Aktionäre stemmen sich gegen Einwegverpackungen

Der Druck kommt, zumal in Pandemiezeiten, vielleicht nicht von der Straße. Aber von großen Investorengruppen.

Zu beobachten war dies zuletzt bei der diesjährigen Jahreshauptversammlung von Amazon: Unter Punkt 8 der Tagesordnung wollte eine Non-Profit-Organisation für Aktionärsinteressen den Konzern dazu zwingen, den jährlichen Kunststoffverbrauch im eigenen Geschäftsbetrieb zunächst offenzulegen (wie etwa die Einzelhandelskette Walmart das tut) und dann schrittweise zu reduzieren. Aus dem Stand votierten 35 Prozent der stimmberechtigten Anteile für diese Resolution – ein Paukenschlag, wenn man bedenkt, dass allein 14 Prozent Jeff Bezos gehören.

Die 1992 gegründete gemeinnützige Stiftung „As you sow“, die die Beschlussvorlage eingebracht hatte, argumentierte dabei ziemlich clever: Indem Amazon Unmengen an Kunststoffverpackungen verwende, die marine Ökosysteme gefährdeten, riskiere das Unternehmen mittelfristig einen geschäftsschädigenden Reputationsverlust und erhebliche finanzielle Schäden. Die selbst ernannten Kämpfer für verantwortliches unternehmerisches Handeln (CSR) und Nachhaltigkeit auf dem Wege des Aktienrechts verwiesen in diesem Zusammenhang auf eine Studie der Umweltschutzorganisation Oceana, der zufolge 10 000 von den 210 000 Tonnen Plastikverpackungsmüll, die Amazon im Jahr 2019 erzeugt habe, in Gewässer gelangt seien. Zwar wies der weltgrößte Online-Händler diese Zahlen als überhöht zurück, doch trafen die Aktien-Aktivisten damit einen Nerv.

Die Forderung nach einem transparenten Kunststoff-Fußabdruck hat in diesem Fall zwar nicht obsiegt. Doch wer glaubt, das seien alles nur Öko-Träumer oder Spinner, unterschätzt den wachsenden Einfluss solcher Gruppierungen. Auch andere Konzerne haben damit bereits Bekanntschaft gemacht. In einer ähnlichen Abstimmung auf der Hauptversammlung von DuPont gab es 81 Prozent Zustimmung, Konzerne wie Unilever und Pepsi gestanden zu, den Kunststoffverbrauch drastisch zu reduzieren und für Verpackungen vermehrt Rezyklat einzusetzen. Die Kunststoffindustrie hat jetzt vielleicht ihre letzte Chance, entschlossen und aktiv eine Kreislaufwirtschaft zu gestalten – statt immer nur als Getriebene der Öffentlichkeit dazustehen.

Dr. Clemens Doriat [clemens.doriat@hanser.de]

Editorial - Doriat

Doriat, Clemens, Dr.

Die B2B-Zuliefermesse Kunststofftechnik Nord findet vom 7. bis 9. September statt

Ein großzügiges Hallenlayout mit „Meet+Eat-Ecken“, ein attraktives Rahmenprogramm und eine zusätzliche Halle zum Thema Circular Economy: Das Konzept der Regionalmesse findet wieder großen Zuspruch. Rund 230 Aussteller aus der gesamten Wertschöpfungskette der Kunststoffverarbeitung sind vertreten.

Der Countdown läuft – und selbstverständlich kommt in Rheda-Wiedenbrück nur aufs Messegelände, wer die „3G-Regel“ (getestet, genesen oder geimpft) erfüllt. Damit das alles reibungslos abläuft, haben die Veranstalter ein umfangreiches Sicherheits- und Hygienekonzept auf die Füße gestellt.

Sicherheit und Wohlbefinden von  Besuchern haben Top-Priorität

So wurden zum Beispiel hohe Investitionen in die Lüftungsanlage der Messehallen getätigt. Filter und zusätzliche Frischluftaggregate garantieren einen hohen (zugfreien) Luftaustausch, der alle behördlichen Vorschriften bei Weitem übertrifft. Außerdem wird die Kuteno-Besucherregistrierung eine Schnittstelle zur offiziellen Corona-App erhalten. Der Eintritt für genesene, geimpfte und getestete Fachbesucher wird dadurch sehr einfach ohne lange Wartezeiten ermöglicht. Selbstverständlich werden auch vor Ort Schnelltests vorgehalten, um kurzentschlossenen Besuchern den Zutritt zu ermöglichen. Zusammen mit weiteren erprobten Maßnahmen sind die Veranstalter überzeugt, dass die Messe für Fachbesucher und Aussteller gleichermaßen ein sicheres Arbeits- und Begegnungsumfeld bieten wird.

„Nachdem die NRW-Politik grünes Licht für eine Präsenzmesse gegeben hat, erfährt die Messe ein erneut hohes Interesse an den wenigen verbliebenen Ausstellungsflächen“, so Horst Rudolph, Veranstalter der Regionalmesse. „Wir erkennen hier eine starke Akzeptanz unseres preiswerten und regionalen Konzepts.“ Vor allem Aussteller, die sonst nur international ausgerichtete Veranstaltungen gebucht haben, haben sich in Rheda-Wiedenbrück angemeldet. Darunter Voestalpine, Dr. Boy, Stork IMM, Ferromatik Milacron, Strack Norma, Covena Polymers (Delacamp AG) und die Bada AG.

Aber auch Unternehmen, die bereits bei früheren Ausgaben dabei waren, haben sich erneut angemeldet, so zum Beispiel Stäubli, Gimatic, Moretto, Lohner Kunststoffrecycling, NovoPlan, Frigosystem und Hellweg Maschinenbau. Besonders stolz sind die Veranstalter auf ihre digitale Messeplattform zur effektiven Besuchsvorbereitung.

Ihr persönliches Highlight der Kuteno?

Da gibt es mindestens zwei. Zum einen ist es ein tolles Gefühl, mit unserer treuen Ausstellerschaft und starken Partnern wieder an den Start zu gehen. Zum anderen freue ich mich, dass unsere Messeplattform gut angenommen wird und auch überregionales Interesse weckt.

Wie viele Aussteller haben sich Stand heute (Redaktionsschluss 12. Juli) angemeldet – und aus welchen Bereichen kommen die?

Stand heute haben wir 229 Aussteller. Diese vertreten alle Produktgruppen entlang der gesamten Wertschöpfungskette der Kunststoffverarbeitung einschließlich Werkzeugbau.

