Kunststoffbauteile für den Leichtbau

In der Automobilindustrie zählt heutzutage jedes Gramm – denn je weniger Gewicht ein Fahrzeug auf die Waage bringt, desto energieeffizienter und leistungsstärker ist es im Betrieb. Entsprechend spielt der Leichtbau in dieser Branche eine große Rolle. Pöppelmann K-Tech bietet in diesem Bereich eine Vielzahl von Lösungsmöglichkeiten – darunter auch das MuCell-Verfahren. Mit der neuen Technik lassen sich Formteile produzieren, die hohen Anforderungen hinsichtlich Gewicht, Steifigkeit und Verzug gerecht werden. Wer das Verfahren erfolgreich anwenden will, sollte allerdings eine Reihe von Besonderheiten beachten.

Der Autor: Carsten Wehri, Marketing, Pöppelmann

Um individuelle Lösungen für anspruchsvolle Projekte zu bieten, finden sich bei Pöppelmann alle notwendigen Kompetenzen unter einem Dach: Von der Beratung über die schnelle Entwicklung bis zur Serienreife erhalten Kunden bei dem Kunststoffspezialisten aus Lohne alles aus einer Hand. Besonders viel Wert legt das Unternehmen auf die kontinuierliche Weiterentwicklung seiner Fertigungsprozesse. Laufend werden neue Verfahren etabliert und bestehende Kompetenzen kontinuierlich weiterentwickelt, um die Produktion der Spritzgussteile so effizient wie möglich zu gestalten und dabei eine hohe Qualität sicherzustellen.

Innovation mit MuCell

Eine neue Technik, die bei Pöppelmann K-Tech mit großem Erfolg zum Einsatz kommt, ist das MuCell-Verfahren. Bei dem physikalischen Prozess zum Schäumen von Thermoplasten wird ein Gas, beispielsweise Stickstoff oder Kohlenstoffdioxid, in eine heiße Kunststoffschmelze eingebracht. Diese Gas/Kunststofflösung wird dann in das Werkzeug eingespritzt. Nach diesem Vorgang breitet sich das Gas im Werkzeug aus, treibt den Kunststoff auseinander und bildet je nach Material mikrozellulare Strukturen mit einer Zellgröße zwischen 5 und 500 µm. Der MuCell-Vorgang kann mit einer speziellen Peripherie direkt an der Spritzgießmaschine gesteuert werden.

Das neue Verfahren bietet viele technische Vorteile: Die in MuCell hergestellten Formteile haben weniger Verzug, kaum Einfallstellen, geringere Eigenspannungen und weisen eine wesentlich höhere Dimensionsstabilität auf. Diese positiven Eigenschaften werden durch das gleichmäßige Expandieren des Gases über das gesamte Bauteil erreicht. Gleichzeitig lässt sich die Bauteildichte je nach Anforderung um bis zu 15 % reduzieren. Durch die maschinelle Steuerung ist der Fertigungsprozess jederzeit reproduzierbar und prozesssicher.

Auch aus wirtschaftlicher Sicht lohnt sich der Einsatz des Verfahrens: Je nach Bauteildimension kann auf Maschinen mit geringeren Schließkräften als im Kompaktspritzguss gefertigt werden. Zudem lassen sich durch die Dichtereduzierung auch Materialkosten senken. Auch bei der Werkzeugabstimmung fällt weniger Aufwand an – nicht zuletzt ein Grund dafür, dass viele MuCell-Bauteile schneller den Serienstatus erreichen.

Besondere Anforderungen über den gesamten Prozess

„In Bezug auf das MuCell-Verfahren haben wir bei Pöppelmann in den letzten Jahren umfassende Erfahrungen gesammelt“, erklärt Reinhard Böckmann, Projektleiter bei Pöppelmann K-Tech. Das umfasse die Bereiche Material, Konstruktion, Werkzeugbau und Prozesssteuerung. Bei der Auswahl des richtigen Materials muss aus Sicht des Projektleiters einiges beachtet werden: „Prinzipiell lassen sich alle Thermoplaste schäumen, doch nicht alle Materialien garantieren auch eine prozesssichere Verarbeitung“, gibt er zu bedenken.

Zwischen den unterschiedlichen Polymergruppen und Herstellern gibt es große Schwankungen. Aus diesem Grund hat man bei Pöppelmann K-Tech bereits vor vielen Jahren damit begonnen, Materialanalysen durchzuführen. Dabei wurde untersucht, wie sich die mechanischen Werte der Materialien im Fertigungsprozess verändern und ob sich das Material überhaupt prozesssicher in MuCell verarbeiten lässt. Diese Bemühungen zahlen sich heute aus: So hat das Lohner Unternehmen bereits über 1800 t Material auf den vorhandenen MuCell-Maschinen in Serie verarbeitet.

