Synergy Creates New Technology

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1 INJECTION MOULDING Synergy Creates New Technology Plastic Carbody Parts are on the Advance The range of technical features and the level of comfort in car interiors have risen considerably in recent years, not least through the use of innovative plastic trim and cladding components. The use of plastics has also increased for exterior body parts. An innovative example of this can be seen at K Despite the mounting use of plastics for exterior car parts in the recent past, it is really still too early to talk of a genuine breakthrough [1]. Plastics are recommended above all because of their lower weight and greater design freedom. Their disadvantages compared with metal are: V their higher coefficient of linear expansion, V the amount of work involved in pretreatment before coating, and V the colour matching with the coated metal body. A growing number of new materials and processing methods are being specially developed to gradually eliminate these disadvantages. On Krauss-Maffei's stand at K 2001, a project will be presented involving the complete manufacture of a trunk lid with a Class A surface in which several companies participated Table1). Production Units, Processes, Materials The form of the trunk lid the outer shell of a twin-shell construction) has been largely copied from an original component Fig.1). It is produced by the ªback injection compressionº method from glass fibre-reinforced thermoplastic Translated from Kunststoffe ) 10, pp. 96±102 with a preformed coextruded film inserted in the mould. A protective facing layer is laminated on to this film during production and will not be removed until the part has been assembled on the car. The coextrusion film is cut to the necessary size by the manufacturer before it goes through the next stage of the process, the vacuum thermoforming. The thermoforming and packing are carried out under clean room conditions like those that prevail in the area of the injection moulding machine IMC injection moulding compounder) and in the preparation of the magazined film for the jointed-arm robot. The robot cleans the surface of the film once again and places the film in the injection mould. The injection moulding compounder is fed with the raw material and the reinforcing material via special metering, weighing and conveying devices. Since the parts are to be manufactured by back injection compression, the contour of the moulding must, after the compression stage, be separated from the film all the way round ± in this case using a laser cutting device. The decisive advantages of these glass fibre reinforced thermoplastic components with their coextruded multi-layer film are: V high component stiffness; V good crash behaviour even at low temperatures; V low coefficient of linear expansion; V low overall weight; V Class A finish due to the coextruded, integrally coloured film; V high design freedom with functional integration); V good material recycling characteristics; V savings in production costs through direct compounding on the injection moulding compounder. The cost benefits compared with other production methods come on the one hand from the much lower raw material costs attained for the compound on the injection moulding compounder, and on the other, from the use of the coextruded film, which makes coating superfluous. The cost calculation in Fig. 2 takes a look at the investment costs for the injection moulding compounder, the mould, the robot, the cost of a higher level of cleanness on the production units, the thermoforming of the film and the trimming of the mouldings. Compounding and Injection Moulding in One All the required materials are fed direct to the IMC injection moulding compounder, then compounded and, using the same heat, turned into the injection moulded part. Instead of single screw plasticisation, a co-rotating twin-screw extruder has been installed similar to the one normally used for compounding. It is con- Vol ) 10 Ó Carl Hanser Verlag, MuÈnchen KU Kunststoffe plast europe 25

2 INJECTION MOULDING nected to a gravimetric metering station for the individual components, including the control-integrated weighing unit for the glass rovings, which ensures that the extruder is always fed with the same proportion of glass by weight). The combining of the two processes, injection moulding and extrusion, was made possible because the engineers Cost per piece [based on SMC coated online] PPE/PA online coated were able to coordinate the batchwise method of injection moulding with the continuous method of extrusion. For the plant operator, there is no need for a new setting-up strategy, because the relationships between the extruder and the injection moulding machine have been automated and integrated into the control system. The link between the two disparate working methods of the extruder and the injection moulding machine is an independently