Hinterspritzen von dekorativen Metallblechen mit Kunststoff

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1 Workshop Heißkanaltechnik Seite: 1 Schnelle, kompetente Lösungen für die Kunststoffindustrie Hinterspritzen von dekorativen Metallblechen mit Kunststoff Kontakt: Kunststoff-Institut Lüdenscheid Dipl.-Ing. Marius Fedler Karolinenstr Lüdenscheid Tel.: / fedler@kunststoff-institut.de Internet: Und die Verbindung hält doch Aktuelle Arbeiten am Kunststoff-Institut Lüdenscheid (K.I.M.W.) beschäftigen sich damit, Kunststoff und Metall spritzgießtechnisch miteinander auf stoffschlüssiger Basis zu verbinden. Stand der Technik Wird ein Verbund zwischen einem Kunststoff- und einem flächigen Metallblech gefordert, lässt sich dieser mit gängigen Füge- und Verbindungsverfahren durch einen separaten Fertigungsschritt realisieren. Auch die Verbindung von Metallblechen unmittelbar durch den Spritzgießprozess ist ebenso bekannt wie beliebt, da ein kompletter Montagevorgang eingespart wird. Hierbei ist man allerdings auf eine formschlüssige Verbindung angewiesen, die durch Löcher im Blech oder durch die Anspritzung eines umlaufenden Kantenschutzes realisiert werden. Die Schmelze dringt durch den Einspritzprozess in die Löcher ein und bildet einen Nietkopf aus, der einen festen Verbund garantiert.

2 Workshop Heißkanaltechnik Seite: 2 Schnelle, kompetente Lösungen für die Kunststoffindustrie Labor Formteil- und Werkzeugoptimierung Produkte Aus- und Weiterbildung Verfahrensentwicklung Oberflächentechnik Qualitätsund Umweltmanagement Verfahrensund Messtechnik

3 Workshop Heißkanaltechnik Seite: 3 Hinterspritzen von Metallteilen Problemstellung Chemische Unähnlichkeit zwischen Kunststoff und Metall Stand der Technik Verbund wurde bislang über nachgeschaltete Füge- und Verbindungsverfahren realisiert Ziel Verlagern des Füge- und Verbindungsprozesses in das Spritzgießwerkzeug Modifizieren der metallischen Oberfläche Problemverbindung Kunststoff/Metall Handelt es sich bei der Blechoberfläche allerdings um eine Sichtfläche, scheidet dieses Verfahren oftmals aus, da aus Designgründen ununterbrochene Metalloberflächen gewünscht werden oder es zu Überspritzungen im Nietbereich kommt. Bei der Umsetzung eines Kantenschutzes führen Schwindungsspannungen insbesondere in den Randbereichen der Blechumspritzung zu Spannungsrissen. Eine rein stoffschlüssige Verbindung auf spritzgießtechnischem Wege scheiterte bislang aufgrund der chemischen Unähnlichkeit zwischen Kunststoff und Metall. Prozessketten verkürzen Das Kunststoff-Institut Lüdenscheid beschäftigt sich seit geraumer Zeit damit, den Fügeprozess in die Spritzgießmaschine zu verlagern. Ziel war es, durch eine Beschichtung der Metalloberfläche eine stoffschlüssige, hochbelastbare Verbindung zu erhalten. Hierzu wurden in der Vergangenheit vielfältige Untersuchungen mit sehr guten Ergebnissen durchgeführt. Der Nachteil dieser Arbeiten bestand jedoch darin, dass die Beschichtungen immer auf das ausgestanzte 3D-geformte Blechteil aufgetragen werden mussten. Diese Art von Beschichtungsprozessen ist in der Regel sehr kostenintensiv, so dass sich dieser Prozess nicht durchsetzen konnte.

