Grün, blau, orange-farbiges Partikelschaum-Spielgeräte.

Tamju, ein neues Spielgerät aus Partikelschaum. (Bild: alle Redaktion )

Die Partikelschaumverarbeitung ist ein im Markt etablierter Prozess, mit dem täglich unzählige Produkte wie Transportkisten, Faszienrollen, Verkleidungsteile, Kinderspielzeug, Isolierungen, Schuhsohlen und viele Dinge mehr hergestellt werden. Die Partikelschaumperlen, aus denen die Produkte bestehen, werden mit Dampf verschweißt, für dessen Erzeugung und den Transport ins Werkzeug eine aufwendige Peripherie notwendig ist. Die Werkstoffe werden zunehmend für Gegenstände des täglichen Bedarfs und somit im Sichtbereich eingesetzt. Daher finden Aktivitäten statt, die ein Produkt wertiger erscheinen lassen und dessen Haptik angenehmer machen. Hierfür werden Werkzeugoberflächen beispielsweise mit Laserstrukturen versehen. Diese sorgen dafür, dass Perlenstruktur, Zwickel und die Abdrücke der Dampfdüsen beim Blick auf die Oberfläche in den Hintergrund treten. Die additive Fertigung von Werkzeugen für das Partikelschäumen bietet die Gelegenheit für den nächsten Schritt hinsichtlich der erzielbaren Oberflächenstruktur. Denn dieses Fertigungsverfahren ermöglicht es, feinverdüste Werkzeugeinsätze bis hin zu Werkzeughälften zu drucken, bei denen die Dampfdüsen, in diesem Fall wohl besser als Dampföffnungen bezeichnet, in jeder Form und Einsatzgeometrie durch die Textur der Oberfläche kaschiert werden.

Zwei blaue Faszienrollen.
Die Evolutionsstufen des entwickelten Spielgeräts. (Bild: Redaktion)

Warum es sich lohnt, Bewährtes neu zu denken

Mann in gelber Sicherheitsweste bedient Monitor.
André Rauscher beim Erläutern der Prozessparameter. (Bild: Redaktion)