Wird sich die Messelandschaft nach Corona verändern? Gibt es Trends?

Während der letzten zwei Jahre gab es viele Versuche, die analoge Messe durch digitale Formate zu ersetzen. Teilweise, dort wo Inhalte „transportiert“ wurden, ist das ganz gut gelungen. Dort, wo es um Emotionen ging, wo alle fünf Sinne angesprochen werden sollten, war der Erfolg eher bescheiden. Ich sehe einen Trend zur regionalen Ausrichtung und die Buchung von Full-Service-Ständen – beides auch Teile unseres Messekonzepts.

Somit punkten die Regionalmessen in Zukunft gegenüber den großen Messen?

Die Leitmessen sind international und werden noch länger von Reisebeschränkungen betroffen sein. Ich bin überzeugt, dass der Standort Deutschland die „K“ als Leitmesse braucht, damit Image und Technologievorsprung der DACH-Aussteller zur Geltung kommen. Allerdings lernen die Hersteller gerade, dass sie ihre Maschinen auch sehr gut digital präsentieren können – das funktioniert auch auf einer Regionalmesse.

Welche Regeln gelten während der Abendveranstaltung „Burger, Bier und Beats“?

Dafür haben wir jetzt schon bestes Wetter bestellt und auch schon eine 50-%-Zusage dafür erhalten. Nein – im Ernst – die Gesundheit und das Wohlbefinden unserer Gäste haben für uns höchste Prio. Bei uns gelten die gleichen Regeln wie in der Gastronomie.

Mehr als ein Austellerverzeichnis:  die Match-Making-Messeplattform

Die Fachbesucher können auf der Kuteno-Webseite ihre jeweiligen Interessen oder Bedarfe eingeben. Über eine Suchmaske nach Fokusthemen, Anwendungen und Produktklassen können sie bereits im Vorfeld der Messe gut aufgearbeitete Beiträge der Aussteller in Form von Videos oder Produktstories ansehen.

Auch ein direkter Kontakt oder Ansprechpartner ist jeweils genannt, so können sich Anbieter und Besucher bereits im Vorfeld der Messe austauschen, bzw. zu einem festen Zeitpunkt auf der Messe verabreden.

Das A2 Forum liegt in Rheda-Wiedenbrück inmitten von zwölf Clustern der kunststoffverarbeitenden Industrie

Name - Hauptartikel

7. bis 9. September 2021 Der Eintritt ist für registrierte Besucher kostenfrei.

<a href="http://www.kuteno.de">www.kuteno.de</a>

Schröder, Susanne

Wie sich die hohen Anforderungen an eine nachhaltige Spritzgießproduktion meistern lassen

Digitalisierung ist kein rein technisches Thema, sondern auch eine mentale Hürde, und Nachhaltigkeit ist mehr als ein Hype. Davon sind die Verantwortlichen bei Engel überzeugt. Auf dem live e-symposium 2021 vom 22. bis 24. Juni 2021 schlug der Spritzgießsystemlieferant die Brücke zwischen den zwei Megatrends unserer Zeit. Und zeigte, wie der eine dem anderen in der Industrie auf die Sprünge helfen kann.

Die Digitalisierung hilft uns, das volle Potenzial der Spritzgießmaschinen auszuschöpfen und damit effizienter zu produzieren“, sagte Dr. Stefan Engleder, CEO der Engel Gruppe, in seiner Keynote zur Eröffnung der dreitägigen Hausmesse mit begleitender Fachtagung. Eine aktuelle Studie, die die Unternehmensberatung Accenture im Auftrag von bitkom – Bundesverband Informationswirtschaft, Telekommunikation und neue Medien e. V. durchgeführt hat, prognostiziert, dass sich mithilfe der Digitalisierung die heutigen CO2 -Emissionen deutscher Betriebe um bis zu 58 % reduzieren lassen. Der Fertigungsbereich hat daran mit 23 % einen besonders großen Anteil. „Wenn wir die Digitalisierung wirklich nutzen, erscheinen uns die CO2 -Reduktionsziele, die uns von der Politik vorgegeben werden, auf einmal nicht mehr unrealistisch“, so Engleder.

Das Thema auf die Agenda zu setzen, sei im Eigeninteresse der Industrie, denn die Konsequenzen würden sich beispielsweise auch auf die Refinanzierung von Unternehmen auswirken, sagte der CEO. Engleder weiter: „Uns steht ein breites Spektrum ausgereifter digitaler Lösungen zur Verfügung. Jetzt geht es darum, dass Spritzgießproduktionen diese Ermöglicher der Dekarbonisierung auch nutzen.“ Engel hat dabei den gesamten Produktlebenszyklus, vom Design über die Konstruktion und Produktion bis zum Recycling, im Blick – auch das machte das Symposium deutlich.

Am Beispiel eines dreiteiligen Fahrzeugtürmoduls wurde sichtbar, wie sich bereits beim Bauteildesign die Weichen für eine ressourcenschonende Herstellung und ein späteres Recycling stellen lassen. Mit der Software sim link verknüpft Engel die Simulation mit der Produktion. Die in der Simulation ermittelten Einstellungen werden an die Spritzgießmaschinensteuerung übertragen, was die Musterung des Werkzeugs sowie die weitere Optimierung der Verarbeitungsparameter wesentlich beschleunigt. Umgekehrt lassen sich auch Prozessparameter und Messergebnisse aus der Maschine sehr einfach in die Simulation übertragen. „Durch die Füllstudie bekommen wir bereits die richtigen Einstellparameter für die Maschine, ohne manuell eingreifen zu müssen“, erklärte Dr. Gerhard Dimmler, Vice President Research & Development von Engel, in seinem Vortrag.

Konnektivität der Maschinen sowie ein durchgängiger Datenfluss und -austausch entlang der gesamten Wertschöpfungskette seien Voraussetzung, einerseits die CO2 -Emissionen durch eine energieeffiziente und ausschussarme Kunststoffverarbeitung zu reduzieren und andererseits ein sortenreines, hochwertiges Recycling zu etablieren, so Dimmler. Inzwischen seien bereits 30 % aller neu ausgelieferten Engel-Maschinen online und mehrere Hundert „Edge Devices“ am Markt. Damit habe Engel den eigenen Anspruch, eine Art FritzBox für die Spritzgießmaschine zu entwickeln, erfüllt. Wie sich inzwischen herausstelle, hätten auch andere Maschinenhersteller das Edge Device als Benchmark akzeptiert.