functioning, intermediate melt buffer, which is filled up by the extruder and, on command, feeds the stored material into the injection cylinder Fig.3). This technology has now been fully developed and is available in the extended Krauss-Maffei MC series for clamping forces of between and kn [2]. Direct Compounding Lowers Costs PUR/RIM online coated Coating Film SMC online coated Other production costs Labour Fig. 2. Cost comparison between coated plastic carbody parts PP/EPDM offline coated Machine depreciation Material An important advantage from the process point of view is derived from the fact that the long fibres are added to the compounder downstream, in other words at a time when the plastic melt already exists. The fibre can be covered immediately by the polymer matrixand can ªswimº in it without damage. The long fibres are preserved and the mechanical strength of the components and thus its overall performance are increased significantly Fig. 4). Viewed economically, the materials used can be selected, specified according to individual requirements, and purchased separately on the market. This makes it also possible to achieve material combinations that are unavailable on the market that give the moulded part a property profile of its own. The overriding advantage is its cost saving potential, which has already been discussed in detail in [2]. Body Parts with a Top-quality Finish Multi-layer film as a facing film, backmoulded with fibre reinforced material, must not have any marks on it at all. Regardless of ensuring that the film is kept clean, such quality with no visible surface marks can only be obtained using the back injection compression process. By feeding the melt into the open mould at low injection pressure and subsequently carrying out back injection compression, uniform filling and even pressure distribution are achieved while the heat load on the film is kept low [3]. Material Concept ABS-LGF back-moulded film The main disadvantage of non-reinforced thermoplastics processed by injection moulding is their coefficient of linear expansion, which is still very much higher than that of metals. Fibre reinforced thermoplastics, on the other hand, cannot be coated to the specified quality. To save the costs of the coating and also be able to use fibre reinforced thermoplastics for this application, a new material concept PFM System, Manufacturer: BASF) has been developed in the last few years [4]. It uses a coextruded film e.g. the Senotop in-mould film) of acrylic coated acrylonitrile styrene acrylester copolymer ASA; Luran S, Manufacturer: BASF) and a suitable back-moulding material based on styrene copolymers or their blends [1, 2]. For a service temperature range of between ± 40 C and 90 C, the most economical solution is to use ABS Terluran, Manufacturer: BASF) for the back-moulding. If this material is reinforced with glass fibres, the coefficient of linear expansion remains low between 35 and 50 *10 ±6 1 /K, depending on the glass content), while the strength increases with the length of the glass fibres. The fracture behaviour is good. Even at low temperatures, any cracks occurring in the event of damage are stopped by the long glass fibres, resulting in a splinter-free fracture over a wide range. The amorphous ABS has the advantage that the glass fibres do not show at all on the high gloss surface as is the case with semi-crystalline materials e.g. polypropylene). Where higher demands are made on the heat resistance, an ABS/PA blend or PBT/ASA blend Terblend N, Ultradur S, Manufacturer: BASF) can also be used as the matrixmaterial. The decisive question now is how can long fibres be incorporated inexpensively into the matrixmaterial? For cost reasons, the route via long glass-fibre granulate can be eliminated. In cooperation between BASF, Ludwigshafen, and Krauss-Maffei Kunststofftechnik GmbH, Munich, the IMC injection moulding compounder that was developed there has been adapted for this function. This solution has the big advantage, apart from the fact that incorporation of the fibres is particularly gentle and the cost structure is favourable, that production waste can be recycled into the back-moulding material as regrind. In view of the recent EU guideline on the subject of scrap cars, which calls for very high material recycling quotas, this aspect will become increasingly important in the future. Other types of material only allow such blending to a very limited extent. The materials used for the film and the back-moulding must both stem from the group of styrene copolymers, which blend perfectly with one another [5]. Even small amounts of the polymethylmethacrylate PMMA) used to cover the film do not impair the recycling properties. In fact, the high-grade, rigid film carrier material ASA actually raises the measurements slightly Table 2). For the production of a large-area carbody part with up to 50 % recyclate, no changes in the dimensions or in the warpage were 26 Vol ) 10