4 Workshop Heißkanaltechnik Seite: 4 Anforderung an die Beschichtung Ausreichende Haftung auf dem Blechsubstrat Mischbarkeit mit dem zu umspritzenden Kunststoff Aufschmelzbarkeit / Benetzbarkeit durch die Schmelze Ausreichende Temperaturbeständigkeit (Umspritzprozess) Genügende Elastizität, um unvermeidbare thermische Spannungen zwischen Metall und Kunststoff auszugleichen bzw. Steifigkeit, um Kräfte zu übertragen Zum Zeitpunkt des Umspritzprozesses sollte die Beschichtung trocken sein Beschichtung muss sich stanztechnisch umformen lassen Lösung durch Coil-Coating-Verfahren Durch weiterführende Untersuchungen konnten Haftvermittler entwickelt werden, die auf dem Halbzeug, dem flächigen Coil, aufgetragen werden können. Diese Beschichtungen lassen sich auf alle gängigen metallischen Werkstoffe mit dem so genannten Coil-Coating-Verfahren großserientechnisch applizieren und sogar stanztechnisch umformen. Hierbei zeigen sich die Beschichtungen hinsichtlich der Stanz- und Umformeigenschaften als stark belastbar. Die durch den anschließenden Hinterspritzprozess hergestellten Verbindungen zwischen Kunststoff und Metall halten hohen mechanischen Anforderungen stand. Das Coil-Coating-Verfahren beinhaltet mehrere Prozessschritte bei denen der Haftvermittler für den späteren Hinterspritzprozess einseitig oder zweiseitig aufgetragen werden kann. Die Blechdicken können zwischen 0,2 mm und 2,5 mm und die Blechbreiten zwischen 2 mm und bis zu 650 mm variieren. Aufgrund der Kompexibilität der Anlagen werden in der Regel fertig beschichtete Coils von einem Dienstleister bezogen.

5 Workshop Heißkanaltechnik Seite: 5 Coil-Coating Prozess Beschichten der Blechteiloberflächen durch den Coil- Coating Prozess (einseitig) Quelle: ECCA Gruppe Deutschland E. V. Für Ihre Notizen: Quelle: Hühoco Metalloberflächenveredlung GmbH

6 Workshop Heißkanaltechnik Seite: 6 Coil-Coating Prozess Lösung durch Coil-Coating-Verfahren Quelle: Hühoco Metalloberflächenveredlung GmbH Durch weiterführende Untersuchungen konnten Haftvermittler entwickelt werden, die auf dem Halbzeug, dem flächigen Coil, aufgetragen werden können. Diese Beschichtungen lassen sich auf alle gängigen metallischen Werkstoffe mit dem so genannten Coil-Coating-Verfahren großserientechnisch applizieren und sogar stanztechnisch umformen. Hierbei zeigen sich die Beschichtungen hinsichtlich der Stanz- und Umformeigenschaften als stark belastbar. Die durch den anschließenden Hinterspritzprozess hergestellten Verbindungen zwischen Kunststoff und Metall halten hohen mechanischen Anforderungen stand. Das Coil-Coating-Verfahren beinhaltet mehrere Prozessschritte bei denen der Haftvermittler für den späteren Hinterspritzprozess einseitig oder zweiseitig aufgetragen werden kann. Die Blechdicken können zwischen 0,1 mm und 2,5 mm und die Blechbreiten zwischen 2 mm und bis zu 650 mm variieren. Aufgrund der Komplexibilität der Anlagen werden in der Regel fertig beschichtete Coils von einem Dienstleister bezogen.

7 Workshop Heißkanaltechnik Seite: 9 Hinterspritzen von Metallteilen Vorversuche: Mit PP stoffschlüssig hinterspritzte Edelstahlbleche Quelle: Kunststoff-Institut Lüdenscheid Um die technische Umsetzung zu bewerten, wurden im Vorfeld praktische Hinterspritzversuche an Materialkombinationen wie z.b. ABS Edelstahl, PP Aluminium und PA Edelstahl durchgeführt. Die Vorversuche zeigen eine höchst belastbare Verbindung auch für dreidimensional verformte Metallbleche.

8 Workshop Heißkanaltechnik Seite: 10 Grenzschicht Schliff an einem hinterspritzten ABS -Edelstahlverbund Kunststoff Metall Für Ihre Notizen: Quelle: Kunststoff-Institut Lüdenscheid

9 Workshop Heißkanaltechnik Seite: 11 Tiefziehen Stanztechnisch umgeformte Coil-Coating Bleche Quelle: Kunststoff-Institut Lüdenscheid Für Ihre Notizen: Edelstahl PP µm Edelstahl PA elektr. Leitfähig Einschichtsystem 10µm Edelstahl PA 5 µm Grundlack 10 µm Decklack

10 Workshop Heißkanaltechnik Seite: 12 Optimieren der Verzugneigung Variante 1 Verfahrensparameter Massetemperatur: 260 C Werkzeugwandtemperatur: 90 C Einspritzzeit: ca. 2,1 sec. Nachdruck/-zeit: 450 bar / 3s Musterplatte: Material: Bayblend T85 Wanddicke: 2,6 mm Einleger: Wanddicke: 0,4 mm E-Modul: N/mm² Querkontraktionszahl: 0,29 Auf 60 C vorgewärmt

11 Workshop Heißkanaltechnik Seite: 13 Optimieren der Verzugneigung Gesamtverformung (Schwindung + Verzug) Variante 1

12 Workshop Heißkanaltechnik Seite: 14 Optimieren der Verzugneigung Gesamtverformung (Schwindung + Verzug), Z-Komponente Variante 1 Gesamtdurchbiegung: ca. 29 mm