Dimmler fand aber auch selbstkritische Worte. Direkt an die zugeschalteten Kunden gewandt, sagte er: „Wir sind – im Nachhinein betrachtet: fälschlicherweise – davon ausgegangen, dass wir uns in Ihre Prozessthemen nicht einbringen sollen. Sie haben uns eines Besseren belehrt.“ So sei das zur K 2019 vorgestellte, auf Live-Daten basierende Assistenzsystem „iQ process observer“ sofort auf großes Interesse gestoßen. Bei dem zunächst priorisierten Thema Plattformökonomie sei hingegen Ernüchterung eingekehrt. Dies werde sich erst wieder ändern, wenn „wir horizontale und vertikale Plattformen für Sie als Kunde verschmelzen können“.

Das Ziel: Re- und Upcycling statt Downcycling

Eine vertikale Plattform meint die digitale Abbildung einer Anlage oder Fertigungszelle innerhalb einer einzelnen Wertschöpfungsstufe. Dieser „digitale Zwilling“ beschreibt die Anlage und ihr Verhalten anhand von Daten und legt damit die Basis für Optimierungen. Ein Beispiel für eine Applikation ist die digitale Servicelösung „Engel e-connect.24“, die, angedockt an das Kundenportal e-connect, Fernwartung und Online-Support beinhaltet – Themen, die nicht zuletzt durch die Covid-19 -Pandemie stärker in den Fokus der verarbeitenden Unternehmen gerückt sind. Viele Betriebe befassen sich mit der Frage, wie sie ihre Produktivität und Lieferfähigkeit auch im Falle zukünftiger Krisen absichern können.

Vertikale Plattformen sind laut Gerhard Dimmler etabliert, horizontale hingegen stehen erst am Beginn. Mit dem Übergang auf horizontale Plattformen, den Engel und andere Unternehmen der Kunststoffindustrie aktiv vorantreiben, gerät die gesamte Wertschöpfungskette in den Blick. Applikationen und Unternehmen vernetzen sich entlang dieser Kette, um Informationen und Daten auszutauschen. Davon profitiert auch die Kreislaufwirtschaft. „Unser Ziel ist, das bislang vorherrschende Downcycling von Materialien durch ein Re- oder sogar Upcycling abzulösen“, sagte Stefan Engleder. Das wiederum funktioniere nur, wenn Daten über den gesamten Produktlebenszyklus, also entlang der Wertschöpfungskette, ausgetauscht würden.

So ermöglicht beispielsweise ein digitales Wasserzeichen, das unsichtbar auf Verpackungen angebracht wird, ein effektiveres Sortieren von Kunststoffabfällen und damit ein sortenreines, hochwertiges Recycling. Über das Wasserzeichen werden das Material, der Verpackungshersteller und der Verarbeitungsprozess identifiziert. Diese Daten stehen allen Teilnehmern und Nutzern der horizontalen Plattform zur Verfügung. So lassen sich der Recyclingprozess sowie die darauffolgende Verarbeitung des Rezyklats im Sinne einer hohen Ressourceneffizienz steuern und aufeinander abstimmen.

In der virtuellen Fachausstellung konnten die mehreren Tausend Teilnehmer des Symposiums Lösungen begegnen, die die Verwendung von Rezyklaten vereinfachen und intensivieren sollen: neben Engels iQ-Assistenzsystemen, die den Prozess auch bei typischerweise auftretenden Viskositätsschwankungen stabil halten, vor allem verfahrenstechnische Ansätze, wie ein neues Coinjektionsverfahren, das bei der Herstellung von Eimern einen hohen, vollständig in Neuware eingeschlossenen Rezyklatanteil (über 30 %) ermöglicht, oder ein neuer Zweistufenprozess, mit dem sich Kunststoffabfälle direkt nach dem Vermahlen als Flakes im Spritzgießverfahren verarbeiten lassen. Im ersten Fall wird kavitätsnah, direkt am Anspritzpunkt, mithilfe eines Nadelverschlusssystems von Rezyklat auf Neuware umgeschaltet, im zweiten werden zwischen Plastifizierschnecke und Einspritzschnecke (bzw. Kolbenaggregat) ein Schmelzefilter und eine Entgasungseinheit integriert.

Abschließend appellierte Engleder an die Branche, sich für digitale Lösungen zu öffnen: „Dazu brauchen wir eine Veränderung im Mindset. Haben Sie Mut, unsere inject-4.0-Lösungen einzusetzen, und lassen Sie Connectivity zu!“ Nur gemeinsam könne man eine nachhaltige Kunststoffindustrie gestalten.

Gefragt ist Mut, sich für digitale Lösungen zu öffnen: Dr. Stefan Engleder

30 Prozent aller neu ausgelieferten Engel-Maschinen sind bereits online: Dr. Gerhard Dimmler

Um den hohen Rezyklatanteil sichtbar zu machen, wird ein transparentes Hautmaterial aus Neuware mit einem schwarzen Kernmaterial kombiniert

Wer am Engel live e-symposium 2021 nicht teilnehmen konnte, kann mit seiner Registrierung, die auch nachträglich möglich ist, weiterhin den Maschinen-Showroom besuchen, mit einem Engel-Ansprechpartner eine virtuelle Werksführung unternehmen und über die Mediathek alle Vorträge und Business Talks (Gesprächsrunden zu den Themen Packaging, Medical, Automotive und Technical Molding) verfolgen. Das volle Programm steht Kunden, Partnern und Interessierten rund um die Uhr an 365 Tagen im Jahr zur Verfügung.

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Spritzgießen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Kunststoff-Recycling

Kunststoff-Aufbereitung

Kreislaufwirtschaft

Duroplastspritzgießen von Gehäusen für Elektronikbauteile

Duroplaste kommen vermehrt für Gehäuse von Elektronikbauteilen zum Einsatz und bieten dafür gute Eigenschaften. Besonders interessant ist die Direktumspritzung der Komponenten. Dabei muss allerdings der Spagat zwischen Verarbeitbarkeit, Wärmeleitfähigkeit und Reproduzierbarkeit gemeistert werden, um ein erfolgreiches Produkt zu realisieren.

Die industrielle Nutzung duroplastischer Werkstoffe geht bis in das Jahr 1908 zurück [1]. Damit sind sie die ältesten synthetisch hergestellten Kunststoffe. Auch gegenwärtig kommen immer wieder neue Anwendungsfälle für diese Materialien hinzu. Duroplaste hatten vor allem in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts ihre Hochzeit, wobei ihre sehr gute Wärme- und Chemikalienbeständigkeit in den meisten Einsatzgebieten eine große Rolle spielte. In den Jahrzehnten danach hat ihre Bedeutung allerdings abgenommen. Durch Entwicklungen in der Elektronikindustrie und im Automobilbereich kommen in letzter Zeit aber wieder vermehrt duroplastische Bauteile auf den Markt.

