Leichtbau im Automobil

Partikelschäume machen Türen leichter

Gemeinsam mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie haben Forscher des Instituts für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der TU Dresden im Forel-Technologieprojekt Sampa eine Fahrzeug-Seitentür entwickelt, an dem die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von Partikelschäumen im Verbundsystem demonstriert werden. Dabei wurde eine neue Prozesskette zur kombinierten Verarbeitung von Kunststoffen im Partikelschäumen und Spritzgießen entwickelt und umgesetzt.

Sampa-Technologiedemonstrator: Innenverkleidung (links), Bion. Träger (Mitte) und PU-Überflutete Außenseite (rechts) © Arburg

Die großen Einsatzpotentiale, die sich aus den guten thermischen Eigenschaften und dem hohen Energieaufnahmevermögen ergeben, werden bisher besondere im Bausektor und in der Verpackungsindustrie genutzt. In den letzten Jahren zeigt sich darüber hinaus ein Trend hin zu weiteren Anwendungsfeldern, die vom Sport- und Freizeitbereich bis hin zum Automobil- und Flugzeugbau reichen. In diesem Zusammenhang widmeten sich die Projektpartner verschiedenen Forschungsschwerpunkten von der Werkstoffcharakterisierung, der durchgängigen Prozess- und Struktursimulation, der Prozessführung über den Werkzeugbau und die Qualitätssicherung bis hin zur werkstoffgerechten Fügetechnik.

Die Entwickler des Sampa-Konsortiums haben dazu expandiertes Polypropylen (EPP) mit verschiedenen Analysemethoden ausführlich charakterisiert. Dabei wurde etwa unter Verwendung der Computertomographie die Schaumzellstruktur analysiert und in der Struktursimulation in Form repräsentativer Volumenelemente abgebildet. So wurde eine laut Institut einzigartige virtuelle Prüfmethode entwickelt, die es erlaubt, dichteabhängige, mechanische Materialkennwerte simulativ zu ermitteln.

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Darüber hinaus haben die Forscher eine neue Berechnungsmethodik erprobt, die es ermöglichen soll, den Formfüllvorgang des Partikelschäumens nachzubilden. Dadurch sei es künftig möglich, die Positionen zur Befüllung der Kavität zu optimieren, um die Qualität der Bauteile und die Reproduzierbarkeit des Prozesses zu erhöhen.

Konzept der Fahrzeugseitentür unter Verwendung funktionalisierter Partikelschaumstoffe. © ILK

Anhand von sieben Formwerkzeugen für die Verarbeitung im Partikelschäumen und Spritzgießen haben die Werkzeugbauer neue Konzepte zur Funktionalisierung von Partikelschäumen umgesetzt. Dazu wurden unter anderem neue Laserstrukturierungen der Werkzeugoberfläche zur Erhöhung der Kratzfestigkeit des Partikelschaums entwickelt. Zudem wurde die flächige Funktionalisierung des EPP im Spritzgießen an einem Türdemonstrator im Griffbereich umgesetzt. Dazu bedarf es neben einer prozessangepassten Temperierung des Spritzgießwerkzeugs einer speziell angepassten Prozessführung, um eine gute Verbindung zwischen Partikelschaum und Spritzgießmasse zu realisieren.

Zur Erhöhung des Prozessverständnisses wurden Qualitätssicherungsmethoden erarbeitet und umgesetzt, welche unter anderem den Partikeltransport beim Formfüllen überwachen und etwaige Prozessschwankungen frühzeitig detektieren.

Die Ergebnisse des Vorhabens werden im Technologiedemonstrator, einer Fahrzeug-Seitentür, präsentiert. Dieses Konzept der mehrteiligen Türverkleidung demonstriere die enorme Funktionalisierbarkeit von Partikelschaum. Zur Montage der Komponenten sind an die Belastung angepasste Inserts in die Schaumkomponenten eingeschäumt worden. Dabei handelt es sich um Kunststoffinserts zur Montage und um metallische Inserts, die eine werkstoffgerechte Lastaufnahme vom Griff direkt in den Türquerträger ermöglichen. Dieser ist hier in Form einer bionisch inspirierten und einschäumbaren Aluminium-Tragstruktur umgesetzt worden, die es unter Maximierung des Leichtbaugrads erlaubt, die Lasten an die Fahrzeugkarosserie abzuleiten. Darüber hinaus wird die Flexibilität hinsichtlich der Integration elektronischer Elemente in Partikelschaumstrukturen aufgezeigt. So finden Display, Mini-PC, Beleuchtung und Kabel ausreichend Platz im EPP-Grundkörper der Tür. Auch die großflächige Überflutung mit Polyurethan wurde für die Tür-Außenseite umgesetzt.

Das Potential von Partikelschaum im Verbundsystem wird im Rahmen des Projektabschlusses auf dem Forel-Kolloquium am 28. und 29. August 2019 in Dresden vorgestellt. Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmenkonzept „Innovationen für die Produktion, Dienstleistung und Arbeit von morgen“ und mit Mitteln aus dem Energie- und Klimafonds gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut.

Beteiligt am Projekt waren neben dem ILK die Unternehmen Arburg, Inpro, Krallmann Pilot-Werkzeug, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik (LWF) der Uni Paderborn, Michel Formenbau und Ruch Novaplast.

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