Das Potential dieser kompakten 3D-gedruckten Werkzeuge war am Markt schnell erkannt, stellte die Verarbeiter von Partikelschäumen jedoch vor eine neue Herausforderung. Denn zwischen den Standardformteilautomaten und der Medienversorgung bestand mit der vergleichsweise kleinen Form ein nicht nur rein optisches Missverhältnis. Marcus Schmiedeck, Geschäftsführer von WSVK, die seit 2007 Partikelschäume verarbeitet, fasst seine ersten Eindrücke wie folgt zusammen: „Es war, als würde mit Kanonen auf Spatzen geschossen und uns wurde klar, dass für diese Werkzeugtechnik auch die Anlagentechnik überdacht werden muss.“ Die im Einsatz befindliche Anlagentechnik war in Bezug auf Medienführung, Größe der Dampfkammer und der Aufspannplatten sowie der Ventilregelung zu grob, schwerfällig und langsam für die filigranen Werkzeuge, sodass das Potenzial der neuen Werkzeugtechnik nicht annähernd ausgeschöpft werden konnte. Dies hatte zur Folge, dass die Reproduzierbarkeit des Fertigungsprozesses und damit der Teilequalität nicht sichergestellt werden konnte. Einige Versuchsreihen später waren sich der sächsische Verarbeiter und der oberfränkische Werkzeug- und Maschinenbauer Siegfried Hofmann einig, dass die Möglichkeiten, die sich durch die neuen Werkzeuge bieten, vielfältig sind, jedoch einer angepassten Maschinentechnik bedurften. Deshalb fasste Stefan Hofmann, Geschäftsführer Siegfried Hofmann, 2018 den Entschluss, mit dem erfahrenen Verarbeiter aus Oederan an seiner Seite, eine passende Maschine zu entwickeln, die kompakt wie eine Spritzgießmaschine sein sollte und mit der ressourcenschonend Partikelschäume verarbeitet werden können. Das Ergebnis dieser Zusammenarbeit ist die im Jahr 2021 von Siegfried Hofmann am Markt eingeführte Bead Machine. „Ich sehe die Maschine für uns als Verarbeiter in verschiedener Hinsicht zukunftsweisend. Die Anforderungen an Oberflächenqualität und verwendete Materialien werden in der Partikelschaumverarbeitung weiter steigen. Neue Maschinenkonzepte können eine entscheidende Rolle dabei spielen, diesen Anforderungen gerecht zu werden“, erläutert Marcus Schmiedeck, der eine der beiden Prototypenanlagen in seiner Fertigung betreibt. Gerade bei den Partikelschäumen, die auf technischen Kunststoffen beruhen, kommen die klassischen Formteilautomaten im Hinblick auf Dampfdruck und Temperatur an ihre Grenzen. Doch auch in Bezug auf den fortschreitenden Fachkräftemangel werden Anlagen mit stabilen Prozessen sowie hohem Automatisierungsgrad immer wichtiger, führt Schmiedeck weiter an. André Rauscher, Senior Projektleiter bei Siegfried Hofmann sagt: „Wir sehen die Bead Machine nicht als Konkurrenz zu den am Markt verfügbaren Formteilautomaten, sondern wir möchten eine andere Klientel bedienen.“ Hierbei denkt der Maschinenbauer an höherwertige Produkte und an Erzeugnisse, die mit der heutigen Anlagentechnik nicht umgesetzt werden können, in der Zukunft aber vom Markt gefordert werden, wie etwa Leichtbauteile, die statt in Spritzguss- in Partikelschaumtechnologie gefertigt werden. Die beiden Partner können sich vorstellen, dass zukünftig Spritzguss- und Partikelschaumteile im gleichen kunststoffverarbeitenden Betrieb hergestellt werden. Beispielsweise wird im Spritzguss eine Komponente aus PP hergestellt, die anschließend in der Partikelschäummaschine mit EPP (expandiertes Polypropylen) umschäumt wird. Auf diese Weise entstehen leichte Monomaterialbauteile, bei denen der Schaum für die Gewichtsersparnis sorgt und die gespritzte Komponente die Stabilität bringt. Diese verkettete Fertigung beim Kunststoffverarbeiter wäre durch die Maschine aus Lichtenfels möglich, da bei ihr die standardmäßig vorhandene Medienversorgung Wasser und Strom) der Spritzgussverarbeiter genutzt werden kann und lediglich ein elektrischer Dampfer-zeuger zusätzlich notwendig ist. Eine kleine Stellfläche neben der Maschine reicht dafür aus, ein Kesselhaus ist nicht notwendig.