3 INJECTION MOULDING observed. The injection pressure rose only slightly ± by approx. 13% ± as a result of the high-viscosity extrusion material. Thermoforming Technology for the Coating Film In order to obtain a Class A finish, the visible side of the film must not have any contact with the mould, which means it must be moulded positively. The uppermost layer of the coating film clear PMMA) serves among other things to protect against scratching and is correspondingly hard, but also brittle. Consequently, the film can only withstand very low mechanical forces. So that the film is not destroyed through the forces that arise during the back-moulding process, care must be taken to ensure a very accurate fit between the preformed film and the injection moulding tool. With the aid of calculations carried out with the thermoforming simulation software, T-SIM, the run-offs of the mould were determined and a partial folding identified Fig.5). A considerable amount of attention must be paid to the fitting accuracy of the film when designing the mould and to the temperature during the thermoforming of the film to ascertain the exact level of shrinkage. The decisive aspects are in any case the dimensions contours) of the injection mould at processing temperature. The nominal measure of the thermal shrinkage of a film is only valid twodimensionally. For the three-dimensional contours of the component here, such a shrinkage measurement is invalid, which means that the shrinkage in the third dimension has to be determined by moulding trials with an approximated original contour. On the basis of these results, it was possible to accurately ascertain the 3D shrinkage level and manufacture the mould on this basis. This was followed by manual adjustments and polishing of the surface. The coarse trimming of the film preform is done with a continuous serrated steel blade. The sheet film was thermoformed on a laboratory unit grade: Kiefel KL100/200, Fig. 6). Clean Room Technology for High-Grade Finishes For a new material to become accepted for exterior carbody parts, a Class A finish is a fundamental pre-requirement. In order to create controlled air conditions during the thermoforming of the film, a Company BASF Aktiengesellschaft, Ludwigshafen Senoplast Klepsch & Co. GmbH & Co. KG, A-Piesendorf Paul Kiefel GmbH, Freilassing Krauss-Maffei Kunststofftechnik GmbH, MuÈnchen Georg Kaufmann AG, CH-Busslingen MaxPetek Reinraumtechnik, Radolfzell DAT Automatisierungstechnik GmbH, Pappenheim Dr. Escherich Steuerungstechnik GmbH, MuÈnchen-Dresden Jenoptik, Jena Table 1. The participants in the joint project Virgin material ABS-LGF15 as back-moulding material 50% film material mixed with ABS glass content 15 % Impact strength ISO 179/1fU at 23 C [kj/m 2 ] clean room was installed ahead of the thermoforming unit, through which a large volume of clean air was blown horizontally. The production of the mouldings also takes place under clean conditions. Closed rooms are installed to the side and above the IMC injection moulding compounder and classified as a technical clean room. This room is subdivided into a zone where the film is fed in and the moulded parts sent out, a zone for the jointed arm robot, and the actual mould zone of the IMC injection moulding compounder. For safety reasons, the zone in which the robot moves around must be separate from the zone in which an operator sometimes works. In this latter zone, the preformed film is unpacked manually and inserted into a magazine that moves on rails. From there the film is conveyed into the clean room and passed to the robot in a precisely defined position. Automatic sliding doors with safety locks are provided for channelling the magazine in and out, and for the pallet, which is also moved on rails. Fan filter units FFUs) are mounted on the ceiling of the clean room. The high rate of air change ensures that clean air is blown through the room in a laminar pattern from top to bottom. Ionisation rods below the ceiling of the clean room generate ionised air molecules which neutralise the statically charged surfaces. The film, too, is impacted on both sides with ionised air close to the surface: Electrostatic charges are neutralised and adhering particles are removed and sucked into the air current. The area above the clamping unit of the IMC injection moulding compounder is covered over and, together with the allround cladding, forms another self-contained chamber Fig.7). Additional FFUs are let into the ceiling construction and these emit clean air into the entire room where the mould is installed. To install or disassemble the mould, the frame of the ceiling can be retracted in the direction of the ejector room. Area of involvement Plastics material Film Impact strength ISO 179/1fU at ±20 C [kj/m 2 ] Table 2. Properties of the composite with and without recyclate Thermoforming machine and mould Injection moulding compounder Injection moulding tool Clean room Robot Surface cleaning of the film Laser cutting of the moulded part Elasticity modulus Tensile test at 23 C [N/mm 2 ] Breaking stress at 23 C [N/mm 2 ] Backfoaming Tool Elongation at break at 23 C [%] The firm Georg Kaufmann AG Formenund Modellbau, Busslingen/Switzerland, has been specialising for many years in the development and production of moulds for the insert moulding/backfoaming technique. The company designed the positive mould for the outer shell of the trunk lid. It is equipped with five gates that are fed via a hot runner system. For technical and functional reasons, this mould has a number of special features. The preformed film is held perfectly firm in the cavity by vacuum and, at Vol ) 10 27

