Spritzgieß-Systemlösung als Kombination

Ultracom-Testkörper aus Tape mit ungefärbtem Ultramid umspritzt: Auf einer Fläche von knapp 400 auf 400 mm vereint das Bauteil rund 20 verschiedene Funktionen.

Thermoplastische Faserkunststoff-Verbundlösungen sind ein wichtiger Schlüssel für den stärkeren Einsatz von Composite-Technologien im Automobilbau. Mit Werkstoff Ultracom folgt die BASF diesem Zukunftstrend. Das Produkt- und Servicepaket umfasst neben Halbzeugen aus endlosfaserverstärkten Laminaten und Tapes und darauf angepassten Compounds auch Unterstützung bei der Produktentwicklung und Bauteilherstellung. Dafür setzt das Chemieunternehmen auf Spritzgießtechnik von Engel, Schwertberg, Österreich.
Während der K-Messe 2013 fiel der Startschuss: Auf der Suche nach einem Partner für die Erprobung neuer Verarbeitungstechnologien für die Leichtbauforschung besuchten die Thermoplast-Spezialisten aus Ludwigshafen den Messestand von Engel. Drei Monate später wurde der Vertrag unterzeichnet und im Herbst 2014 nahm die neue Fertigungszelle ihren Betrieb auf. „Wir waren schnell davon überzeugt, dass auch unsere ganz speziellen Anforderungen umgesetzt werden können. Außerdem war es uns wichtig, eine durchgängige Systemlösung aus einer Hand zu bekommen“, berichtet Dr. Reinhard Jakobi, Leiter Processing Technologies in der Geschäftseinheit Performance Materials Europe der BASF SE. Die Anforderungen waren vielschichtig und um einiges höher als es in der Spritzgussverarbeitung üblich ist. Denn in welche Richtung sich die thermoplastischen Faserkunststoff-Verbundlösungen in den nächsten Jahren entwickeln, kann niemand zuverlässig vorhersagen. Die Fertigungszelle musste deshalb von Anfang an für ein besonders breites Anwendungs- und Verarbeitungsspektrum ausgelegt werden. Auf Basis einer Spritzgießmaschine vom Typ Insert 400 entwickelte der österreichische Maschinenhersteller gemeinsam mit der BASF eine maßgeschneiderte Lösung. „Das Ergebnis ist eine Kombination aus Spritzgießmaschine und Präzisionspresse“, erklärt Claus Wilde, Leiter des Engel Deutschland Technologieforums Stuttgart. „Bislang eine einzelne Sonderlösung, die aber durchaus einen Trend in der Composite-Verarbeitung setzen könnte.“

Von 40 bis 400 Tonnen in einem Zyklus
Das Thermoplast-Verarbeitungs-Technikum im Stammwerk in Ludwigshafen hat vor allem zwei Aufgaben. Zum einen unterstützt es die Produktentwicklung am Standort, indem Probe-körper gefertigt werden, um die Verarbeitbarkeit und die Eigenschaften neuer Materialien zu testen. Zum anderen steht das Technikum für gemeinsame Entwicklungen mit Verarbeitern zur Verfügung. „Die Unterstützung bei der Auslegung und Herstellung ist nicht ein Add-on zu unseren Produkten, sondern ein essenzieller Bestandteil aller Kundenprojekte“, betont Leonhard Ullrich, der im Processing-Technologies-Team für die Beschaffung der neuen Fertigungsanlage verantwortlich war. Ziel ist es, gemeinsam mit den Kunden neue Composite-Lösungen sowie wirtschaftliche Verfahren für deren Großserienfertigung zu entwickeln. Auch Null- und Kleinserien können direkt im Technikum produziert werden.
Außer der Spritzgießmaschine Insert 400 mit einer Nenn-Schließkraft von 400 Tonnen umfasst die gelieferte Systemlösung ein vollständig inte-griertes Heizplatten- und Temperiersystem der Dr. Collin, Ebersberg. Die flexibel ausgeführte Schließeinheit ermöglicht sowohl das Pressen von Platten mit einer Größe von 450 x 450 mm, als auch den Einbau von Spritzgießwerkzeugen mit einer Grundfläche von 700 x 1.200 mm.
Dass die Spritzgießmaschine nicht nur zum Spritzgießen, sondern auch zum Vorwärmen, Konsolidieren, Verpressen und Formen von Fasern und Halbzeugen dient, stellte vor allem für die Steuerungstechnik eine große Herausforderung dar. Bei geringem Druck aufheizen, bei konstanter Temperatur den Druck erhöhen und dann die Temperatur bei konstantem Druck senken – solche Verarbeitungsprofile kommen in herkömmlichen Spritzgießprozessen nicht vor. „Wir müssen die Halbzeuge fast drucklos aufschmelzen, um die Fasern nicht zu verdrängen“, macht Andreas Nixdorf, Projekt-ingenieur bei der BASF, deutlich. „Wir nutzen hierfür weniger als 10 Prozent des Nenndrucks der Spritzgießmaschine. Zum Konsolidieren der Halbzeuge erhöhen wir den Druck dann wieder moderat.“

Spritzgieß-Systemlösung als Kombination

Die Spritzgießmaschine ist eine optimierte Lösung – reale Produktionswerkzeuge können aufgespannt
werden, gleichzeitig ist der Werkzeugbereich immer bequem erreichbar und einsehbar.

