D er Werkstoff Polyurethan. Vom Schaumstoff bis zum Strukturbauteil

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1 PUR-TECHNIK Vom Schaumstoff bis zum Strukturbauteil KU Reaktive Verarbeitung. Die Entwicklungen sind geprägt durch eine Vereinfachung der Maschineninstallation und eine benutzerfreundlichere Bedienung. Hinzu kommen eine zunehmende Flexibilisierung und Individualisierung der Produktionsanlagen. Durch eine kundenindividuelle Kombination verschiedener Prozesse werden neue Produktideen realisierbar. Mit der Sprühtechnik für Schwerschichten und dem Sprühimprägnieren von Faserhalbzeugen wurden zwei interessante Technologien erarbeitet D er Werkstoff Polyurethan (PUR) begegnet uns in unterschiedlichsten Erscheinungsformen und Anwendungen, ohne dass er wirklich wahrgenommen wird. Dabei haben gerade die Polyurethanschäume wie kein anderer Werkstoff zum hohen Komfort im Automobil wie auch in unserem Alltag beigetragen. Sitzschäume, Lenkräder, Dämpfer, Instrumententafeln, Schuhsohlen, Teppichhinterschäumungen, Kühlschrankisolierung und Matratzen sind nur einige wenige der bekannteren geschäumten Erscheinungsformen dieser Werkstoffgruppe. Daneben existieren aber auch zahlreiche Anwendungen, in denen Polyurethane als ungeschäumte Werkstoffe verarbeitet werden. Hierzu zählen u.a. Seitenschweller und Kotflügel sowie großflächige, mit Glasfasern versteifte Strukturen für Dachmodule oder Ladeböden und naturfaserverstärkte Strukturen in der Türseitenverkleidung im Pkw, aber auch erste Pilotanwendungen als foliendekorierte Motorhauben, beispielsweise für Landmaschinen. Weiterhin bilden die Polyurethane die Basis für zahlreiche Lack- Bild 2. Werkzeugkonzept des SkinForm- Verfahrens (Foto: Krauss-Maffei) Bild 1. Kompakte und modular gestaltete Dosiermaschine, Typ TopLine HK (Foto: Hennecke) systeme und Sprühfilme, wie sie im Innen- und Außenbereich im Automobilbau eingesetzt werden. Ebenso vielfältig wie die Erscheinungsformen und Anwendungen sind die verfahrenstechnischen Lösungen zur Verarbeitung von Polyurethan. Dieser Artikel gibt einen Überblick über interessante technische Neuerungen, die in den vergangenen zwei Jahren, beginnend mit der K- Messe 2004 [1], der Öffentlichkeit vorgestellt wurden. Der Artikel kann dabei aufgrund der Fülle an Anwendungen und technischen Lösungen keinen Anspruch auf Vollständigkeit erheben. Der Fokus liegt auf der PUR-Maschinen- und Dosiertechnik sowie auf Neuerungen im Bereich der Mischkopftechnologie, der Werkzeugtechnik und der Nach- bzw. Weiterbearbeitung. Maschinen- und Dosiertechnik Plug&Play war eines der Schlagworte der K 2004 im Bereich der PUR-Verarbeitungsmaschinen. Der Trend geht bei allen großen Maschinenanbietern klar in Richtung kompakter, modular gestalteter Dosiermaschinen, die ohne großen Installationsaufwand in Betrieb genommen werden können. Mit der TopLine HK hat die Hennecke GmbH, St. Augustin, bei den Reaktionsgießmaschinen ihre über Jahre praxisbewährte HK-Maschinentechnik im Hinblick auf optimalen Kundennutzen überarbeitet (Bild 1). Das Maschinenkonzept überzeugt 176 Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 10/2006

