Fest verbunden ganz ohne Haftvermittler

Beispiele aus der Praxis: Teile im Kühlkreislauf aus Polyamid und HNBR. (Bildquelle: Evonik)

Leichtbau, Funktionalität, Downsizing und Kostenersparnis sind aktuell die größeren Herausforderungen im Automobilbau. Funktionalität und Kostenersparnis führen zunehmend zu komplexen Bauteilen, Baugruppen und Composites, oft hergestellt durch den Verbund ganz unterschiedlicher Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften. Vielfach wird die Kombination einer flexiblen Weichkomponente, wie etwa Kautschuk, LSR oder TPE, mit einer steifen, mechanisch belastbaren Hartkomponente benötigt, beispielsweise Thermoplast oder Metall. Durch den Einsatz spezieller thermoplastischer Formmassen für die Hartkomponente und geeigneter Kautschukrezepturen gelingt es im nachfolgend beschriebenen K&K-Verfahren (Kunststoff-Kautschuk-Verbundprozess), einen dauerhaften, zuverlässigen Verbund zwischen Elastomeren und Thermoplasten im Zweikomponenten-Verbundspritzguss herzustellen. Bei diesem Verfahren bildet der Kautschuk während der Vernetzung im entsprechend temperierten Spritzgießwerkzeug mit einem Vorspritzling einen stoffschlüssigen Hart-Weich-Verbund aus. Der Vorspritzling kann aus PA 612 (Typenreihe Vestamid D), MPPO (Typenreihe Vestoran) oder PPA (Typenreihe Vestamid HTplus) bestehen.

Hart-Weich-Verbunde

Überall dort, wo Funktionalitäten in Form von Dichtungen, Dämpfungselementen, Membranen, Abdeckungen oder aus haptischen Gründen erwünscht sind, werden unterschiedliche Elastomere verwendet. Dort wo Gummiteile dauerhaft befestigt oder fixiert werden müssen, haben sich Verbundteile solcher Elastomere mit einer Hartkomponente bewährt. Traditionell bestand die Hartkomponente von Gummi-Verbundteilen aus Metall. Insbesondere um Leichtbau zu realisieren und das Gewicht deutlich zu senken, werden heute mehr Kunststoffteile eingesetzt. Kunststoffe sind leicht, korrodieren nicht und können im Spritzgießverfahren rationell zu sehr komplexen Formteilen verarbeitet werden. Sie müssen allerdings bei den üblichen Vulkanisationstemperaturen der Kautschukkomponente von 160 °C bis 200 °C formstabil sein.

Für die dauerhafte Funktion von Verbundteilen, zumeist unter statischen und in neueren Anwendungen auch unter dynamischer Beanspruchungen, ist die unlösbare Verbundhaftung zwischen harter und weicher Komponente ein wesentliches Qualitätskriterium. Sie wird im Fall der Gummiverbunde üblicherweise durch Haftvermittler erreicht. Das Verfahren erfordert jedoch neben zusätzlichen Arbeitsschritten für das Aufbringen des Haftvermittlers auch Schutzmaßnahmen gegen Emissionen der in der Regel verwendeten Lösemittel und deren umweltgerechte Entsorgung. Der von Evonik patentierte K&K-Verbund kommt dagegen ohne Haftvermittler und ohne besondere Vorbehandlungen aus. Dies ist umweltschonend und reduziert die Herstellkosten.

Fest verbunden ganz ohne Haftvermittler

Verbundprozesse im Vergleich: Beim neuen K&K-Prozess entfallen viele Zwischenschritte. (Bildquelle: Evonik)

 

Maschinen- und Werkzeugtechnik für Verbundteile

Für die Herstellung haftvermittlerfreier K&K-Verbundteile bieten sich grundsätzlich zwei Verfahren an: Das zweistufige Verfahren – ein Einlegeverfahren – und ein einstufiges Verfahren – der Mehrkomponentenspritzguss in einem Werkzeug. Das zweistufige Einlegeverfahren  ist vor allem dann sinnvoll, wenn die Vulkanisationszeit des Kautschuks deutlich länger ist als die Kühlzeit der thermoplastischen Hartkomponente. Es ist mit der konventionellen Produktion von Gummi-Metall- und Gummi-Kunststoff-Teilen vergleichbar: Das Thermoplast-Formteil wird separat hergestellt und zugeliefert und in das Elastomerwerkzeug eingelegt. Dort erfolgt das Einspritzen und zum Teil Ausvulkanisieren der Kautschukmischungen. Der Zwischenschritt des Haftvermittlerauftrags entfällt bei den K&K-Systemen von Evonik. Investitionen in neue Maschinen sind nicht erforderlich. Besteht zwischen Kühlzeit und Vulkanisationszeit kein oder nur ein geringer Unterschied, bietet sich das einstufige Verfahren an.

