Compoundeur entwickelt mit

Mit Werkstoffen und Wissen neue Lösungen finden

Branchenübergreifend wächst der Bedarf an Leichtbau-Lösungen mit anspruchsvollen Anforderungsprofilen. Neben Konstrukteuren und Fertigungstechnikern sind besonders die Entwicklungskompetenzen der Werkstoffentwickler gefordert, wenn es gilt, komplexe Spezifikationen zu erfüllen. Gefragt sind funktionelle Compounds, die vielfältige Anforderungen bedienen können.

Sind spezielle Werkstoffeigenschaften gefordert, kann der Compoundeur schon in frühen Projektphasen zu anwendungs­ und fertigungstechnisch sowie wirtschaftlich optimalen Lösungen maßgeblich beitragen.

Vorsprung im Wettbewerb basiert nicht nur im Consumer-Bereich zu immer größeren Anteilen auf innovativen Designs, Funktionalität und schließlich der wirtschaftlichen Produktion, um zu marktgerechten Preisen zu kommen. Bei der Optimierung aller drei Faktoren spielt die Werkstoffwahl eine mehr oder weniger entscheidende Rolle. Gefragt sind häufig spezielle Lösungen, um die Anforderungen zu erfüllen. Dabei helfen Compoundeure, die mehr können, als Standards zu produzieren - sondern Anwendungs- und Branchenwissen in die Projekte einbringen. Dazu gehört bei Albis neben der Werkstoffentwicklung hinsichtlich Funktionen und Farben Unterstützung bei der Formteil- und Werkzeugkonstruktion, Verzugsanalysen, FEM-Analysen und vieles mehr.

PPS mit hoher Kriechstromfestigkeit
Im Idealfall wird der Compoundeur von Anfang an ins Boot genommen und entwickelt mit Kunden und Verarbeiter gemeinsam. So entwickelte Albis für ein Unternehmen aus der Elektroindustrie mit Hauptaugenmerk auf Gehäuse und Steckverbindungen beispielsweise Tedur HTR (High Tracking Resistance). Dabei handelt es sich um ein PPS-Compound mit erhöhter Kriechstromfestigkeit (Comparative Tracking Index, CTI). Versuche mit anderen Kunststoffen blieben erfolglos, da diese nicht die geforderten Eigenschaftskombinationen aufweisen. Denn neben einem möglichst hohen CTI-Wert forderten die Kunden hohe Chemikalienbeständigkeit, Steifigkeit und Silikonverträglichkeit, eine geringe Wasseraufnahme und Temperaturbeständigkeit zwischen -40 und 220 °C.

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In der Regel erreichen Standard PPS-Typen einen CTI zwischen etwa 150 und 175. Dies ist - verglichen mit vielen anderen Kunststoffen, die einen CTI von bis zu 600 erreichen können - vergleichsweise niedrig. Die spezialisierte PPS-Variante Tedur haben die Entwickler mit einem CTI-Wert größer 500 ausgestattet, was dem komplexen Anforderungsprofil voll entspricht. Darüber hinaus zeichnet die Type eine leicht erhöhte Wärmeleitfähigkeit aus, was den Einsatz in zahlreichen Anwendungen zusätzlich begünstigt.

Die gesamte Projektphase der Produktentwicklung beim Kunden wurde von einer anwendungstechnischen Beratung begleitet. Albis berücksichtigte deshalb während der Entwicklung des Materials auch die Auswirkung auf das Fließverhalten. Die bei Gehäusen für die Elektrotechnik und Elektronik sowie bei Steckverbindern teilweise zu realisierenden langen Fließwege werden trotz der anspruchsvollen sonstigen technischen Werte erreicht.

Wärmeleitfähige Kunststoffe "leicht" gemacht
Entwicklungskompetenz wurde und wird auch bei der Compoundierung wärmeleitfähiger Kunststoffe gefordert, die unter anderem in LED-Reflektoren, Lampengehäusen, Wärmetauschern oder Cooltouch-Applikationen Anwendung finden. Für einen Kunden aus der Elektroindustrie entwickelte Albis eine spezielle Type des Polyamids Alcom TCD mit erhöhter thermischer Leitfähigkeit, die zugleich elektrisch isolierend ist.