2 PUR-TECHNIK durch einen vollständig modularen Aufbau und eine einfache Installation. Schon ab Werk ist die Maschine so ausgestattet und vorbereitet, dass Zusatzfunktionen wie Farboder Pentandosierung mit geringem Aufwand nachgerüstet werden können. Der italienische Maschinenhersteller Cannon, Trezzano sul Naviglio/MI, hat mit der A-Compact-Baureihe ebenfalls ein kompaktes und gut zugängliches Maschinenkonzept für unterschiedlichste Anwendungen geschaffen. Die Anlagen decken ein breites Spektrum an Austragsleistungen ( g/s) ab und sind so gestaltet, dass sie mit minimalem Installationsaufwand in Betrieb genommen werden können. Der Anwender hat die Wahl zwischen verschiedenen Ausführungen, bei denen entweder manuell, über die Regelung der Frequenz oder automatisch die Einstellung der Austragsleistung und der Düsen vorgenommen werden kann. Bild 3. Volumenmesssystem für Zahnradpumpen (Foto: VSE) Die RIMStar Minidos Dosieranlage von Krauss-Maffei, München, fällt ebenfalls in die Kategorie Kompaktanlagen mit modularer Bauweise. Die Anlage benötigt nur eine kleine Aufstellfläche und bietet durch unterschiedliche Pumpenausstattungen Austragsleistungen im Bereich von 3 bis 150 g/s. Die Münchener Maschinenhersteller nutzen darüber hinaus erfolgreich die hausinternen Synergien, um den RIM-Prozess mit dem Spritzgießprozess in einer Maschine zu vereinen. Der klassische Hochdruckmischkopf ist dabei an der beweglichen Werkzeughälfte in einer Spritzgießmaschine angeflanscht. Hierdurch kann in einem Werkzeug auf ein und derselben Maschine ein thermoplastischer Träger mit einer kratzunempfindlichen lederähnlichen PUR-Oberfläche hergestellt werden. Durch Umsetzen des Schiebewerkzeugs wird der thermoplastische Träger gleich im Anschluss an den Spritzgießprozess mit der Polyurethanoberfläche veredelt (Bild 2). In Kooperation mit der Sarnamotive Schenk GmbH, Esslingen, wurde hierfür ein Werkzeugkonzept entwickelt, das zudem die Herstellung gratfreier Bauteile ermöglicht. Die Rühl Puromer GmbH, Friedrichsdorf, brachte bei der Bereitstellung der Polyurethanformulierung für diese als SkinForm bezeichnete Anwendung ihr Know-how ein und stellte ein PUR-System zur Verfügung, das ohne zusätzliches Trennmittel in der Form auskommt. Daneben treten aber auch zunehmend kleinere Hersteller mit innovativen Maschinenkonzepten auf den Markt. So präsentierte beispielsweise die LED, Villers-La-Montagne/ Frankreich, vor kurzem eine eigene PUR-Dosiermaschine. Bisher lag das Kerngeschäft der Firma im Bereich der Wartung und Reparatur von Hochdruckanlagen. Überzeugen konnte das neue Maschinenkonzept durch eine einfache Handhabung und zahlreiche durchdachte Detaillösungen. Einen ähnlichen Werdegang weißt die DMS Mimm, Kierspe, auf. Der in der Maschinenwartung namhafte Betrieb produziert inzwischen ebenfalls eigene PUR-Verarbeitungsanlagen mit ei- V Kunststoffe 10/

3 PUR-TECHNIK nem eigenen Mischkopf. Die Anlagen beider Firmen lassen sich auch mit Mischköpfen anderer Hersteller betreiben. Die Hilger u. Kern GmbH, Mannheim, setzt mit ihrem Topmodell Eldomix 603 neue Maßstäbe im Bereich der Zahnraddosieranlagen. Durch ein eigens entwickeltes Dichtungs- und Pumpenkonzept können die Mannheimer nun auch Drücke bis 200 bar mit Zahnradpumpen realisieren. Die Regelung der Volumenströme erfolgt dabei über Messeinrichtungen, die unmittelbar vor dem Statikmischer eingebaut sind. Damit ist eine präzise Regelung der tatsächlichen Austragsmengen und eine exakte Einhaltung der Mischungsverhältnisse möglich. Mit der tragbaren Eldomix 001 hat Hilger u. Kern zudem eine extrem kompakte