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„Durch den Umstieg vom Kompakt- auf den Mucell-Schaumspritzguss ist es uns gelungen, das Gewicht der Bauteile um acht Prozent zu reduzieren“, resümiert Katia Hendrickx, Leiterin des Kompetenzfelds Kunststoffe bei Behr in Stuttgart. Spezialisiert auf Fahrzeugklimatisierung und Motorkühlung hat das Unternehmen weltweit mehr als 100 Spritzgieß-Maschinen im Einsatz. Vor zehn Jahren wurde die erste Anlage zum Schaumspritzgießen in Betrieb genommen, heute sind es an den Produktionsstandorten verteilt insgesamt zehn Fertigungszellen. Produkte sind Gehäuse für Klimaanlagen aus Talkum-gefülltem PP sowie Lüfterzargen und -rahmen für die Motorkühlung aus glasfaserverstärktem Polyamid. Letztere werden auf Victory Spritzgieß-Maschinen mit 300 und 600 Tonnen Schließkraft hergestellt.

Prozesskonstanz und Reproduzierbarkeit

Schäumtechnologien gewinnen derzeit an Bedeutung. Leichtbau liegt im Trend, steigende Rohstoffpreise zwingen zum Einsparen von Material. Beim Mucell-Prozess wird Stickstoff oder Kohlendioxid in überkritischem Zustand während des Plastifizierens unter Druck in die Kunststoffschmelze injiziert, wo sich das Gas homogen verteilt. Nach dem Einspritzen in die Form trennt es sich wieder von der Schmelze. Dabei bildet sich eine feinzellige Schaumstruktur. So wird weniger Rohmaterial benötigt und das Gewicht der Bauteile sinkt. „Dabei zeichnen sich die Bauteile durch eine besonders hohe Dimensionsstabilität aus“, betont Michael Fischer, Verkaufsleiter Technologien bei Engel Austria in Schwertberg, Österreich. „Sie zeigen keinen Verzug und keine Einfallstellen.

Hinzu kommt, dass sich sehr dünne Wandstärken von einem Millimeter realisieren lassen, was im Kompaktspritzguss nicht möglich ist.“ Beim Schaumspritzgießen geht die Material-Ersparnis auch nicht zu Lasten der Bauteil-Stabilität. Fritz Mundigl, Prozessspezialist für Kunststoffe bei Behr: „Bei den Lüftern ist die Präzision der Zargen und Rahmen wichtig für die Funktion.“ Unter dem Namen Foammelt werden in Kooperation mit Trexel, Wilmington, MA, USA, Turn-key-Gesamtanlagen mit integrierter Schäumeinheit angeboten.

Insgesamt verbesserte sich durch dem Umstieg auf die Schäumtechnik aber die Bauteilqualität stärker als erwartet. „Wir erhalten heute absolut gleichmäßige Teile“, sagt Hendrickx. „Der Auswuchtaufwand hat sich erheblich reduziert und die Reproduzierbarkeit deutlich verbessert. Das war in diesem Maße nicht vorhersehbar.“ Dennoch hat sie eine Erklärung parat. „Das Gas trennt sich quasi explosionsartig von der Schmelze, was bewirkt, dass das Polymer gleichmäßig über die gesamte Kavität verteilt wird, inklusive aller Ecken und Hinterschnitte. Diese hohe Prozesskonstanz lässt sich über eine Nachdruckregelung beim Kompaktspritzguss nicht erzielen.“

Mit kleineren Maschinen Kosten sparen

Ein weiterer Vorteil dieser Prozesstechnologie ergibt sich durch die guten Fließeigenschaften der gasbeladenen Schmelze. Sie führten zu einer Reduktion der Zykluszeiten um 15 Prozent. Die Effizienz der Fertigungsprozesse ist für den Verarbeiter eine wichtige Kenngröße, die einem kontinuierlichen Monitoring unterliegt. Regelmäßig werden die Prozesse analysiert, um weitere Optimierungspotenziale zu erkennen und auszuschöpfen und um den Erfolg bereits umgesetzter Maßnahmen zu messen. Die letzte größere Analyse fand im vergangenen Jahr statt. „Ein wichtiges Ergebnis dabei war“, berichtet Hendrickx, „dass die Maschinen heute im Schnitt kleiner sind als noch vor wenigen Jahren.“ Kleinere Maschinen sind in der Anschaffung günstiger, verbrauchen weniger Energie und schlagen somit in der Effizienzanalyse besonders deutlich zu Buche. „Dies verdanken wir der Holmlos-Technologie“, so Hendrickx,
Da die Schließeinheiten der Spritzgieß-Maschinen ohne Holme arbeiten, lassen sich die Werkzeugaufspannplatten besser nutzen. So passen größere Werkzeuge auf vergleichsweise kleine Maschinen. Bei der Investition in neue Spritzgieß-Maschinen entscheidet meist die Werkzeuggröße in Verbindung mit der erforderlichen Schließkraft. Und die Schaum-Technologie benötigt in der Regel kleinere Schließkräfte als der Kompaktspritzguss.

Schaumspritzgießen wird weiterentwickelt

„Wir werden das Schaumspritzgießen für zukünftige Anwendungen weiterentwickeln“, so Katia Hendrickx. Ein entsprechender Prozess könnte zum Beispiel für die Herstellung von Halterungen eine wirtschaftlich interessante Alternative zu den bislang mehr-stufigen Produktionsverfahren dar-stellen.

 

Technik im Detail

Das Mucell-Verfahren

Beim Mucell-Spritzgieß-Verfahren handelt es sich um einen physikalischen Schäumprozess für Thermoplaste. Hierbei wird ein Gas (entweder N2 oder CO2) in die Kunststoff-Schmelze injiziert. Über eine spezielle Mischzone und die Diffusionseigenschaften des Gases wird beim Dosiervorgang eine Einphasenlösung erzeugt, welche sich unter Druck im Schneckenvorraum sammelt. Durch das in der Kunststoffschmelze gelöste Gas und den Druckabfall in der Kavität findet beim Einspritzvorgang eine Nukleierung von Zellen statt –  mit nachfolgendem Zellwachstum. Das Zellwachstum bewirkt die letzte Ausformung der Kavität, wobei die Höhe der Gewichtsreduzierung über den Dosierweg der Schnecke gesteuert wird. Will man also zehn Prozent des Teilegewichts einsparen, so werden über die Schnecke nur 90 Prozent Kunststoffmasse dosiert. Die Bildung der Einphasenlösung und erheblich höhere Einspritzgeschwindigkeiten als beim Kompakt-Spritzguss sind Voraussetzung für eine homogene, gleichmäßig verteilte Zellstruktur im Bauteil. Die Randschichten bleiben durch den Abkühlprozess an der Werkzeugwand kompakt.

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Susanne Zinckgraf