WEIDMANN PLASTICS TECHNOLOGY AG smart plastic systems engineered with passion, delivered worldwide

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1 WEIDMANN PLASTICS TECHNOLOGY AG smart plastic systems engineered with passion, delivered worldwide KONSTRUKTIVE BAUTEILAUSLEGUNG VON METALLFOLIEN- HINTERSPRITZTEN KUNSTSTOFFKOMPONENTEN 3. Innovationsforum Verfahrensintegration 04./05. Juli 2012, Dortmund WEIDMANN PLASTICS TECHNOLOGY AG A Member of the WICOR Group WPT AUTOMOTIVE & INDUSTRIAL

2 INHALTSVERZEICHNIS Vorstellung WEIDMANN Warum Bauteile in Hinterspritztechnik herstellen? Wie werden solche Bauteile erfolgreich ausgelegt? Welche Kriterien müssen bei der Konstruktion beachtet werden? Fazit Konstruktive Bauteilauslegung von metallfolienhinterspritzten Kunststoffkomponenten 2

3 INHALTSVERZEICHNIS VORSTELLUNG WEIDMANN Warum Bauteile in Hinterspritztechnik herstellen? Wie werden solche Bauteile erfolgreich ausgelegt? Welche Kriterien müssen bei der Konstruktion beachtet werden? Fazit Konstruktive Bauteilauslegung von metallfolienhinterspritzten Kunststoffkomponenten 3

4 WICOR WEIDMANN INTERNATIONAL CORPORATION Weltweit tätige Technologiezuliefergruppe in den Bereichen ELECTRICAL TECHNOLOGY und PLASTICS TECHNOLOGY Gründungsjahr 1877 Umsatz 2011: 560 MCHF (VJ: 605) Plastics Technology 60% Mitarbeitende 2011: 3650 (VJ: 3650) Plastics Technology 30% Privat gehalten 4

5 WICOR WELTWEIT 5

6 WEIDMANN ELECTRICAL TECHNOLOGY AG Produktbereiche 3. Innovationsforum Verfahrensintegration Power Distribution End User Board Komponenten 6

7 WEIDMANN PLASTICS TECHNOLOGY AG 3. Innovationsforum Verfahrensintegration Automotive & Industrial Division Medical Division Strategische Technologiefelder Marktsegmente 7

8 INHALTSVERZEICHNIS Vorstellung WEIDMANN WARUM BAUTEILE IN HINTERSPRITZTECHNIK HERSTELLEN? Wie werden solche Bauteile erfolgreich ausgelegt? Welche Kriterien müssen bei der Konstruktion beachtet werden? Fazit Konstruktive Bauteilauslegung von metallfolienhinterspritzten Kunststoffkomponenten 8

9 WELCHE GRÜNDE FÜHREN ZUM EINSATZ VON ECHTMETALL- FOLIEN IM KUNSTSTOFFVERBUND? Markterfordernisse Trend zu hochwertigen, exklusiven Oberflächen Premiumanspruch in allen Segmenten Truth-in-Materials Ökonomische Zwänge Verfahrensintegration Funktionsintegration Ökologische Erfordernisse Schonender Ressourceneinsatz Gewichtsreduzierung ggü. Metallblech CO 2 -Einsparung Quelle: Quelle: Quelle: 9

10 HINTERSPRITZTE ECHT-METALL-DEKORTEILE SIND TECHNISCH SEHR ANSPRUCHSVOLLE KOMPONENTEN! Welche wesentliche Vorteile entstehen durch den Einsatz der Hinterspritztechnologie? Funktionsintegration Prozessintegration Verbessertes Erscheinungsbild Arbeitssicherheit Welche Stellgrössen gibt es, um die Qualität von hochwertigen Metalloberflächen sicherzustellen? Werkzeugeinflüsse Prozesseinflüsse Bauteilkonstruktion Einfallstelle Materialschwächung Scharfe Schnittkanten Falten Spritzguss 10

11 GLIEDERUNG Vorstellung WEIDMANN Warum Bauteile in Hinterspritztechnik herstellen? WIE WERDEN SOLCHE BAUTEILE ERFOLGREICH AUSGELEGT? Welche Kriterien müssen bei der Konstruktion beachtet werden? Fazit Konstruktive Bauteilauslegung von metallfolienhinterspritzten Kunststoffkomponenten 11

12 DIE BAUTEILAUSLEGUNG VON METALLDEKORTEILEN MUSS VÖLLIG ANDERS ERFOLGEN ALS BEI STANDARD-BAUTEILEN! Detaillierte Kenntnisse der einzelnen Komponenten sind erforderlich Metallauswahl Edelstahl oder Aluminium Haftvermittler Kunststoffauslegung Genaue Kenntnis der komplexen Kernprozesse ist notwendig Blechumformung Hinterspritzen dünner Metallfolien Die Verbundeigenschaften müssen ganzheitlich betrachtet werden Bi-Metall-Effekt Berücksichtigung wichtiger Konstruktionskriterien Auslegungshinweise DO s & DONT s 12