Deshalb ist die Erfahrung des Mittelstandes wichtig

Das Verarbeiten von den Standardpartikelschäumen gelang zwischenzeitlich sehr gut, sodass nach einem ‚anspruchsvolleren‘ Werkstoff Ausschau gehalten wurde. Und hier kam das dritte mittelständische Unternehmen, der Compoundeur für thermoplastische Elastomere Allod aus dem mittelfränkischen Burgbernheim ins Spiel. Das Unternehmen hatte auf der K 2019 einen Partikelschaum aus ETPS (expandierbare, thermoplastische Styrol-Blockcopolymere) vorgestellt, der bei der Verarbeitung ein enges Prozessfenster besitzt und deshalb auf der neuartigen Maschine getestet werden sollte. „Es geht nicht alleine darum, die Verarbeitbarkeit eines Materials sicherzustellen, sondern es sollten zukunftsgerichtete Produkte mit hoher Qualität daraus entstehen können. Daher entwickeln wir wie auch in diesem Fall Materialien für Produkte“, führt Alexander Heinze, Anwendungstechniker bei Allod, aus. Schmiedeck ergänzt: „Allod besitzt die gleiche Denkweise wie wir, ist offen für Neues, und was besonders wichtig ist für uns, dieser Materialhersteller scheut sich nicht vor Kleinmengen und hat keine Angst vor Farbe.“ Somit hatten sich drei mittelständische Unternehmen mit kurzen Entscheidungswegen und Innovationskraft gefunden, was eine gute Ausgangsbasis war, um gemeinsam ein neuartiges Wurfspiel zu realisieren. Hierfür waren die Erfahrungen in den drei Disziplinen Rohstoff, Werkzeug- und Maschinenbau sowie Partikelschaumverarbeitung notwendig, denn die Messlatte für Optik und Haptik sowie Beständigkeit der erzeugten Oberflächen lag hoch. Diese Eigenschaften sind bei einem Wurfobjekt sehr wichtig, da sowohl der Werfer als auch der Fänger eine griffige Oberfläche benötigt. Die Perlenstruktur durfte noch erkennbar sein, der fertige Artikel an sich sollte jedoch aussehen wie aus einem Guss. Daran, dass dies gelang, hat das Werkzeug einen erheblichen Anteil. „Das Griffstück wird in einem Werkzeug mit 3D-gedruckten Einsätzen hergestellt. Die Düsen- und Lochgeometrie für den Dampfeinlass waren auf die Anwendung optimiert, um die Strömungsverluste zu minimieren“, berichtet Rauscher. „Dies ist gerade bei den neuen Materialien wie dem ETPS wichtig, da hier die Parameter wie Zeit, Druck, Temperatur, Kühlzeit enger gefahren werden müssen. Deshalb ist es seitens der Anlage notwendig, dass diese Werte punktgenau kommen“, erklärt Schmiedeck.

Mann bei der Qualtitätskontrolle eines Griffstücks.
Marcus Schmiedeck überzeugt sich von der Oberflächenqualität des Griffstücks. (Bild: Redaktion)

Von Etappe zu Etappe

Ursprünglich sollte der Griff des Wurfspiels einen klassischen Aufbau erhalten – Aluminium-Innenrohr, Schaumschicht und Fixierung mit griffigem Klebeband. Doch die von WSVK vorgestellte Lösung – Innenrohr, das umschäumt wird und werkzeugfallend die Endoberfläche besitzt – hatte das Interesse des Start-ups Tamjusports aus Köln geweckt. Die sportliche Vorgabe bestand für die Projektpartner darin, eine griffige Oberfläche mit eingeprägtem Produktnamen und einer spiralförmigen Nut, die das Klebeband symbolisieren sollte, umzusetzen. Hier konnte der 3D-Druck seine Möglichkeiten hinsichtlich filigraner Strukturen, feinverdüster Oberfläche und dünner Werkzeugwandbereiche aufzeigen. Die gewünschte Haptik bringt der Partikelschaum mit. „Um die für die Anwendung geforderten mechanischen Eigenschaften zu erzielen, haben wir für das Herstellen der Perlen verschiedene Aufschäumtechnologien und Dichten getestet“, berichtet Heinze und weiter: „Da es sich um ein Spielgerät handelt, müssen verschiedene Kriterien eingehalten werden, unter anderem, dass die Spieler bei unbeabsichtigtem Kontakt unverletzt bleiben und das Spielgerät bei Bodenkontakt natürlich auch.“ Da die Entwicklungszeit für den Prototypen des Consumerprodukts sehr kurz war, werden die beiden Endscheiben derzeit noch aus handelsüblichem ETPU (expandiertes, thermoplastisches Polyurethan) gefertigt.
Soweit die Theorie. In der Praxis ist es schwierig, einen dampfundurchlässigen Festkörper von rund 30 cm Länge zu umschäumen. Daher gab es verschiedene Entwicklungsstufen. Zunächst wurden kurze Griffstücke ohne Innenrohr hergestellt, um den Fertigungsprozess zu erarbeiten. Anschließend wurde begonnen, Aluminiumrohre von 10 cm über 20 cm bis hin zur Endlänge zu umschäumen. Auf die jeweils nächstlängere Stufe wurde umgeschwenkt, nachdem mit der vorherigen alle Kriterien hinsichtlich Fertigungsprozess und Qualität erfüllt waren.

