ohne Einfallstellen zu realisieren.“

Vorteil Gewichtsreduktion

Die Gewichtsreduktion ist ganz klar ein weiterer Vorteil des Einsatzes von Kunststoffen. Die Leichtbauweise kommt sowohl für die Substitution von Stahl durch Verbundstoffe bei tragenden Fahrwerksteilen als auch bei der Karosserie, wie Stoßfängern, Abdeckungen, Hauben, Türen und Innenausstattung sowie im Motorraum zum Tragen. Für Georg Tinschert, Geschäftsführer von Wittmann Battenfeld, eröffnet das völlig neue Gestaltungsmöglichkeiten: „Aufgrund der Designmöglichkeiten durch neue Techniken, wie LED für Licht, Umsetzung von komplexen Geometrien durch moderne Werkzeugtechnik, moderne Kunststoffe mit wesentlich verbesserten Eigenschaften, ist es möglich, anstelle des Grundsatzes Form-follows-function das Prinzip Function-follows-form zur Umsetzung zu bringen. Damit gibt es neue Möglichkeiten, die Gestaltung von Fahrzeugen einem Design-Idealbild folgen zu lassen, da die Funktion in die Form eingebunden werden kann. Das führt auch mittelfristig zu vielen neuen Entwicklungen.“

Bei der Funktionsintegration werden unterschiedliche Verarbeitungstechniken wie Spritzgießen, Extrusion und Reaktionstechnik kombiniert. Dazu Tinschert: „Im Mittelpunkt der Überlegungen steht das herzustellende Formteil. Um das gewünschte Eigenschaftsprofil bei möglichst geringen Herstellkosten zu erreichen, gilt es, die geeigneten Verfahrenstechniken zu bewerten und, wenn sinnvoll, zu kombinieren.“
Eine Zukunftstechnologie ist dabei die Hybridtechnik, bei der die mechanischen Eigenschaften von beispielsweise Stahl mit der Designfreiheit und den Automatisierungsmöglichkeiten des Kunststoffs verbunden werden. Tinschert sagt: „Auch Organobleche sowie Kunststoffplatten mit Endlosfasern aus Glas oder Kohlenstoff ermöglichen in Verbindung mit der Spritzgießtechnik und der Gasinjektionstechnik die Herstellung hoch belastbarer und leichter Verbunde. Durch Kombination von Thermoplasten mit Duroplasten und Elastomeren mithilfe der Mehrkomponententechnik können integrierte Lösungen erzielt werden.“
Auf der K 2010 hatte Engel die großserientaugliche Herstellung eines Organoblech verstärkten Polyamid-Strukturbauteils gezeigt. Präsentiert wurde die Fertigung einer Lenkstockhalterung. Fischer dazu: „Wir haben mit der Fertigungszelle auf unserem Messestand erstmalig eine Lösung vorgestellt, mit der sich Organobleche wirtschaftlich verarbeiten lassen. Und das öffnet dem Verfahren die Tür in ein breites Anwendungsfeld. Organobleche bleiben nicht länger dem Hochpreissegment vorbehalten.“ Füreder ergänzt: „Im Fahrzeugbau zählt jedes Gramm und dieser Trend wird sich mit zunehmender Bedeutung der Elektromobilität in Zukunft noch verschärfen. Vor allem für den Bereich der Antriebstechnik, aber auch der tragenden Komponenten im Automobil, bietet diese Technologie enorme Chancen.“

