Leichtbauteile spritzgießen

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1 Fokus Leichtbauteile spritzgießen Weniger Gewicht durch Lösungen mit Multi-Material-Design

2 Auf einen Blick Enormes Potenzial: Durch steigende Kraftstoffpreise sowie die noch eingeschränkte Reichweite von Elektroantrieben ist Leichtbau etwa für die Transportlogistik hochinteressant. Kosteneinsparung, Effizienzsteigerung, Ressourcenschonung oder weniger CO2- Ausstoß: Leichtbau als Problemlöser ist in vielen Branchen ein wichtiges Zukunftsthema von Transport und Logistik über Medizin und Verpackung bis hin zur Gebäudetechnik. Reduktion des Teilegewichts bei gleichen oder besseren mechanischen Eigenschaften oder Substitution von Metallen lautet das Ziel. Hierfür sind innovative Spritzgießverfahren gefragt. Mit einem Netzwerk aus kompetenten Partnern und in enger Kooperation mit Hochschulen entwickelt ARBURG immer wieder neue Lösungsansätze für das Spritzgießen von Leichtbauteilen. Die Bandbreite reicht dabei von der funktionsspezifischen Produktgestaltung über die Modifikation von Verfahren und Kunststoffen bis hin zum Multi-Material- Design. Ergebnis sind serienreife Prozesse und Zusatzausrüstungen gepaart mit einer hohen Beratungskompetenz. Leichtbau: Aufgabenstellung mit verschiedenen Lösungsansätzen. Verfahren optimieren ProFoam Know-how Entwicklung Ideen Werkstoffe optimieren Funktionsintegration Multi-Material-Design Substitution von Metallen Netzwerke Forschung FDC Verfahren kombinieren PVSG Werkstoffe kombinieren Organobleche umspritzen /2015

3 Beispiel Automobil: ALLROUNDER Spritzgießtechnik und unser Know-how erschließen leichten Kunststoffen immer wieder neue Einsatzbereiche. Potenziale und Verfahren kennen Enormes Potenzial entwickelt der Leichtbau immer dann, wenn Produkte die gleiche oder höhere Belastbarkeit bei weniger Gewicht im praktischen Einsatz bieten. Dadurch werden signifikante Kosteneinsparungen schon bei der Herstellung, aber auch im täglichen Einsatz von Leichtbauteilen erreicht. Der Ersatz klassischer Materialien sowie eine effiziente Serienfertigung kommen als Vorteile hinzu. Ob Schaumspritzgießen, integrierte Faserverstärkung oder die Kombination mit anderen Werkstoffen wie Organoblechen und Partikelschäumen: ARBURG kennt die erzielbaren Einsparpotenziale und Grenzen von Verfahren genau. Technik verfahrensspezifisch auslegen Die universelle ALLROUNDER Spritzgießtechnik lässt sich mit detailliert abgestimmten Zusatzausrüstungen an unterschiedliche Leichtbau-Verfahren anpassen. Eigenentwicklungen sind durch intensive Zusammenarbeit mit Partnern entstanden, die über das notwendige, spezifische Technologie-Know-how verfügen. Gemanagt werden die meist komplexen Produktionsabläufe mit vor- und/oder nachgeordneten Bearbeitungsschritten, präzisem Spritzgießen sowie detaillierter Qualitätsüberwachung über die leistungsfähige SELOGICA Steuerung. Detailliert beraten lassen Das Spritzgießen von Leichtbauteilen ist eine komplexe Aufgabenstellung, die fundiertes technisches Wissen in unterschiedlichen Bereichen erfordert. ARBURG ist deshalb Partner in vielen Netzwerken, die sich mit der Optimierung von Verfahren oder Werkstoffen sowie deren Kombination beschäftigen. So wird Wissen grundlegend aufgebaut, etwa wenn es darum geht, wie sich technische und/oder Kostenvorteile am besten nutzen lassen. Auf diese Weise kann ARBURG seinen Kunden neben der Technik auch eine umfassende anwendungstechnische Beratungsleistung bieten. 09/

