Starke Strukturen und funktionale Designs

Leichter in der Spur mit Spritzgießen

Der weltweite Automobilbau steht vor großen technologischen Umbrüchen. Einige Anforderungen bleiben jedoch: Geringes Gewicht, Sicherheit, Komfort und Design werden Werkstoffexperten und Fertigungsspezialisten weiterhin vor wachsende Aufgaben stellen. Das Spritzgießen wird zur K attraktive Lösungen für dieses Umfeld präsentieren.

Diese auf der K2019 präsentierte Fertigungszelle ist die laut Aussteller weltweit erste, die drei unterschiedlich dicke Organobleche mit IR-Strahlung aufheizt und umformt und im selben Prozessschritt im Spritzguss eine hochwertige Sichtoberfläche ausformt. © Engel

Aktuelle gehen die Stückzahlen in der Automobilindustrie zurück. Gleichzeitig beeinflussen Trends wie E-Mobility und autonomes Fahren die neuen Entwicklungen und setzen Trends für die kommenden Jahre. Auswirkungen spürt auch Spritzgießmaschinenbauer Engel. CEO Stefan Engleder, der die Situation jedoch eher als Chance sieht: „Die Automobilindustrie ist trägt (weiterhin) wichtige Wachstumstreiber in sich. Die Trends zum autonomen Fahren und zur Elektromobilität erfordern zum Teil ganz neue Produkte und Verarbeitungstechnologien.“ Vor allem hinsichtlich Oberflächen mit immer mehr Funktionen, hocheffizienter Composite-Technologien und steigenden Bedarf an Elektronikkomponenten wie Steckern oder Dichtungen erwartet er. Er sieht sein Unternehmen dementsprechend gut vorbereitet: „So haben wir über die letzten Jahre stark in die Technologieentwicklung – sowohl im Bereich der Oberflächen als auch des Composite-Leichtbaus – investiert und können heute eine große Bandbreite an serienreifen Verfahren anbieten.“

Lastgerechte thermoplastische Composites
Den nächsten großen Schritt des thermoplastbasierten Composite-Leichtbaus in der Großserie soll während der K-Messe eine Fertigungszelle präsentieren, die erstmals drei unterschiedlich dicke Organobleche mit Infrarot-Strahlung aufheizt, umformt und im selben Prozessschritt im Spritzguss eine hochwertige Sichtoberfläche ausformt. Eine weitere Premiere: Die Anlage integriert drei Engel Easix Knickarmroboter, die zeitgleich manipulieren.

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Die durchgehende Verwendung thermoplastischer Werkstoffe vereinfacht die Umformung und Funktionalisierung von Faserverbundhalbzeugen, was die Stückkosten senkt. Zum anderen vereinfacht der Einsatz von ausschließlich thermoplastischen Polymeren die Entwicklung von Recycling-Konzepten. Composite-Bauteile am Ende ihrer Nutzungsdauer in den Stoffkreislauf zurückzuführen, gehört zu den vorrangigen Aufgaben der weiteren Entwicklung der Elektromobilität.

Die lastgerechte Auswahl der Organobleche ermöglicht es, die unterschiedliche Belastung der einzelnen Bauteilbereiche gezielt zu berücksichtigen. © Engel

In der unter dem Begriff Organomelt von Engel entwickelte Technologie werden faserverstärkte Halbzeuge mit thermoplastischer Matrix, wie Organobleche und Tapes, aufgeheizt, ins Werkzeug eingelegt, dort umgeformt und direkt mit Thermoplast umspritzt. Das Verfahren hat die Großserie bereits erreicht. Unter anderem werden Frontendträger so vollautomatisiert hergestellt.

