Neue Verbindungstechnik für Aluminium und Kunststoff

Alu und Kunststoff: Innenliegend umspritzen statt montieren

Isolierende Kunststoffgeometrien in Aluminium-Bauteilen realisieren. Mit der Kombination aus Aluminium-Druckguss und Kunststoff-Umspritzung lassen sich exakt auf die jeweiligen Anforderungen zugeschnittene Hybrid-Bauteile erzeugen, die die Vorteile beider Werkstoffe vereinen. Schwieriger – aber nicht unmöglich – ist das Einbringen einer Kunststoffkomponente innerhalb eines Aluminium-Bauteils.

Eine neue Entwicklung ist ein automatisiertes Verfahren zur innenliegenden Umspritzung von Aluminiumbauteilen.

Einen automatisierten Prozess hat Spritzgießer und Formenbauer Geiger entwickelt, um Druckgussteile mit innenliegenden Kunststoffkomponenten zu realisieren. Die innenliegende Umspritzung erlaube es dank angepasster Werkzeug- und Schiebertechnik trotz der Einschränkung durch die Form des Aluminiumteils definierte Kunststoffgeometrien zu erzeugen. Die Methode gleiche sogar die größeren Toleranzen beim Druckguss der Metallkomponente aus. Ein dafür konzipiertes Tray gewährleiste auch bei automatisierten Prozessen eine präzise, reibungsarme Positionierung der Werkstücke.

Aluminium wird in der Elektronik vor allem wegen seiner Leitfähigkeit und Strahlungsabschirmung in Verbindung mit dem geringen Gewicht gerne verbaut. Kunststoff dagegen wirkt nicht leitend und ermöglicht sehr vielfältige, auch filigrane Geometrien, weshalb es häufig mit Aluminium kombiniert wird, um gezielt bestimmte Eigenschaftskombinationen innerhalb eines Bauteils zu erzeugen. Äußerliche Spritzgießverfahren, wie Umspritzen oder Overmolding, haben sich hierfür inzwischen bewährt. Soll der Kunststoff allerdings innerhalb des Aluteils liegen, ist eine erheblichkomplexere Herangehensweise erforderlich.

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Bauteil bestimmt Anspritzpunkt
Üblicherweise wird der Anspritzpunkt so gewählt, dass das Material ideal fließen kann und sich ein gutes Füllverhalten ergibt. Bei einer innenliegenden Umspritzung bestimmt dagegen die Form des Aluminiumteils die Gestaltung der Kunststoffkomponente, was das Anlegen des Einspritzprozesses erschwert. Besonders das Auswerfen des Fertigteils kann zum Problem werden, wenn aufgrund eines nicht optimalen Anspritzpunkts das Bauteil an der Düsenseite hängen bleibt, statt auf die Auswerferseite transportiert zu werden. Um dies zu vermeiden, entwickelte Geiger eine neuartige Schiebermechanik, die das Druckgussteil auf der Auswerferseite fixiert. Der Spritzgussbestandteil wird dagegen ohne Auswerfer gefertigt und nach dem Öffnen des Werkzeugs gemeinsam mit der Alu-Komponente ausgeworfen. Das stelle den prozesskonformen Transport der Bauteile sicher.

Eine der größten Herausforderungen ist das korrekte Auswerfen der fertigen Teile. Dafür wurde eine spezielle Schiebertechnik entwickelt. (Quelle aller Bilder: Geiger-Gruppe)

Das Schiebersystem trägt daneben auch zur exakten Positionierung der Werkstücke bei – ein entscheidender Faktor für die Zuverlässigkeit des Betriebs, da Metallabrieb zum Versagen der Fertigungsanlage führen könnte. Reibung zwischen Werkzeug und Aluminium-Druckgussteilen muss daher soweit wie möglich vermieden werden. Um in einer automatisierten Fertigung, in der Roboter die Rohteile entnehmen, ins Werkzeug einlegen und die bearbeiteten Stücke wieder in die Verpackung setzen, die dazu notwendige Präzision zu erreichen, setzt Geiger auf eine mehrstufige Lösung: Ein speziell dafür konzipiertes Tray mit Zentriergeometrie, auf dem die Druckgussteile zur Anlage gebracht werden, sorgt für eine erste Grobpositionierung, während das Beiholvermögen des Be- und Entladegreifers die Feineinstellung übernimmt. Sobald sich das Bauteil in der richtigen Bearbeitungsposition befindet, erfassen es die Schieber des Werkzeugs, und erst dann lässt der Greifer los. Einem Verrutschen oder Verschieben des Metallteils im Werkzeug – und den damit verbundenen Schäden – wird auf diese Weise vorgebeugt.

Spritzguss kompensiert Variabilität beim Druckguss
Zusätzlich zur Auswurf- und Positionierproblematik muss das Spritzgießwerkzeug beim innenliegenden Umspritzen darüber hinaus auch die relativ hohen Toleranzen der Druckgussteile ausgleichen. Die Alu-Komponenten, die in der Regel eher nach groben Abmessungen gefertigt werden, müssen mit den engen Toleranzen des Kunststoffbestandteils integriert werden. Dazu wurde ein Werkzeug entwickelt, das Abweichungen in Längsrichtung mit speziellen Quetschkanten abfängt. Um die radialen Toleranzen zu kompensieren, war dieses einfache Mittel jedoch nicht geeignet. Hier wird stattdessen mit angepassten Geometrien und einer besonderen Oberflächenbehandlung gearbeitet. Dadurch konnten in einer der ersten Beispielanwendungen Kunststoff-Komponenten von 16 Millimeter Durchmesser präzise in Alu-Bauteile von 25 x 28 Millimeter eingespritzt werden.

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