4 Verfahren optimieren: ProFoam-Schäumverfahren Schäumen faserverstärkter Kunststoffe: mit ProFoam ohne zusätzliche Scherung. Leichtbau mit Gewichtsreduktion Mit ProFoam lassen sich feinste Zellstrukturen im Bauteil bilden der Materialeinsatz wird effizient reduziert. Die dafür erforderliche, gasgefüllte Kunststoffmasse entsteht auf herkömmlichen Spritzgießmaschinen mit geringem technischem Zusatzaufwand und ohne weitere Peripheriegeräte. Der Materialbehälter wird durch eine patentierte Granulatschleuse für die kontinuierliche Zufuhr von Material und Treibfluid ersetzt, die Plastifiziereinheit mit einer Nadelverschlussdüse ausgerüstet und zusätzlich abgedichtet. Dadurch entsteht im Granulateinzug eine konstante Treibfluid Atmosphäre. Granulat und Schmelze werden so mit dem zum Schäumen benötigten Gas angereichert. Durch die in der Plastifiziereinheit herrschenden Temperaturen sowie die normale Drei-Zonen-Schnecke wird das Treibfluid homogen in der Schmelze gelöst. Die gemeinsame Erforschung und Weiterentwicklung des ProFoam-Verfahrens durch das IKV und ARBURG macht die Vorteile des Thermoplast-Schaumspritzgießens (TSG) einfacher und effizienter nutzbar. Bereits das Kunststoffgranulat wird mit einem Treibfluid (N 2 oder CO 2 ) in einer speziellen Granulatschleuse vor der Spritzeinheit angereichert. So lassen sich leichtere Spritzteile herstellen also Material einsparen aber auch Einfallstellen vermeiden sowie Schwindung und Verzug minimieren. Zusätzliches Plus: Faserverstärkte Kunststoffe werden ohne weitere Scherung verarbeitet. Elektrische/hydraulische ALLROUNDER A/S Säulenabstände: 270 mm mm Schließkräfte: 350 kn kn Spritzeinheiten: mit mittleren Schneckendurchmessern 4

5 Beispiel Schäumen mit neuen Mögllichkeiten Neben der einfachen und effizienten Schäumtechnik bietet das ProFoam-Verfahren weitere interessante Vorteile: Flexibler Einsatz: Die Maschinen sind ohne Einschränkung zum herkömmlichen Kompaktspritzgießen nutzbar. Einfache Prozessführung: Es muss nur eine zusätzliche Einstellgröße für den Treibfluiddruck berücksichtigt werden. Normale Schneckengeometrie ohne Mischteil: Faserverstärkte Kunststoffe unterliegen keiner zusätzlichen Scherung. Homogene Schaumstruktur Gehäuse für Airbag Material: PP-LGF (Langfasergranulat) Teilegewicht: 272 g bei 280 mm Länge Zykluszeit: 70 s Die dickwandigen Gehäuse werden aus einem faserverstärkten Kunststoff hergestellt. Durch Einsatz des ProFoam-Verfahrens werden Einfallstellen, Schwindung und Verzug nachhaltig verringert. Gleichzeitig reduziert sich der Materialverbrauch. Resultat ist ein effizienter Produktionsprozess, der hohe Bauteilfestigkeiten zu geringen Stückkosten ermöglicht: [g] g 18 % 272 g Kompaktspritzgießen ProFoam-Verfahren 5