Zielanwendung war zunächst ein LED-Lampenkörper für Außenanwendungen. Hohe Temperaturbelastungen waren der überwiegende Grund für den Ausfall elektronischer Schaltungen. Der Kunde wollte thermische Hotspots vermeiden und somit die Lebensdauer empfindlicher Komponenten erhöhen. Neben einer deutlichen Gewichtsreduzierung gelang es, mit dem wärmeleitfähigen Polyamid die Einsatztemperatur von 90 auf 80 °C zu senken - und so die Lebensdauer nahezu zu verdoppeln. Dabei verzichteten die Werkstoffentwickler auf abrasive und toxische Füllstoffe, um Maschinen und Werkzeuge bei den zumeist hohen Durchsätzen zu schonen.

Darüber hinaus war eine dunkle Farbeinstellung des wärmeleitfähigen Polyamids notwendig. Obwohl dieses aufgrund der von Natur aus weißen Füllstoffanteile bei Alcom TCD-Typen nicht ohne weiteres umsetzbar ist, entwickelte Albis eine Lösung, um das Material in einem dunklen Farbton einzustellen.

Farborteinstellungen mit spezifischen Messmethoden
Neben dem Bereich Electrical and Electronics (E&E) gehören zu Albis` Kernsegmenten die Branchen Packaging, Healthcare und Automotive. Gerade in diesem Umfeld ist das exakte Übereinstimmen von Farbanmutungen der Komponenten trotz sehr unterschiedlicher Werkstoffe und Verarbeitungsverfahren erforderlich.

Für einen Zulieferer der Automobilindustrie entwickelten die Hamburger eine Compoundlösung zur Herstellung eines Funktionstastensystems als Komponente eines Dachmoduls aus dem Bereich Automotive Interior Lighting. Die eng gefassten OEM-Anforderungen für den Durchlichtfarbort der Tastenkappen wurden durch Adaption des Polycarbonat-basierten Materials sowie der vorgesehenen LED-Lichtquelle erreicht. Die konstruktiven Gegebenheiten, die den Farbort ebenfalls erheblich beeinflussen, konnten beibehalten werden und bedurften keiner weiteren Anpassung - dadurch wurden größere Projektverzögerungen vermieden.

Die im Automobil eingesetzten Tasten, die aus einem eingefärbten, aber dennoch transluzenten, Polycarbonat bestehen, werden zunächst lackiert, bevor das gewünschte Schriftbild freigelasert wird. Im unbeleuchteten Zustand erscheint nun das Schriftbild in der Farbe des eingefärbten Polycarbonats. Diese Farbe entspricht der vom Kunden geforderten Farbe im Tagdesign. Im Nachtdesign hingegen, in dem die Taste durch dahinterliegende LED beleuchtet wird, soll die Farbe der LED bestimmend sein. Somit soll bei weißen LED ein weißes Schriftbild im durchleuchteten Zustand resultieren. Dieser weiße Farbort im beleuchteten Zustand konnte aber beim Einsatz von weißem Standard-Tastenmaterial nicht erreicht werden, da die Farbe in diesem Zustand gelblich wirkte.

Das Material wurde schließlich so optimiert, dass der gewünschte weiße Farbort sowohl im durchleuchteten als auch undurchleuchteten Zustand bestmöglich erreicht wird. Im Rahmen der dazu erforderliche Compoundentwicklung legte Albis die Randbedingungen für einen anwendungsnahen Messaufbau unter Verwendung spezifischer Messmethoden aus dem Bereich Entwicklung und Qualitätssicherung des Systemlieferanten (Leuchtdichtekamera mit Farbortauflösung) fest. Durch Kalibrierung des Aufbaus zwischen Materiallieferant und Systemlieferant hinsichtlich LED-Charakteristik und Basismaterial konnten geometriebedingte Farbortunterschiede beim Übergang von der Taste zur Musterplättchengeometrie quantifiziert werden. Dieser Schritt ist notwendig, um die Farborte der Musterplättchen, die während der Materialentwicklung verwendet wurden, auf den Farbort der Fertigteilgeometrie zurückzurechnen. Somit wurde ein entsprechend farbortverschobenes Zielgebiet für diesen Messaufbau gefunden.

