MuCell Technologie Präsentation. Dr. Hartmut Traut + Dipl.-Ing. Uwe Kolshorn Trexel GmbH, Wiehl + Siegen

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1 MuCell Technologie Präsentation Dr. Hartmut Traut + Dipl.-Ing. Uwe Kolshorn Trexel GmbH, Wiehl + Siegen

2 Das MuCell -Verfahren 1. Funktionsweise und Technische Ausrüstung 2. Strategische Vorteile 3. Anwendungsbeispiele 4. Artikeldesign

3 Was ist MuCell? MuCell ist ein physikalisches Schäumverfahren Es werden kleine Zellen in dünnwandinge Kunststoffteile eingebracht Das Treibmittel ist Stickstoff im überkritischen Zustand (SCF) 2

4 1. MuCell Process Erzeugung der Einphasenlösung Einbringen des SCF in die Kunststoffschmelze während des Dosierens Erzeugung der Einphasenlösung Einbringen des SCF

5 2. MuCell Prozess Lösen des SCF in der Schmelze Schneckenstege zerteilen SCF-Strom Mischzone homogenisiert Schmelze-SCF- Gemisch zur Einphasenlösung Einbringen von SCF + Komplette Diffusion SCF Polymer

6 3. MuCell Prozess Schäumprozess beginnt beim Einspritzen in die Kavität Zeit Zeit Niedriger Druck in der Kavität verursacht das Zellwachstum Zellwachstum findet statt bis das Material erstarrt, bzw. die Kavität gefüllt ist

7 MuCell Verfahrenstechnik Mikrostruktur unter dem Raster-Elektronen-Mikroskop Geschlossene Randschicht Quelle: Rhodia Material: PA6.6 GF35

8 4. MuCell Prozess Kontrolle des Schäumprozesses Kontrolle der Zellgröße und -dichte Gasanteil: Gasanteil bedingt die Zellenanzahl Gasdosierung genau steuerbar Druckabfall in der Kavität kontrolliert durch Einspritzgeschwindigkeit 7

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10 Der MuCell Prozess SCF SCF Gas MuCell Interface Kit (MIK) SCF injizieren? Nein SCF Ja SCF SCF Injektor SCF System (Bild: SII-TE-10) Gas (N 2 / CO 2 ) MuCell Maschine MuCell Bauteil

11 MuCell Nachrüstung Eine einfache, schnelle und kostengünstige Lösung, vorhandene Spritzgießmaschinen für das MuCell -Verfahren nachzurüsten Injection Module Einspritzmodul Gaseinheit SCF II Der MuCell Nachrüstsatz ermöglicht es, eine vorhandene elektrische oder hydraulische Spritzgiessmaschine mit dem MuCell -Verfahren nachzurüsten. Die Nachrüstung besteht aus zwei Modulen: Ein neues Einspritzmodul mit Injektoreinheit, welches die existierende Einheit einfach ersetzt und die Gaseinheit.

12 Das MuCell -Verfahren 1. Funktionsweise und Technische Ausrüstung 2. Strategische Vorteile 3. Anwendungsbeispiele 4. Artikeldesign

13 Limitierungen beim Kompaktspritzguss Kompaktspritzguss ist beschränkt durch: Notwendigkeit die Kunststoffmasse vom Anspritzpunkt bis zum Fließwegende zu drücken, bevor Sie einfriert Notwendigkeit die Kunststoffmasse über die komplette Bauteillänge zu komprimieren für annähernd gleichmäßige Schwindung und Dimensionsstabilität zur Eliminierung von Einfallstellen und Lunkern Diese Limitierungen beim Kompaktspritzguss führen zu Konstruktionsvorgaben, die die Möglichkeit der Wanddickenreduzierung behindern Der MuCell Prozess hebt diese Beschränkungen auf!