6 Werkstoffe optimieren: Faser-Direkt-Compoundieren FDC-Einheit: Schnitt und Inline-Zuführung von Fasern in die flüssige Schmelze. Leichtbau mit hoher Festigkeit Beim FDC-Prozess werden Fasern direkt der flüssigen Schmelze zugeführt. So lassen sich die Belastbarkeit von Bauteilen steigern und Wandstärken reduzieren. Gegenüber Langfasergranulaten bietet der FDC-Prozess neue Möglichkeiten und interessante Vorteile: Gezielte Beeinflussung und Verbesserung von mechanischen Bauteileigenschaften Detaillierte Prozesseinstellung wie etwa von Faserlänge und Faseranteil möglich Zuführung längerer, individuell zugeschnittener Fasern Geringere Zerstörung der Fasern bei der Schmelzeaufbereitung Verwendung günstiger Ausgangsmaterialien Reduzierte Materialkosten um bis zu 45 Prozent Je länger die Fasern im Bauteil, desto besser dessen mechanische Eigenschaften. Bislang scheiterte die Verarbeitung längerer Fasern an den Limitierungen bei Materialaufbereitung und Dosierung bzw. an der Granulatform. Das von ARBURG und dem deutschen Kunststoffzentrum SKZ entwickelte Faser-Direkt-Compoundieren (FDC) schneidet endlose Glasfasern individuell und führt diese direkt der flüssigen Schmelze zu. Ergebnis ist ein wirtschaftliches Herstellungsverfahren, das zudem neue Ansätze zur Verstärkung von Kunststoffen eröffnet. Hydraulischer ALLROUNDER S Säulenabstände: 520 mm mm Schließkräfte: kn kn Spritzeinheiten: mit mittleren Schneckendurchmessern 6

7 (FDC) Beispiel Integrierte Faserverstärkung Ziel bei der Entwicklung des FDC-Verfahrens war die integrierte Faserverstärkung zu reduzierten Stückkosten. Eine servoelektrische FDC-Einheit trennt endlose Faserstränge in mm lange Stücke und führt diese der flüssigen Schmelze zu. Mit einer zweistufig aufgebauten Schnecke werden Fasern und Schmelze in einem speziellen Zylindermodul homogenisiert. Über eigene Symbole lässt sich der FDC Prozess einfach und flexibel programmieren. Darüber hinaus nutzt die SELOGICA Steuerung die Signale der FDC- Einheit auch zur Qualitätsüberwachung. Durch ihren abgeschlossenen Aufbau lässt sich die FDC-Einheit schnell umrüsten und universell einsetzen. Mit einem zusätzlichen Thermoplast-Zylindermodul bleiben die ALLROUNDER auch zum konventionellen Spritzgießen nutzbar. Testplatte Material: PP + Glasfaser Roving Teilegewicht: 300 g bei 500 mm Länge Zykluszeit: 58 s Untersuchungen wie die Vorveraschung einer Testplatte (im Bildhintergrund zu sehen) machen deutlich: Mit dem FDC-Prozess lassen sich lange Fasern in Spritzgießteile einbringen und so gezielt verstärken. Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften der Bauteile besteht deutliches Verbesserungspotenzial. Der FDC-Prozess ist jedoch eine komplexe Aufgabenstellung, die spezielles Know-how sowie einen ganzheitlichen Lösungsansatz erfordert: von der richtigen Auslegung von Bauteil und Technik bis zur Prozesseinstellung. Um Kunden hierzu umfassend beraten zu können, verfügt ARBURG über entsprechende Experten in der Anwendungstechnik. [%] 100 E-Modul Festigkeit Zähigkeit 0 Verbesserungspotenziale mit dem FDC-Prozess 0, Faserlänge [mm] 7

8 Werkstoffe kombinieren: Organobleche umspritzen Schritt 1: Roboter nimmt Organobleche auf und wärmt diese im Greifer vor. Schritt 2: IR-Strahler bringen Organoblech auf Umformtemperatur. Schritt 3: Roboter legt Organobleche in Spritzgießwerkzeug ein. Mit der Kombination aus Spritzgießen und dem Thermoformen von Organoblechen lässt sich das Festigkeitsniveau faserverstärkter Spritzteile weiter an heben. Durch die Integration von zusätzlichen Versteifungen über Rippen oder von Funktionselementen wie Befestigungen entstehen hoch belastbare, einbaufertige Produkte. Auf diese Weise lassen sich klassische Materialien wie etwa Metalle in vielen Einsatzfällen substituieren. Das Umspritzen von Organoblechen ist ein Verfahren mit enormem Potenzial für die Zukunft. Ein Stichwort genügt, um dies eindrucksvoll zu belegen: Die Elektromobilität /2015