4 INJECTION MOULDING the edge, by means of toggle clamp elements so that there is no movement at all between the film and the highly polished cavity wall when the material is injected Fig. 8). It has a sophisticated cooling system which yields warp-free parts and takes into account the insulating effect of the film. Because of the high optical demands made on the exposed side, the hydraulically operated ejectors are accommodated in the fixed half of the mould. A positive mould is suitable for the back-moulding process ± i. e. injecting into the closed mould ± as well as for the back injection compression process with laminar flow. Including the approx. 1 mm thick film, the overall thickness of the trunk lid is around 3mm. Jointed-arm Robots in the Clean Room Technology Jointed-arm robots have established a permanent position for themselves in fully automatic production engineering. This can be seen by the fact that they have become indispensable both for large parts in the automotive industry and for ultrasmall parts in the electronics industry. In this instance, the robot ensures consistency of movement in removing the stacked multi-layer film from the magazine and moving through the ionising area in the surface cleaning station. The thermoformed multi-layer film is placed with 100 % accuracy in the injection mould and the finished part demoulded with precise reproduction of the contours. The moulded parts are then stacked on pallets. Outlook This project shows that useful synergies can also arise from very different processing methods and that these synergies can lead to solutions which are both technically and economically attractive, generating innovative production technologies. This particular project is a technology created by bringing together film extrusion, thermoforming, compounding and injection moulding and has shown itself to be especially suitable for the manufacture of highly stressed mouldings with a Class A finish. The Authors of this Article Dipl.-Ing. FH) Jochen Mitzler, born in 1973, is working in the department Applied development of injection moulding machines at Krauss-Maffei Kunststofftechnik GmbH, Munich. Dipl.-Ing. FH) Reiner Jensen, born in 1940, is head of Product Marketing in Product Management Injection Moulding Machines at Krauss- Maffei Kunststofftechnik GmbH, Munich. Dr.-Ing. Achim Grefenstein, born in 1965, is responsible for the project management of back moulding technology PFM System at BASF AG, Ludwigshafen. Dipl.-Ing. FH ) Rupert Gschwendtner, born in 1973, is head of the department research & development in application engineering at Paul Kiefel GmbH, Freilassing. Dipl.-Ing. FH) Martin Jungbluth, born in 1968, is head of projecting/engineering at MaxPetek Reinraumtechnik, Radolfzell. Georg Kaufmann, born in 1944, is founder and managing director of Georg Kaufmann AG Formen und Werkzeugbau, Busslingen. RuÈdiger Sonntag, born in 1968, is head of sales and technology department at DAT Automatisierungstechnik GmbH, Pappenheim. Fig.1. ABS moulding produced by the backinjection compression method, with a coextruded multi-layer film before trimming Fig. 3. IMC injection moulding compounder, extruder with start-up valve, melt buffer and injection cylinder Fig. 4. Feed device for continuous fibres in the twinscrew extruder Fig. 5. Thermoforming simulation software T-SIM to establish the mould run-offs and moulding wall thickness Fig. 6. Kiefel thermoforming unit, Type KL, with clean room cabin Fig. 7. Clamping unit for the injection moulding machine with moving fan filter unit, connected to a clean room Fig. 8. Insertion of the preformed film and removal of the finished part from the positive mould Translated from Kunststoffe ) 10, pp. 104±109 Ó Carl Hanser Verlag, MuÈnchen KU Kunststoffe plast europe Vol ) 10