Fertigungsschritte reduzieren

Laut Kraibühler lassen sich in Hybridbauteile außerdem zusätzliche Funktionalitäten einbinden und Fertigungsschritte reduzieren. Er sagt: „Ein Beispiel dafür sind Befestigungselemente aus Kunststoff am Blech, die zusätzlich als Designelement fungieren. Außerdem können mit Kunststoffen Rippen, Zentrierungen und vieles mehr dargestellt werden. Um auch in Hochlohnländern so wirtschaftlich wie möglich zu produzieren, werden immer mehr vor- oder nachgelagerte Bearbeitungsschritte in nur einen Fertigungsprozess integriert und automatisiert, beispielsweise durch Umspritzen von Sensorik oder Aktorik in Kombination mit Montage-Spritzgießen.“ Ein weiteres Beispiel sind mit Gummi umspritzte Endlosprofile, die sich im Exjection-endless-Verfahren herstellen lassen. „Denkbar ist, solche Profile zum Beispiel als Leichtbau-Türverkleidung einzusetzen“, sagt Kraibühler. Für den Leichtbau sind meist Hochleistungskunststoffe notwendig. „Die Aufgabe besteht darin, dem Kunststoff durch Compoundieren mit Füllstoffen, Additiven und anderen Beimischungen punktgenau die geforderten Eigenschaften zu verleihen“, sagt Kraibühler. In Kooperation mit dem Kompetenzzentrum Direktspritzgießen des SKZ in Würzburg entwickelt Arburg derzeit einen Prozess, der Compoundieren und Spritzgießen in einem Schritt vereint. Zum Einsatz kommt ein Allrounder 920 S mit 5.000kN Schließkraft, der mit einer speziellen Spritzeinheit ausgestattet ist. Der Schnecke werden 10 bis 30 mm lange Glasfasern an der Stelle zugeführt, wo der Kunststoff in die flüssige Phase übergeht. Mit dem langfaserverstärkten Material kann die Wanddicke von Bauteilen reduziert werden. Außerdem ist dieser Kunststoff so stabil, dass er auch in sicherheitsrelevanten Bereichen eingesetzt werden kann.

Ein weiteres großes Thema in der Automobilbranche ist der Kostendruck. Für die Zulieferer bedeutet das, fortlaufend die Fertigung auf ihre Effizienz hin zu optimieren. Eine große Rolle spielt dabei der Energieverbrauch der Maschinen. So hat beispielsweise der Automobilzulieferer Johnson Electric Murten laut Sumitomo (SHI) Demag durch den Einsatz von vollelektrischen IntElect-Spritzgießmaschinen den Energieverbrauch um 41Prozent senken können. Neben dem Fokus auf den Energieverbrauch lohnt sich auch ein Blick auf die gängige Herstellpraxis. Für Kleinebrahm wird eine abfallfreie Produktion nicht nur durch steigende Kunststoffpreise interessant: „Die Fertigung mit Angüssen erfordert zusätzliche Technik, bindet Kapazität und erfordert teure Produktionsfläche. Die Materialkosten für den Anguss, die zu seiner Herstellung und Entsorgung benötigte Energie sowie die benötigte Logistik werden allgemein deutlich unterschätzt. Geeignete Maschinen- und Werkzeugkonzepte bieten hier ein gewaltiges Potenzial, die betriebliche Effizienz zu steigern und im Idealfalle die Regenerathandhabung vollständig zu vermeiden.“ Für Kleinebrahm spielt auch die Maschinengröße eine wichtige Rolle bei der Effizienz: „Insbesondere hoch automatisierte Großmaschinen schränken die betriebliche Flexibilität stark ein, da sie auf fixe Stückzahlen hin ausgelegt sind und Umrüstungen durch komplexe Prozesse und aufwendiges Handling oft nicht wirtschaftlich sind. Bei sinkenden Abnahmemengen kann dies durchauszu teuren Maschinenstillsetzungen führen. Kleine Anlagen mit geeigneter Automatisation, die leicht umrüstbar sind, können parallel produzieren oder mit unterschiedlichen Produkten laufen.Hohe Produktionssicherheit kann so mitgeringen Einzelinvestitionen und hoher Flexibilität gekoppelt werden.“

Nachgehakt
„Leichtbau, Oberflächen und Funktionsintegration sind Wachstums- und Technologietreiber“

Plastverarbeiter: Auf der K war die Verarbeitung von Festsilikon Thema am Engel-Stand. Der Plastverarbeiter berichtete bereits im November über den Einsatz des Zuführsystems Roto Feeder (siehe infoDirect). Lässt sich hier ein Trend zum Festsilikon feststellen?
Praher: Nein, von einem generellen Trend in Richtung Festsilikon kann nicht die Rede sein. Das Besondere an unserem Messeexponat war die von uns neu entwickelte Fördertechnik, mit der wir das letzte bislang fehlende Mosaiksteinchen für die wirtschaftliche Verarbeitung von Silikonen zu unserem Produktportfolio hinzugefügt haben.