Niederdruck-Labordosieranlage neu im Sortiment. Die mit Fallbehältern und Zahnradpumpen ausgestattete Maschine ergänzt das Maschinenangebot unterhalb der El- Bild 4. Lückenlos beheizte Niederdruckdosieranlage, Typ Swissmini Thermo (Foto: ATP) Bild 6. Mischkopf für empfindliche, nicht abrasive Füllstoffe, Typ FPL/3 in SoliStreamTechnology (Foto:Cannon) domix 101 und ist als günstige Einstiegsmaschine für die Verarbeitung von Reaktionskunststoffen oder als Versuchsanlage hervorragend geeignet. Das Unternehmen nutzt darüber hinaus in seinen Maschinen ein innovatives hochpräzises Messsystem, das unter dem Namen High Definition Flow Meter auf der Utech 2006 [2] von der VSE Volumentechnik GmbH, Neuenrade vorgestellt wurde (Bild 3). VSE bietet mit dem System erstmalig eine sehr viel feinere und damit genauere Auflösung des geförderten Volumens einer Zahnradpumpe an, als dies bisher mit herkömmlichen Impulsgebern und einer einfachen mathematischen Verfeinerung möglich ist. Dabei machen sich die Entwickler von VSE den sinusförmigen Verlauf des induktiven Signals beim Durchtritt eines Pumpenzahns unter dem Sensor zu Nutze.Aus diesem Signalverlauf lassen sich echte, exakte Intervalle ermitteln, die eine genauere Berechnung der geförderten Menge erlauben. Hiermit lassen sich auch extrem hochviskose Medien wie z.b. 2K-Klebstoffe absolut exakt dosieren. Die schweizerische ATP Kunststofftechnik AG, Herisau, zeigte auf der K 2004 mit der Swissmini Thermo (Bild 4) eine lückenlos beheizte Niederdruckanlage in sehr kompakter Bauform, die für Temperaturen bis 160 C geeignet ist. Die Leitungen sind mittels einer Schlauch-in-Schlauch- Technologie bis zum ebenfalls beheizten Mischer temperierbar ausgeführt, wodurch eine exakte Einhaltung der gewählten Temperatur gewährleistet ist. Weiterhin setzen die Bild 5. Hochdruckmischkopf mit automatischer druckgesteuerter Justierung, Typ Re.Co Air-System (Foto: Cannon) Schweizer bei dieser Anlage auf ein wiederverwendbares X-Mischersystem, das mit geringsten Spülmittelmengen (2 g) und geringen Materialverlusten (ca. 8 g) je Spülzyklus auskommt. Standardmäßig realisiert die Anlage Mischungsverhältnisse bis 100:10 bei Austragsleistungen von bis zu 10 l/min, wobei auch geringe Schussgewichte (bis 2 g) exakt dosiert werden. Das Sprühen von Polyurethanen hat sich in jüngster Vergangenheit zu einem zunehmend interessanten Thema entwickelt. Insbesondere das Sprühen von akustisch wirksamen Schwerschichten, aber auch das Imprägnieren textiler Verstärkungsstrukturen mittels PUR-Sprühauftrag ist Gegenstand aktueller Entwicklungsarbeiten bei verschiedenen Maschinenanbietern. So stellte im Frühjahr dieses Jahres die Hennecke GmbH ihren Kunden ein voll ausgestattetes Sprühzentrum vor. Es ermöglicht sowohl das Sprühen von Schwerschichten als auch den Sprühauftrag von langfaserverstärkten Schichten und das Imprägnieren von Fasermatten. Dabei sind die verschiedenen Prozesse dank eines durchdachten Mischkopfkonzepts beliebig miteinander kombinierbar. Ein detaillierter Bericht wurde in [3] gegeben. Mischtechnologie Bei der Mischkopftechnik geht es stets um das Einhalten exakter Mischungsverhältnisse auch unter schwierigen Bedingungen, wie bei geringen Schussgewichten oder hohen Viskositäten. Dabei gilt es einmal mehr, eine gute Vermischung der Komponenten zu gewährleisten. Darüber hinaus stellt die Online- Einarbeitung von