13 DAS RICHTIGE AUSBALANCIEREN DER DREI KERN- KOMPONENTEN FÜHRT ZUM ERFOLG Metall- Materialeigenschaften Haftvermittlersystem Thermoplastische Materialeigenschaften 13

14 ZIELKONFLIKT BEI DER METALLAUSWAHL AUFGRUND DER UNTERSCHIEDLICHEN MATERIALEIGENSCHAFTEN Um- /Verformbarkeit Wärmeausdehnungskoeffizient α Medienbeständigkeit / Korrosion Oberflächenqualität Optische Anmutung EDELSTAHL Hohe Umformbarkeit, aber grosser Einfluss der Gefügestruktur 16.0 x 10-6 K -1 kein zusätzlicher Oberflächenschutz notwendig widerstandsfähig warmer Edelstahlfarbton ALUMINIUM Gute Umformbarkeit bei geringer Streckgrenze 23.8 x 10-6 K -1 Schutzlack *) notwendig Risiko: ungeschützte Schnittkanten relativ weich ggf. Schutzlack *) kühler Aluminiumfarbton *) Konflikt zwischen Lackhärte (Schutzfunktion) und Duktilität (Verformbarkeit) WEIDMANN it is not allowed to duplicate, copy or distribute this presentation partially or completely. 14

15 DER HAFTVERMITTLER IST DAS BINDEGLIED ZWISCHEN METALL UND KUNSTSTOFFMATRIX Aufgrund der unüberschaubaren Vielfalt an Haftsystemen ist eine gezielte Auswahl entscheidend, da kein System auf dem Markt alle technischen Anforderungen erfüllt Abstimmung Haftsystem auf Metall Einflüsse Kunststoff auf Haftsystem Herstellprozess Metall-Haftvermittler-Verbund Erfüllung der Eigenschaften, wie Haftung, besonders im Randbereich Schlagzähigkeit Medienbeständigkeit Klima-Wechsel Interieur-Anforderungen 15

16 IM REGELFALL IST EINE EIGENE MATERIALENTWICKLUNG NOTWENDIG, UM DAS RICHTIGE TRÄGERMATERIAL ZU FINDEN Wichtige Auslegungsparameter bei der Materialfindung Wärmeausdehnungskoeffizient α Ziel: Schwindung Ziel: Festigkeit / Steifigkeit Ziel: ähnliches Ausdehnungsverhalten wie eingesetzte Metallfolie geringe Schwindung zur Vermeidung von Spannungen im HV Ausreichende Stabilität Anbindungen der Befestigungselemente Zusätzliche Anforderungen für Einstiegsleisten Kälteschlagzähigkeit Eindruckhärte Medienbeständigkeit 16

17 NUR DURCH EIN EXAKTES PROZESSVERSTÄNDNIS LASSEN SICH DIE HOHEN QUALITÄTSANFORDERUNGEN ERFÜLLEN FOLIENUMFORMUNG Zu berücksichtigende Merkmale bei der Blech -Umformung Grenzen für Faltenbildung Grenzen für Reissen Grenzen für Glanzänderungen bei hohem Dehnungsgrad Rückfederung nach der Blechumformung HINTERSPRITZEN Einflussfaktoren beim Hinterspritzen dünner Metallfolien Prozessführung während Spritzgiessen Einflüsse auf die Oberflächenqualität Handling der empfindlichen Dekore WERKZEUGAUSLEGUNG / - TECHNIK Besonderheiten bei Werkzeugauslegung Angussposition Angussauslegung Schieberposition /-form Auswerferpositionen 17

18 DÜNNE METALLFOLIEN HABEN EIN ANDERES UMFORM- VERHALTEN ALS NORMALE BLECHE Materialdaten für die Umformsimulation von Metallfolien können nicht aus Standarddatenbanken verwendet werden Aufwendige Versuchsreihen zur Datengenerierung Bestimmung Materialeigenschaften im mehrachsigen Zugversuch Darstellung des Formänderungsvermögens Proben zur Bestimmung der Hauptformänderung ϕ2 durch Variation der Blechstreifenbreite (je Versuch ein Wert für ϕ2). Grenzformänderungsschaubild Quelle: R.Scheich, Institut für Umformtechnik, Universität Stuttgart 18