14 MuCell und Bauteilqualität Der MuCell Prozess eliminiert innere Spannungen im Bauteil, verursacht durch Druckunterschiede beim konventionellen Spritzguss. Ebenere Teile als beim Kompaktspritzguss Höhere Dimensionsstabilität bei Temperaturwechselbeanspruchung Eliminierung von Einfallstellen Bauteilgeometrie entspricht der Werkzeugvorgabe Wesentlich weniger Werkzeugkorrekturen und Optimierungsschleifen Schnellere Produktfreigabe nach ersten werkzeugfallenden Teilen

15 MuCell Konstruktionsrichtlinien Zellwachstum ersetzt konventionelle Nachdruckphase Konstruktion für Funktion - nicht für Spritzgießprozess Geringere Viskosität (10 % bis 15 % für Thermoplaste mit 30 % Glasfasern) => verbessertes Fließverhalten Wanddicken optimiert für Funktionsanforderungen - nicht für Füllverhalten Dünnere Wandungen und größeres Fließweglängen-/ Wanddicken-Verhältnis Viskositätsverringerung durch Zugabe von SCF Nachdruck wird ersetzt durch Schäumen Dünne Wanddicken mit MuCell erfordern keine Maschinen mit größerer Schließkraft

16 Konstruktion für Funktion Beispiel: Lüfterzarge Mehrkosten für: Heißkanal: Maschine: Mehrinvest MuCell: Nominale Wanddicke 2 mm Reduzierte Wanddicke 1 mm MuCell Einsparungen: 0,4 kg PA GF30 / Bauteil x Bauteile / a 60 t / a / a ROI etwa 4 Monate

17 Schwindung in [mm] Kompakt MuCell Die Schwindung ist mit MuCell geringfügig größer, aber gleichmäßiger! (In Fließrichtung bzw. entgegen der Fließrichtung)

18 Mechanische Eigenschaften am Bauteil Einfluss auf mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Lage des Anspritzpunktes bei Prüfstäben und realen Bauteilen Angussfern + Angussfern +++ Angussnah - Festigkeiten an Prüfstäben - - -

19 Wanddicken-Unterschiede Anspritzung von Dünn auf Dick Mögliche (empfohlene) Anspritzung mit MuCell Anspritzung in Kompakt (auch mit MuCell möglich) Wanddicke-/Rippe-Verhältnis 1:1 möglich Auslegung für Kompakt Auslegung für MuCell

20 Die Kühlung definiert die minimal mögliche Zykluszeit Kompakt Start Einspritzen Nachdruck Kühlung MuCell Nachdruckzeit fast ganz eliminiert! Kühlung Δ K geringere Kühlzeit Δ K ist abhängig von Material, Teiledesign und Werkzeugkühlung

21 Entfall Nachdruck Die Parameter Nachdruck p N und Nachdruckzeit t N werden durch den MuCell Schäumprozess eliminiert. Formgebung durch Zellwachstum, unabhängig vom Teilegewicht Entgegenwirken der Schwindung nicht durch zusätzlich eingebrachte Masse Gleichmäßige Druckverteilung in der Kavität (geringere Druckunterschiede zwischen angussnah und angussfern) Entkopplung Teiledimensionen und Teilegewicht Beispiel: Steckergehäuse aus PBT GF30

22 Verzugsreduzierung mit MuCell 3.2 mm Testplatten PP 40 % LGF Kompakt PP 40 % LGF Kompakt PP 40 % LGF MuCell PP 40 % LGF MuCell

23 Verbesserte Fließfähigkeit Das Werkzeug wurde sukzessive gekühlt, bis ein Füllen der Kavität nicht mehr möglich war. Mit den selben Parametern und MuCell konnte das Teil leicht gefüllt werden. Material: Valox 420 SEO (PBT GF30)

24 Mikrozellulare Eigenschaften Kristallisation: Vergleich Konventionell / MuCell - Konventionell (kompakt) - 10% Gewichtsreduzierung DSC - Kurve: PBT GF30 bei Twkz. 80 C DSC - Kurve: PBT GF30 bei Twkz. 30 C Source: Ticona Source: Ticona Schmelztemperatur : 225,4 C Gem. Schmelzwärme( H): 40,67 J/g Schmelztemperatur: 225,0 C Gem. Schmelzwärme ( H): 41,93 J/g Kristallinitätsgrad ist identisch

25 [mm] Strategischer Vorteil Qualität (schnellere Produktfreigabe) Dimensionen der Schalterkappe 96,200 96, ,000 95,900 95, Gate 95,700 95,600 95, Position Cav1- Solid Cav1- MuCell Cav2- Solid Cav2MuCell Konsistentere & vorhersagbarere MuCell Dimensionen vereinfachen das Werkzeugdesign & reduzieren die Kosten von Werkzeugänderungen

