Kratzfester Tiefeneffekt in einem Schritt

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1 Edle Hölzer verleihen dem Fahrzeuginnenraum eine luxuriöse Anmutung (Foto: Votteler) Kratzfester Tiefeneffekt in einem Schritt Oberflächentechnik. Speziell im Fahrzeuginnenraum können Designer ihre Kreativität entfalten, um die Emotionen des Autokäufers zu bedienen. Edle Hölzer beispielsweise vermitteln einen Hauch von Luxus. Ein Automobilzulieferer arbeitet nun daran, hochwertige und beständige Holzdekorteile kostengünstig zu fertigen. Dazu kombiniert das Unternehmen erstmalig die Thermoplast- mit der Reaktivund Holzverarbeitung in einer Fertigungszelle. PETER EGGER WOLFGANG NOWOTNY GERALD SCHÖFER U.A. G emesserte Edelholzfurniere mit natürlich gewachsenen Strukturen in Dicken von ca. 0,4 bis 0,7 mm sind das Eingangsprodukt, das die HIB Trim Part Solutions Bruchsal GmbH & Co. KG zu Zierblenden für Instrumententafeln, Mittelkonsolen oder Fahrzeugtüren verarbeitet (Titelbild, Bild 1). Jedes Furnierblatt ist ein Unikat, das von speziell geschultem Personal gesichtet wird, um die für die Weiterverarbeitung geeigneten Zonen zu markieren. Beim Zuschnitt wird penibel darauf geachtet, dass ARTIKEL ALS PDF unter Dokumenten-Nummer KU die Maserung für das jeweils vorgesehene Bauteil optimal zur Geltung kommt. Nur mit einem tiefgehenden Verständnis des Naturmaterials Holz lassen sich für die Herstellung größerer Flächen auch mehrere Furnierblätter optisch unsichtbar miteinander verbinden und für gewölbte Designoberflächen vorformen. Um solche Dekorelemente in einem Arbeitsgang mit einem Thermoplast zu hinterspritzen und zum Schutz der Oberfläche mit einem transparenten Polyurethan zu überziehen, präsentierte die Engel Austria GmbH unter dem Namen Clearmelt erstmals auf ihrem Symposium im Mai 2009 die Kombination einer Spritzgieß- mit einer PUR-Anlage. Gezeigt wurde damals die Herstellung von Dekorteilen für die Innenseite von Fahrzeugtüren (Bild 2). Entwicklungspart- > Bild 1. Im Clearmelt-Verfahren lassen sich Edelholzsichtteile wirtschaftlich herstellen (Foto: Votteler) 39

2 ner auf Seite des Werkzeugbaus und der Verarbeitung ist die Schöfer GmbH, Schwertberg/Österreich, exklusiver Projektpartner für die Polyurethantechnik ist die Hennecke GmbH, Sankt Augustin. Die Materialien stammen von der Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, und der Votteler Lackfabrik GmbH & Co. KG, Korntal-Münchingen. Schutzschicht und mehr Die Polyurethanschicht erfüllt mehrere Funktionen gleichzeitig. Im Vordergrund steht der Schutz der hochwertigen Oberfläche einerseits vor chemischen Angriffen, z.b. durch Sonnencreme oder Parfum, und andererseits vor mechanischen Beschädigungen durch Ringe, Uhren, Kugelschreiber oder Fingernägel. Wichtige Nebeneffekte sind der hohe Glanzgrad der Schutzschicht und der edle Tiefeneffekt, der schon bei einer dünnen Beschichtung entsteht. Nach dem aktuellen Stand der Technik gibt es prinzipiell unterschiedliche Verfahren, die Bauteile mit einer transparenten und optisch ansprechenden Schutzschicht zu überziehen. Lackieren: Die einfachste Möglichkeit ist das Lackieren, obwohl der Kunststoffträger für den mehrstufigen Prozess entfettet und gereinigt werden muss, bevor er per Roboter oder manuell mit ungesättigten Polyesterlacken überzogen wird. Meistens sind mehrere Durchgänge notwendig, da erst ab einer Schichtdicke von ca. 0,5 mm ein Tiefeneffekt entsteht. Die Pausen zwischen den einzelnen Lackierdurchgängen