Wie bringt man zusammen, was eigentlich nicht zusammen gehört? Indem man neue Wege geht, geschäumte Teile in ein Spritzgießwerkzeug einlegt und eine Kunststoffkomponente anspritzt. Die Idee war, die Vorteile von Partikelschaum und Kunststoffspritzteil in einem Produkt zusammenzubringen. Ruch Novaplast und die Unternehmensgruppe Krallmann brachten ihr Know-how in den Bereichen Partikelschäume, Spritzgießwerkzeuge sowie Kunststoffverarbeitung in die Zusammenarbeit ein, das anwendungstechnische Wissen sowie die Maßnahmen zur Prozessintegration kamen von Arburg.

Partikelschaum und Kunststoffspritzteil verbunden

Beim Partikelschaum-Verbund-Spritzgießen (PVSG) wird Kunststoff an ein Produkt aus Partikelschaum angespritzt. Während des Einspritzens des Kunststoffs wird die Oberfläche des geschäumten Einlegeteils definiert aufgeschmolzen. Daher entsteht eine unlösbare und dauerhafte Verbindung zwischen der Partikelschaum- und der Kunststoff-Komponente und damit in einem Schritt ein fertiges Bauteil. Nachgelagerte Montageschritte entfallen. Die typischen Eigenschaften von Partikelschäumen und Spritzgießmaterialien wie ABS, PP oder TPE lassen sich jetzt also in einem Verbundbauteil kombinieren.

Durch die Kombination von Schäumen und Kunststoffen zu einem einzigartigen Materialverbund lässt sich die Bauteilfunktionalität erheblich erweitern. Das Gewicht der Teile kann unter Beibehaltung höchster Stabilität stark reduziert werden. Für den Leichtbau ist das Verfahren somit sehr interessant. Auch unterschiedliche Material- und Farbkombinationen, etwa durch die Verarbeitung mehrerer Komponenten, sind realisiertbar. Isolation und Geräuschreduktion bei hoher Gestaltungsfreiheit sind weitere Merkmale, die sich in den so produzierten Bauteilen umsetzen lassen. Hinzu kommen hohes Rückstellvermögen sowie eine hochwertige und dekorative Oberflächengestaltung mit unterschiedlicher Haptik.

Erweitertes Einsatzspektrum geschäumter Teile

Der Bereich Partikelschaum umfasst Materialien unterschiedlicher Eigenschaften. EPS (expandiertes Polystyrol) – auch unter dem Handelsnamen Styropor bekannt – ist nicht elastisch und wird eingesetzt, um mechanische Energie abzubauen. Typische Produkte sind beispielsweise Crash-Elemente für Sturzhelme oder Verpackungen für empfindliche Güter. Weitere Anwendungen finden sich im Motorsport. Dagegen verfügt EPP (expandiertes Polypropylen) über elastische Eigenschaften, die daraus resultierenden Rückstellkräfte lassen sich für Haltefunktionen nutzen.

 

Gemeinsam mit unseren Kooperationspartnern ist es gelungen, ein Verfahren vorzustellen, das es in dieser Form bisher noch nicht gab. Wir konzentrieren uns nun darauf, mit PVSG konkrete Anwendungsaufgaben zu lösen.

Roland Zeifang und Winfried Mantwill, Geschäftsführer von Ruch Novaplast

 

Aus EPP werden von einem der Projektpartner unter dem Namen Novaplex auch eigene technische Applikationen wie hochwertige Chassis-Systeme, beispielsweise für Geräte der Heizungs- und Lüftungsindustrie sowie für den Bereich der Medizin- und Analysetechnik, verwendet. Wie in vielen Fällen ist auch hier der Schaum von außen zwar nicht sichtbar, hat jedoch eine sehr wichtige Funktion im Inneren der Geräte. Er hält die Teile in ihrer Position und schützt sie zum Beispiel vor Stoß- und Schlageinwirkungen. Dank der vielfältigen Gestaltungsmöglichkeiten lassen sich mit Schaumteilen selbst sehr schwierige Aufgabenstellungen realisieren und die Montage wird durch „Stecken statt Schrauben“ erleichtert. Zudem ist Partikelschaum mit Dichten zwischen 20 und 60 g/L sehr leicht.