Füllstoffen und die Verarbeitung mehrkomponentiger Systeme im Schussbetrieb eine Herausforderung dar, der die Maschinenspezialisten unterschiedliche Konzepte entgegenstellen. Ein innovatives Mischsystem zur Verarbeitung von Dichtungsschäumen entwickelte die Rampf Dosiertechnik GmbH & Co. KG, Zimmern. Mit dem neuen Niederdruckmischkopf kann das Unternehmen mit längeren Wartungsintervallen bei gleichzeitig verbesserter Präzision aufwarten. Möglich ist das durch den Einsatz von Keramik-Ventilelementen mit 178 Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 10/2006

4 PUR-TECHNIK Bild 7. Vollelektrische Stanzmaschine für die Nachbearbeitung (Foto: Krauss-Maffei) Eine ähnliche Lösung entwickelte die ebenfalls in Italien ansässige OMS-Group,Verano Brianza/MI. Unter dem Namen ECO-Fillers Blending & Metering Unit ist eine Maschinenvariante erhältlich, mit der im Hochdruckverfahren die feste Komponente zudosiert werden kann. Im Bereich der Weichschaumverarbeitung stellt der ebenfalls zur K 2004 präsentierte 6-Komponentenmischkopf MK18/22 ULP-6CN-G von Krauss-Maffei eine Neuerung dar. Mit ihm wird ein schneller Komponentenwechsel möglich. Eine intelligente Steuerung und ein Bypassblock erübrigen die Abschaltung der nicht benötigten Komponentenpumpen und gewährleisten so kurze Schaltzeiten und stellen sicher, dass die gewählten Drücke stets schnell zur Verfügung stehen. Maschinensteuerungsund Überwachungstechnologie Bei der Steuerung der Maschinen und Prozesse steht eine einfache, benutzerfreundliche Schnittstelle im Vordergrund der Entwicklungsarbeiten aller Anbieter. Zudem werden Systeme entwickelt, die insbesondere in der Blockschaumfertigung dem Verarbeiter neue Möglichkeiten an die Hand geben, seine Prozesse zu überwachen und regelnd einzugreifen. Hennecke präsentierte auf der K 2004 mit der anfangs bereits erwähnten TopLine HK ebenfalls eine überarbeitete Steuerung der Anlage. Die inzwischen bewährte Wintronic- V einhergehender Reduzierung der Mischkopfbauteile und durch elektromechanisches Schalten der Dosierventile. Die in der Schweiz ansässige Dosiplast AG, Trübbach, zeigte auf der K 2004 mit einem dynamisch mischenden Sechskomponentenmischer für ihre Niederdruckanlagen ihre jüngste Entwicklung im Bereich der PUR-Verarbeitungstechnik. Mit diesem Mischer ist es möglich, bis zu sechs Komponenten ohne Vormischung auf Niederdruckanlagen zu kombinieren. Mit dem Re.Co Air-System hat das italinische Unternehmen Cannon das bewährte hydraulische Re.Co.-System zur automatischen druckgesteuerten Justierung der Düsennadelposition bei seinen Hochdruckmischköpfen verbessert. Das auf der K 2004 vorgestellte System kommt ohne die platz- und kostenintensive Hydraulik aus (Bild 5). Für Anwendungen mit empfindlichen, nicht abrasiven Füllstoffen (z. B. Blähgraphit), bietet Cannon mit der Soli- StreamTechnology und dem FPL/3-Mischkopf ein neues Mischkopfkonzept an. Hier wird ein hochgefüllter zweiter Polyolstrom in Auslaufrichtung des Mischkopfs einer konventionellen Mischkammer zugeführt. Diese Technologie ermöglicht es, den Füllstoffanteil von Schuss zu Schuss zu variieren (Bild 6). HEINRICH DREHER GmbH & Co. KG Maschinenbau Zieglerstr Aachen Tel.: +49 (0) 2 41 / Fax: +49 (0) 2 41 / info@dreher-aachen.de Kunststoffe 10/