Wie bei vielen neuen Technologien und Fertigungsverfahren sind auch beim MuCell-Verfahren einige wesentliche Punkte bei der Bauteilkonstruktion zu beachten: „Grundsätzlich sollte im Vorfeld die Zielsetzung beispielsweise bezüglich Gewichtsreduzierung oder Bauteilverzug klar definiert werden. Nur so lassen sich die unterschiedlichen Vorteile des Verfahrens gezielt nutzen“, erklärt Reinhard Böckmann. Auch fertigungsbezogene Vorgaben wie eine möglichst gleiche Fließweglänge für eine gleichmäßige Schaumstruktur, die Vermeidung von Hotspots sowie die Angleichung des Rippen-/Wandstärkeverhältnisses müssten dabei beachtet werden. Das Fließweg-Wandstärkenverhältnis bestimme letztendlich die maximal mögliche Gewichtsreduzierung. „Geeignete Simulationsprogramme“, betont Böckmann, „werden bei der Konstruktion von uns gezielt eingesetzt.“

Bei der Anfertigung der Werkzeuge für den MuCell- Fertigungsprozess gilt es, spezielle Anforderungen zu erfüllen. So müssen etwa die Entlüftung und die Kühlkreisläufe prozessgerecht ausgelegt werden, damit eine konstante Serienqualität des Artikels über den gesamten Lebenszyklus hinweg gewährleistet werden kann. „Wir haben gute Erfahrungen mit Kombi-Werkzeugen gemacht“, erklärt der Projektleiter. Dabei würden zwei unterschiedliche Bauteile einer Baugruppe in einem Werkzeug kombiniert, was Aufwand und Kosten reduziert. Alle bei Pöppelmann eingesetzten MuCell-Werkzeuge sind Heißkanalwerkzeuge mit Nadelverschlussdüse.

Erfolgreich in Serie – mit Luft nach oben

Beim MuCell-Verfahren entstehen jedoch nicht nur Herausforderungen in Bezug auf das Material oder die Fertigung. „Der Prozess muss immer ganzheitlich betrachtet werden“, betont Reinhard Böckmann. „Nur wenn wir alle Schritte von Anfang an richtig dokumentieren und steuern, lässt sich später eine störungsfreie, prozesssichere und erfolgreiche Serienfertigung von MuCell-Bauteilen erreichen.“ Aus diesem Grund berät und unterstützt Pöppelmann K-Tech seine Kunden von der ersten Stunde in jeder Projektphase – von der „MuCell-gerechten“ Zeichnung über die Zellgrößenanalyse oder mechanische Bauteilteilprüfungen bis zur Freigabe des Serienprozesses.

Insgesamt gibt es also viele Aspekte zu beachten – doch der Aufwand lohnt sich: Pöppelmann K-Tech fertigt nun schon seit einigen Jahren eine Vielzahl seiner MuCell-Produkte erfolgreich in Serie. Im Jahr 2013 wurden etwa 2,5 Millionen MuCell-Kunststoffteile produziert – Tendenz steigend. Die dabei gewonnenen Erfahrungen des Kunststoffexperten bestätigen, dass MuCell viele Vorteile bietet – dennoch ist noch längst nicht das gesamte Potenzial des Verfahrens ausgeschöpft. „Vor allem im Bereich der Materialien gibt es noch Luft nach oben“, sagt der Projektleiter. Aus diesem Grund arbeite Pöppelmann K-Tech gerade an einer groß angelegten Studie, um seinen Kunden bereits in der Projektphase geeignete Polymertypen zu empfehlen und aussagekräftige Kennwerte zum mechanischen Verhalten bei unterschiedlichen Gewichtsreduzierungen bereitstellen zu können. Ein weiteres Ziel dieser Studie bestehe darin, auch Strukturanalyseberechnungen für die Kunden durchzuführen. Außerdem arbeitet das Unternehmen intensiv an der Optimierung der Oberflächeneigenschaften der Kunststoffkomponenten. „Weil viele MuCell-Bauteile bei der Herstellung Schlieren auf der Oberfläche bilden, werden sie häufig in Bereichen eingesetzt, in denen sie nicht sichtbar sind“, erklärt Reinhard Böckmann. Mit einer verbesserten Oberflächenoptik könne Pöppelmann K-Tech weitere Anwendungsgebiete erschließen.

Beste Messeresonanz

Um Zukunftstrends dieser Art ging es auch beim Messeauftritt des Unternehmens auf den Messen IZB in Wolfsburg sowie Fakuma in Friedrichshafen im vergangenen Jahr. Dort hat das Unternehmen seine MuCell-Bauteile erfolgreich vorgestellt. „Die Resonanz der Besucher war überwältigend und das ist kein Wunder, denn das MuCell-Verfahren ist eine wirtschaftliche Alternative für viele Anwendungen, bei denen das Gewicht von Kunststoffteilen eine Rolle spielt“, erklärt Böckmann. Aus den Fachgesprächen heraus haben sich für Pöppelmann K-Tech viele Ansätze für neue Projekte entwickelt. „Mich hat es besonders gefreut, dass die Branche in unserem Unternehmen einen kompetenten und erfahrenen Partner sieht“, berichtet der Projektleiter abschließend. I

Fakuma, Halle B5, Stand 5107