Verbundkunststoff-Leichtbau mit Naturfasern

Das IR-Heizfeld erwärmt den Naturfaser-PP-Halbzeugzuschnitt auf dem Schiebetisch auf ca. 220 °C. (Bildquelle: TU Chemnitz)

Wer unterwegs nicht auf Komfort beim Essen verzichten möchte, lädt einen klappbaren Campingtisch in seinen Van. Auch einen Empfang bei schönem Wetter im Freien kann man sich ohne die Abstellfläche von Stehtischen kaum vorstellen. Damit sie schnell auf- und wieder abgebaut sind, sollten die Klapptische möglichst leicht sein. Deshalb gehen deren Konstrukteure in der Regel einen Kompromiss zwischen Gewicht und Robustheit ein. Anders ist es jedoch bei der Campingtischplatte aus zum Teil nachwachsenden Rohstoffen, die das Unternehmen Hugo Stiehl Kunststoffverarbeitung und die Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung der Technischen Universität Chemnitz gemeinsam im Fenafa-Projekt (Ganzheitliche Bereitstellungs-, Verarbeitungs- und Fertigungsstrate­gien von Naturfaserrohstoffen) entwickelten. Das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) förderte den Forschungsverbund über seinen Projektträger, die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR). Die im Rahmen des Projekts entwickelte Campingtischplatte ist biegesteif und leicht. Außerdem lässt sie sich in Großserie fertigen.

So stabil wie ein handelsüblicher Campingtisch, aber viel leichter

Während der Entwicklung führten die Wissenschaftler zunächst eine FEM-Berechnung durch. Sie beaufschlagten die simulierte Tischplatte dazu in Anlehnung einer gebrauchsüblichen ­Abstützsituation mit einer lokalen Belastung von 400 N am Tischrand, um das Durchbiegen der Aufstützfläche zu ermitteln. Um das tatsächliche Durchbiegen der Tischplatte zu messen, fertigten die Ingenieure eine Einspannvorrichtung an und unterzogen den Aufbau einer Analyse mittels Druckprüfmaschine vom Typ Zwick/Roell Z 5,0. Demnach biegt sich die Tischplatte um 2,2 mm bis 2,6 mm. Damit ist sie so biegesteif wie handelsübliche Campingtischplatten. Allerdings sind letztere durch die eingesetzten Materialien (zum Beispiel Kunstharz-Pressholz, auch bekannt unter dem Namen Werzalit) sehr schwer. Da die Tischplatten sich grundsätzlich in einem erheblichen Abstand zum Boden befinden, verschiebt sich dadurch der Schwerpunkt der Gesamtkonstruktion nach oben – ein unerwünschter Nebeneffekt. Darum sind insbesondere Steh­tische kippanfällig, was häufig ein schweres Gestell oder ein beschwerender Wassertank ausgleichen soll.

Verbundkunststoff-Leichtbau mit Naturfasern

Die Montageflächen spritzt die Maschine über vier Heißkanalangüsse synchron mit dem Kunststoff an, wodurch sie sich mit der leichten Sandwichstruktur verbinden.
(Bildquelle: TU Chemnitz)

Um die neue Tischplatte stabil und gleichzeitig leicht zu machen, eignete sich eine Sandwich-Konstruktion am besten – dies ergaben vorangehende Analysen. Durch diese Bauweise ist es möglich, dass der Tisch einerseits durch die verwendete Oberplatte witterungsbeständig ist und sich andererseits in stabilen Prozessen aus nachwachsenden Rohstoffen in Form von Wellpappen-Sandwichkern und mattenförmigen Naturfaser-Thermoplast-Halbzeugen herstellen lässt.

In der modernen Möbelindustrie sind Sandwichstrukturen aus Holzfaserplatten mit Wellpappenkern weit verbreitet. Das Besondere am Fenafa-Verfahren ist das Kombinieren der Spritzgieß-, Umform- und Sandwichtechnik in einem Prozess, wodurch neue Produkteigenschaften und -vorteile entstehen. So lassen sich auf diese Weise unterschiedliche Naturfaserhalbzeuge, Dekorfolien beziehungsweise -platten, spritzgießfähige Kunststoffe und Sandwichkerne verarbeiten. Außerdem lässt sich das Produkt nach der Nutzungsphase leichter entsorgen ­beziehungsweisen recyceln, da die Projektbeteiligten die eingesetzten Komponenten auch nach diesem Gesichtspunkt aussuchten. Um das Produkt flexibel einzusetzen, bringt der Hersteller keine finalen Befestigungselemente an, sondern nur definierte Montageflächen. Dadurch lassen sich Leichtbau-Tischplatten für unterschiedliche Gestelle fertigen, indem die Endmontage lediglich die jeweils passenden Befestigungselemente montiert.