5 Synergie schafft neue Technologie Automobil-Karosseriebauteile aus Kunststoff sind auf dem Vormarsch Die technische Ausstattung und der Komfort im Automobil-Innenraum wurden in den letzten Jahren nicht zuletzt durch den Einsatz innovativer Kunststoff-Verkleidungsteile erkennbar gesteigert. Auch im Bereich der Karosserie-Auûenteile haben Anwendungen aus Kunststoffen zugenommen. Ein innovatives Beispiel dafuè r ist auf der K2001 zu sehen. Trotzdes verstaèrkten Einsatzes von Kunststoffen im Bereich der Pkw-Auûenteile in der juèngeren Vergangenheit kann von einem Durchbruch noch keine Rede sein [1]. Kunststoffe empfehlen sich durch Gewichtseinsparungen und erweiterte Konzept- und Designfreiheit. Nachteile gegenuèber Metallen bestehen in V der hoèheren thermischen LaÈngenausdehnung, V dem Aufwand bei der Vorbehandlung fuèr die Lackierung und V der Farbabstimmung Colour Matching) mit der lackierten Metallkarosserie. In zunehmendem Maûe uèberzeugen speziell entwickelte Materialien und Verarbeitungsmethoden, die nach und nach die bestehenden Nachteile aufheben. Auf der K2001 wird auf dem Stand von Unternehmen BASF Aktiengesellschaft, Ludwigshafen Senoplast Klepsch & Co. GmbH & Co. KG, A-Piesendorf Paul Kiefel GmbH, Freilassing Krauss-Maffei Kunststofftechnik GmbH, MuÈnchen Georg Kaufmann AG, CH-Busslingen Max Petek Reinraumtechnik, Radolfzell DAT Automatisierungstechnik GmbH, Pappenheim Dr. Escherich Steuerungstechnik GmbH, MuÈnchen-Dresden Jenoptik, Jena Tabelle 1:Teilnehmer des Gemeinschaftsprojekts Kraus-Maffei ein Projekt zur kompletten Herstellung eines Kofferraumdeckels in Class-A-OberflaÈche vorgefuèhrt, an dem mehrere Unternehmen beteiligt sind Tabelle1). Produktionseinheiten, Verfahren, Materialien Der Kofferraumdeckel Auûenschale einer zweischaligen Bauart) ist in seiner Form weitgehend einem Original-Bauteil nachempfunden Bild 1). Er wird im HinterpraÈge-Verfahren aus glasfaserverstaèrktem Thermoplast mit einer vorgeformten und ins Werkzeug eingelegten Coextrusionsfolie hergestellt. Dieser Folie wird bereits bei der Herstellung eine Schutzschicht auflaminiert, die erst Projektbeteiligung Kunststoffmaterial Folie Thermoformmaschine, Umformwerkzeug Spritzgieûcompounder Spritzgieûwerkzeug Reinraum Roboter OberflaÈchenreinigung der Folie Laserschnitt der Formteilkontur Bild1. HinterpraÈgtes Formteil aus ABS mit coextrudierter Mehrschichtfolie vor dem Konturschnitt nach dem Anbau an den Pkw entfernt werden soll. Die Coextrusionsfolie wird noch beim Hersteller auf das erforderliche Zuschnittmaû gebracht, bevor sie als naèchsten Arbeitsschritt das Vakuum- Thermoformen durchlaèuft. Umformung und Verpackung geschehen bereits unter reinen Umgebungsbedingungen, wie sie sich auch im Arbeitsbereich der Spritzgieûmaschine IMC-Spritzgieûcompounder) und bei der Bereitstellung der magazinierten Folien fuèr den Knickarmroboter finden. Dieser laèsst die OberflaÈche der Folie nochmals abreinigen und legt sie in das Spritzgieûwerkzeug ein. Der Spritzgieûcompounder wird uèber spezielle Dosier-, Verwiege- und FoÈrdereinrichtungen mit dem Rohstoff und dem VerstaÈrkungsstoff beschickt. Da die Teile im HinterpraÈgeverfahren hergestellt werden, muss die Kontur des Formteils nach dem PraÈgevorgang umlaufend von der Folie getrennt werden ± im vorliegenden Fall mit einer Laserschneidanlage. 96 Ó Carl Hanser Verlag, MuÈnchen KU Kunststoffe Jahrg ) 10

6 Stückkosten [bezogen auf SMC online lackiert] PPE/PA online lackiert PUR/RIM online lackiert Lackierung/Thermoformen Folie Die maûgeblichen Vorteile dieser glasfaserverstaèrkten und mit einer coextrudierten Mehrschicht-Folie versehenen Thermoplast-Bauteile sind: V hohe Bauteilsteifigkeit; V gutes Crashverhalten auch bei tiefen Temperaturen; V geringe thermische LaÈngenausdehnung; V niedriges Gesamtgewicht; V Class-A-OberflaÈche in LackqualitaÈt aufgrund coextrudierter, massegefaèrbter Folien; V hohe Gestaltungsfreiheit mit Funktionsintegration); V gutes werkstoffliches Recycling; V Herstellkosteneinsparung durch Direktcompoundierung auf dem Spritzgieûcompounder. Die Kostenvorteile gegenuèber anderen Herstellverfahren ergeben sich zum einen aus den deutlich geringeren Rohstoffkosten, die fuèr das Compound auf dem Spritzgieûcompounder erzielt werden, zum anderen durch die Verwendung der coextrudierten Folie, die eine Lackierung uèberfluèssig macht. Die Kostenbetrachtung in Bild 2 beruècksichtigt die Investitionskosten fuèr den Spritzgieûcompounder, das Werkzeug, den Roboter, den Aufwand fuèr erhoèhte Reinheit an den Produktionseinheiten sowie das Thermoformen der Folien und das BesaÈumen der Formteile. SMC online lackiert Sonstige Fertigungskosten Personal Bild2. Kostenvergleich von lackierten Kunststoff-Karosseriebauteilen PP/EPDM offline lackiert ABS-LGF folienhinterspritzt Anlagenabschreibung Material Alle vorgesehenen Materialien werden dem IMC-Spritzgieûcompounder direkt zugefuèhrt, compoundiert und in derselben WaÈrme zu einem Spritzgussteil verarbeitet. Statt der Einschnecken-Plastifizierung ist ein gleichsinnig drehender Doppelschnecken-Extruder aufgebaut, wie er uèblicherweise fuèr Compoundieraufgaben zum Einsatz kommt. Er ist an eine gravimetrische Dosierstation fuèr die einzelnen Materialkomponenten angebunden, einschlieûlich der steuerungsintegrierten Verwiegeeinrichtung fuèr die Glasrovings, die sicherstellt, dass dem Extruder stets gleiche Gewichtsanteile Glas zugefuèhrt werden. Die Verbindung der beiden Prozesse Spritzgieûen und Extrudieren