In der weiteren Entwicklung arbeitet Engel mit Kunden und Partnern an Fertigungsaspekten der lastgerechten Auslegung von Composite-Bauteilen. Um die Leichtbaueigenschaften gezielt an die jeweilige Bauteilgeometrie und die unterschiedliche Belastung der einzelnen Bereiche innerhalb des Bauteils anzupassen, werden künftig pro Bauteil mehrere unterschiedliche Faserverbundhalbzeuge miteinander kombiniert. Die Fertigungszelle auf der K mache das große Potenzial deutlich. Der dort präsentierte Verarbeitungsprozess wurde mit Automobilzulieferer Brose entwickelt. Es handelt sich laut Engel um die derzeit einzige Anlage weltweit, die im vollständig automatisierten Prozess mit integrierten IR-Öfen drei Organobleche mit Dicken zwischen 0,6 und 2,5 Millimeter, die noch dazu unterschiedliche Geometrien aufweisen, zeitgleich verarbeitet. Die lastgerechte Auswahl der Organobleche ermöglicht es, die unterschiedliche Belastung der einzelnen Bauteilbereiche gezielt zu berücksichtigen, was Brose in verschiedene Simulationsverfahren abgesichert hat. So weise das auf der K produzierte Demoteil zum Beispiel im Fensterrahmenbereich eine höhere Steifigkeit auf als an der Türinnenseite.

Eine Herausforderung beim Verarbeiten von Organoblechen besteht generell im Aufheizen der Faserverbundhalbzeuge. Von deren Dicke hängen die notwendige Aufheizdauer und die Abkühlzeit ab. Wichtig sind das schnelle und doch materialschonende Aufheizen sowie kurze Wege der aufgeheizten Halbzeuge zum Formgebungswerkzeug. Die Fertigungszelle auf der K rund um eine Duo 3660/800 Spritzgießmaschine integriert zwei IR-Öfen. Zum Aufheizen des nur 0,6 Millimeter dünnen Organoblechs ist ein vertikaler IR-Ofen direkt oberhalb der Schließeinheit angeordnet. Auf diese Weise gelangt das dünne Organoblech innerhalb kürzester Zeit ins Werkzeug, bevor es abkühlen kann und damit nicht mehr umformbar wäre. Für die beiden dickeren Organobleche mit 1 und 2,5 Millimeter ist ein Standard-IR-Ofen in horizontaler Ausführung im Einsatz, der sich auf einem Podest über der beweglichen Aufspannplatte befindet. Beide IR-Öfen sind ebenso wie die drei Easix Roboter vollständig in die CC300-Steuerung der Spritzgießmaschine integriert und zentral über das Maschinendisplay bedienbar.

Unterschiedlich dekorierte, dreidimensional komplexe Musterteile demonstrieren die hohe Flexibilität des serienreifen Rolle-zu-Rolle-IMD-Verfahrens. © Engel

Die Organobleche bestehen aus Glasfasern und Polypropylen als Matrixmaterial. Wenn sich das Werkzeug schließt, werden die Organobleche umgeformt und unmittelbar danach im selben Werkzeug mit glasfaserverstärktem Polypropylen umspritzt. Dabei werden auf der Bauteilrückseite Versteifungsrippen angespritzt und auf der Sichtseite eine Narbung in Lederoptik abgeformt. Beim direkten Umspritzen der Organobleche werde eine herausragende Ledernarbungsoptik erzielt, was bislang in Verbindung mit Organoblechen als unlösbar galt. Damit sei die Basis geschaffen, um künftig große strukturelle thermoplastische Türstrukturen im Organomelt Prozess zu produzieren.

Funktion und Design im Innenraum
Während das Thema Organoblech vor allem mechanisch hochbeanspruchte Komponenten adressiert, stellen Bauteile für den Fahrzeuginnenraum spezielle Anforderungen hinsichtlich Design und Bedienfunktionen. Bedienelemente verschwinden unter hochwertigen Oberflächen, das autonome Fahren erfordert eine völlig neue Sensorik, die sich unauffällig ins Design einfügt. In beiden Fällen können Folienanwendungen die Lösung sein. Mit Foilmelt und Clearmelt hat Engel Technologien im Programm, die sowohl für die Verarbeitung von Design- als auch funktionalen Folien Einsatz finden. Gleich zwei Anwendungen sollen zur K das breite Spektrum an Möglichkeiten zeigen.

