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Leichtbau Wie sich Partikelschäume funktionalisieren lassen

| Redakteur: Dorothee Quitter

Aufgeschäumte Polymere sind zwar leicht, haben aber eine porige Oberfläche an der sich nichts belastbar befestigen lässt. Das Partikelschaum-Verbundspritzgieß-Verfahren der Heinze Gruppe löst dieses Problem.

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Um das Partikelschaum-Verbundspritzgießen effizient zu gestalten, entwickelte die Heinze Gruppe gemeinsam mit dem Unternehmen Kurtz Ersa eine eigene Verarbeitungsmaschine für Partikelschäume. Sie lässt sich mit den gebräuchlichen Spritzgussmaschinen koppeln.
Um das Partikelschaum-Verbundspritzgießen effizient zu gestalten, entwickelte die Heinze Gruppe gemeinsam mit dem Unternehmen Kurtz Ersa eine eigene Verarbeitungsmaschine für Partikelschäume. Sie lässt sich mit den gebräuchlichen Spritzgussmaschinen koppeln.
(Bild: Heinze Gruppe/Kurtz Ersa)

Die Automobilindustrie stellt besonders im Zusammenhang mit der Elektromobilität immer höhere Anforderungen an die verbauten Kunststoffkomponenten. Sie sollen immer leichter und günstiger werden, was den herkömmlichen thermoplastischen Spritzguss mittlerweile an seine Grenzen führt. „In der Automobilindustrie gibt es schon lange Bestrebungen, Kunststoffe zu entwickeln, die aus immer weniger Material bestehen und damit besonders leicht sowie ressourcen- und kostensparend sind. Dafür gibt es zwei unterschiedliche Vorgehensweisen“, erklärt Ingo Brexeler, Geschäftsführer der zur Heinze Gruppe gehörigen Krallmann GmbH. „Zum einen gibt es konstruktive Möglichkeiten, indem man die Wandstärke von Spritzgussteilen beispielsweise von 4 mm auf 3,5 bis 3 mm reduziert. Zum anderen können physikalische oder chemische Aufschäumverfahren genutzt werden, mit denen thermoplastische Komponenten um 10 bis 20 % leichter werden. Mehr Gewichtseinsparung ist hier jedoch nicht mehr möglich.“ Dies liegt auch an den Kunststoffen, die traditionell im Automobil-Leichtbau eingesetzt werden: Thermoplaste verfügen über funktionale Oberflächen, an denen weitere Bauteile problemlos montiert oder befestigt werden können, weisen gleichzeitig aber relativ hohe Raumgewichte auf.

Eigenschaften von Partikelschäumen

Anders bei Partikelschäumen wie expandiertem Polypropylen (EPP), das viel Luft enthält: Hier entstehen Teile mit einem Raumgewicht von 60 bis 80 g/l, während das gleiche Bauteil aus normalem Polypropylen (PP) fast 900 g/l schwer wäre. Somit liegt die erzielbare Gewichtsreduktion im Vergleich zum Thermoplast bei 90 %. Partikelschäume weisen zudem viele weitere positive Eigenschaften auf, darunter eine sehr gute Wärmedämmung und Energieabsorption, die sie beispielsweise im Bereich des Aufprallschutzes interessant machen.

Lange konnten aus expandiertem Polystyrol (EPS), EPP und anderen Schäumen jedoch nur Fassadenplatten, Verpackungsartikel oder im Automotive-Bereich Bauteile von Stoßfängern (Prallschutz) hergestellt werden. Der Grund ist, dass diese Werkstoffe einen entscheidenden Nachteil aufweisen: Sie verfügen über eine unansehnliche porige Oberfläche, an der aufgrund des 90-%-igen Luftanteils im Material auch nichts befestigt werden kann. Daher wird der Werkstoff im Automobil-Leichtbau bisher kaum als Alternative zu Thermoplasten wahrgenommen.

Funktionale Oberfläche herstellen

Das im Automotive-Bereich weit verbreitete Desinteresse an Partikelschäumen ist jedoch längst nicht mehr gerechtfertigt. Denn bereits 2010 ist es der Heinze Gruppe gelungen, ein wirtschaftliches, stabiles und reproduzierbares Herstellungsverfahren für Partikelschaumbauteile mit funktionalen thermoplastischen Oberflächen zu entwickeln. Beim Partikelschaum-Verbund-Spitzgießen (PSVG) werden zuerst die Schaumteile produziert, die dann in einem zweiten Schritt ganz oder nur an den jeweils benötigten Stellen mit Thermoplast überspritzt werden. Dabei wird lediglich die oberste Schicht das Schaumteils angeschmolzen, so dass sich beide Komponenten stoffschlüssig miteinander verbinden.