wurde vor allem dadurch moèglich, dass sich die diskontinuierliche Arbeitsweise des Spritzgieûens und die kontinuierliche Arbeitsweise des Extrudierens aufeinander abstimmen lieûen. FuÈr den Anlagenbediener ergibt sich keine neue Einstellstrategie, da AbhaÈngigkeiten zwischen Extruder und Spritzgieûmaschine automatisiert und in die Steuerungen integriert wurden. Bindeglied zwischen den beiden ungleichen Arbeitsweisen des Extruders und der Spritzgieûmaschine ist ein unabhaèngig arbeitender Schmelze-Zwischenspeicher, der vom Extruder aufgefuèllt wird und auf Anforderung das gespeicherte Volumen in den Spritzzylinder eindosiert Bild 3). Diese Technologie wurde zur Serienreife entwickelt und steht innerhalb der erweiterten Krauss- Maffei MC-Baureihe fuèr SchlieûkraÈfte zwischen 8000 und kN zur VerfuÈgung [2]. Bild3. IMC-Spritzgieûcompounder, Extruder mit Anfahrventil, Zwischenspeicher und Einspritzzylinder Compoundieren und Spritzgieûen in einem 98 Jahrg ) 10

7 Bild4. ZufuÈhreinrichtung fuèr Endlosfasern in den Doppelschnecken-Extruder Direktcompoundieren senkt Kosten Ein wichtiger verfahrenstechnischer Vorteil ergibt sich daraus, dass die Langfasern dem Compounder stromabwaèrts zugegeben werden, also zu einem Zeitpunkt, an dem bereits Kunststoffschmelze vorliegt. Die Faser kann von der Polymermatrix sofort umhuèllt werden und ohne BeschaÈdigung darin ¹schwimmenª ± lange Fasern bleiben erhalten, was der mechanischen Festigkeit des Bauteils und damit der Steigerung der GebrauchsqualitaÈt sehr zugute kommt Bild 4). Wirtschaftlich betrachtet koènnen die Einsatzstoffe einzeln, nach eigenen Anforderungen spezifiziert, ausgewaèhlt und am Markt getrennt eingekauft werden. So lassen sich auch Materialkombinationen realisieren, die am Markt nicht verfuègbar sind und dem Formteil ein eigenes Erscheinungsprofil verleihen. Der alles entscheidende Vorteil liegt im Kosteneinsparungspotenzial, das bereits ausfuèhrlich in [2] diskutiert wurde. Karosserieteile mit veredelter Oberflåche Mehrschichtfolie als Deckfolie, hinterspritzt mit faserverstaèrktem Material, darf keine Markierungen an der OberflaÈche aufweisen. Abgesehen von der Reinerhaltung der Folie ist diese QualitaÈt nur im HinterpraÈge-Verfahren ohne sichtbare OberflaÈchenabbildungen herstellbar. Durch das Einbringen der Schmelze in das geoèffnete Werkzeug bei niedrigem Einspritzdruck und anschlieûendem VerpraÈgen wird eine gleichmaèûige FuÈll- und Druckverteilung bei geringer Temperaturbelastung der Folie erzielt [3]. Werkstoffkonzept Hauptnachteil von unverstaèrkten Thermoplasten, die im Spritzgieûverfahren verarbeitet werden, ist noch immer die im Vergleich zu Metallen deutlich hoèhere thermische LaÈngenausdehnung. FaserverstaÈrkte Thermoplaste sind demgegenuèber nicht in der erforderlichen QualitaÈt lackierbar. Um die Kosten der Lackierung einzusparen und faserverstaèrkte Thermoplaste als Werkstoffe in dieser Anwendung nutzen zu koènnen, wurde in den letzten Jahren ein entsprechendes Materialkonzept PFM-System, Hersteller: BASF) entwickelt [4]. Dieses besteht aus einer coextrudierten Folie z.b. der Senotop In-Mould-Folie) aus acrylbeschichtetem Acrylnitril-Styrol-Acrylester-Copolymer ASA; Luran S, Hersteller: BASF) und ei-

8 Bild5. Thermoform- Simulations-Software T-SIM zur Ermittlung der WerkzeugauslaÈufe und Formteil-Wanddicke nem darauf abgestimmten Hinterspritzwerkstoff auf Basis von Styrol-Copolymeren oder deren Blends [1, 2]. Bei einem Einsatztemperaturbereich zwischen ±40 C und 90 C besteht die wirtschaftlichste LoÈsung in der Verwendung von ABS Terluran, Hersteller: BASF) als Hinterspritzmaterial. Wird dieses Material mit Glasfasern verstaèrkt, bleibt die thermische LaÈngenausdehnung gering je nach Glasgehalt zwischen 35 und ±6 1 / K ) bei einer gleichzeitig mit der GlasfaserlaÈnge zunehmenden ZaÈhigkeit und guènstigem Bruchverhalten. Auch bei tiefen Temperaturen werden im Schadensfall auftretende Risse durch lange Glasfasern gestoppt und dadurch ein in weiten Bereichen splitterfreies Bruchverhalten erreicht. Das amorphe ABS bietet den Vorteil, dass sich die Glasfasern auf der HochglanzoberflaÈche nicht abzeichnen, wie das bei teilkristallinen Werkstoffen z.b. bei Polypropylen) der Fall ist. Bei hoèheren Anforderungen an die WaÈrmeformbestaÈndigkeit kann auch ABS/PA- Blend oder PBT/ASA-Blend Terblend N, Ultradur S, Hersteller: BASF) als Matrixmaterial zum Einsatz kommen. Die entscheidende Frage besteht nun darin: Wie koènnen kostenguènstig moèglichst lange Fasern in den Matrixwerkstoff eingearbeitet werden? Aus KostengruÈnden scheidet der Weg uèber so genannte StaÈbchengranulate aus. In Zusammenarbeit der BASF, Ludwigshafen mit der Krauss-Maffei Kunststofftechnik GmbH, MuÈnchen, wurde der dort entwickelte IMC-Spritzgieûcompounder an diese Verfahrensaufgabe angepasst. Neben der schonenden Fasereinarbeitung und der guènstigen Kostenstruktur besticht diese LoÈsung durch die MoÈglichkeit, ProduktionsabfaÈlle wieder Bild6. Kiefel Thermoformanlage, Typ KL, mit