Ein Schwerpunkt ist dabei der Schutz von empfindlichen elektronischen Bauteilen wie beispielsweise Sensoren. Auch bei der Robert Bosch GmbH werden immer mehr elektronische Bauteile mit einem duroplastischen Gehäuse versehen, häufig mittels der sogenannten Direktverpackung.

Bei der Direktverpackung wird ein elektronisches Bauteil, beispielsweise ein Steuergerät oder ein Sensor, mit einer duroplastischen Formmasse direkt umspritzt. Der Duroplast geht dabei zumindest eine adhäsive Verbindung mit den verpackten Komponenten ein und bildet oft gleichzeitig das spätere Gehäuse für das Bauteil aus. Besonders von Vorteil sind bei dem Verfahren die thermomechanischen Eigenschaften von Duroplasten, insbesondere die geringe thermische Ausdehnung sowie die nahezu isotropen Eigenschaften in der Ebene. Quantitativ gesehen bewegen sich die duroplastischen Formmassen bei der Wärmeausdehnung typischerweise im Bereich von Kupfer (17 · 10-6 K-1) bzw. Aluminium (23 · 10-6 K-1). Auch die Wärmeausdehnung der eingesetzten Leiterplatte ist ähnlich zu derjenigen der verwendeten Formmassen. Je näher die Ausdehnungskoeffizienten beieinanderliegen, umso geringer sind die auftretenden mechanischen Spannungen bei wechselnder Temperaturbeanspruchung. Duroplastische Formmassen bieten deshalb ideale Voraussetzungen für den Einsatz als Umhüllungsmaterial. Ein typischer Temperaturanwendungsbereich für Direktverpackungen liegt zwischen -40 und 150 °C.

Schonender in der Verarbeitung als Thermoplaste

Auch die Verarbeitungseigenschaften von Duroplasten begünstigen den Einsatz zur Verpackung empfindlicher Bauteile. Duroplaste zeigen während des Füllvorgangs, wenn also nur ein geringer Vernetzungsgrad vorliegt, die geringste Viskosität (Werkzeugtemperatur > Massetemperatur). Die Umhüllung ist deshalb besonders schonend möglich. Bei Thermoplasten steigt hingegen die Viskosität im Werkzeug (Werkzeugtemperatur &lt; Massetemperatur) bereits wieder stark an, wodurch die Belastung der zu umhüllenden Komponenten größer ausfällt. Außerdem existieren sehr niedrigviskose Duroplastformulierungen sowohl für das Transfermolding als auch für das Spritzgießen, mit denen sich sehr niedrige Forminnendrücke realisieren lassen [2]. Ein Nachteil der Werkstoffe ist die auftretende Vernetzung während der Verarbeitung, deren Einfluss bei Betrachtungen zur Prozesssicherheit stets berücksichtigt werden sollte.

Die besonders hervorzuhebenden Vorteile der Direktverpackung liegen u. a. in der hohen Funktionsintegration, der Reduktion von Montageschritten sowie der verbesserten Zuverlässigkeit, etwa von Lotverbindungen [3, 4]. Eine wesentliche Herausforderung bei der Direktverpackung von elektronischen Bauteilen ist hingegen die Abführung der Verlustwärme, die mitunter eine erhebliche Höhe erreicht und im herkömmlichen Gehäuse oft durch eine Anbindung an eine Kühlstruktur realisiert wird. Da Kunststoffe eher zu den thermisch isolierenden Werkstoffen zählen, sind entsprechende Funktionalisierungen notwendig, wie beispielsweise durch Zumischen wärmeleitfähiger Partikel.

Die Füllung bei duroplastischen Werkstoffen wird im Normalfall durch eine sogenannte Block-Scher-Strömung beschrieben. Ausgelöst wird dieses Füllverhalten u. a. durch die thermischen Verhältnisse und den damit einhergehenden Viskositätsverlauf: Während das Material im direkten Werkzeugkontakt sehr schnell aufgeheizt und die Viskosität entsprechend verringert wird, bleibt die Viskosität im Inneren aufgrund der geringeren Temperatur höher. Dementsprechend wird das Material vor allem im Randbereich stark geschert, wodurch sich eine fließinduzierte Füllstofforientierung ergibt. Im Inneren wird eher von einer statistischen Orientierung der Füllstoffe ausgegangen. Anhand von Untersuchungen mit magnetischen und wärmeleitfähigen Füllstoffen konnte dieses Verhalten bei unterschiedliche Plattendicken nachgewiesen werden (Bild 1) [5, 6]. Auch bei plättchenförmigen, wärmeleitfähigen Füllstoffen wie hexagonalem Bornitrid zeigt sich ein ähnliches Verhalten. Insbesondere bei kleinen Plattendicken lässt sich eine ausgeprägte Orientierung der Füllstoffe in Fließrichtung erkennen, während bei großen Plattendicken auch die Wärmeleitfähigkeit in z-Richtung stark ausgeprägt ist.

Die Verfügbarkeit von wärmeleitfähigen Materialien ist für duroplastische Formmassen begrenzt. Dennoch sind einige kommerzielle Stoffe verfügbar. Die Wärmeleitfähigkeit bei duroplastischen Formmassen reicht von Werten im Bereich von 0,5 W/m · K (Standardwerkstoff) bis zu 8 W/m · K (wärmeleitfähiger Kunststoff). Dabei spielt jedoch das eingesetzte Messverfahren eine wesentliche Rolle. Im Fall der vorliegenden Messungen kam das Prüfgerät NanoFlash LFA447 der Netzsch-Gerätebau GmbH zum Einsatz. Durch eine spezielle Probenpräparation kann die Wärmeleitfähigkeit in allen Raumrichtungen erfasst werden, was vor allem für thermische Simulationen und für die Bauteilauslegung von großer Bedeutung ist.

Verlustleistung und Wärmeleitfähigkeit nicht proportional

Zudem wurden die Materialien auf die Entwärmungsleistung bei freier und erzwungener Konvektion überprüft und es wurden auch spezielle Strukturen zur Entwärmung wie Pins und Rippen direkt im Spritzgießprozess angeformt [7]. Es zeigte sich, dass die aufnehmbare Verlustleistung nicht proportional zur Wärmeleitfähigkeit ansteigt (Bild 2). Daher bringt eine hohe Dosierung der Füllstoffe, die in der Regel zu einem starken Preisanstieg der Werkstoffe führt, nicht zwangsweise eine Verbesserung der thermischen Verhältnisse im verpackten Bauteil mit sich.

