Automobile Funktionsteile in Serie

Es ist noch gar nicht allzu lange her, da war der Kühlergrill eines Automobils eher bloßes Designmerkmal denn Funktionsträger. Doch gerade neue Mobilitätskonzepte im Umfeld der Elektromobilität tragen dazu bei, integrale Bauteile eines Fahrzeugs funktionaler und damit intelligenter zu machen. Mit der Elektrifizierung der Antriebe geht auch der bayerische Automobilhersteller BMW neue technologische Wege. Das trifft auch für den eigentlichen Kühlergrill des elektrischen BMW iX, die Niere, zu. Sie schützt Kamera und diverse Sensoren für das assistenzunterstützte und in Zukunft autonome Fahren. Mit der neuen Funktion ändern sich sowohl Aufbau als auch Herstellungsprozess dieser Bauteile grundlegend.

Verfahren eröffnet neue Potenziale

Für die Herstellung der Funktionsteile wird eine Verfahrenskombination angewandt, die auch vom Spritzgießmaschinenhersteller Engel unter dem Namen Clearmelt angeboten wird. In einem integrierten Prozess wird dabei eine beheizbare Funktionsfolie mit Polycarbonat hinterspritzt und mit Polyurethan überflutet. Eine Premiere der besonderen Art, kommt die Verfahrenskombination in dieser Form erstmals auch in Großserie zum Einsatz. Unter der kratzfesten Oberfläche aus Polyurethan ist die sensible Elektronik gut geschützt. Der hohe Glanzgrad und Tiefeneffekt, für den schon eine dünne Beschichtung mit Polyurethan ausreicht, vermitteln einen sehr edlen Eindruck. Die Anwendung im besonders beanspruchten Exterieur-Einsatz wurde jüngst auch mit dem SPE Grand Award 2021 der internationalen Gesellschaft für Kunststofftechnik (SPE Central Europe) prämiert.

Das Unternehmen aus Schwertberg, Österreich, ist für dieses Projekt Systemlieferant und für die komplette Produktionszelle verantwortlich. Partnerunternehmen für die Produktionszelle sind unter anderem Hennecke, St. Augustin, für die Polyurethanverarbeitung und Petek Reinraumtechnik, Radolfzell.

Hinsichtlich Prozessintegration und Automatisierung erfüllt diese besonders hohe Anforderungen. In der Produktionsanlage sind eine Engel Duo Combi M Spritzgießmaschine mit Wendeplatte, zwei große Knickarmroboter für das Handling der Folien und Fertigteile, eine Folienreinigungsanlage, eine Prüfstation für die Inline-Qualitätskontrolle sowie periphere Einheiten inklusive Polyurethantechnologie integriert. Die Schließeinheit der Spritzgießmaschine sowie der Arbeitsbereich der Roboter sind über eine Länge von sechs Metern und eine Höhe von mehr als vier Metern als Reinraum in Klasse ISO 7 eingehaust.

Für den Formwechsel und andere Arbeiten im Werkzeugraum lässt sich der Reinraum oberhalb der Spritzgießmaschine durch eine verschiebbare Decke öffnen. Alle Arbeitsschritte im Reinraum finden automatisiert statt. Die Roboter übernehmen auch das Entpacken der Funktionsfolien sowie das Verpacken der Bauteile. An den Reinraum schließt sich ein Sauberraum der Klasse ISO 8 an. Dies ist der Arbeitsbereich der Produktionsmitarbeiter. Sie führen der Reinraumproduktion die luftdicht verschlossenen Boxen mit den Funktionsfolien zu und übergeben die verpackten Fertigteile an die Intralogistik für die weitere Bearbeitung.

Die Automobilindustrie befindet sich in einem tiefgreifenden, dynamischen Transformationsprozess. Die Entwicklung neuer Antriebstechnologien, verbunden mit den Möglichkeiten der Digitalisierung und die Entstehung neuer Geschäftsfelder bestimmen diesen Wandel. Das Automobil, einst schlichtes Fortbewegungsmittel, wird zum kommunikativen, intelligenten Element, das mit der Umwelt über Sensoren und Kameras interagiert und in Zukunft gar völlig autonom fährt. Das wiederum eröffnet neue Potenziale hinsichtlich Werkstoffen und neuen, innovativen Fertigungsverfahren. Mit dem kombinierten Verfahren Clearmelt bietet Engel Herstellern eine Lösung für hochqualitative, funktionsintegrierte Oberflächen im Bereich Automotive. Franz Füreder, Vice President Engel Automotive, Michael Fischer, Leiter Business Development Technologien von Engel, und Peter Egger, Senior Produktmanager Technologien bei Engel, stellen sich den Fragen der Redaktion des PLASTVERARBEITER.

Wie hoch ist zwischenzeitlich der Anteil der von Ihnen ausgelieferten Maschinen mit In-Mould-Decoration (IMD)-Technologie, die für die Herstellung von Interieur- und Exterieur-Bauteilen für die Automobilindustrie eingesetzt werden?

