EPP-Bauteile in Dünnwandtechnik

Der Werkstoff EPP zeichnet sich durch sein geringes Gewicht sowie seine isolierenden und kraftabsorbierenden Eigenschaften aus. Die Einsatzgebiete für diesen Werkstoff sind zahlreich. So werden unter anderem Stoßabsorber, Verkleidungsteile und Sonnenblenden für die Automobilindustrie hergestellt, Caterer bevorzugen aufgrund des geringen Gewichts und guten Isolierung Behälter aus EPP für den Transport von Speisen. Selbst die Spielwarenindustrie hat den leichten Werkstoff für Wurfgleiter entdeckt und im Haushalt kommen Bügelbretter und Spülkästen aus EPP zum Einsatz. Ideen für weitere Produkte, wie Handyschalen, Kosmetikverpackungen oder Handschuhfächer im Auto, gibt es viele, doch bisher scheiterte die Umsetzung an der fehlenden Fertigungstechnik für solch dünnwandige Teile. T. Michel Formenbau, Lautert, hat sich der Thematik angenommen und in einer zweijährigen Entwicklungsphase das Präzisionsschäumen zur Marktreife geführt. Mit diesem Verfahren ist es nun möglich, Produkte mit einer Wandstärke von lediglich zwei Millimetern aus Partikelschaum zu fertigen.

Bewährtes neu Überdenken

„Es reichte nicht aus das Werkzeug kleiner zu dimensionieren, sondern es mussten zahlreiche Komponenten, neu entwickelt werden, um EPP-Formteile mit dünnen Wandstärken herzustellen“, führt Thorsten Michel, Geschäftsführer T. Michel Formenbau, Lautert, aus. Als Versuchsbauteil wurde eine handelsübliche Schütte aus PP mit den Abmessungen von 170 mm x 105 mm x 78 mm und einem Gewicht von 86 g für Kleinteile ausgewählt. Zunächst musste das Bauteil Partikelschaum gerecht konstruiert werden. So wurde der Boden mit Verstärkungsrippen versehen und die Wandstärken im Vergleich zum Spritzgussbauteil etwas dicker dimensioniert,  sowie Dampfdüsen und sechs Injektoren vorgesehen. Basierend auf den CAD-Daten der Werkzeugkonstruktion wurde die Schütte zunächst additiv gefertigt. Der 3D-Druck erfolgte mit einem Werkstoff, dessen Dichte mit 910 g/l im Bereich von PP liegt. Diese gedruckte Schütte besitzt ein Gewicht von 197 g, dies entspricht in etwa dem 2,5-fachen des gespritzten Originalteils und wäre als Ersatzprodukt indiskutabel. Anders sieht es jedoch bei den geschäumten Teilen aus. Die mit einer Dichte von 150 g/l gefertigte Schütte wiegt 35 g und die mit 70 g/l geschäumte lediglich 14 g. Somit stellt das Partikelschaumteil, abhängig von den geforderten mechanischen Bauteileigenschaften, eine Alternative zum Spritzgussbauteil dar. Die Schüttdichten der beiden Demobauteile entsprechen der niedrigsten und der höchsten Dichte, mit der dünnwandige Bauteile derzeit hergestellt werden können.

Neue Injektoren erforderlich

in die Kavität auf die Injektoren, Dampfdüsen, den verstärkten Bodenbereich und die laserstrukturierten Außenwände (Bildquelle: Simone Fischer/Redaktion Plastverarbeiter)

Doch der Weg zu den dünnwandigen, leichten Schütten aus EPP war weit, denn es mussten verschiedene, für das Schäumen notwendige Komponenten neu konstruiert werden. So wurde ein kleiner Injektor für die Zufuhr der Perlen entwickelt. „Mit den Standardinjektoren von 24 mm Außen- und 10 mm Verschlusskolbendurchmesser wurde zuviel Material in den kleinen Querschnitt der Form gefördert. Eine gleichmäßige und vollständige Füllung war dadurch nicht realisierbar. Mit einem kleineren Injektor, der einen Außendurchmesser von zehn Millimetern und lediglich über eine Öffnung von sechs Millimetern die Perlen zuführt, ist dies nun gut möglich“, erläutert Thorsten Michel. Entscheidend für eine gute Formfüllung ist weiterhin, dass das Material mit kleiner Luftmenge und feindosiert der Kavität zugeführt wird. Das Entlüften des Werkzeugs ist bei der Dünnwandtechnologie von großer Bedeutung, um eine gleichmäßige und zügige Füllung mit den einzelnen Perlen zu erreichen. Zusammen mit dem neu kreierten Füllgerät sind seitens der Formfüllung gute Voraussetzungen für diese Technik vorhanden. „Eine der größten Herausforderungen bei der Dünnwandtechnologie, war die gleichmäßige Formfüllung“, so Michel weiter. „Verschweißt werden die Perlen bei den üblichen Drücken und Temperaturen mit Dampf.“

Rohstoffhersteller in Entwicklung einbezogen

Wer die Schütte mit ihren dünnen, geschäumten Wänden in Händen hält, nimmt an, dass für diese Schäumtechnik kleinere Perlen benötigt werden. Zahlreiche Versuche haben jedoch gezeigt, dass Kugeln mit einem Durchmesser von 1,5 bis 2 mm am besten geeignet sind. Feinere Perlen waren schwierig zu verarbeiten und größere blieben beim Füllvorgang stecken. Jedoch war nicht nur die Perlengröße entscheidend, sondern auch deren Gleitfähigkeit. Zusammen mit Rohstoffherstellern wurde basierend auf der Erfahrung beider Parteien ein neuer Werkstoff entwickelt, der das Präzisionsschäumen ermöglicht. Die Schaumperlen wurden in ihrer Form, Größe und dem applizierten Coating optimiert. Grundsätzlich ist jede verarbeitete Partikelschaumperle beschichtet, um deren Vereinzelung und den Füllvorgang zu erleichtern. Dieses optimierte Material verschweißt mit einer geringen Zwickelbildung, die sich durch eine Lasertextur der Werkzeugoberfläche nahezu ganz überdecken lässt. Die für die Dünnwandtechnologie entwickelten Werkstoffe, wurden zwischenzeitlich von den Materialherstellern in das verfügbare Produktportfolio aufgenommen.