für das Anvernetzen der zuletzt aufgebrachten Schicht machen dieses Verfahren besonders zeitintensiv. In der Regel betragen die Zwischengelierzeiten um die 20 Minuten. Insgesamt benötigt eine Mehrschichtlackierung ca. drei Stunden. Hinzu kommt eine Aushärtungsphase von rund 72 Stunden, bevor Bild 2. Ob Tiefeneffekt (links) oder edles Holzdekor mit integrierten Funktionselementen (rechts): Die Clearmelt-Technologie bietet vielfältige Möglichkeiten des Produktdesigns (Fotos: Schöfer) das mit Übermaß gefertigte Bauteil auf die gewünschte Dimension geschliffen und aufpoliert werden kann. Weitere Nachteile sind die hohe Ausschussgefahr und der unvermeidliche Overspray. Ein Vorteil sind hingegen die großen Freiheitsgrade in der Bauteilgeometrie. ClearRIM: Um die Beschichtung in der gewünschten Dicke in nur einem Prozessschritt zu erreichen, lässt sich der Kunststoffträger in eine Kavität mit Übermaß einlegen und der verbliebene Hohlraum mit PUR ausfüllen. Dieses Verfahren ist unter dem Namen ClearRIM bekannt. Das Überfluten und Vernetzen dauert zwei bis drei Minuten, nach etwa 24 Stunden kann das Bauteil weiterverarbeitet werden. Ein Schleifprozess ist nicht erforderlich, Trennmittelrückstände werden durch Polieren entfernt. Neben der Zeitersparnis ergeben sich gegenüber der Mehrschichtlackierung weitere Vorteile: zum einen der effiziente Materialeinsatz, da es kaum Overspray und nur geringen Materialverlust durch Anguss und Entlüftung gibt, zum anderen lässt sich die Oberflächengüte bereits durch die Beschaffenheit des Werkzeugs steuern. Nachteilig bleibt die Mehrstufigkeit der Bauteilherstellung, denn der Kunststoffträger muss zuerst gefertigt, gelagert und zur Presse gebracht werden. Vor allem Bauteile mit vielen Rippen und Schraubdomen lassen sich nach dem Entformen nicht einfach wieder auf einen neuen Kern setzen. Dies ist nur mit Freistellung möglich, die in Einzelfällen zu Fehlstellen führt. Mehrkomponenten-Spritzgießen: Um den Träger gar nicht erst vom Kern entformen zu müssen, bietet sich das Mehrkomponenten-Spritzgießen an, wobei auch Lagerung und Handling des Grundträgers entfallen. Das Bauteil wird in einer Fertigungszelle fertiggestellt. Typische Materialien für den Träger sind PC+ABS sowie glasfaserverstärkte SAN- Typen. Für die transparenten Komponenten kommen vor allem PMMA oder PC zum Einsatz. Da simultan in beiden Trennebenen gearbeitet wird und die nötigen Aushärtungszeiten den bei Thermoplasten üblichen Kühlzeiten entsprechen, ist im Gegensatz zur Reaktivverarbeitung von Polyurethanen eine Zykluszeit von einer Minute realistisch. Zudem vereinfacht die vollthermoplastische Lösung das Recycling. Aufgrund der hohen Viskosität von Thermoplasten ist allerdings mit einer relativ dicken Beschichtung zu rechnen, wobei allzu lange Fließwege zu vermeiden sind. In manchen Fällen kann es sein, dass die Kratzfestigkeit des PMMA nicht ausreicht und das Bauteil zusätzlich lackiert werden muss. Ebenso ungewollt können die hohen Verarbeitungstemperaturen der thermoplastischen Formmassen leichte Farbveränderungen bei hellen Dekoren aus Echtholz verursachen. Alle drei Verfahren haben ihre Vor-und Nachteile. Ziel bei der Entwicklung des Engel-Clearmelt-Prozesses war es deshalb, die eigenschaftsspezifischen Vorteile des mehrstufigen Reaktivsystems mit der Effizienz des einstufigen Thermoplast-Mehrkomponenten-Spritzgießens zu verbinden. Was mit farbigen PUR- Schäumen bereits möglich war, sollte auch mit transparenten