Plastverarbeiter: Welche Schwerpunkte setzen Sie mit Ihrem Stand während der VDI-Tagung in Mannheim?
Füreder: Unsere Prozesstechnologien für die Fahrzeugteileherstellung werden bei uns im Fokus stehen. So zeigen wir beispielsweise mit Joinmelt ein ganz neues Verfahren. Es ermöglicht das Schweißen in der Spritzgießform.
Fischer: Zu jedem der ausgestellten Verfahren werden wir in Mannheim Videos und Produktbeispiele zeigen. Der automobile Spritzgießmarkt steht wieder in voller Blüte, wobei die Kernthemen Leichtbau, Oberflächen und Funktionsintegration zugleich Wachstums- und Technologietreiber sind.

Plastverarbeiter: Mit welchen Verfahren – neben der Organomelt-Technologie – unterstützt Engel den Trend zum Leichtbau?
Fischer: Ein aktuelles Beispiel ist der MuCell-Schaumspritzguss. Diese Technologie gilt es noch stärker zu implementieren. Für Bauteile, die eine hohe Formstabilität benötigen, ist der Schäumprozess ideal.

 

Nachgehakt
„Von den Elektroantrieben für Fahrzeuge profitieren die Spritzgießmaschinen-Hersteller.“

Plastverarbeiter: Welchen Anteil haben Sie als Spritzgießmaschinenhersteller bei der Entwicklung von Elektroautos?
Kraibühler: Als innovativer Maschinenbauer sind wir mit Elektroantrieben neue Wege gegangen. Wir haben bereits sehr früh gemeinsam mit Partnern hochwertige, kompakte, elektrische Antriebe konstruiert und in unseren Spritzgießmaschinen eingesetzt. Aufgrund ihrer Leistungscharakteristik sind diese Antriebe auch eine gute Grundlage für den Einsatz in Elektroautos.

Plastverarbeiter: Wird das Thema Elektromobilität an Bedeutung gewinnen, und wie wirkt sich das auf die Kunststoffbranche aus?
Kraibühler: Der Anteil von Autos mit Elektroantrieben wird bis in zehn Jahren sicher im zweistelligen Prozentbereich liegen. Von den steigenden Stückzahlen profitieren auch die Hersteller elektrischer Spritzgießmaschinen. Ich rechne damit, dass bis zum Jahr 2020 jede zweite Spritzgießmaschine von Arburg zumindest mit elektrischen Hauptantriebsachsen ausgestattet sein wird.

Plastverarbeiter: Wie partizipiert die Kunststoff verarbeitende Industrie von dem Trend?
Kraibühler: Zum einen durch geringere Anschaffungskosten für elektrische Spritzgießmaschinen. Außerdem steigt der Bedarf an Kunststoffteilen für Elektromotoren. Beispielsweise werden die segmentartig aufgebauten Magnete für Servomotoren bislang aus Kunstharzen gefertigt. Künftig werden sie im Spritzgießverfahren hergestellt. Das ist viel präziser, schneller und durch die größeren Stückzahlen auch günstiger. Ein großes Potenzial sehe ich auch im Bereich Energieerzeugung und -speicherung. Hier werden zunehmend neue Werkstoffe, wie keramikgefüllte Kunststoffe, gefragt sein, die ganz spezifisch auf die jeweiligen Anforderungen ausgelegt werden. Das innovative Hochgeschwindigkeitsspritzgießen eröffnet der Automobilindustrie ganz neue Dimensionen im Bereich dünnwandiger Spritzteile. Hier haben wir gemeinsam mit Siemens durch einen Linearmotor geregeltes Einspritzen mit extrem hohen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen entwickelt.

Veranstaltung
VDI-Kongress: Kunststoffe im Automobilbau der Zukunft

Am 6. und 7. April 2011 diskutieren Fachleute auf dem VDI-Kongress die aktuellen Entwicklungen von Kunststoffen für den Automobilbau. Das Programm bietet zahlreiche Vorträge zu den Themenblöcken Interieur, Exterieur, CFK, Motor, Technologien und Nutzfahrzeug. Beiträge kommen unter anderem von BMW, Audi, Bayer Materialscience, Porsche, Daimler und MAN.

Autor

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Oliver Lange