9 Beispiel 4 5 Schritt 4: Organobleche werden im Werkzeug thermogeformt und umspritzt. Schritt 5: Roboter entnimmt die einbaufertigen Strukturbauteile. Demonstrator-Hebel Material: PP + Glasfaser Roving + Organoblech Teilegewicht: 202 g bei 500 mm Länge Zykluszeit: 40 s Leichtbau mit Multi-Material-Design Vorteile für den Einsatz glasfaserverstärkter Kunststoffe entstehen vor allem bei der Substitution von Metallen im Leichtbau. Organobleche kombinieren gezielt zwei oder mehrere Materialien miteinander, wobei sich deren mechanische Eigenschaften potenzieren. Die Endlosfasern im allgemeinen Glas, Carbon oder Aramid in Gewebe- bzw. Gelegeform verbessern Festigkeit wie Steifigkeit. Der Matrixwerkstoff ist im Verbund für die Kraftübertragung zwischen den Fasern verantwortlich und schützt die Verstärkungsstruktur vor Ausknicken oder Umwelteinflüssen. Generell wiegen Bau teile aus Organoblechen zwischen 30 und 50 Prozent weniger als solche aus Metall bei gleicher Dicke und ähnlichen mechanischen Eigenschaften. Auf diese Weise können sie dünner, steifer und mit einer höheren Festigkeit ausgelegt werden. Wichtig: Vollautomatischer Prozess Beim Umspritzen von Organoblechen geht es um die Herstellung serientauglicher Faserverbund-Leichtbauteile in einem voll automatisierten Durchlauf. Durch das Spritzgießen werden aus Organoblech-Zuschnitten einbaufertige, hochfeste Strukturbauteile. Dabei ist dieses Verfahren ideal für Großserienanwendungen, denn die erreichbaren Zykluszeiten sind die gleichen wie beim Spritzgießen. Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich aus der möglichen Kombination mit anderen Verfahren wie dem FDC-Prozess. Damit ergeben sich viele Ansätze etwa in den Bereichen Bauteilgestaltung oder Funktionsintegration. Der Demonstrator-Hebel kann beispielsweise als Schwinge für ein Fahrrad oder als Bestandteil der Sitzstruktur in PKWs eingesetzt werden. Das Bauteil besteht aus zwei unterschiedlich dicken Organoblechen. Diese werden in einem LIPA-Werkzeug (Lightweight Integrated Process Application) umgeformt und gleichzeitig werden mit dem FDC-Prozess Funktions- und Versteifungselemente hinzugefügt. Ergebnis ist ein hochfestes und leichtes Verbundbauteil mit dem Potenzial der Substitution von metallischen Werkstoffen. [g] g 62 % 202 g 0 Druckguss Verbundbauteil 09/

10 Verfahren kombinieren: Partikelschaum-Verbund Leicht, kräfteabsorbierend, dämmend: Die Zellstruktur von Partikelschäumen bietet interessante Eigenschaften für viele Anwendungen. Stoffschlüssige Verbindung: ideal für hohe Belastungen Beim Partikelschaum-VerbundSpritzgießen wird ein geschäumtes Formteil mit Kunststoff unlösbar verbunden. So lassen sich die positiven Eigenschaften von Partikelschäumen wie EPP oder EPS mit Thermoplasten wie ABS, PP oder TPE kombinieren. Der einzigartige Materialverbund erweitert die Funktionalität von Bauteilen erheblich und bietet Ihren Produktentwicklern Raum für völlig neue Anwendungsideen. Zusammen mit unseren Projektpartnern Ruch Novaplast und Krallmann öffnen wir dem Leichtbau mit diesem Verfahren viele neue, ungewöhnliche Wege. Leichtbau mit Funktionsintegration Während der Kunststoff in das Werkzeug eingespritzt wird, schmilzt die Oberfläche des eingelegten expandierten Polypropylens (EPP) oder Polystrols (EPS) definiert auf: Es entsteht eine feste und dauerhafte stoffschlüssige Verbindung zwischen beiden Komponenten. Die Verbundbauteile entstehen in einem Schritt. Das bedeutet integrierte Funktionalität ohne nachgelagerte Montage. Ideale Voraussetzung für eine wirtschaftliche Serienfertigung zu reduzierten Stückkosten. Das Multi-Material-Design aus Partikelschaum und Thermoplast eliminiert die Schwächen beider Werkstoffe und vereint deren Vorteile für funktionelle Leichtbauteile wie etwa: Stabile Verkleidungen mit geringem Gewicht Kräfteabsorbierende Griffe mit haptisch ansprechender Oberfläche Wärmedämmende Abdeckungen mit integrierten Befestigungsfunktionen Geräuschreduzierende, montagefreundliche Gehäuse Isolierende Produkte mit erhöhter Steifigkeit Partikelschaumteil Kunststoffteil + Geringes Raumgewicht + Hohe Kräfteabsorption + Hohe Wärmedämmung - Relativ hohes Raumgewicht - Geringe Kräfteabsorption - Geringe Wärmedämmung Eingeschränkte Oberfläche - Eingeschränkte Befestigungsmöglichkeiten + Funktionale Oberflächen + Vielfältige Befestigungsmöglichkeiten /2015