Schwarze Maschine in Produktionshalle.
Die Bead Machine benötigt im Vergleich mit den herkömmlichen Formteilautomaten eine kleine Stellfläche (circa 6 m²). (Bild: Redaktion)

Die Schaumperlen werden stirnseitig ins Werkzeug eingeblasen und müssen sich über den Umfang bis ans gegenüberliegende Ende gleichmäßig verteilen und versintern. Das Aluminiumrohr kann ohne Vorbehandlung der Oberfläche verwendet werden, da der Reibbeiwert des ETPS hoch ist und der Schaum beim Abkühlen auf das Rohr schwindet, sodass es im Gebrauch zu keiner Verschiebung zwischen den beiden Materialien kommt. Das Umschäumen des Rohres wurde deshalb angestrebt, um später in der Serienfertigung den Montageprozess einzusparen. „Außerdem soll in der laufenden Serie das Aluminiumrohr durch ein Handling ins Werkzeug eingelegt und das fertige Rohr entnommen werden. Das ist zwar im Spritzguss üblich, beim Partikelschaumverarbeiten jedoch noch nicht“, berichtet Rauscher. Um dies zu ermöglichen, ist bei Hofmann ein Automationsmodul in Entwicklung, in das ein 6-Achs-Roboter integriert sein wird, der schnelle Handlingsschritte ausführen kann. Im Fall des Griffstücks wäre somit eine vollautomatische Fertigung eines Partikelschaumteils möglich, denn die technischen Möglichkeiten und die Sensibilität der Bead Machine lassen dies zu. „Die Maschine öffnet über einen Spindelantrieb, sodass die Toleranzen hinsichtlich der Werkzeugposition und Plattenparallelität bei einem hundertstel Millimeter liegen“, führt Rauscher weiter aus. Diese Genauigkeit ist mit einem Kniehebel oder einem hydraulischen Antrieb, wie diese in Standardschäumautomaten eingesetzt werden, nur bedingt wiederholt erzielbar.

Drei Kunststoffdosen mit orangen, blauen und grünen Schaumperlen.
Die Schaumperlen wurden für das Sportgerät in frischen Farben eingefärbt. (Bild: Redaktion)

Die Way2K-Interviewreihe:

Hand mit Recyclingzeichen in der Hand
(Bild: Ourteam - stock.adobe.com)

Bis zur K-Messe 2022 sind es zwar noch einige Monate, nichtsdestotrotz können Sie die verbleibende Zeit investieren und einen Blick in die bisherigen Interviews aus der Way2K-Reihe des VDMA werfen. Hier gelangen Sie zur Übersicht.

Mann mit Brille vor Schaubild.
Alexander Heinze, Anwendungstechniker bei Allod. (Bild: Redaktion)

Wir entwickeln Materialien speziell für die Anwendung, damit neue Ideen umgesetzt werden können.

Nur leicht oder auch grün?

Die Maschinen in Oederan werden mit grünem Strom und Gas betrieben, sodass das Spielgerät klimaneutral gefertigt wird. Der CO2-Fußabdruck des Werkstoffs wird noch ermittelt und auch die Maschine trägt einen Anteil, den es noch zu bestimmen gilt, daran. Dieses Vorhaben könnte sich als Projekt im Projekt entwickeln, da die Partner bei Serienstart den CO2-Fußabdruck beziffern können möchten.

Quelle: zu WSVK

Blaue Partikelschaum Elemente mit Anschnittkante.
Die ersten Schäumversuche wurden an einer kleinen Platte durchgeführt, bevor das Werkzeug für das runde Griffstück gedruckt wurde. Auf 12 Uhr ist am Griffstück der stirnseitige Materialeinlass zu erkennen. (Bild: Redaktion)

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