Materialien funktionieren. Werkzeuge mit einer neu entwickelten Abdichtung Die integrierte Fertigungszelle (Bild 3) umfasst eine Spritzgießmaschine mit Handlinggerät und die PUR-Anlage. Nach dem Schließen des Werkzeugs, in das zuvor eine Dekorfolie oder ein Holzfurnier eingelegt werden kann, wird der Thermoplast eingespritzt. Gegen Ende der Kühlzeit wird die PUR-Kavität mit einem Trennmittel eingesprüht und der Schiebetisch nach oben geschoben. In den Hohlraum zwischen Vorspritzling und PUR-Matrize wird nun das Polyurethan eingespritzt (Bild 4). Das Trennmittel ist notwendig, damit das Polyurethan nicht mit der Stahloberfläche verklebt und sich das fertige Bauteil leicht entformen lässt. Zykluszeitbestimmend ist die Vernetzung des Polyurethans, die im Falle der Zierblenden 80 bis 90 s benötigt. Typ- und anforderungsabhängig werden nach neuesten Entwicklungen in der Polyurethantechnik sogar Vernetzungszeiten von 40 s erreicht eine enorme Effizienzsteigerung gegenüber der gängigen Mehrschichtlackierung. Im Folgeprozess wird das Trennmittel durch 40 Carl Hanser Verlag, München

3 Bild 3. Die Fertigungszelle kombiniert eine Spritzgießmaschine mit einer PUR-Hochdruckanlage. Hennecke ist exklusiver Projektpartner von Engel für die Polyurethantechnik (Foto: Engel) Polieren von der Bauteiloberfläche entfernt. Bei Sichtteilen müssen zudem die Dichtkanten befräst werden. Da das Polyurethan erst in der Kavität als Reaktionsprodukt aus Polyol und Isocyanat entsteht, lassen sich Beschichtungen in sehr geringer Dicke aufbringen. Die beiden Reaktivkomponenten sind ebenso fließfähig wie Wasser. Der Clearmelt-Prozess kombiniert zwei sehr unterschiedliche Verarbeitungsverfahren in einem Werkzeug. Einerseits die Formgebung von Thermoplasten, die in der Regel trotz relativ hoher Verarbeitungstemperaturen von über 200 C hochviskos sind und somit erhebliche Drücke zur Füllung der Kavitäten benötigen; andererseits die Verarbeitung zweier erst kurz vor der Kavität zu vermischender Flüssigkeiten, die trotz einer vergleichsweise niedrigen Temperatur von unter 100 C niedrigviskos sind. Selbst wenn vom PUR-Hochdruckverfahren die Rede ist, sind die Drücke, die zum Einspritzen des Isocyanats und Polyols benötigt werden, im Vergleich zum Einspritzen von Thermoplasten gering. Schöfer entwickelte deshalb eine neue Klasse der Werkzeugabdichtung, um den ansonsten erforderlichen mechanischen Nachbearbeitungsaufwand gering zu halten. Bei komplexen Trennlinienverläufen sind die im Spritzgießwerkzeugbau üblichen Tuschierlösungen nicht ausreichend (Bild 5). Des Weiteren muss das Werkzeugkonzept an die unterschiedlichen Druckniveaus sowie die verhältnismäßig lange Reaktionszeit angepasst werden. So haben sich bei geringen Stückzahlen Schiebetischlösungen als wirtschaftlich erwiesen, während es für höhere Stückzahlen sinnvoll ist, simultan den Träger zu spritzen und in einer zweiten Station diesen mit PUR zu überfluten. Dafür kommen wie beim 2K-Spritzgießen Wendeplattenmaschinen zum Einsatz. Abhängig von der erforderlichen Ausbringungsmenge kann die PUR-Anlage auch mit mehreren Produktionszellen verbunden werden. Für die Integration des PUR-Mischkopfs und der erforderlichen Überlaufbereiche musste Schöfer bei der Werkzeugauslegung komplett umdenken und fand schließlich eine platzsparende Lösung. Kratzfestigkeit weiter verbessern Zu den Herausforderungen für die Lackhersteller gehört neben einer exzellenten > Bild 4. In einem Prozessschritt wird der thermoplastische Bauteilträger gespritzt (links) und im Anschluss (rechts) mit Polyurethan überflutet (Bild: Engel) 41