Der Prozess der Direktverpackung ist normalerweise am Ende der Wertschöpfungskette angesiedelt. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an die Durchführung und Reproduzierbarkeit des Prozesses. Tritt im Prozess ein Fehler auf, beispielsweise durch eine Druckspitze während der Füllung infolge von Material- oder Prozessschwankungen, können die elektronischen Komponenten beschädigt werden. Da es sich zusätzlich aus Kostengründen oft um Mehrfachwerkzeuge handelt, ist der entstehende monetäre Schaden schnell sehr hoch. Durch die fehlende Rückströmsperre liegt daher gerade beim Duroplastspritzgießen ein besonderes Augenmerk auf der Reproduzierbarkeit. Neben dem Einsatz von Materialien mit geringen Viskositäten, um die Forminnendrücke möglichst zu minimieren, besteht die Notwendigkeit einer exakten Prozesskontrolle.

Um eine solche zu ermöglichen, wurden bei Bosch die Forminnendrücke bei der Verpackung mit verschiedenen Materialien untersucht. Während das Standardmaterial dabei sehr geringe Forminnendrücke von etwa 10 bar zeigt, sind diese bei dem wärmeleitfähigen Material bereits deutlich höher (Bild 3). Auch das Füllverhalten ist stark unterschiedlich. Beim Standardmaterial zeigt sich nahezu kein Unterschied zwischen dem gemessenen Druck angussnah und angussfern. Lediglich ein kleiner Druckanstieg angussnah während der Füllung ist zu erkennen. Bei dem wärmeleitfähigen Material dagegen steigt der angussnahe Druck während der Füllung stark an, was ein deutliches Zeichen für die höhere Viskosität des Materials ist. Eine Erhöhung der Temperatur des Einlegers bringt zwar eine geringfügige Verbesserung, dennoch ist der Anstieg bereits deutlich zu beobachten.

Die Auswirkung des Forminnendrucks und des Füllverhaltens lassen sich sehr gut anhand von Schliffbildern der verpackten Elektronik beurteilen. Im untersuchten Fall repräsentierten jeweils ein SMD- (Surface-Mounted Device; dt. oberflächenmontiertes Bauteil) und ein THT-Elektrolytkondensator (Through Hole Technology; Durchsteckmontage) die empfindlichen Bauteile. Beide Bauteile zeigen bei Forminnendrücken von über 50 bar Ausfallanzeichen. Während beim SMD-Elko eine leichte Eindellung des Gehäuses zu beobachten ist, wird beim THT-Elko vor allem die Gummi-Kappe eingedrückt. Bei noch höheren Forminnendrücken kommt es schließlich zum Totalausfall des Bauteils (Bild 4).

Ein weiteres Fehlerbild wird durch die Viskosität der Materialien und die damit einhergehenden Belastungen während des Füllvorgangs hervorgerufen. Dadurch kann es zur Verschiebung des Kondensators in Fließwegrichtung kommen (Bild 5). Dabei werden die Kontakte verbogen und auch die Gummi-Kappe wird eingedrückt. Allein der Füllvorgang kann somit zum Ausfall des Bauteils führen. In der Aufbau- und Verbindungstechnik existieren außerdem noch empfindlichere Bauteile wie Bonddrähte, die nur noch geringeren Belastungen ausgesetzt werden dürfen.

Neben den aufgezeigten Schwierigkeiten bei der Umhüllung elektronischer Bauteile bestehen noch weitere Herausforderungen. Dazu zählen z. B. auftretende Lufteinschlüsse im Bauteil, Delaminationen zwischen Moldmasse und Bauteil, Verformungen der Leiterplatte und Lötstellenschädigung sowie die notwendige Unterfüllung von Bauelementen. Je nach Bauteil und Komponenten lässt sich diese Liste noch erweitern. Umso wichtiger ist eine gute Prozessführung. Es wird aber auch eine geeignete Methode zur Bauteil- und Prozessauslegung benötigt.

Die Reproduzierbarkeit von Material und Prozess spielt bei der Verpackung von elektronischen Bauteilen eine wesentliche Rolle. Wie erwähnt, ist das Electronic Packaging das letzte Glied in einer langen Prozesskette und entsprechend groß sind die finanziellen Risiken im Falle von Ausschussteilen. Bereits geringe Änderungen in den Verarbeitungseigenschaften oder den Randbedingungen können Einfluss auf die Prozessqualität haben. Eine geeignete Strategie für eine Materialqualifizierung sowie für die Prozesssteuerung ist unabdingbar.

Unterschiede in Simulation und  Realität

Neben den realen Einflüssen auf Prozess und Bauteile rückt auch die virtuelle Produktentwicklung bei Bosch immer stärker in den Fokus. Um die oben beschriebenen Probleme von vornherein minimieren zu können, ist eine entsprechend zuverlässige Prozess- und Struktursimulation notwendig. Während die Füllsimulation zwar qualitativ bereits sehr gute Ergebnisse liefert, z. B. im Hinblick auf das Füllverhalten und Auftreten von Lufteinschlüssen und Bindenähten, lässt die quantitative Auswertung noch Raum für Verbesserungen. Gerade bei der Vorhersage von Prozessdrücken beim Duroplastspritzgießen zeigen einige Programme deutliche Unterschiede zu gemessenen Werten (Bild 6). Außerdem stellt für die Prozesssimulation mit Duroplasten oft die Beschaffung von zuverlässigen Materialdaten eine Herausforderung dar.

Im in Bild 6 gezeigten Beispiel wird der benötigte Druck (spezifischer Hydraulikdruck) während der Formfüllung deutlich unterschätzt. Auch der Forminnendruck wird durch die Simulation nicht korrekt abgebildet. Es scheint eine perfekte Druckübertragung vorzuliegen, was in der Realität nicht der Fall ist. Weitere Schwerpunkte bei der Verbesserung des Duroplastspritzgießens liegen im Bereich der zu erwartenden Lasten für bestückte Bauelemente und in der Vorhersage der Lebensdauer von verpackten elektronischen Komponenten.

[1]  DRP 23 3803: Verfahren zur Herstellung von Kondensationsprodukten aus Phenolen und Formaldehyd (1908) Baekeland, L.H.