Reinraumkabine als Mahlgut in das Hinterspritzmaterial einzuarbeiten. Vor dem Hintergrund der EU-Richtlinie zur ¹Altautoverordnungª, die sehr hohe werkstoffliche Recyclingquoten fordert, ist dieser Aspekt von zunehmender Bedeutung. Andere Werkstoffgruppen lassen eine Vermischung nur bedingt zu. Folienwerkstoffe und das Hinterspritzmaterial muèssen aus der Werkstoffgruppe der Styrolcopolymere stammen, die untereinander hervorragend mischbar sind [5]. Selbst geringe Anteile des Foliendeckschichtmaterials Polymethylmethacrylat PMMA) beeintraèchtigen die Rezyklateigenschaften nicht, der hochwertige und steife FolientraÈgerwerkstoff ASA fuèhrt sogar zu einer leichten ErhoÈhung der gemessenen Kennwerte Tabelle2). Bei der Herstellung eines groûflaèchigen Karosseriebauteils mit bis zu 50 % Rezyklat wurde keine VeraÈnderung der Dimensionen und des Verzugs beobachtet. Der Einspritzdruck stieg, durch die hochviskose Extrusionsware, nur geringfuègig um ca. 13 % an. Thermoform-Technologie der Lackfolie Neuware ABS-LGF15 als Hinterspritzmaterial 50 % Folienmaterial mit ABS vermischt, Glasgehalt 15 % Um eine Class-A-OberflaÈche zu erzielen, darf die spaètere Sichtseite der Folie keinen Werkzeugkontakt haben. Es muss deshalb positiv geformt werden. Die oberste Schicht der Lackfolie PMMA klar) dient u. a. als Kratzschutz und ist dementsprechend hart, aber auch sproède. Daraus resultiert, dass die Folie nur sehr geringe mechanische KraÈfte aufnehmen kann. Damit die Folie durch die beim Hinterspritzen auftretenden KraÈfte nicht zerstoèrt wird, ist auf eine sehr ge- SchlagzaÈhigkeit ISO 179/1fU bei 23 C [kj/m 2 ] SchlagzaÈhigkeit ISO 179/1fU bei ±20 C [kj/m 2 ] E-Modul Zugversuch bei 23 C [N/mm 2 ] Bruchspannung bei 23 C [N/mm 2 ] 20,0 22, ,1 28,4 24, ,5 Tabelle 2. Eigenschaften des Verbundes mit und ohne Rezyklat im Vergleich Bruchdehnung bei 23 C [%] 100 Jahrg ) 10

9 Bild7. Schlieûeinheit der Spritzgieûmaschine mit verfahrbarer GeblaÈse-Filter-Einheit, angebunden an einen Reinraum naue Passung zwischen der vorgeformten Folie und dem Spritzgieûwerkzeug zu achten. Anhand der Berechnungsergebnisse mit der Thermoform-Simulations-Software T-SIM wurden die AuslaÈufe des Werkzeugs festgelegt und dabei bereits eine partielle Faltenbildung erkannt Bild5). Die Passgenauigkeit der Folie erfordert hohe Beachtung bei der Werkzeugauslegung und der Temperatur waèhrend der Folienumformung, um eine definierte Schwindung sicherzustellen. FederfuÈhrend sind in jedem Fall die Abmessungen Konturen) des Spritzgieûwerkzeugs bei Verarbeitungstemperatur. Das Nennmaû fuèr die thermische Schwindung bei Folien ist nur in der Ebene guèltig. FuÈr die vorliegende, stark dreidimensionale Kontur des Bauteils gilt dieses Schwundmaû nicht, so dass der Schwund in der dritten Dimension durch Formversuche mit angenaèherter Originalkontur durchgefuèhrt wurde. Anhand der Ergebnisse lieû sich das 3D- Schwundmaû genau ermitteln und damit das Werkzeug fertigen. Es folgten manuelle Anpassungsschritte und ein Polieren der OberflaÈche. Der Grobbeschnitt des Folien-Vorformlings wird mit einem Zackenbandstahlmesser durchgefuèhrt. Die Umformung der Folie aus Plattenware zu einem Vorformling geschah auf einer Laboranlage Typ: Kiefel KL100/200, Bild6). Reinraumtechnik fçr hochwertige Oberflåchen Class-A-OberflaÈchen sind fuèr Karosserie- Auûenteile die Grundvoraussetzung fuèr die Akzeptanz neuer Materialien. Um bei der Umformung der Folien kontrollierte Bedingungen zu schaffen, wurde vor der Tiefziehanlage ein reiner Raum installiert, der den Umformbereich mit hoher Reinluftmenge horizontal durchstroèmt. Auch die Formteilproduktion findet unter reinen Bedingungen statt. Seitlich und uèber dem IMC-Spritzgieûcompounder sind geschlossene RaÈume installiert, die als technischer Reinraum eingestuft werden. Dieser Raum ist unterteilt in den Bereich fuèr das Einschleusen der Folien und das Ausschleusen der Formteile, den Bereich fuèr den Knickarm-Roboter und den Werkzeugbereich des IMC-Spritzgieûcompounders. Aus SicherheitsgruÈnden muss der Raum, in dem der Roboter hantiert, vom Schleusenraum, in dem sich zeitweise ein Mitarbeiter aufhaèlt, abgetrennt sein. In diesem Schleusenraum werden die vorgeformten Folien manuell ausgepackt und in ein auf Schienen gefuèhrtes Magazin eingelegt. Von dort gelangen sie in den Reinraum und werden in definierter Lage dem Knickarm-Roboter angeboten. FuÈr das Ein- und Ausschleusen des Ma-