5 PUR-TECHNIK Steuerung zeichnet sich durch eine einfache und stimmige Gliederung und eine sehr gute Benutzerführung aus. Hierzu gehören u. a. klar gestaltete Übersichtsgrafiken, die dem Benutzer auf Knopfdruck die wichtigsten Betriebsdaten der gesamten Maschine anzeigen. Eine detaillierte Hilfefunktion unterstützt bei der Beseitigung von Störungen. Weiterhin offerierte Hennecke mit der CellControlTechnology (CCT) der Blockschaumindustrie ein leistungsfähiges Instrument zur Zellsteuerung von Etherund Esterschaumstoffen. Das System, welches flexibel Zellgrößen von ppi gezielt in der laufenden Blockschaumproduktion einstellen und sicher reproduzieren kann, wurde ebenfalls bereits auf der K 2004 vorgestellt. Die Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, bietet mit dem jüngst wieder auf der Utech 2006 in einem Fachbeitrag [4] vorgestellten Expertensystem den Blockschaumverarbeitern ein Hilfsmittel zur Prozessdatenerfassung und Prozesssteuerung an. Kontrolliert und überwacht werden beispielsweise das online gespeicherte Mischungsverhältnis der verschiedenen Komponenten, die Steighöhe und das Querschnittsprofil des Blockschaums. Durch diese Online- Erfassung wird eine automatische Anpassung der Schaumqualität in der laufenden Produktion möglich. Werkzeugtechnik und -systeme Im Bereich der Werkzeugfördersysteme lösen flexible Systeme, die das Aus- und Einschleusen von Werkzeugen in der laufenden Produktion erlauben, die starren Systeme zunehmend ab. Mit dem Pit-Stop-System ermöglicht es Cannon, das Reinigen und Bestücken von Schäumformen losgelöst von der Taktzeit des Transportsystems zu gestalten. Aufwändige und komplexe Bestückungsvorgänge limitieren die Zykluszeit nicht länger, so dass wieder die Reaktionszeit zur Zykluszeit bestimmenden Größe wird. Autonome Transporteinheiten ermöglichen zudem eine flexible Produktion von unterschiedlichen Produkten auf der gleichen Ovalanlage. Ähnliches ermöglichen Anlagen von Hennecke im Bereich der Kühlmöbelfertigung mit dem CoreFlex-System. Es können bis zu vier Kerne in der laufenden Produktion gewechselt werden und erlauben so die schnelle Umrüstung auf andere Modelle oder die Reinigung/Reparatur der Kerne. Hierdurch werden die Flexibilität und die Maschinenverfügbarkeit beim Kunden deutlich erhöht. Nachbearbeitung und Recycling Zum diesjährigen Sommerforum von Krauss-Maffei stellte die jüngst gegründete KM- Tochter Tooling Technologies, Harderberg/Viersen, als Studie erstmals eine vollelektrisch betriebene Stanzmaschine zum Ausstanzen und Entgraten von PUR-Formteilen vor. Tooling Technologies komplettiert damit das Angebot der Münchener Reaktionstechnikspezialisten zum Systemlieferanten für PUR-Fertigungszellen inkl. der Formwerkzeuge und der Konfektioniertechnik. Bei der in kürzester Zeit umgesetzten Entwicklung flossen viele Kenntnisse aus dem Bereich der vollelektrisch angetriebenen Spritzgießmaschinen ein. Die Maschine stellt 200 kn an Stößelkraft zur Verfügung. Die Kraft wird hier durch zwei Servoantriebe mit Präzisionsspindeln erzeugt. Die Vorteile dieser Stanztechnologie sind vor allem eine gute Kontrolle des Stanzprozesses, ein sehr niedriger Geräuschpegel, kompakte Baumaße, der deut- Bild 8. Recyclinganlage zur Herstellung von Platten aus flockigem oder körnigem PUR-Material, Typ Ecobelt (Bild: TecMac) lich niedrigere Energieverbrauch und die günstigere Einstufung in der Gefährdungsklasse (Arbeitssicherheit) (Bild 7). Angesichts der sich in der Vergangenheit