Durch den Verzicht auf Haftvermittler können die Verbundteile in einem gemeinsamen Werkzeug ohne Zwischenschritte gefertigt werden: Die Kavitäten für Thermoplast- und Kautschukkomponenten befinden sich jeweils in verschiedenen Bereichen eines gemeinsamen Spritzgießwerkzeugs. Im „kalten“ Bereich des Werkzeugs werden die thermoplastischen Vorspritzlinge hergestellt. Diese werden beispielsweise mit einer Indexplatte, einem Drehteller oder im Umsetzungsverfahren mit Handhabungsautomaten in der Regel aus der Auswerferseite entformt und in den heißen Werkzeugbereich transferiert. Dort wird nach dem Schließen des Werkzeugs die Kautschukmischung aufgespritzt und vulkanisiert. Gleichzeitig entstehen im kalten Bereich bereits neue Thermoplastvorspritzlinge. Für die vorgestellten hochtemperaturbeständigen PPA–Formmassen kann sogar die thermische Trennung im Werkzeug entfallen. Hier kann der kalte Bereich der thermoplastischen Kavität die gleiche Werkzeugtemperatur wie der heiße Bereich haben. Möglich wird dies durch die hohe Glasübergangstemperatur von Vestamid HT plus, hier sind Werkzeugtemperaturen von 160 °C bis 180 °C üblich.

 

Fest verbunden ganz ohne Haftvermittler

Prozesstechnik zur Herstellung von Kunststoff-Kautschuk-Verbunden: Der einstufige Prozess sollte bevorzugt für vergleichbare Zykluszeiten verwendet werden, der zweistufige für stark unterschiedliche Zykluszeiten. Weitere Kriterien für die Auswahl sind Vulkanisationszeit, Teilegeometrie und –zahl. (Bildquelle: Evonik)

Bei der Werkzeugtechnik ist insbesondere eine gute Abdichtung der Elastomerseite unter Berücksichtigung der Schwindung der Vorspritzlinge zu beachten, damit kein Überspritzen aufgrund der niedrigen Kautschukviskosität erfolgt. Die thermische Trennung des heißen Werkzeugbereichs (Temperaturen circa 160 bis 200 °C für wirtschaftliche, vollständige Vernetzung) vom kalten Bereich ist für Vestamid D- und Vestoran-Formmassen dagegen notwendig und ein Kriterium für gute Fertigungsqualität. Der Fertigungsprozess lässt sich weitgehend automatisieren, eine mehrfache Handhabung der Teile entfällt. Dadurch werden etliche Fehlerquellen vermieden und die Ausschussquote sinkt. Für die Vernetzung des Kautschuks auf dem Vorspritzling ist es erforderlich, dass der Kunststoff eine möglichst hohe kurzzeitige Wärmeformbeständigkeit im Bereich von >150 °C, besser 180 °C aufweist. In einigen Fällen sind auch bis zu 200 °C gefordert, um nachgeschaltete Vernetzungsprozesse, beispielsweise im Ofen, ohne Deformationen zu überstehen.

 

 

Materialkombinationen und Anforderungen

Die eingesetzten Thermoplaste müssen eine Modifizierung während der Polymerisation oder der Compoundierung gestatten. Insbesondere Hochtemperaturpolymere eignen sich in Summe gut für den K&K-Prozess. Sie erzielen mit radikalisch über Peroxid, Amin oder Schwefel vernetzenden Kautschuken hohe Verbundkräfte. Polare Kautschuke mit reaktiven Gruppen werden bevorzugt eingesetzt. Insbesondere für den einstufigen Prozess bieten sich Kautschukrezepturen mit kurzen Vulkanisationszeiten an. Die in der Tabelle aufgeführten K&K-Verbundsysteme stehen zur Verfügung.
Mit den aufgeführten Kombinationen können dauerhafte Verbunde erzielt werden, die zum Beispiel im Automobilbau auch den gebräuchlichen Temperatur- und Medieneinflüssen widerstehen. Teilweise ist die Anpassung von Kautschukrezepturen erforderlich. Im Rahmen der Formteilentwicklung sollten stets entsprechende Vorversuche für die gewünschte Materialkombination erfolgen. Die Werkstoffkombinationen werden im Rahmen der Entwicklung unter anderem in Zug- und Schälversuchen getestet. Je nach K&K-Variante werden Trennkräfte im Schälversuch zwischen 4 N/mm und 20 N/mm erzielt. Bei der Auslegung der Verbunde werden ein Bruch in der Kautschukmatrix und möglichst kein Bruch in der Trennfläche zwischen Kunststoff und Kautschuk angestrebt (100 % Kohäsivbruch). Ohne besondere Modifikationen auf der Elastomerseite sind Verbunde mit ACM, CR, NR oder EOS bisher schwer zu realisieren oder nur mit geringen Verbundkräften.