Um die zusätzlich zur geforderten Helligkeit und Streuwirkung des Materials erforderlichen Filterfarbmittel zur Justierung des Durchlichtfarborts definiert einbringen zu können, wählten die Werkstoffentwickler innovative Rezeptier- und Dosiertechniken. Das Ergebnis: In der laufenden Serienproduktion wurde die durchlichtfarbort-bezogene Chargenkonstanz in dem vom OEM vorgegebenen engen Toleranzfeld sicher erreicht. Um die Chargenkonstanz zusätzlich zu den prozessseitig ergriffenen Maßnahmen zu unterstützen, wurden die lichttechnischen und materialspezifischen Anforderungen für entsprechend spezifizierte, produktionsrelevante Prüfmethoden übersetzt. So konnte das für die Entwicklung verwendete Messnormal - eine bestrombare Baugruppe - durch eine standardisierte Methode ersetzen werden, die die Produktionskontrolle auf Basis des Verlaufs von Transmissionsspektren erlaubt

Elastisch bleiben - bei Anforderungen und Kosten
Die enorme Dichte elektrischer und elektronischer Komponenten im Automobilbau bedingt hohen Aufwand beim Abdichten einzelner Kabel und Stecker, aber auch von Gehäusen unterschiedlicher Form und Baugrößen, deren Inneres dauerhaft vor Feuchteeinflüssen geschützt werden muss. Eine von einem Automobilzulieferer genutzte silikonbasierte Gehäusedichtung erfüllte zwar die technischen Anforderungen - die Produktionszeiten waren aber aufgrund der verhältnismäßig langen Zykluszeiten zur ausreichenden Vernetzung des Silikons zu lang. Und damit gab es ein Kostenproblem. Der Systemlieferant wechselte schließlich auf eine Lösung aus einem Standard-TPE. Im Laufe der Zeit wurde jedoch festgestellt, dass Additive aus dem TPE in das Gehäuseinnere emittierten und die empfindliche Elektronik beeinflussten.

An Albis wurde die Aufgabe gestellt, eine emissionsarme Alternative bereit zu stellen, die trotzdem die Dichtungsfunktion im Temperaturbereich zwischen -40 und 150 C sicher erfüllt und eine Produktivitätssteigerung zulässt. Gemäß dem Anforderungsprofil des Kunden wurde eine spezielle Type des TPE-Compounds Alfater XL entwickelt. Aufgrund geringerer Zykluszeiten - und geringerer Rohstoffkosten - wurden die Produktionskosten verringert. Allein aufgrund des Wegfalls der Vernetzungszeit bei PP-EPDM (TPV) gegenüber dem Silikon reduziert sich die Zykluszeit um bis zu 80 Prozent.

Da das TPE andere mechanische Eigenschaften aufweist als das zunächst verwendete Silikon, gingen mit dem Wechsel auf TPV einige Konstruktionsänderungen einher. Auch hierbei leistete Albis Unterstützung. Entwicklungskompetenz zeichnet sich in solchen Fällen durch eine ganze Abfolge unterschiedlicher Schritte aus. Oft kann der Kunde nicht von vorneherein sagen, welche mechanischen Eigenschaften geändert werden müssen, um die Anforderungen ans Bauteil zu erreichen. Somit sind mehrfache Entwicklungsschleifen notwendig, die im Zweifelsfall die mehrmalige Musterung des Materials sowie mögliche konstruktive Anpassungen beinhalten.

Der Beitrag basiert auf einem Manuskript von Jochen Vennemann, Albis Plastic.

Fakuma, Halle A3, Stand 3105

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