Um die Drücke und Temperaturen über den gesamten Prozess präzise regeln zu können, wurden eigens für den Ludwigshafener Chemiekonzern Ablaufprogramme entwickelt und das Temperiersystem auch steuerungstechnisch in die Spritzgießmaschine integriert. Alle relevanten Parameter – neben Drücken und Temperaturen zum Beispiel Geschwindigkeiten – können zentral über die Maschinensteuerung eingestellt, kontrolliert und dokumentiert werden. Dies ist insbesondere für Parameterstudien wichtig, für die die BASF ein eigenes Demonstrationsbauteil entwickelt hat. Mit diesem lassen sich charakteristische Bauteilmerkmale sowie auch alle Tücken der Composite-Herstellung simulieren. Auf einer Fläche von knapp 400 x 400 mm vereint das Bauteil dafür rund 20 verschiedene Funktionen, wie einen verrippten U-Profilträger, diverse Montageelemente, durchspritzte Bereiche, ein Rippenfeld für Crashuntersuchungen sowie unterschiedliche Rippen/Wanddicken-Übergänge von Laminat und Überspritzmaterial.

Reale Bedingungen bei komfortabler Handbedienung
Die Spritzgießmaschine ist die Größte ihrer Baureihe und für das Technikum eine optimierte Lösung. Im Gegensatz zu kleineren Laboranlagen können reale Produktionswerkzeuge aufgespannt werden und gleichzeitig bietet die Maschine für manuelle Prozesse, wie sie im Technikum bestehen, mehr Komfort als die für den hochautomatisierten Serieneinsatz entwickelten größeren Spritzgießmaschine V-Duo Pressen. Beim Arbeiten ist der Werkzeugbereich der 400-Tonnen-Version bequem einsehbar. Das Spritzaggregat befindet sich in horizontaler Anordnung hinter der Schließeinheit. Um sowohl in der Trennebene als auch über die Aufspannflächen anspritzen zu können, ist sie mit einer Umlenkplatte ausgestattet. „Manche Kunden bringen ihre eigenen Werkzeuge mit“, sagt Ulrich Schneider, Meister im Technikum. „Mit der Umlenkplatte können wir auch Werkzeuge, die für Horizontalmaschinen gebaut wurden, rüsten.“ Insgesamt bietet die vertikale Schließeinheit für Entwicklungsprojekte rund um die Composite-Technologien viele Vorteile. In Richtung der Schwerkraft zu arbeiten, erleichtert vor allem die Handhabung von Inserts. Biegeschlaffe Gewebe müssen im Werkzeug nicht fixiert werden und die 0,16 bis 0,25 mm dünnen Tapes, die von der Rolle verarbeitet werden, können ohne zusätzlichen Aufwand in wechselnder Anordnung konsolidiert werden.
Die Verarbeitung von Tapes stellt aktuell einen Forschungsschwerpunkt der Ludwigshafener Anwendungsentwickler dar. „Wir gehen davon aus, dass wir durch die gezielte Verstärkung an definierten Stellen im Bauteil noch höhere Festigkeiten und Steifigkeiten erhalten als mit Laminaten“, so Jakobi. Dadurch können Bauteile lastpfadgerechter ausgelegt und durch den gezielten Einsatz der teureren UD-Fasern leichtere und kosteneffizientere Bauweisen ermöglicht werden. Geplant sind weitere Versuche im Rahmen der Entwicklung neuer Halbzeuge, die ebenfalls eine vertikale Schließeinheit voraussetzen.

Vertrauen entwickeln
Das Marktpotenzial thermoplastischer Faserkunststoff-Verbünde ist groß. Im Gegensatz zu duromeren Systemen schaffen sie den Spagat zwischen einer hohen Leistungsfähigkeit und einem geringen Bauteilgewicht auf der einen und einer wirtschaftlichen Serienproduktion auf der anderen Seite. Hinzu kommt, dass sich funktionale Elemente direkt im Spritzgießprozess integrieren lassen und die Bauteile am Ende ihres Lebenszyklus einfacher zu verwerten sind. Sowohl die Materialhersteller als auch die Maschinenbauer und Automatisierer haben in den vergangenen Jahren viel Composite-Know-how aufgebaut und wichtige Meilensteine gesetzt. Entlang der Wertschöpfungskette sind zahlreiche Kooperationen entstanden, sodass inzwischen durchgängige Systemlösungen aus einer Hand angeboten werden können. „Wir sind bereit“, betont Reinhard Jakobi. „Jetzt erwarten wir, dass die Automobilbauer und Zulieferer Vertrauen in die neuen Technologien entwickeln.“

Spritzgieß-Systemlösung als Kombination

Mehr als eine Spritzgießmaschine: Diese Maschine kommt im Technikum der BASF auch als Präzisionspresse zum Einsatz.