Thermoplastische Schaumstrukturen

Belastbare Leichtgewichte - belastbare Daten

Metallersatz durch Hochleistungskunststoffe und Schäume. Die Substitution von Metallen durch Kunststoffe ist ein üblicher Weg zur Gewichts- und häufig auch Kostensenkung. In der Kombination von Kunststoffen als Metallersatz mit geschäumten Werkstoffen – produziert in einem Verfahrensschritt – werden die Möglichkeiten erheblich ausgeweitet.

Die Leichtbaustruktur ist auf industrielle Anwendungen anwendbar. (Bild: KUZ Leipzig)

Metallersatzkunststoffe kombiniert mit leichten Schäumen – dieses aktuelle Thema ist einer der Forschungsschwerpunkte des Kunststoff-Zentrums in Leipzig (KUZ). Die unabhängige industrienahe Einrichtung für Forschung und Entwicklung untersucht intensiv thermoplastische Schäume und deren Verarbeitung. Durch Forschungstransfer sowie die Zusammenarbeit mit zahlreichen Partnern aus unterschiedlichen Branchen und Themenfeldern sollen neue Forschungsergebnisse des KUZ direkt in die Anwendungen überführt werden. 

Hochfeste Hybridbauteile entstehen aus der Kombination leichter Schäumen mit Metallersatzkunststoffen. Die Sandwichbauteile sind beides zugleich: Äußerst robust und doch leichtgewichtig. Die Herstellung dieser Bauteile im Zwei-Komponenten-Sandwich-Spritzguss geschieht kostengünstig in einem Arbeitsschritt.

Die Sandwichstruktur kann auf industrielle Anwendungen übertragen werden. Flächige, schalenförmige und dabei Biegelast aufnehmende Bauteile sind prädestiniert für das neue Verfahren. Im Bereich Automotive gibt es dafür zahlreiche Anwendungen, beispielsweise Trittstufen, Heckspoiler oder jede Art von Träger. Im allgemeinen Maschinenbau profitieren Anwender von Maschinenkomponenten, bei denen es auf die Verringerung bewegter Massen ankommt. Moderne Metallersatzkunststoffe zeichnen sich durch außerordentlich hohe Steifigkeit aus. Mit Fokus auf Leichtbau werden diese Materialien am Rand des Bauteils eingesetzt. Im Inneren befindet sich ein kompatibler aber unverstärkter thermoplastischer Schaum. Der Schaum kann durch chemisches Treibmittel oder physikalische Begasung entstehen. Die Bauteilgeometrie und Rippenstruktur sind konform zu den Anforderungen des Schaumspritzgießens ausgelegt. 

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Das Spritzgießrheometer ermittelt praxisnahe Fließkurven. (Bild: KUZ Leipzig)

Simulationswerkzeuge werden entwickelt
Aber nicht jede kompatible Haut-Kern-Kombination läuft problemlos in Serie. Auch die rheologische Kompatibilität entscheidet über eine problemlose Serienproduktion. Daher bestimmt das KUZ die Fließkurven sowohl des Hautmaterials als auch des geschäumten Kernmaterials unter Produktionsbedingungen. Das dafür verwendete Spritzgießrheometer ist eine Inhouse-Entwicklung und wird direkt an der Verarbeitungsmaschine angebracht.

In Zukunft steht die Spritzgießsimulation thermoplastischer Schäume im Fokus. Die Spritzgießsimulation ist ein weitverbreitetes und wichtiges Werkzeug zur Risikominimierung und Abschätzung der spritzgießtechnischen Machbarkeit. Aufgrund der zunehmenden Bedeutung des thermoplastischen Schaumspritzgießens entstehen momentan speziell hierfür zugeschnittene Softwaremodule. In Zusammenarbeit mit den jeweiligen Anbietern wird das KUZ künftig ein Projekt zur Präzisierung der Datenbasis für die Spritzgießsimulation initiieren. Die Viskositätskurven thermoplastischer Schäume dienen dabei als Berechnungsgrundlage für das rheologische Verhalten. Das KUZ treibt darüber hinaus zahlreiche weitere relevante Forschungsschwerpunkte rund um das thermoplastische Schaumspritzgießen mit Partnern aus der Industrie voran.

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