[2] J. Cederstrom und M. Walcher: Elko, Microcontroller & MOSFET – Prototypen und Lösungen für Serienumhüllungen, 10. Internationale Duroplasttagung, Iserlohn, 2019

[3]  M. Walcher: Duroplastisches Umspritzen von elektrischen Bauteilen mit Epoxid-Formmassen. Fuse Box meets dryer – Kunststoffe in E&E Anwendungen, Würzburg, 2018

[4]  H. Kawaguchi: Total SB solutions for lightweights in automotive. Lightweight composite solutions in Automotive (ICE, EV & Brakes) and other industries, Ghent, 2018

[5]  T. Maenz: Spritzgießtechnische Herstellung duroplastgebundener Dauermagnete. Dissertation, TU Chemnitz, 2018

[6] T. Maenz, A. Jakobinski, G. Hülder, M. Gehde: On the filler orientation of functionalized thermoset molding compounds during injection molding. ANTEC, Anaheim, 2017

[7]  A. Jakobinski: Empirische Untersuchungen der Material- und Prozesseinflüsse beim Spritzgießen wärmeleitfähiger Epoxidharze auf die Bauteileigenschaften. Masterarbeit, Hochschule Niederrhein, 2016

Bild 6. Der Vergleich realer (links) und simulierter Prozessdrücke (rechts) beim Duroplastspritzgießen offenbart deutliche Abweichungen in der Simulation 

Quelle: Robert Bosch GmbH; Grafik: © Hanser

Bild 1. Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit zur Fließrichtung bei unterschiedlichen Plattendicken: Mit steigender Plattendicke nimmt die Wärmeleitfähigkeit in x-Richtung ab und in z-Richtung zu

Bei der Direktverpackung wird das elektronische Bauteil oder die Komponente direkt mit der Formmasse umspritzt

Fokusrahmen 1-1

Fokusrahmen 16-9

Fokusrahmen 4-3

Bild 2. Wärmeleitfähigkeit (links) und Leistungsaufnahme (rechts; mit und ohne Konvektion) bei 2 mm dicken Platten aus duroplastischen Formmassen: Die Wärmeleitfähigkeit und Leistungsaufnahme der Materialien steigen nicht proportional zueinander an 

Bild 3. Vergleich der Forminnendrücke bei Materialien mit geringerer (links) und höherer Viskosität (rechts): Bei geringerer Viskosität ist auch der Forminnendruck deutlich niedriger

 Quelle: Robert Bosch GmbH; Grafik: © Hanser

Bild 4. Fehlerbilder bei SMD- und THT-Elektrolytkondensatoren (Elko): Höhere Forminnendrücke können zur Beschädigung der Bauteile führen 

Bild 5. Bei Materialien mit hoher Viskosität kann es beim Füllen zur Verschiebung des Elko und damit einhergehend zu Beschädigungen kommen

Quelle: Robert Bosch GmbH;  Grafik: © Hanser

KU 8-21_Bosch - Hauptartikel

Dr.-Ing. Torsten Maenz ist Projektleiter bei der B. Braun Melsungen AG im Bereich Montage und Spritzgießen im Braun Technology Center in Melsungen; <a href="mailto:torsten.maenz@bbraun.com">torsten.maenz@bbraun.com</a>

Dr.-Ing. Martin Giersbeck ist Abteilungsleiter bei der Robert Bosch GmbH im Bereich Applied Mathematics and Engineering for Future Components im Zentralbereich Forschung und Vorausentwicklung in Renningen; <a href="mailto:martin.giersbeck@de.bosch.com">martin.giersbeck@de.bosch.com</a>

Dr.-Ing. Gerrit Hülder ist Gruppenleiter bei Robert Bosch im Bereich Materials and Manufacturing Technologies Polymers im Zentralbereich Forschung und Vorausentwicklung; <a href="mailto:gerrit.huelder@de.bosch.com">gerrit.huelder@de.bosch.com</a>

Dipl.-Ing. Armin Kech ist Forschungsingenieur bei Robert Bosch im Bereich Design and Dimensioning of Components, Prediction of Lifetime, Process Simulation im Zentralbereich Forschung und Vorausentwicklung; <a href="mailto:armin.kech@de.bosch.com">armin.kech@de.bosch.com</a>

Elektronik

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Duroplastische Werkstoffe

Kunststoff Werkstoffe

Duroplaste

Duroplast-Spritzgießen

Ein-Maschinen-Strategie mit  Automationsplus

Turnkey-Anlage ersetzt bei Goerlich zwei Maschinen mit vertikaler Schließeinheit

Das Projektziel war klar: Eine hoch automatisierte Anlage muss mehrere dezentral arbeitende bedienergeführte Maschinen ersetzen, um Gehäuse für einen Unterdrucksensor mit drei eingelegten Pins fehlerfrei und schneller als bisher in Großserie herstellen zu können. Als Partner auf dem Weg zu mehr Produktionseffizienz hat der Kunststoffverarbeiter Goerlich den Maschinenhersteller Arburg erkoren.

Das Projektziel war klar: Eine hoch automatisierte Anlage muss mehrere dezentral arbeitende bedienergeführte Maschinen ersetzen, um Gehäuse für einen Unterdrucksensor mit drei eingelegten Pins fehlerfrei und schneller als bisher in Großserie herstellen zu können. Als Partner auf dem Weg zu mehr Produktionseffizienz hat der Kunststoffverarbeiter Goerlich den Maschinenhersteller Arburg erkoren

Von Elektronikkomponenten bis zu Gehäusen: Die Einsatzmöglichkeiten der Kunststofftechnik für die Elektroindustrie umfassen ein breites Spektrum an Formen, Größen und Anwendungen. Dazu zählen auch viele elektrische Komponenten in der Automobilproduktion, die im Spritzgießverfahren hergestellt werden. Die Goerlich Kunststofftechnik GmbH, Wilsdruff, setzt bei ihrem Engagement für die Elektroindustrie auf Präzision, Erfahrung mit unterschiedlichen Materialien und neueste Technologien.

Das Gehäuse für einen Unterdrucksensor, wie er z. B. in einem automatischen Motor-Start-Stopp-System zum Einsatz kommt, besteht aus einem mit 30 % Glasfasern verstärkten Polybutylenterephthalat (PBT-GF30) und integriert jeweils drei Pins aus Metall. Die vollautomatisierte Anlage, die der Spritzgießmaschinenhersteller Arburg zusammen mit Goerlich konzipiert hat und in der die Gehäuse entstehen, kann künftig durch den Wechsel entsprechender Werkzeugeinsätze drei Varianten herstellen. Die Anlage ersetzt zwei dezentral arbeitende bedienergeführte Maschinen mit vertikaler Schließeinheit (Typ: Allrounder 320 C) inklusive Prüftechnik, die zuvor für die Serienproduktion notwendig waren.