13 Workshop Heißkanaltechnik Seite: 15 Optimieren der Verzugneigung Materialkombination: ABS Edelstahl 0,4 mm Durchbiegung: ca. 18 mm

14 Workshop Heißkanaltechnik Seite: 16 Optimieren der Verzugneigung Materialkombination Elastollan C70 A5 HPM Edelstahl 0,4 mm Durchbiegung: ca. 0 mm

15 Workshop Heißkanaltechnik Seite: 17 Verswerkzeug: 3D-Bauteil Siemens Gigaset CL100 Tastaturblende und Display in Edelstahlausführung

16 Workshop Heißkanaltechnik Seite: 18 Verswerkzeug: 3D-Bauteil 1-Fach Spritzgießwerkzeug 2-Fach Heißkanal Direktanspritzung - Display- und Tastaturbereich Material: PA/ABS Schulablend M/MK ABS GP22 PC/ABS T65 PC Lexan 121R

17 Workshop Heißkanaltechnik Seite: 19 Prägen durch Hinterspritzung Hinterspritzung von 0,2 mm Edelstahlblech und 0,1 mm Aluminiumblech mit ABS mittels Filmanguss Abformung der auswerferseitig eingebrachten Strukturen Messbereich 3x3 mm Pyramidische Struktur Gewölbte Struktur Jeweils erhaben und vertieft

18 Workshop Heißkanaltechnik Seite: 20 Struktur des vertieften Werkzeugeinsatzes Einspritzrichtung Gewölbte Struktur des Einsatzes Gemessene Höhe= 0,244 mm Gemessene Breite= 1,695 mm

19 Workshop Heißkanaltechnik Seite: 21 Abformung des Edelstahlblechs Abb: Bauteil mit nicht optimal gewählten Verfahrensparametern Geringe Abformung des Edelstahlblechs Gemessene Höhe= 0,073 mm (Linienmessung Gemessene Breite= 1,678 mm (Linienmessung) Werte ermittelt an Bauteilen mit optimalen Verfahrensparametern

20 Workshop Heißkanaltechnik Seite: 22 Abformung des Aluminiumblechs Messartefakte Höhere Abformung als beim Edelstahlblech Gemessene Höhe= 0,238 mm Gemessene Breite= 1,673

21 Workshop Heißkanaltechnik Seite: 23 erreichbare Verbundfestigkeiten Verbundfestigkeiten für eine PA6GF30 ALMg3 Kombination 5000 N 4500 N 4000 N 3500 N Einspannung Kunststoff 3000 N 2500 N Maximalwert Minimalwert 2000 N 1500 N 1000 N 500 N N Versuch 12 Für Ihre Notizen: Versuch 13 Versuch 14 Versuch 15 Versuch 16 Variation der Verfahrensparameter Versuch 17 Einspannung Metall

22 Workshop Heißkanaltechnik Seite: 24 Hinterspritzen von Metallteilen Serientechnische Umsetzungen Für Ihre Notizen: Quelle: Porsche AG

23 Workshop Heißkanaltechnik Seite: 25 Anwendungsgebiete Hinterspritzte hochwertige Echtmetalloberflächen Fahrzeuginterieur Fahrzeugexterieur Haushaltsgeräte... hoch belastbare Kunststoff Metall Strukturbauteile Automotive- Frontends... Praxis: Mögliche Umsetzungen Metall Kunststoff Quelle: Hühoco GmbH Angewendet werden kann dieses Verfahren überall dort, wo hochwertige Echtmetalloberflächen kundenseitig mit einem Cool-Touch-Effekt gewünscht werden (z.b. Fahrzeuginterieurleisten) und rückseitig mit der Funktionalität von Kunststoff kombiniert werden sollen. Weitere interessante Umsetzungen könnten im Kunststoff-Metall- Strukturbauteilbereich wie z.b. Automotive-Frontends stattfinden. Da bisherige Umsetzung ausschließlich auf form- und kraftschlüssiger Verbindung basierten, könnte durch die stoffschlüssige Verbindung die Belastbarkeit der Verbundbauteile deutlich gesteigert werden. Ferner würden keine Spalte zwischen dem angespritzten Kunststoff und Metall existieren und somit keinerlei Feuchtigkeit durch Kapillarwirkung zwischen den Verbund treten, wodurch sich die Korrosionsanfälligkeit drastisch reduzieren würde.

24 Workshop Heißkanaltechnik Seite: 26 Schnelle, kompetente Lösungen für die Kunststoffindustrie Viel Spaß und weiterhin viel Erfolg!