Biegebelastete Bauteile kommen unter anderem in Automotive-Applikationen und im allgemeinen Maschinenbau zum Einsatz. Beispiele sind Front-End-Träger, Säulenverkleidungen, Sitzschalen und Kofferbodenverklei-
dungen. Im allgemeinen Maschinenbau sind es technische Bauteile mit tragender Funktion und Komponenten von Maschinenelementen, bei denen eine geringere Masseträgheit ­aufgrund des niedrigeren Gewichts gefordert ist. So etwa bei Aufbauten für Roboterköpfe (end of arm tooling), Lüfterräder, Rotoren und bewegte Schließmechanismen. Flächige Gehäuse und Abdeckungen, die hohen ­mechanischen Anforderungen ausgesetzt sind, profitieren ebenfalls von einem Sandwich-Aufbau.
Das 2K-Sandwich-Spritzgießen ermöglicht durch Kombinieren zweier Kunststoffe Leichtbauteile herzustellen, die spannungsärmer sind und weniger Nachschwindung haben. Vier vom Kunststoff-Zentrum (KUZ), Leipzig, entwickelte Beispielformteile veranschaulichen dies.

Metallersatz-Kunststoff mit leichtem Schaum

Thermoplaste und Schäume leicht kombiniert

Filigrane Rippenstruktur in Sandwich-Aufbau mit Wanddicken von 1,5 bzw. 1,0 mm (Bildquelle: KUZ)

Der Metallersatzkunststoff Terez GT3 von Ter Hell Plastic, Herne, wurde mit einem geschäumten PA 6.6 zu einem Leichtbauteil mit einer Dichte von 1,02 g/cm³ verarbeitet. Das Ergebnis war im Vergleich zu ungeschäumten PA 6.6 25 Prozent leichter. Terez GT3 hat je nach Materialtyp eine Festigkeit von 10.000 bis 21.500 MPa. Beim Spritzguss erzielen höhere Werkzeugtemperaturen spannungsärmere Spritzgießeile, bessere Oberflächen und weniger Nachschwindung. Die für die Werkzeugtemperierung eingesetzten Schläuche und Anschlussstücke müssen jedoch für die benötigten Werkzeugtemperaturen ausgelegt sein. Die Formteile nehmen im Vergleich zu Standard-PA-6.6-Typen weniger Feuchtigkeit auf, was die Leichtbauteile maßhaltiger macht. „Auch der Werkzeugverschleiß lässt sich im Vergleich zu Zinkdruckguss oder Aluminiumdruckguss durch den Einsatz des Materials reduzieren, sodass sich die Werkzeugstandzeiten bis um den Faktor fünf verlängern“, berichtet Goran Brkljac, Technischer Leiter bei Ter Hell Plastic.

Wärmeformbeständiger Leichtbau

Thermoplaste und Schäume leicht kombiniert

Durch Zwei-Komponenten-Sandwich-Spritzguss hergestelltes Leichtbauteil (Bildquelle: KUZ)

Um Metalle durch Kunststoffe zu ersetzen, werden bevorzugt teure technische Kunststoffe verwendet. Eine günstigere Alternative wäre PP. Der Nachteil von PP liegt allerdings in seiner geringen Wärmeformbeständigkeit. Ein vom KUZ entwickeltes Leichtbauteil mit einer Hautschicht aus glasfaserverstärktem PP und einer Kernschicht aus geschäumten Cyclo-Olefin-Copolymer (COC) hat eine Dichte von 0,80 g/cm³. Somit lassen sich 30 Prozent an Gewicht im Vergleich zu glasfaserverstärktem PP einsparen. Die Wärmeformbeständigkeit des Leichtbauteils liegt mit 143 °C (HDT/B) im Vergleich zu PP mit 83 °C (HDT/B) höher.Das Kernmaterial COC von Topas Advanced Materials, Frankfurt, ist bruchresistent, leicht und transparent. „Die COCs haben eine hohe thermoplastische Fließfähigkeit, Steifigkeit, Festigkeit und Härte sowie niedrige Dichte und hohe Transparenz bei guter Säure- und Laugenbeständigkeit. Da COC kaum Feuchtigkeit aufnimmt und wärmeformbeständig ist, lassen sich die Bauteile mit Dampf sterilisieren“, erklärt Michael Grimm, zuständig für Market Development bei Topas Advanced Polymers.

Niedrige Dichten durch Mikrohohlglaskugeln

Thermoplaste und Schäume leicht kombiniert

Leichtbauteil mit einer Dichte von 0,76 g/cm³ (Bildquelle: KUZ)

Sehr niedrig ist die Dichte von ­0,76 g/cm³ eines Bauteils aus einem Compound auf Basis PA 6.6 mit Mikro­Hohlglaskugeln von 3M Advanced Materials Division, Neuss. Die Hohlglaskugeln vom Typ IM16K überstehen das Spritzgießen und haben einen Durchmesser von 20 µm. Das Compound (PA) Lastik A 200 HK 20 SN – vertrieben von CAS-Kunststoffe, Höchstadt – hat eine Dichte von 0,91 g/cm³ und ein Zug-E-Modul von über 3.300  MPa. Im 2K-Sandwich-Verfahren wird das Compound mit den Mikro-Hohlglaskugeln in die Hautschicht eingebracht, während sich in der Kernschicht das geschäumte unverstärkte PA 6.6 befindet. Die gewichtsbezogene Biegesteifigkeit dieser Leichtbauteile entspricht der von PA 6.6-GF30.

Schäumen filigraner Rippenstrukturen

Aus konstruktiven Gründen oder um Platz zu sparen werden Bauteile häufig verrippt. Diese lassen sich ebenso mit einem Schaumkern fertigen, wobei diese um etwa 10 Prozent leichter sind als ohne. Um den Kern besser sehen zu können, ist die Hautschicht transparent. Eine eingefärbte Haut hingegen verdeckt die Kernschicht vollständig. Im Beispiel besteht die Hautschicht aus dem glasfaserverstärkten PA 6 Durethan BKV 30 von Lanxess, Köln, und die Kernschicht aus unverstärktem geschäumten Durethan.
Die Beispiele zeigen die Vielseitigkeit des 2K-Sandwich-Verfahrens. Das KUZ entwickelt außerdem technische Prozesse für kundenspezifische Leichtbaulösungen und führt Spritzgieß­simulationen durch. Hierzu gehören die Entwicklung von Material­paarungen und Rezepturen sowie ­Belastungssimulationen von 1K- und 2K-Bauteilen.

ist wissenschaftliche Mitarbeiterin am Kunststoff-Zentrum in Leipzig (KUZ). (Bildquelle: KUZ)

Über den Autor

Annerose Hüttl

ist wissenschaftliche Mitarbeiterin am Kunststoff-Zentrum in Leipzig.

huettl@kuz-leipzig.de