11 Spritzgießen (PVSG) Beispiel Kompakte Fertigungszelle: Sechs-Achs-Roboter verkettet Schäumanlage und ALLROUNDER. Speziell: Materialmix und Know-how Partikelschäume weisen eine Dichte zwischen 20 und 60 Gramm pro Liter auf. Entsprechend leicht sind die geschäumten Formteile, die auf speziellen Schäumanlagen entstehen. Damit diese sicher ins Werkzeug eingebracht und anschließend ohne Deformation oder Beschädigung umspritzt werden können, ist spezielles Know-how sowie spezielle Technik erforderlich: Detailliert abgestimmter Materialmix und passendes Programm für die Kombination beider Materialien Genaue und konturgetreue Partikelschaum-Einlegeteile Konturnahe und segmentierte Werkzeugtemperierung Speziell konzipiertes Angusssystem Sichere Handhabung und exakte Positionierung geschäumter Einlegeteile durch Robot-System Präzise geregelter, mehrstufiger Einspritzvorgang SELOGICA Steuerung integriert komplette Peripherie zur individuellen Prozesssteuerung Normiertes Verbundbauteil Material: EPP + PP Teilegewicht: 2,85 g Zykluszeit: 38 s Das normierte Verbundteil der NOVA Feed&Fix-Serie von Ruch Novaplast kann in einem weiteren Schritt z. B. in geschäumte Gehäuse oder Platten integriert werden. Damit lassen sich etwa Abdichtsysteme für Kabel und Sensoren oder für Heizungs-, Klima- und Lüftungsgeräte, Wasserauffangsysteme sowie montagefreundliche Dämmplatten realisieren. 09/

12 Säulenabstände bis 920 x 920 mm Schließkräfte bis kn Spritzeinheiten bis 4600 (nach EUROMAP) Film ARBURG GmbH + Co KG Postfach Lossburg Tel.: +49(0) Fax: +49(0) contact@arburg.com Mit Standorten in Europa: Deutschland, Belgien, Dänemark, Frankreich, Großbritannien, Italien, Niederlande, Österreich, Polen, Schweiz, Slowakei, Spanien, Tschechische Republik, Türkei, Ungarn Asien: VR China, Indonesien, Malaysia, Singapur, Thailand, Vereinigte Arabische Emirate Amerika: Brasilien, Mexiko, USA Mehr Informationen finden Sie unter ARBURG GmbH + Co KG Diese Publikation ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung von ARBURG. Alle Angaben und technischen Informationen wurden mit größter Sorgfalt zusammengestellt, jedoch können wir keine Gewähr für die Richtigkeit übernehmen. Einzelne Abbildungen und Informationen können vom tatsächlichen Auslieferungszustand der Maschine abweichen. Maßgeblich für die Aufstellung und den Betrieb der Maschine ist die jeweils gültige Betriebsanleitung. ARBURG GmbH + Co KG DIN EN ISO zertifiziert _DE_ Änderungen vorbehalten Gedruckt in Deutschland