Dadurch, dass die Werkzeugtechnik für das Partikelschäumen wesentlich genauer geworden ist und zwischenzeitlich im Toleranzfenster von Spritzgusswerkzeugen liegt, ist es möglich solch filigrane Strukturen zu schäumen. Außerdem ist das Toleranzband beim Präzisionsschäumen um das 2,5-fache schmaler als das beim Schäumen von dickwandigen Formteilen. Die Werkzeuge können mehrere Kavitäten besitzen, sodass größere Stückzahlen in kurzer Zeit produziert werden können. Bei der genannten Schütte wäre es möglich, sechs Bauteile mit einem Schäumzyklus zu fertigen.

Die Oberfläche des Aluminiumwerkzeugs besitzt, so wie viele Spritzgusswerkzeuge auch, eine spezielle Beschichtung. Diese macht Werkzeugoberfläche beim Schäumen mit hohen Drücken verschleißbeständiger und ermöglicht eine leichtere Entformung.

Messdatenerfassung entscheidend

Werkzeugkern mit integrierter Messsonde zur Überwachung des Füllvorgangs (Bildquelle: Simone Fischer/Redaktion Plastverarbeiter)

Die vom Formenbauer entwickelte Messsonde MIC Probe 3 in 1 ist in dem Musterwerkzeug ebenfalls integriert. Der Sondenkopf ermöglicht neben dem Schaumdruck, die Temperatur des Schaums und der Kavität während der Prozessphase zu messen. Die dadurch erhaltene Kavitätentemperaturmesskurve zeigte bei den ersten Schütten von der festen zur beweglichen Werkzeugseite einen Temperaturunterschied von bis zu 15 °C. Dieser große Unterschied führt bei dünnwandigen Formteilen zu erheblichem Verzug. Dadurch, dass sich die Daten recordet und an der Maschinensteuerung verfolgen lassen, konnten die Parameter im laufenden Prozess so korrigiert werden, dass sich der Temperaturunterschied der beiden Werkzeughälften auf 3 °C reduzieren und ein Bauteilverzug vermeiden lies. Ist die alleinige Parameteranpassung nicht zielführend, so kann er durch nachträgliches Tempern oder Abkühllehren ausgeglichen werden. Beim Partikelschäumen sind Wanddickensprünge möglich, die beim Spritzgießen undenkbar sind. So kann die Wandstärke von 30 auf 2 mm verringert werden, ohne dass im Bauteil Verzug oder Einfallstellen auftreten.

Anpassung der Temperaturen der beiden Werkzeughälften im Zuge der systematischen Prozessfindung. Oben vor der Anpassung ∆T = 15 °C, unten nach der Anpassung ∆T = 3 °C. (Bildquelle: T. Michel Formenbau)

Nachdem diese Grundvoraussetzungen für die Herstellung von dünnwandigen Partikelschaumteilen geschaffen waren, wurde die Steuerung der im eigenen Technikum des Formenbauers vorhandenen Schäummaschine für diese Technologie angepasst. Die während des Schäumprozesses ermittelten Messdaten werden in der Serienfertigung nicht nur zum Überwachen, sondern auch zur Automatisierung der Programmabläufe als Weiterschaltbedingung verwendet.

Klares Ziel vor Augen

Michel hat mit dieser Entwicklung sein Ziel dünnwandige, reproduzierbar herzustellende Formteile mit dem Eigenschaftsprofil von EPP in einem engen Toleranzband und mit bis zu 200 mm tiefen Seitenwänden fertigen zu können, erreicht. Somit ist es nun möglich die eingangs erwähnten Handyschalen zu produzieren. Bei dieser Anwendung könnte das EPP sein volles Eigenschaftsprofil, leicht, isolierend und kraftabsorbierend, entfalten. Denn neben dem integrierten Fallschutz ist in die Handyschale, durch die isolierende Wirkung des Partikelschaums, für die kalte Jahreszeit eine verlängerte Akkulaufzeit integriert. Doch auch im Automobilbau könnte der Werkstoff für weitere Anwendungen wie Gehäuse oder Handschuhkästen, aufgrund der Möglichkeit zum Fertigen von tiefen Seitenwände, eingesetzt werden. Die Kosmetikindustrie und die Medizintechnik sind ebenfalls auf die guten isolierenden Eigenschaften des EPP aufmerksam geworden. In diesen Branchen wird darüber nachgedacht wärmeempfindliche Produkte darin zu verpacken, um diese auch bei hohen Außentemperaturen mit sich führen zu können. Mit einer ansprechenden Lasertextur im Werkzeug, kann die Dekoration der Verpackung im gleichen Verarbeitungsschritt erfolgen. Ebenso ist es möglich Brillen aller Art in einem Etui aus EPP bruchsicher zu transportieren. Als maximale Größe für dünnwandige Teile kann sich der Formenbauer derzeit  Abmessungen von 600 x 800 mm vorstellen. Doch es steckt noch viel Potenzial in den geschäumten Perlen, ist Thorsten Michel überzeugt.