4 Bild 5. Die Verarbeitung zweier Komponenten mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften in einem Prozessschritt stellt hohe Anforderungen vor allem an den Werkzeugbau (Foto: Engel) Transparenz und Brillanz vor allem die Lichtbeständigkeit. Votteler bietet seine Polyurethansysteme (Typ: Puriflow) inzwischen in zwei Generationen an. Beide eignen sich für die Überflutung sowohl von Folien als auch Holzfurnieren und bestehen die Klima-, Belichtungs-und Beständigkeitsprüfungen der großen Automobilhersteller. Die erste Generation ist bei BMW, Audi und VW im Serieneinsatz. Mit der neuen Generation wurde die Kratzfestigkeit noch einmal verbessert. Das Ergebnis wird jeweils mit zwei Methoden geprüft. Mit dem Crockmeter bzw. nach Martindale wird die Oberfläche nach simuliertem Abwischen mit einem Tuch auf Mikrokratzer geprüft. In dieser Hinsicht verfügt das Puriflow-Material über einen durch Wärme initiierbaren Selbstheilungseffekt. Mit Erichsen-Prüfstäben wird auf Schmissbeständigkeit getestet, also auf Einzelkratzer, die z.b. durch Ringe, Schlüssel oder Fingernägel entstehen. Gleichzeitig werden an die Leistungsdaten der Thermoplaste hohe Anforderungen gestellt. So muss aufgrund der Transparenz der Deckschicht die Oberfläche des Trägers eine hohe Güte aufweisen, vor allem wenn der Thermoplast direkt ohne Folie oder Holzfurnier überflutet wird. Besonders anspruchsvoll sind Lösungen in Piano-Black-Anmutung mit Tiefeneffekt. Neue Entwicklungen verbessern die Haftung zwischen Thermoplast und Polyurethan. Manche Substrate wie Polypropylen lassen sich erst nach Aktivierung der Oberfläche durch Beflammen oder Corona-Prozesse beschichten. Auch die Abstimmung zwischen Folie und PUR-Rezeptur gilt es in manchen Kombinationen zu optimieren. Weit ist die Technologie inzwischen beim Überspritzen von Echtholzdekoren vorangeschritten, da man hier auf bestehende Erfahrungen aus den mehrstufigen Prozessen zurückgreifen kann. Bei der Verarbeitung heller Holzdekore hat das Überfluten mit PUR den Vorteil, dass farbverändernde Wärmeeinflüsse, wie sie das Überspritzen mit heißen Thermoplastschmelzen begleiten, vermieden werden. Ausblick: Cockpit ohne Knöpfe und Schalter Einen Schwerpunkt legen die Produktentwickler weiterhin auf die Integration von Funktionen in die zu hinterspritzende Folie (Bild 6). Erste Prototypen zeigte Bild 6. Der nächste Schritt ist die Integration von Funktionen in die zu hinterspritzende Folie. Damit eröffnet sich auch für die Haushaltsgeräte- und Unterhaltungselektronikindustrie ein großes Potenzial (Foto: plastic electronic) Engel während seines Symposiums. Dort wurden Folien (Hersteller: plastic electronic GmbH, Linz/Österreich) eingesetzt, die mit aufgedruckten kapazitiven Schaltungen versehen waren. Über eine Schnittstelle waren die Bauteile mit einem PC verbunden, wobei durch leichtes Berühren der Bauteiloberfläche bestimmte Funktionen am Bildschirm des Rechners dargestellt werden konnten. Inzwischen wurden Schaltfunktionen auch unter Echtholzfurnier realisiert. Dafür wurde in das Werkzeug ein Holzfurnier eingelegt, mit einem Thermoplast hinterspritzt und mit einer kapazitiven Folie versehen. Dieser Prozess kann auch in einem Spritzgießwerkzeug in einem Schritt erfolgen. Ein Cockpit ohne Knöpfe und Schalter mit elektrolumineszenter Symbolbeleuchtung rückt damit in greifbare