Viele Teilprozesse auf engstem Raum umgesetzt

Andreas Armbruster aus dem Team Projektierung Turnkey bei Arburg erläutert die umfangreichen Vorgaben, die die Anlage zu erfüllen hat: „Die größte Herausforderung war, die verschiedenen Fertigungsschritte in der erforderlich kurzen Zykluszeit zu realisieren. Vor allem die Zuführung der insgesamt 24 sehr filigranen Pins vom Stanzband bis zum Einlegen in das 8-fach-Werkzeug ist sehr anspruchsvoll.“ Das Besondere an der Anlage sei, dass die vielen Teilprozesse auf engstem Raum mit überschaubarer Technik umgesetzt werden konnten (Titelbild). Ohne diese Automationslösung wäre die Jahresproduktionsmenge nur mit erheblich höherem Personaleinsatz erreichbar.

Das Spritzgießwerkzeug wurde im Goerlich-Formenbau entwickelt und gebaut. Es ist neben einem Heißkanal mit kaltem Unterverteiler auch mit hydraulisch betätigten Schiebern zur exakten Aufnahme der Pins ausgestattet. Die vergoldeten Steckerkontakte werden vorgeschaltet am Band zugeführt und ausgetrennt. Ein Scara-Roboter stellt diese auf einer Ladeplatte mit Drehantrieb lagerichtig zur Aufnahme durch ein lineares Robot-System Multilift V (Bild 1) bereit. Das Einlegen der Pins in die Werkzeugschieber erfolgt kraftfrei, ebenso wie die Entnahme der acht Fertigteile auf der Auswerferseite des Werkzeugs.

Nach dem Umspritzen der Kontakte werden zunächst die vier Angussunterverteiler entformt und in den Maschinenständer abgeworfen. Das Robot-System legt die acht Stecker auf eine Prüfvorrichtung mit Schlitten und NC-Achse zur genauen Positionierung ab. Indem der Schlitten auf verschiedene Positionen verfährt, lassen sich nacheinander eine Durchgangs- und Hochspannungsprüfung mit 1000 V sowie eine Lichtprüfung durchführen und die IO-Teile markieren. Ein Drehteller-Verteilsystem, das um 180° vor- und zurückdreht, sorgt schließlich für den nach Kavitäten getrennten Teileabwurf in PE-Beutel.

In der Turnkey-Anlage (Bild 2) wird eine hybride Spritzgießmaschine des Typs Allrounder 470 H mit 1000 kN Schließkraft und Spritzeinheit der Größe 290 eingesetzt, die über mehrere Kernzugeinrichtungen und Sondersignale verfügt. Die Kombination aus elektrischer Kniehebel-Schließeinheit und dynamischer hydraulischer Spritzeinheit macht gleichzeitige Fahrbewegungen möglich. Das bringt vor allem Zeitvorteile in der Serienproduktion. Die Maschinensteuerung Selogica wird bei Goerlich hoch geschätzt, weil sie die Kommunikation der verschiedenen Anlagensteuerungen unterstützt und damit für übergreifend koordinierte Fertigungsprozesse sorgt.

Thomas Ehrlich (Bild 3), Betriebsleiter bei Goerlich, ist mit dem Systemlieferanten sehr zufrieden: „Das Arburg-Projektmanagement hat gerade bei dieser Turnkey-Anlage für eine fundierte und schnelle Kommunikation sowie Abstimmung zwischen den Lieferanten und damit für eine lösungsorientierte Abwicklung gesorgt.“ Goerlich setzt in der Spritzgießfertigung ausschließlich auf die Marke Arburg. Die 34 Spritzgießmaschinen des Typs Allrounder, darunter mehrere Zwei-Komponenten- und Vertikalmaschinen, verarbeiten zum Teil auch anspruchsvolle Kunststoffe wie PEEK, PSU, PEI oder LCP.

Auf die Frage, warum das Unternehmen diese Ein-Maschinen-Strategie fährt, antwortet Thomas Ehrlich: „Mit diesen Maschinen, die sich seit dem Beginn unserer Kooperation in den 1980er-Jahren als sehr zuverlässig erwiesen haben, können wir unser Portfolio für unsere Kunden hervorragend und qualitativ hochwertig im Dauerbetrieb fertigen. Es gibt für uns also keinen Grund für einen Wechsel oder eine Ergänzung. Der reibungslose Projektverlauf bei dieser Turnkey-Anlage hat unsere Strategie erneut bestätigt.“

Bild 1. Die Aufgaben des Greifers am Multilift V sind bei dieser Anwendung sehr vielseitig und anspruchsvoll

Bild 2. Mit der kompakten Turnkey-Anlage fertigt Goerlich für die Automobilindustrie Gehäuse für Unterdrucksensoren effizient  und flexibel

Bild 3. Thomas Ehrlich, Betriebsleiter bei Goerlich, ist zufrieden mit der Effizienzsteigerung, die die vollautomatisierte Anlage für seine Spritzgießproduktion bringt

Alle vorgeschalteten Prozessschritte sind auf engstem Raum integriert: Nach dem Ausstanzen der Pins (rechts) stellt ein Scara-Roboter diese auf einer Ladeplatte lagerichtig bereit (links), damit das Robot-System Multilift V 24 Pins übernehmen und ins Werkzeug einlegen kann

Susanne Palm arbeitet in der Unternehmenskommunikation der Arburg GmbH + Co KG, Loßburg.

Die Goerlich Kunststofftechnik GmbH, Wilsdruff, fertigt im Spritzgießverfahren Schalter, Steckverbinder und technische Bauteile für die Automobil-, Telekommunikations- und Elektroindustrie. Das Unternehmen wurde 1978 durch Rudolph Görlich in Leingarten bei Heilbronn gegründet und hat seinen alleinigen Sitz heute in der Nähe von Dresden. 2019, vor Beginn der Corona-Krise, erwirtschaftete Goerlich mit rund 100 Mitarbeitern einen Umsatz von 10,3 Mio. EUR.