10 gazins und der ebenfalls schienengefuèhrten Palette sind automatische SchiebetuÈren mit Sicherheitsverriegelungen vorgesehen. Auf der Decke des Reinraums sind GeblaÈse-Filter-Einheiten kurzffu genannt) aufgesetzt. Die hohe Luftwechselrate stellt sicher, dass der Raum laminar Bild8. Einlegen des Folien-Vorformlings und Entnehmen des Fertigteils aus dem Tauchkanten-Spritzgieûwerkzeug von oben nach unten mit Reinluft durchstroèmt wird. IonisationsstaÈbe unterhalb der Reinraumdecke erzeugen ionisierte LuftmolekuÈle, die die statisch aufgeladenen OberflaÈchen neutralisieren. Auch die Folie wird beidseitig oberflaèchennah mit ionisierter Luft beaufschlagt: Aufladungen werden neutralisiert, anhaftende Partikel abgeloèst und im Luftstrom abgesaugt. Der Bereich oberhalb der Schlieûeinheit des IMC-Spritzgieûcompounders ist abgedeckt und bildet zusammen mit der Rundum-Verkleidung eine weitere abgeschlossene Raumeinheit Bild 7). In die Deckenkonstruktion sind weitere FFUs eingesetzt, die den gesamten Werkzeugeinbauraum mit gereinigter Luft durchstroèmen lassen. Zum Ein- oder Ausbau des Werkzeugs kann der Deckenrahmen in Richtung des Auswerferraums zuruèckgefahren werden. Werkzeug fçr das Hinterspritzen Die seit Jahren auf die Entwicklung und Fertigung von Werkzeugen fuèr die Hinterspritztechnik spezialisierte Georg Kaufmann AG Formen- und Modellbau, Busslingen/Schweiz, hat fuèr die Heckklappen-Auûenschale ein Tauchkantenwerkzeug konzipiert. Es ist mit fuènf Anschnitten ausgestattet, die uèber ein Heiûkanalsystem versorgt werden. Das Werkzeug weist aus technischen und funktionellen GruÈnden einige Besonderheiten auf. Die vorgeformte Folie wird in der KavitaÈt mit Vakuum und am Rand mit Kniehebel-Spannelementen einwandfrei gehalten, damit beim Einspritzen keine Schiebebewegungen zwischen der Folie und der hochglanzpolierten Werkzeugwand auftreten Bild 8). Es besitzt eine anspruchsvolle KuÈhlung, die verzugsfreie Teile ergibt und der isolierenden Wirkung der Folie Rechnung traègt. Wegen der hohen optischen Anforderungen an die Sichtseite sind die hydraulisch betaètigten Auswerfer in der festen WerkzeughaÈlfte, d. h. einspritzseitig, untergebracht. Das Tauchkantenwerkzeug eignet sich fuèr das Hinterspritzen ± also fuèr das Einspritzen in das geschlossene Werkzeug ± ebenso wie fuèr das HinterpraÈgen im Quellfluss. Zusammen mit der etwa 1 mm dicken Folie betraègt die Gesamtdicke der Heckklappe rund 3 mm. Gelenkarmroboter in der Reinraumtechnik Gelenkarmroboter haben sich in der vollautomatisierten Fertigungstechnik ihren festen Platzgesichert. Das beweist ihr unverzichtbarer Einsatz fuèr Groûbauteile in der Automobilbranche ebenso wie fuèr Kleinstteile in der Elektronikbranche. In diesem Fall gewaèhrleistet der Roboter die gleichfoèrmige Aushebebewegung der gestapelten Mehrschichtfolie aus dem Magazin und ebenso das gleichmaèûige Durchfahren des Ionisierbereichs in der OberflaÈchen-Reinigungsstation. Die umgeformte Mehrschichtfolie wird positioniergenau im Spritzgieûwerkzeug platziert und das fertige Teil konturgerecht entformt. Anschlieûend werden die Formteile auf Paletten gestapelt. Ausblick Das dargestellte Projekt belegt, dass auch aus sehr unterschiedlichen Verarbeitungsverfahren sinnvolle Synergien entstehen koènnen, die zu technisch wie wirtschaftlich attraktiven LoÈsungen und damit zu neuartigen Produktionstechnologien fuèhren koènnen. Es liegt eine Technologie vor, die durch die ZusammenfuÈhrung der Verfahren Folienextrusion, Thermoformen, Compoundieren und Spritzgieûen entstand und sich als besonders geeignet fuèr die Herstellung von hochbelastbaren Formteilen mit einer Class-A-OberflaÈche praèsentiert. Literatur 1 BuÈrkle, E.: Karosserieteile sind das zukuènftige Anwendungsgebiet neuer Fasertechnologien. Was leistet dazu der Maschinenbau? Plastic Car Bodies, Today and Tomorrow, 4th European Automobile Conference, Bad Nauheim 11./ Jensen, R.: Synergien intelligent genutzt. Kunststoffe ) 9, S Mitzler, J.: Hinterspritzen, HinterpraÈgen und Hinterpressen im Automobilbau. Kunststoffe-Seminar Wiesbaden 15./ Grefenstein, A.: Folienhinterspritzen statt Lackieren ± Eine neue Technik fuèr Karosseriebauteile aus Kunststoff. MO ), S Grefenstein, A.; GoÈrrissen, H.: Styrol-Copolymere fuèr Karosserie- und Anbauteile. Vortrag auf der Fachtagung ¹Die Kunststoffkarosserieª des SuÈddeutschen Kunststoff-Zentrums SKZ), WuÈrzburg 8./ Die Autoren dieses Beitrags Dipl.-Ing. FH) Reiner Jensen, geb. 1940, ist Leiter Produktmarketing im Produktmanagement Spritzgieûmaschinen bei der Krauss-Maffei Kunststofftechnik GmbH, MuÈnchen. Dipl.-Ing. FH) Jochen Mitzler, geb. 1973, ist im Bereich Anwendungstechnische Entwicklung von Spritzgieûmaschinen bei der Krauss- Maffei Kunststofftechnik GmbH, MuÈnchen, taètig. Privatdozent Dr.-Ing. Achim Grefenstein, geb. 1965, ist im Bereich Marketing ¹Specialty Polymersª fuèr das Projektmanagement Folienhinterspritz-Technologie PFM-System bei der BASF AG, Ludwigshafen, verantwortlich. Dipl.-Ing. FH) Rupert Gschwendtner, geb. 1973, ist Leiter der Forschung & Entwicklung Anwendungstechnik bei der Paul Kiefel GmbH, Freilassing. Dipl.-Ing. FH) Martin Jungbluth, geb. 1968, ist als Leiter Projektierung/Engineering bei der Max Petek Reinraumtechnik, Radolfzell, taètig. Georg Kaufmann, geb. 1944, ist GruÈnder und GeschaÈftsfuÈhrer der Georg Kaufmann AG Formen und Werkzeugbau, Busslingen/Schweiz. Betriebswirt und Maschinenbautechniker RuÈdiger Sonntag, geb. 1968, ist Leiter Vertrieb und Technik bei der DAT Automatisierungstechnik GmbH, Pappenheim. 102 Jahrg ) 10