Montageflächen entstehen im Spritzgießwerkzeug

Die Oberseite der Tischplatte besteht aus einer witterungsbeständigen Melamin-Dekorplatte und einer umlaufende Tropfkante aus Kunststoff, die den Rand der Sandwichstruktur abschließt. Sie wird über die Fließkanäle von der Bauteilrückseite angespritzt. Die Rückseite besteht aus einem umgeformten Naturfaser-Polypropylen-Mattenhalbzeug (NF-PP) mit vier hochverdichteten Bereichen an den Montageflächen für Befestigungselemente. Die Bauteilrückseite inklusive Montageflächen entsteht im Spritzgießwerkzeug mithilfe der werkzeugintegrierten Core-back-Technik, sodass das Handling-Gerät am Ende ein fertiges Produkt aus dem Werkzeug entnimmt. Diese sogenannte Core-back-Technik bezeichnet ein Verfahren, bei dem das Werkzeug über bewegliche Kerne aus Stahl verfügt, in denen sich Einspritzdüsen befinden. Nach dem Schließen des Werkzeugs werden diese Kerne mit einem Kernzug zurückgezogen, die dadurch Räume zum Einspritzen des heißen Kunststoffs freigeben. Die dort eingespritzte Masse bildet sowohl den Tischrand als auch die Montageflächen. Letztere spritzt die Maschine über vier Heiß­kanal-Angüsse synchron mit dem Kunststoff an, wodurch sie sich mit der leichten Sandwichstruktur verbinden. Ob diese Verbindung robust genug ist, untersuchten die beteiligten bei verschiedenen Parameterkonstellationen: Sie stellten fest, dass sie sogar stabiler als die natur­faserverstärkte Deckschicht ist.

Verbundkunststoff-Leichtbau mit Naturfasern

Nach dem Aufheizen holt der Spezialgreifer den biegeschlaffen Naturfaser-PP-Halbzeugzuschnitt vom Schiebetisch ab und legt ihn im nächsten Schritt in das Spritzgieß-Werkzeug ein. (Bildquelle: TU Chemnitz)

Um die Tischplatte zu produzieren, baute der Hersteller ein entsprechendes Werkzeug auf, bei dem Ansaug­düsen auf der Auswerferseite das Halbzeugpaket festhalten. Als Auswerfer fungieren hier die kernzuggesteuerten Formeinsätze mit integrierten Einspritzdüsen. Aufgrund der besonderen Form der Tischplatte befinden sich ­diese im Gegensatz zum üblicherweise verwendeten Werkzeugdesign auf der Düsenseite. Daher verbleibt das Bauteil nach dessen Fertigung und nach dem Öffnen des Werkzeugs auf der Seite der Düsen. Das schont einerseits die Oberseite und ermöglicht es andererseits, die fertige Leichtbau-Campingtischplatte mittels Sauggreifer an der glatten Oberfläche zu greifen und zu entnehmen.

Vom Faserverbund-Halbzeug zum Leichtbau-Fertigteil

Gemäß dem entwickelten Technologiekonzept positioniert ein Handling-Gerät im Arbeitsschritt 1 ein NF-PP-Halbzeugzuschnitt auf dem Schiebetisch der Heizvorrichtung, im nächsten Schritt fährt es in das IR-Heizfeld, wird auf ca. 220 °C erwärmt und anschließend fördert es der Schiebetisch in die Abholposition des Greifers.

Im Arbeitsschritt 3 greift das eigens dafür entwickelte Handling-Gerät den aufgeheizten, biegeschlaffen NF-PP-Plattenzuschnitt, legt ihn auf das vorbereitete Dekorplattenhalbzeug mit Hotmelt-Folie ab und presst es an. Der Klebefilm schmilzt und verbindet die Komponenten der Sandwichstruktur stoffschlüssig miteinander. Der Greifer legt das Lagenpaket dann in Arbeitsschritt 4 innerhalb weniger Sekunden in das Spritzgießwerkzeug ein, wo die integrierten Ansaugdüsen es fixieren. Das Werkzeug formt die Rückseite der Tischplatte beim Zufahren um. Außerdem spritzt die Maschine die Montage­flächen und die Tropfkante. Nach Ablauf der Kühlzeit entnehmen Saug­greifer die fertige Leichtbau-Campingtischplatte. Um Prozesszeit zu sparen, lässt es sich einrichten, das Fertigteil unmittelbar nach dem Einlegen eines neuen Halbzeugpakets zu entformen.

Um 50 Prozent leichter

Die Leichtbau-Campingtischplatte ist um über 50 Prozent leichter als gängige Tischplatten gleicher Größe und ihre Struktur ist durch den Sandwichaufbau sehr stabil. Darüber hinaus lässt sich das prozessintegrierte Fertigungsverfahren und das Technologiekonzept auf verwandte Bauteile im technischen Bereich übertragen, etwa für Pkw-Kofferraumladeböden.

Die Autoren danken dem Bundes­ministerium für Ernährung und Landwirtschaft und der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe für die finanzielle Unterstützung des Projekts.

Über die Autoren

Jürgen Burkert

ist Geschäftsführer von Hugo Stiehl Kunststoffverarbeitung in Crottendorf.

Falk Broberg

ist Leiter Entwicklung bei Hugo Stiehl Kunststoffverarbeitung in Crottendorf.

Aleksandr Todorov

ist Mitarbeiter der Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung an der Technischen Universität Chemnitz.

Sebastian Iwan

ist Mitarbeiter der Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung an der Technischen Universität Chemnitz.

Wolfgang Nendel

ist stellvertretender Leiter der Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung an der Technischen Universität Chemnitz.

Roman Rinberg

ist Leiter des Forschungsbereichs Biopolymere und Naturfaserverbunde an der Technischen Universität Chemnitz.