Peter Egger: Angesichts der Vielzahl an Technologien, die Engel anbietet, ist der Anteil wenig aussagekräftig. Fakt ist: Das Thema Folienhinterspritzen insgesamt, und damit meinen wir sowohl den klassischen IMD-Prozess über Rolle zu Rolle, als auch das Einlegen von konfektionierten Folien, gewinnt – gerade in Kombination mit elektronischer Funktionalität – stark an Fahrt. Und dies sowohl für Anwendungen im Interieur als auch Exterieur. Dabei ist die Kombination von Folienhinterspritzen mit Polyurethan-Überfluten, die wir unter dem Namen Clearmelt anbieten, in jüngster Zeit verstärkt in den Fokus der Produktentwickler fürs Exterieur gerückt.

Michael Fischer: Spannend ist ja, dass die Anfänge des Folienhinterspritzens fürs Exterieur über 25 Jahre zurückliegen. Damals ging es darum, das Lackieren zu ersetzen. Das Thema wurde wieder aufgegeben und ist jetzt – unter anderen Vorzeichen – zurückgekommen. Der Treiber heute ist ganz klar das autonome Fahren.

Franz Füreder: Kunststoffbauteile werden intelligenter. Hierfür haben wir Lösungen, die das sehr gut unterstützen.

Bei der Herstellung der charakteristischen Niere des BMW iX wird eine beheizbare Funktionsfolie mit Polycarbonat hinterspritzt und mit Polyurethan überflutet. Welche besonderen Anforderungen stellen beispielsweise die immer häufiger integrierten Elektronikkomponenten in Exterieur-Bauteilen bei Automobilen an ihr Clearmelt-Verfahren?

Egger: Für den Überflutungsprozess selbst macht es keinen großen Unterschied, ob es sich um eine reine Dekorfolie oder eine Folie mit elektronischer Funktionalität handelt. Die Herausforderung ergibt sich eher für die Automatisierung, die Werkzeugtechnik und den Spritzgießprozess. Für die Auslegung des Teilehandlings muss die Art der Folie berücksichtigt werden. Die Fragen lauten unter anderem: Wie dick ist die Folie? Ist sie biegeschlaff oder formstabil? Für den Werkzeugbauer sind die Anschlüsse entscheidend. Ein Stecker beispielsweise, der bereits mit der Folie verbunden ist, aber nicht überspritzt werden darf. Eine weitere Frage ist: Wie halte ich die Folie im Werkzeug? Beim Spritzen des Trägers gilt es, die Folie nicht zu beschädigen.

Wie kritisch sehen Sie den Einfluss der Polyurethan-Schicht beim Einsatz Ihrer Technologie bei Exterieur-Bauteilen, wenn die IMD-Folie beim autonomen Fahren funktionale Aufgaben übernimmt?

Egger: Das Oberflächenmaterial darf die Funktionalität nicht abschwächen. Dies haben die Materialhersteller bei der Entwicklung berücksichtigt. Interessant sind vor allem die Vorteile, die die Polyurethan-Schicht für die Funktionalität bietet. Das Überfluten mit Polyurethan direkt im Spritzgießwerkzeug macht es möglich, eine absolut reproduzierbare, glatte Oberfläche mit einer gleichmäßigen Wanddicke herzustellen. Dies ist wichtig für den Einsatz von optischen Sensoren.

Fürder: Die Polyurethan-Schicht schützt das Bauteil vor mechanischen Beschädigungen. Kratzer auf der Oberfläche zum Beispiel können die Funktionsfähigkeit von Sensoren reduzieren. Die Polyurethan-Schicht aber heilt kleinere Oberflächenbeschädigungen selbst und ist unempfindlicher gegen Steinschläge. Das ist eine der Stärken der Clearmelt-Technologie, die vor allem im Fahrzeug-Exterieur punktet: Die Sensoren funktionieren über einen langen Zeitraum zuverlässig. Damit verlängert sich die bisher übliche Lebensdauer solcher Bauteile.

Welche zusätzlichen Anforderungen stellt das Arbeiten unter Reinraumbedingungen an ihre Technologie?

Fischer: Für den Clearmelt-Prozess macht es keinen Unterschied, ob die Anwendung in einem Reinraum oder in nicht regulierter Umgebung läuft. Der Reinraum ist oft erforderlich, um die Oberflächen frei von Staub zu halten. Staubpartikel auf der Folie wären nach dem Überspritzen sichtbar. Mit dem Reinraum wird der produktionsbedingte Ausschuss minimiert.

Füreder: Ein Spezifikum von Exterieur-Anwendungen ist, dass es sich in der Regel um große Spritzgießmaschinen handelt, die entsprechend auch große Reinräume erfordern. Um dennoch eine hohe Flexibilität sicherzustellen, haben wir schon mehrfach Reinräume mit verschiebbarer Decke projektiert. So lässt sich der Reinraum sehr einfach oberhalb des Werkzeugeinbauraums öffnen, was das Rüsten vereinfacht.