Mit Herstellung unterschiedlich dekorierter, dreidimensional komplexer Musterteile auf einer Victory 1060/300 Spritzgießmaschine mit integriertem Viper Linearroboter wird die die hohe Flexibilität des serienreifen Rolle-zu-Rolle-IMD-Verfahrens demonstriert. Die gemeinsame Entwicklung der Systempartner Engel, Leonhard Kurz, Schöfer und Isosport Verbundbauteile ermöglicht es, im schnellen Wechsel unterschiedliche Oberflächensysteme im One-Step-Prozess von Rolle zu Rolle im Werkzeug thermozuformen, zu hinterspritzen und auszustanzen.

Um auch bei komplexen Geometrien und langen Strukturen – zum Beispiel zur Konturenbeleuchtung – hohe Lichtausbeute von LEDs sicherzustellen, wurde gezielt für die Verarbeitung von PMMA ein neuer Plastifizierprozess entwickelt © Engel

Bemerkenswert ist das breite Spektrum an möglichen Materialkombinationen. Es lassen sich mehrschichtige Foliensysteme mit Lackoberfläche oder auch strukturierte, hinterleuchtbare und darüber hinaus mit kapazitiver Elektronik funktionalisierte Folien verarbeiten. Für einen Wechsel des Dekors, der Struktur und der Funktionalität muss lediglich die Rolle, nicht aber das Werkzeug getauscht werden. Zum Hinterspritzen kommen neben den typischen Materialien wie ABS, PC oder PC/ABS auch PP sowie Rezyklate in Frage. Während der K Messe mischt Engel rezykliertes Material zu. Es handelt sich um Produktionsabfälle, die mitsamt der Folie geschreddert wurden. Der Konturbeschnitt findet direkt im Werkzeug statt. Damit wird keine externe Laserstation mehr benötigt. Es entfällt ein kompletter Arbeitsschritt.

Eine zweite Folienanwendung (IMD PUR) präsentiert Engel am Messestand seines Partners Leonhard Kurz in Halle 5 an Stand A19). Dort werden auf einer Duo 2460/900 Spritzgießmaschine mit Easix Knickarmroboter im Clearmelt Prozess Frontpanelen nachempfundene Musterteile, die den neuen Sensorikanforderungen entsprechen, produziert. In diesem Verfahren wird die Oberfläche mit einer Deckschicht aus Polyurethan veredelt, die vor allem im Exterieur-Bereich mit einem hohen Glanzgrad in Verbindung mit einer sehr guten Kratzfestigkeit punktet. Abhängig von den Stückzahlen und den Gegebenheiten im Spritzgießbetrieb finden die Thermoplast- und die PUR-Verarbeitung entweder sequentiell oder parallel zueinander mit Wendeplatte statt. Als weitere Partnerunternehmen sind bei diesem Exponat Hennecke, Votteler, Sabic und Velodyne LiDar beteiligt.

Licht nach Belieben
LED erobern im Fahrzeug immer mehr Anwendungen und dienen als prägende Designelemente. Damit steigt die geometrische Varianz, was die Hersteller der Lichtleiter vor neue Herausforderungen stellt. Um auch bei komplexen Geometrien und langen Strukturen – zum Beispiel zur Konturenbeleuchtung – eine hohe Lichtausbeute sicherzustellen, hat Engel gezielt für die Verarbeitung von PMMA einen neuen Plastifizierprozess entwickelt. Dieser erhöhe die Homogenität und Reinheit der Schmelze und eröffne damit den Lichtdesignern neue Freiheiten.

Um das große Potenzial deutlich zu machen, kommt während der K eine vollelektrische und holmlose E-Motion Spritzgießmaschine zum Einsatz. Gemeinsam mit den Entwicklungspartnern Inglass und HRSflow wurden verschiedene Anspritzsysteme mit elektrisch betätigten Nadelverschlüssen getestet.

K 2019, Halle 15, Stand C58

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