26 Geringeres Druckniveau in der Kavität Kompakt MuCell Peak p c = 1045 bar Peak p c = 448 bar Schmelzevolumen Data Com Connector, PBT mit 30 % Glasfasern 57 % Reduzierung des Spitzendrucks in der Kavität Durch: Geringere Viskosität, weniger Füllvolumen, Entfall der Nachdruckphase

27 Einfluss auf mechanische Eigenschaften (abhängig von Materialwahl und Gewichtsreduktion) Gewichtsreduktionen sind kontrollierbar Trexel empfiehlt grundsätzlich ca. 10% Höhere Gewichtsreduktionen hängen von den Produkttestbedingungen ab Celanex 2300 GV 1/30 (W.R. = Gewichtsreduktion) Quelle: Ticona GmbH

28 Kein Nachdruck Geringerer Werkzeug- Innendruck Reduzierung innerer Spannungen Größeres Prozessfenster Niedrigere Viskosität Keine Einfallstellen Strategische Vorteile Zykluszeit- & Gewichtseinsparung Kleinere Maschinenschließkraft Höhere Anzahl Kavitäten Reduzierte Gratbildung Längere Werkzeugstandzeiten Kleinerer Energieverbrauch Verbesserte mech. Eigenschaften Reduzierter Verzug Höhere Dimensionsstabilität Schnellere Werkzeugfreigabe Geringerer Füllwiderstand Verbesserte Fließeigenschaften Flexibleres Teile- & Werkzeugdesign

29 Das MuCell -Verfahren 1. Funktionsweise und Technische Ausrüstung 2. Strategische Vorteile 3. Anwendungsbeispiele 4. Artikeldesign

30 MuCell Serienproduktion in vielen Märkten Business Equipment Automotive Industrial & Electrical

31 MuCell Anwendungen im Sichtbereich Modifizierte Polyamide (PA 6 u. PA 6/6) Werkzeugseitige Lösungen wie z.b. Variotherm, RHCM, Indumold, etc. Serienteile im Sichtbereich durch IMD Technologie

32 Negativ-Prägeverfahren Kombination von MuCell mit einem nachträglichen Expansionsprozess (Negativ-Prägehub im Werkzeug) Hohes Gewichtsreduzierungspotential Maximale Steifigkeit bei minimaler Dichte 6 mm

33 Verpackung MuCell Vorteile: Schließkraftreduzierung (kleinere Maschinen) 4+4fach auf 350 t anstatt 500 t Erhöhung der Kavitätenanzahl Verringerter Einspritzdruck Auslegung der Wandstärke mit minus 15 % Verbessertes Verhalten bei IML Technik Verwendung dünnerer Label Gewichtsreduzierung = 5,5 %

34 Filmscharniere Die gefertigten Teile bedürfen keiner Vorbiegung (Flexibilisierung) bei Entnahme aus dem Werkzeug Erhebliche Verbesserung der Filmscharnier-Lebens dauer 100 Schließzyklen gefordert PP Homopolymer 4% Farbbatch - Teile bis zu 300 Zyklen in Kompakt getestet - MuCell Teile überschritten 1200 Zyklen ohne Ausfall

35 Kreissäge (Bodenplatte) Ersatz von Aluminium-Druckgussbauteil mit MuCell Bodenplatte aus PA 6.6 GF55

36 MuCell Design-Oberflächen Folienhinterspritzte Abdeckungen Verringerter Druck und reduzierte Temperatur eröffnen die Möglichkeit für Anwendungen zum Hinterspritzen ABS GF 17 Qualitätsverbesserung ABS GF 17 Verbesserte Flachheit Keine Einfallstellen Geringerer Einspritzdruck

37 MuCell Autoschlüssel MuCell Vorteile Wanddickensprünge ohne Schwindungsunterschiede (Verzugsarmut) Eliminierung von Einfallstellen Erreichen einer Class-A Oberfläche zur Lackierung mit kratzfestem Klarlack

38 Türmodule und -komponenten

39 Daimler W212 Türverkleidung 1. Platz 2009 in der Kategorie Innenausstattung MuCell Teile: Carrier: Dünnere Grundwanddicke durch geringere Viskosität 10 % Dichtereduzierung mit MuCell Tandem-Mould Technologie plus MuCell (mit > 50 % Zykluszeitred.) Wanddicke-/Rippe-Verhältnis = 1:1 Kartentasche: Wanddicke-/Rippe-Verhältnis 1:1 Einsparung eines Werkzeugs und eines Montageprozesses (durch MuCell Design) Vorteile beim Folienhinterspritzen (kleinere Drücke)