Das Einsatzspektrum des dämpfenden, leichten EPP-Materials wird durch das Partikelschaum-Verbundspritzgießen deutlich erweitert. Durch die Verbindung mit der Kunststoff-Komponente kommen Eigenschaften wie Härte, Konturgenauigkeit und Funktionalität hinzu. Resultat ist ein Leichtbau-Funktionsteil, das trotz seines geringen Gewichts die technischen Anforderungen an Belastbarkeit und universellen Einsatz erfüllen kann. Zudem lassen sich Schaumoberflächen durch angespritzten Kunststoff abdichten oder komplett versiegeln. Aber auch sichtbare Oberflächen, also die Kombination des Schäumteils mit der Außenschale, sowie Halte- und Clipfunktionen sind einfach realisierbar. Grundsätzlich geht es um Ansprüche an Oberflächen, Vereinfachung von Montagevorgängen durch stärker integrierte Teile und die Realisierung von technischen Funktionen mit „hartweichen“ Teilen.

Schäumen, umspritzen und ummanteln in einem Ablauf

Die Potenziale des PVSG-Verfahrens und dessen weitere Entwicklung haben die drei Partner anhand eines Rads für Modellflugzeuge vorgestellt. Die Verbundteile entstehen in dieser Musterproduktion von 2012 auf einem Allrounder 270 C Golden Edition mit 400 kN Schließkraft und Spritzeinheit der Größe 70. Automatisiert wird die Fertigungszelle durch ein vertikal eingreifendes Robot-Systems Multilift Select. Dieses entnimmt die Reifen aus expandiertem Polypropylen (EPP) aus einem Puffer und legt sie in das Werkzeug ein. Die Schließeinheit fährt zu und die Felge aus PP wird an das Rad angespritzt. Die Spritzeinheit arbeitet mit einer 18-Millimeter-Schnecke und offener Düse. Nach dem Auffahren der Schließeinheit entnimmt das Robot-System die Fertigteile, legt neue Räder ein und der Zyklus beginnt von vorn. Die Zykluszeit liegt bei 60 s, das Schussgewicht beträgt 2,9 g, das Gewicht des gesamten Bauteils 3,4 g. Die Verbundteile werden nachgeordnet in bedruckte Tüten verpackt und sind damit gebrauchsfertig.

Der nächste Entwicklungsschritt wurde Anfang 2013 gesetzt: Bei dem Rad mit angespritzter Felge wurde der EPP-Reifen zusätzlich mit einem Thermoplastischen Elastomer überspritzt, sodass dieser eine weiche Ummantelung erhielt. Als weitere Ausbaustufen sind die Herstellung des kompletten Bauteils im Mehrkomponenten-Verfahren und schließlich die Integration des Schäumens in den gesamten Fertigungsablauf geplant.

Interessantes Feld für Produktentwickler

Das Rad für Modellflugzeuge entstand im Zuge einer Studie zur Herstellung von Verbund-Leichtbauteilen aus Partikelschaum und spritzgegossenem Kunststoff, die die Projektpartner zusammenbrachte. Die Herstellung ist ein Beleg für unternehmens übergreifende Aktivitäten in Richtung Produktionseffizienz: Zum einen entstehen diese leichten Teile automatisiert. Zum anderen bringt die integrierte Funktionalität der dauerhaften Verbindung zwischen Rad und Felge Vorteile für eine prozessintegrierte, wirtschaftliche Serienfertigung neuer Anwendungen zu reduzierten Stückkosten. Jetzt sind vor allem die Produktentwickler gefragt, denen das Verfahren komplett neue Möglichkeiten bietet.

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Über den Autor

Dr. Thomas Walther ist Abteilungsleiter Anwendungstechnik bei Arburg, Loßburg. thomas.walther@arburg.com