rasant entwickelnden Rohstoffpreise erscheinen Ansätze zum stofflichen und rohstofflichen Recycling auch bei Polyurethanen immer interessanter. Neben der bereits erwähnten Zudosierung gemahlener Füllstoffe bzw. PUR-Rezyklate werden auch Lösungen angeboten, um flockige oder körnige Produktionsabfälle oder zerkleinerte Ware wieder zu verwenden. Dazu bietet die in Italien ansässige Firma TecMac, Galliate/NO, mit dem Ecobelt- System eine Rohstoff sparende Technologie zum Recyceln von Abfällen vernetzter Kunststoffe an. Die flockigen oder körnigen Produkte werden einer Art Doppelbandpresse zugeführt, deren Bän- 180 Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 10/2006

6 PUR-TECHNIK der sich unterschiedlich schnell bewegen. Durch diesen Geschwindigkeitsunterschied werden die Abfälle zwischen den Bändern in Rotation versetzt und auf diese Weise gleichzeitig mit den Komponenten des Binders benetzt (Bild 8). Im Anschluss werden die benetzten Partikel zu Platten verpresst und stehen so neuen Anwendungen zur Verfügung. Ein Ansatz zum rohstofflichen Recycling ist das Sovolyseverfahren der Firma H&S Anlagentechnik GmbH, Sulingen, mit dem es möglich ist, aus PUR- und PET-Abfällen Polyole definierter Kettenlänge zu erzeugen. Dieses Recyclingpolyol kann mit einem Anteil von bis zu 50 % mit Neuware gemischt und zu hochwertigen Produkten verarbeitet werden. Fazit LITERATUR 1 Schlumm, M.: Raum für Schaum K2004. Kunststoffe 94 (2004) 12, S Schlumm, M.; Bister, H.; Meyer, F.: Utech 2006: PURisten unter sich. Kunststoffe 96 (2006) 7, S Schlumm, M.: PUR-Technik: Neue Möglichkeiten entdecken. Kunststoffe 96 (2006) 9, S Ehbing, H.; Zien, H.: Innovative online process control for flexible foam production. Proceedings of the UTECH Europe Conference, Maastricht/Niederlande 2006 SUMMARY KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL From Expanded Foam to Structural Part PU TECHNOLOGY. Developments here are characterised by simplification of the machinery and user-friendly ease of operation. In addition there is increased flexibility and specialisation in production plants. By combining different processes specific to the customer new product ideas are achievable. Two novel technologies of interest take the form of spray technology for heavy layers and spray impregnation of semi-finished fibre-reinforced products. NOTE: You can read the complete article by entering the document number PE on our website at Die Entwicklungen der letzten Jahre sind in jedem Fall geprägt durch eine Vereinfachung der Installation der Maschinen und eine benutzerfreundlichere Bedienung. Hinzu kommt eine zunehmende Flexibilisierung und Individualisierung der Produktionsanlagen. Durch eine kundenindividuelle Kombination verschiedener Prozesse sei es die Kombination verschiedener Sprühprozesse, wie sie von Hennecke vorgestellt wurde oder die Kombination mit anderen Kunststoffprozessen, wie beispielsweise dem Spritzgießen, wie es durch Krauss Maffei demonstriert wurde werden neue Anwendungen und Produktideen realisierbar. Darüber hinaus sind mit der Sprühtechnik für Schwerschichten und dem Sprühimprägnieren von Faserhalbzeugen zwei sehr interessante neue Technologien erarbeitet worden, die sicher in Zukunft zahlreiche neue Produkte mit Polyurethan als Werkstoff hervorbringen werden. Michael Schlumm, Florian Meyer 2 Anforderungen : 1 Lösung Kunststoffe 10/