40 MuCell Kofferraumbodenabdeckung Kofferraum-Bodenabdeckung mit MuCell Material: PP - GF Bauteil konnte kompakt nicht ohne extreme Einfallstellen und Verzug gefertigt werden

41 MuCell Klimagehäuse MuCell Vorteile Erhebliche Zykluszeitreduzierung durch Qualitätsverbesserung Schließkraftreduzierung Vereinfachter Zusammenbau

42 MuCell Automotive Kühler-Endtank Material: PA 30% Glassfaser Qualität Erfüllte alle Anforderungen des Endtank-Tests Plus: Gewichtsreduktion Zykluszeitreduktion

43 MuCell Torso Airbag Cover Schlüsselziele mit MuCell : Reduzierung von Schwindungsunterschieden (Eliminierung von Einfallstellen bei unterschiedlichen Wanddicken) Design-Freiheit Lackierfähigkeit MuCell Ergebnisse: Keine Abweichungen in Shape (keine Einfallstellen ) Dimensionsstabilität Verbesserte Eigenschaften Filmscharnier Kleinere Maschine (300 t statt 500 t in Kompakt) Teil ist lackierbar

44 MuCell Schiebedachrahmen MuCell Vorteile Reduzierung der Anzahl von Einzelteilen, Werkzeugen und Montageschritten Stark verringerter Verzug trotz komplexer Geometrie Werkzeugkonstruktion mit nur einer Optimierungsschleife (stark verkürzte Projektzeit)

45 MuCell Ventildeckel MuCell Vorteile 30 % kleinere Maschinengröße (350 t anstelle von 500 t für Kompakt) Kürzere Zykluszeiten mit Ermöglichung von parallelen Fertigungs- und Montageschritten Geringeres Teilegewicht Verbesserte Ebenheit

46 Jounce Bumper (Anschlagdämpfer) Ersatz von Gummi eröffnet Vorteile bei Fertigung, behördlichen Freigaben und Kosten Material: TPU

47 Das MuCell -Verfahren 1. Funktionsweise und Technische Ausrüstung 2. Strategische Vorteile 3. Anwendungsbeispiele 4. Artikeldesign

48 MuCell Konstruktionsrichtlinien Verringerung der Viskosität 10% bis 15% für einen 30% glasfasergefüllten teilkristallinen Thermoplasten 20% bis 30% für amorphe Thermoplaste Damit kann erreicht werden: Reduzierung des Werkzeuginnendrucks Reduzierung der Massetemperatur

49 Maximierung der MuCell Vorteile Phase I: Lernen und Validieren Bisherige Konstruktion in der Bemusterungsphase oder früher Vergleich mit kompakten Spritzgußteilen Phase II: Anwenden neuer Konstruktionsregeln Konstruktion mit MuCell für dünnere Wanddicken, Wanddickensprünge und anderen Rippenstrukturen

50 Gewichtsreduzierung [%] Wanddicken bei MuCell Teilen Der Fließfaktor bestimmt die maximal mögliche Gewichtsreduzierung Fließweg-Wanddickenverhältnis Gewichtsreduzierung ist abhängig von - Wanddicke - Material - Anspritzpunkt Maximal mögliche Gewichtsreduzierung ist abhängig vom Fließweg-Wanddickenverhältnis Fliesswegwanddickenverhältnis

51 Konstruktion für Funktion Konstruktionsbeispiel Baugruppe, ultraschallverschweißt Ursprüngliches Design: Nominale Wanddicke 1,5 mm Gesamtgewichtsreduktion: minus 20 % - 15 % durch Wanddickenoptimierung - 6 % durch MuCell Prozess 1,11 mm am Ende der Rippen 1,22 mm 1,75 mm am Ende der Rippe 1,49 mm im Grund der Rippe 1,31 mm 1,12 mm 1,55 mm an der Rippenanbindung 1,12 mm 1.2 mm Anspritzpunkt

52 Strategische Vorteile mit MuCell Gewicht Designfreiheit Kleinere Maschinen Geometrie/ Verzug Ziele/ Projektanforderung Zyklus/ Kapazitätsnutzung Schnellere Produktfreigabe/ längere Standzeiten (Werkzeug) Neue Produkte Materialwahl Die Vielzahl neuer prozesstechnischer Möglichkeiten bietet die Chance die Kostenstruktur eines Unternehmens positiv zu beeinflussen