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Die Werkstoffkombinationen werden im Rahmen der Entwicklung unter anderem in Zug- und Schälversuchen getestet. Je nach K&K-Variante werden Trennkräfte im Schälversuch zwischen 4 N/mm und 20 N/mm erzielt. Bei der Auslegung der Verbunde werden ein Bruch in der Kautschukmatrix und möglichst kein Bruch in der Trennfläche zwischen Kunststoff und Kautschuk angestrebt (100 % Kohäsivbruch). Ohne besondere Modifikationen auf der Elastomerseite sind Verbunde mit ACM, CR, NR oder EOS bisher schwer zu realisieren oder nur mit geringen Verbundkräften.

Polyamid trifft EPDM

Fest verbunden ganz ohne Haftvermittler

Ergebnisse von Pressverbunden ohne Haftvermittler für neue PPA-Formmassen mit EPDM (Bildquelle: Evonik)

Waren bisher Verbundteile von Polyamid-Formmassen nur mit X-NBR-, HNBR-, FKM- und AEM-Kautschuken möglich, stehen inzwischen auch haftungsmodifizierte Polyamid 612-Formmassen wie Vestamid DX9325 für einen Verbund mit EPDM zur Verfügung. Weiterhin wurde festgestellt, dass auch Kombinationen mit guter Haftung zu VMQ mit diesen Formmassen möglich sind, die vor allem im Fahrzeugbau Interesse finden. So werden EPDM-Dichtungen beispielsweise im Brems- oder Kühlwasserkreislauf ebenso eingesetzt wie im Bereich der Türöffnungen, Kabeldurchführungen oder der Lenkung.

Fest verbunden ganz ohne Haftvermittler

Ergebnisse von Pressverbunden ohne Haftvermittler für neue PPA-Formmassen mit FKM (Bildquelle: Evonik)

Neu hinzugekommen sind Verbunde mit einem hochtemperaturbeständigen Polyphthalamid. Vorteile von Vestamid HAT plus sind die kurzzeitig hohe Wärmeformbeständigkeit und Dimensionsstabilität sowie das günstige Preis/Leistungs-Verhältnis. Dadurch können weitere Kostenvorteile erzielt werden, insbesondere durch reduzierte Vulkanisationszeiten bei hohen Werkzeugwandtemperaturen bis 200 °C. Die haftungsmodifizierten PPA-Formmassen zielen auf Kombinationen insbesondere mit hochtemperatur- und chemikalienbeständigen Kautschuken wie FKM, HNBR oder AEM ab.

Fest verbunden ganz ohne Haftvermittler

Werkstoffkombinationsmöglichkeiten für das K&K–Verfahren (Bildquelle: Evonik)

Aber auch EPDM kann durchaus ohne Haftvermittler angebunden werden. Die Kombinationsmöglichkeiten des K&K-Verbundes werden damit zukünftig deutlich erweitert und neue Anwendungsbereiche ermöglicht, die zuvor nicht denkbar oder nur durch komplexe Fertigungstechniken mit Haftvermittlerauftrag realisierbar waren. Bei der Auswahl der konkreten Formmassen und der Durchführung von Vorversuchen unterstützt die Anwendungstechnik von Evonik den Kunden. Erste Anwendungen wurden bereits mit PPA realisiert, zum Beispiel Bauteile im Kühlkreislauf namhafter Automobilhersteller. Hier kommt ein neu entwickelter HNBR der Firma Kaco, Heilbronn, zum Einsatz.

Erste Anwendungen mit PPA

Durch den Direktverbund wird verhindert, dass sich Dimensionen im Inneren des Bauteils durch den Auftrag von Haftvermittler undefiniert verändern. Bei geringen Toleranzen sind solche Veränderungen nicht akzeptabel. Dies bedeutet selbstverständlich, dass sich auch das Kunststoffteil im Kontakt mit Kühlmedien der verschiedenen Fahrzeughersteller, meist Glykol-Wasser-Gemische, in seinen Dimensionen nur sehr gering verändern darf. Auch muss die Haftung zum HNBR im Medienkontakt und unter Temperaturbelastung stabil bleiben. Für das eine steht die hohe Chemikalienbeständigkeit von PPA, für das andere die besondere Haftungsausrüstung. Eine reibungslose Funktion wird in Abhängigkeit vom Verfahrweg somit für über eine Millionen Schaltzyklen ermöglicht.

Über den Autor

Frank Lorenz

ist für Evonik Resource Efficiency in Marl tätig.