Nähe. Bedienelemente können zukünftig in dünne Dekorelemente integriert werden, sowohl sichtbar als auch unsichtbar, und stets geschützt durch den Polyurethan- Überzug. Auch eine optische Rückmeldung mittels LED ermöglicht das transparente Material. Das Potenzial dieser Technologie ist immens und keineswegs auf die Automobilbranche begrenzt. Vor allem für Haushaltsgeräte und die Unterhaltungselektronik eröffnen sich neue Möglichkeiten für das Produktdesign. Hier werden auch Schwingungsabsorption und selbstheilende Oberflächen zukünftig eine große Rolle spielen. 42 Carl Hanser Verlag, München

5 Im Werkzeugbau befasst sich die Entwicklung bereits mit der Darstellung auch komplexer Strukturen sowie der Überflutung beweglicher Werkzeugelemente. Außerdem geht es darum, den Prozess in Zukunft noch wirtschaftlicher gestalten zu können. So wird beispielsweise an dauerhaften Werkzeugbeschichtungen gearbeitet, um bald auf die derzeit notwendigen Trennmittel verzichten zu können. Fazit Das Clearmelt-Verfahren kann durch Prozessintegration im Vergleich zu bestehenden Lösungen wie dem Mehrschichtlackieren, dem mehrstufigen ClearRIM- Prozess und dem Mehrkomponenten- Spritzgießen die Wirtschaftlichkeit der Fertigung steigern. Da die Investition für eine solche Anlage geringfügig über der für eine 2K-Spritzgießlösung liegt, die Materialkosten aber darunter, ist es immer eine Frage der geforderten Stückzahl, welche Variante günstiger umgesetzt werden kann. Das Verhältnis wird noch interessanter, wenn die PUR-Maschine auf mehrere Spritzgießanlagen aufgeteilt wird der über die gesamte Zykluszeit gesehen nur sekundenlange Eintrag des Polyol/Isocyanat-Gemisches in das Werkzeug eröffnet diese Option. Davon abgesehen erzielt die Kombination Thermoplast/PUR dünnere Wanddicken bei zugleich höherwertigen Oberflächeneigenschaften. ING. FRANZ FÜREDER, geb. 1961, ist Leiter der Business Unit Automotive der Engel Austria GmbH, Schwertberg/Österreich. HARALD KAPFENSTEINER, geb. 1975, arbeitet in der Anwendungstechnik Automobil und Technical Moulding bei Engel; DR. WOLFGANG NOWOTNY, geb. 1966, ist Abteilungsleiter im Entwicklungslabor Polyester- und IMC- Systeme der Votteler Lackfabrik GmbH & Co. KG, Korntal-Münchingen; DIPL.-ING. (FH) MARIO LANG, geb. 1974, arbeitet im Entwicklungslabor Polyester- und IMC-Systeme der Votteler Lackfabrik; GERALD SCHÖFER, geb. 1979, ist Geschäftsführer der Schöfer GmbH, Schwertberg/Österreich; SUMMARY SCRATCHPROOF DEPTH EFFECT IN ONE STEP SURFACE TECHNOLOGY. Particular in motor vehicle interiors, designers can give free rein to their creativity in order to serve the emotions of the car buyer. Fine woods, for example, impart a touch of luxury. One automotive industry supplier is now working on the lowcost production of high-quality, resistant decorative wood parts by combining for the first time thermoplastics processing with reactive and wood processing in a single manufacturing cell. Read the complete article in our magazine Kunststoffe international and on DIE AUTOREN DIPL.-ING. PETER EGGER, geb. 1971, ist Leiter Anwendungstechnik Großmaschinen der Engel Austria GmbH, St. Valentin/Österreich. DIPL.-ING. MICHAEL FISCHER, MBA, geb. 1968, ist Verkaufsleiter Technologien der Engel Austria GmbH, Schwertberg/Österreich. i Kontakt Engel Austria GmbH A-4311 Schwertberg TEL > Schöfer GmbH A-4311 Schwertberg TEL > Votteler Lackfabrik GmbH & Co. KG D Korntal-Münchingen TEL > 43

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