19 ERMITTELUNG GRENZFORMÄNDERUNGSSCHAUBILD AM BEISPIEL EINES LADEKANTEN-EINLEGERS Bestimmung des Formänderungsvermögens im Messrasterverfahren Verformung des Messrasters aufgrund der Zug- und Druckspannungen im Blech nach der Umformung Ableitung der tatsächlichen Umformung bis zum Riss = maximale Umformung (Grenzformänderung). Faltenbildung Gefahr von Reißen/ Orangenhaut Ermittlung der Reißlinie aus Versuchen Faltenlinie und Orangenhautlinie aus eigenen Erfahrungen/Bauteilen Orangenhaut: Definition der Grenze, was akzeptiert werden kann. Durch Formänderungsanalyse dieses Grenzbauteils Ermittlung der Grenze für meine Blechstärke und meine Verhältnisse Basis für aussagekräftige Simulationen 19

20 GLIEDERUNG Vorstellung WEIDMANN Warum Bauteile in Hinterspritztechnik herstellen? Wie werden solche Bauteile erfolgreich ausgelegt? WELCHE KRITERIEN MÜSSEN BEI DER KONSTRUKTION BEACHTET WERDEN? Fazit Konstruktive Bauteilauslegung von metallfolienhinterspritzten Kunststoffkomponenten 20

21 UNTERSUCHTE EINFLÜSSE DER BAUTEILKONSTRUKTION UND WERKZEUGAUSLEGUNG AUF DIE BAUTEILQUALITÄT Entformungswinkel Klein Gross Rippenposition Angussnah Angussfern Rippenform Schmal Breit Rippenhöhe Flach Hoch Rippenlage Quer zur Fliessrichtung In Fliessrichtung Domformen Kreisförmig Kreuzförmig Wandstärke (variabel) Dünn (1 : 0.4) Dick (1 : 1) 21

22 VERIFIKATION DER KONSTRUKTIONSMERKMALE MITTELS EINEM PROTOTYPEN-WERKZEUG Aufbau Versuchswerkzeug Variabel einstellbare Wandstärke (Deckfläche) Verschiedene Einsätze für Angussvarianten Versuchsdurchführung Systematische Versuchsplanung unter Verwendung von DoE s, um Einflüsse Spritzgiessprozess zu minimieren 22

23 AUSWERTUNG DER VERSUCHE FÜHREN ZU KEINEM EINDEUTIGEN BILD Entformungswinkel Rippenposition Rippenform Rippenhöhe Rippenlage Domformen Wandstärkenverhältnis Versuchskonstellation Edelstahlfolie: d = 150 µm WPT Standardkunststoffmaterial Ergebnisse Übliche Richtlinien für kunststoffgerechtes Design sind nur bedingt anwendbar Weitere untersuchte Einflussfaktoren, z.b. Dicke Metallfolie, eingesetzter Kunststoff, Angussgeometrien, führen zu Wechselwirkungen Pauschalaussagen nur bedingt möglich Einflussbewertung sehr starker stark geringer sehr geringer kein 23

24 RÜCKSCHLÜSSE AUS DEN VERSUCHEN FÜR ZUKÜNFTIGE BAUTEILAUSLEGUNGEN DO s Versteifungselemente flache und schmale Elemente in Fliessrichtung angeordnet Wandstärkenverhältnis Empfehlung 0,7 Entformungsschrägen so gross wie möglich Fliessweglängen symmetrisch DON Ts Wandstärkenveränderungen Oberflächenabzeichnungen Materialanhäufungen Einfallstellen Hinterschnitte Schieber/Zwangsentformung führen zu Abzeichnungen Schlussfolgerung Einige Konstruktionsempfehlungen stehen im Widerspruch zueinander bzw. stören bei der Umsetzung technischer Notwendigkeiten. Eine endgültige Aussage kann daher nur mittels Versuche erreicht werden. 24

25 GLIEDERUNG Vorstellung WEIDMANN Warum Bauteile in Hinterspritztechnik herstellen? Wie werden solche Bauteile erfolgreich ausgelegt? Welche Kriterien müssen bei der Konstruktion beachtet werden? FAZIT Konstruktive Bauteilauslegung von metallfolienhinterspritzten Kunststoffkomponenten 25

26 FAZIT Bekannte Regeln der Kunststoffentwicklung sind nur bedingt einsetzbar und führen daher nur bedingt zum Erfolg. Eine entsprechende Absicherung mittels Versuchswerkzeug ist empfehlenswert Zur Herstellung hochwertiger Echtmetall-Dekorteile im Kunststoffverbund ist umfangreiches Know-How sowohl in der Metall- als auch in der Kunststoffverarbeitung notwendig WEIDMANN PLASTICS TECHNOLOGY AG hat die langjährige Erfahrung (>10 Jahre), um exklusive Dekorteile zu entwickeln und erfolgreich in Serie umzusetzen 26

27 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT 27