Die durch das neue Verfahren entstandenen Bauteile verfügen über die Vorteile beider Materialgruppen – Partikelschaum und Thermoplast. „Die Idee bei der Konzeption des Verfahrens war es, Komponenten herzustellen, die überwiegend aus Partikelschaum bestehen, um die notwendige Gewichtseinsparung zu erzielen“, so Brexeler. „Nur dort, wo etwas befestigt werden muss, sollte das Bauteil aus Thermoplast sein. Die Voraussetzung für die Umsetzung dieser Idee war, dass die beiden Werkstoffe aus dem gleichen Grundstoff bestehen, sich also gut miteinander verbinden lassen.“

Die standardisierten K-Fix-Befestigungselemente ermöglichen auch bei Materialwechsel einen nahtlosen Übergang, wodurch sich beispielsweise geschäumte Innenverkleidungen an jeder Rohbautür befestigen lassen.
Die standardisierten K-Fix-Befestigungselemente ermöglichen auch bei Materialwechsel einen nahtlosen Übergang, wodurch sich beispielsweise geschäumte Innenverkleidungen an jeder Rohbautür befestigen lassen.
(Bild: Krallmann)

Um den Herstellungsprozess möglichst effizient zu gestalten, entwickelte die Heinze Gruppe eine eigene Verarbeitungsmaschine für Partikelschaum. Sie wurde so designt, dass sie sich mit den gebräuchlichen Spritzgussmaschinen koppeln lässt. „Das hat den Vorteil, dass sich in unserer Spritzgießerei die Prozesse Schäumen und Spritzen direkt nebeneinander ausführen lassen“, erklärt Brexeler. „Damit können wir das Schwindungsverhalten von Schaum und Thermoplast zeitgleich einstellen.“

Standardisierte Befestigungselemente

Aber nicht jeder Hersteller verfügt über die notwendigen Anlagen für diese anspruchsvollen Schaum- und Spritzgießprozesse. Deswegen bietet die Heinze Gruppe mit den K-Fix-Elementen ein anwenderfreundliches Montage- und Befestigungssystem auf Grundlage des Partikelschaum-Verbund-Spritzgießverfahren an. Dank des speziell verarbeiteten EPP wird eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Energieabsorption bei gleichzeitig ansprechender Oberfläche gewährleistet.

Jedes K-Fix-Element besteht aus einem schwarzen Basiskörper aus Partikelschaum, in dem sich das eingespritzte Befestigungselement befindet. Sobald die K-Fix-Komponente mit weiterem EPP umschäumt wird, geht sie eine unlösbare und stoffschlüssige Verbindung mit dem umgebenden Bauteil ein. Durch diese K-Fix-Halterungen lassen sich beispielsweise auch geschäumte Innenverkleidungen an jeder Rohbautür befestigen. „Wir bieten ein breites Portfolio für die K-Fix-Befestigungen an – von Clipsen oder staub- und flüssigkeitsdichten Verschraubungen bis hin zu Schnapphaken oder Verrastungen“, erläutert Brexeler. „So ermöglichen wir Montagehilfen, aber auch Kabelverschraubungen in Dämmelementen oder Schnellverschlüsse und können diese ganz an die Bedürfnisse unserer Kunden anpassen.“ Damit unterstützt K-Fix die automatische Fertigung, denn die Elemente können in jede Prozesskette integriert werden.

Unterstützung beim Design

Die Heinze Gruppe ist durch Know-how in den Bereichen Produktentwicklung und PVSG-Verfahren in der Lage, verschiedenste Mehrkomponentenbauteile für OEMs zu entwerfen beziehungsweise bei deren Design zu unterstützen. Im Anschluss übernimmt das Unternehmen auch die Fertigung dieser funktionalen Leichtbauteile. „Zunehmend werden Schäume nicht nur aus EPP oder EPS, sondern auch aus PET, Polycarbonat und weiteren Materialien interessant. Zudem denken die Automobilhersteller beispielsweise über Stoß­fänger und Mittelkonsolen aus Partikelschaum-Thermoplast-Verbundmaterial nach“, so Brexeler zur zukünftigen Entwicklung. (qui)

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