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Spritzgießwerkzeuge zur Isolierung von  Statoren und Rotoren

Umspritztechnik als Voraussetzung für kostengünstige und hochwertige Elektromotoren

Bauteile für die Elektrotechnik setzen sich zusammen aus elektrisch leitenden und nichtleitenden Werkstoffen. Der Formenbauer Mühlbeyer setzt bei seinen Werkzeugen für die Fertigung von Statoren und Rotoren auf die Hybridtechnik, bei der Kontaktmaterial und Kunststoff in einem Arbeitsgang unlösbar miteinander verbunden werden.

Bauteile für die Elektrotechnik setzen sich zusammen aus elektrisch leitenden und nichtleitenden Werkstoffen. Der Wettbewerbsdruck macht eine Reduzierung der Komponentenzahl und Arbeitsschritte sowie eine Rationalisierung in der Montage erforderlich. Der Formenbauer Mühlbeyer setzt bei seinen Werkzeugen für die Fertigung von Statoren und Rotoren auf die Hybridtechnik, bei der Kontaktmaterial und Kunststoff in einem Arbeitsgang unlösbar miteinander verbunden werden.

Wenn sich in unserer modernen Welt etwas auf Knopfdruck dreht oder bewegt, sind meist elektrische Antriebe am Werk. Im industriellen Umfeld – Maschinen, Apparate, Materialbearbeitung, Chemie, Kunststoffe, Papier, Textil, Nahrungsmittel, Stein/Erden – machen Elektromotoren Fertigungsprozesse effektiv und effizient. Auch im Verkehr (Bahn, Automobil, Schiff, Flugzeug), bei Haushaltsgeräten, in der Landwirtschaft und bei Konsumgütern sind Elektromotoren nicht mehr wegzudenken. Schon bei der Herstellung elektrischer Antriebe in der Großserienfertigung ermöglichen Elektromotoren ein hocheffizientes Fertigungsverfahren, durch das sich ein sehr gutes Preis-Leistungs-Verhältnis erzielen lässt.

Die wesentlichen Bestandteile eines einfachen Elektromotors sind:

<ul><li>Rotor (drehender Elektromagnet),</li><li>Stator,</li><li>Polwender oder Kommutator (nur bei Gleichstrommotoren),</li><li>Bürsten,</li><li>Spule und</li><li>Welle.</li></ul>

Der Rotor (Bild 1) ist der bewegliche Teil des Motors und bewegt sich zwischen den beiden Polen des Stators (Bild 2). Je nach Art des elektrischen Antriebs und der elektrischen Wicklung lassen sich Elektroantriebe aus leistungserzeugender Sicht in zwei Hauptkomponenten einteilen:

<ul><li>Das sogenannte Blechpaket dient der Führung und lokalen Konzentration der magnetischen Feldlinien.</li><li>Die elektrische Wicklung erzeugt das Magnetfeld.</li></ul>

Das Blechpaket eines Elektromotors besteht aus dünnen Blechen eines weichmagnetischen Werkstoffs, die je nach Maschinentyp und -größe Dicken von ca. 0,1 mm bis 1,2 mm aufweisen. Aus diesen Blechen wird die zweidimensionale Form des Rotors bzw. des Stators mit Stanzwerkzeugen ausgestanzt. Die Bleche werden in axialer Richtung gestapelt und sind, um den Einfluss von Wirbelströmen zu minimieren, gegeneinander elektrisch isoliert.

Die Wicklung eines Elektromotors besteht aus Kupferdrähten der unterschiedlichsten Ausführung: Litzendraht, Flachdraht, Profildraht, Feindraht, Bohrdraht, geflochtener Draht, „Baked Varnish Wire“ oder Standarddraht mit Isolierschicht und ggf. mit Gleitmittelbeschichtung. Die Drähte sind unabhängig von der Wicklungsart (verteilte oder konzentrierte Wickelung) gegeneinander und gegen das Blechpaket elektrisch isoliert.

Bezüglich der thermischen Belastbarkeit bildet die Isolation der Wicklung die Schwachstelle des Elektromotors. Thermische Materialien weisen Einsatztemperaturen von bis zu 250 °C auf. Gleichzeitig stellen die Kupferleiter aufgrund von Stromwärmeverlusten die mit Abstand größte Wärmequelle dar. Das heißt, die Leistungsdichte ist abhängig von der thermischen Belastbarkeit der Isolation und von der Möglichkeit, die entstandene Verlustwärme abzuführen. Zur Führung des Stroms sind die Isolierwerkstoffe ebenso bedeutend wie die Leiterwerkstoffe.

Die Isolierwerkstoffe sind so bedeutend wie die Leiterwerkstoffe

Die Vielzahl verfügbarer Isolierwerkstoffe macht die Auswahl wie auch die zusammenfassende Darstellung sehr schwierig. Dies ist u. a. bedingt durch die verschiedenartigen Anforderungen, wie beispielsweise eine hohe Durchschlagfestigkeit und Kriechstromfestigkeit, eine gute thermische Leitfähigkeit, eine hohe Temperaturbeständigkeit, eine gute chemische Beständigkeit, eine hohe mechanische Festigkeit und geringe Kosten. Da diese Ziele schwer miteinander vereinbar sind, werden je nach Priorität speziell angepasste Isolierwerkstoffe ausgewählt. Die verwendeten Isolierwerkstoffe haben direkten Einfluss auf die Wärmeleitung, die Spannungssicherheit und insbesondere auf die geometrische Gestaltung des Motors. So sind Dicken der Isolierschicht und Kriechwege konstruktiv vorzusehen.

Dabei ist auch zu beachten, wie das Isoliersystem des Elektromotors sich belastungsgerecht auslegen lässt. Unter anderem müssen die Spannungsverteilung bei verschiedenen Betriebszuständen analysiert und diverse Isolierwerkstoffe charakterisiert werden. Diese Funktion erfüllen in aller Regel Kunststoffe.

Bei kunststoffummantelten Statoren bzw. Statorsegmenten werden beim Umspritzen der Blechpakete außer der Nutisolierung und der Basisplatte zur Anlage des Stanzpakets auch technische Funktionen eingebracht wie z. B. Spurrippen für Drahtübergänge, Poltaschenisolierungen, Steckerschächte für Kontaktteile, Umlenkstifte, Polschuhinnenflansche, Durchlässe für Drahtführungen, Freihaltungen für Schraubenköpfe sowie Ein- und Auslaufschlitze (Bild 3).

Zu Beginn eines Spritzgießzyklus wird das Stanzpaket händisch oder automatisch durch Greifer in das Werkzeug eingelegt und über einen Mittelkern positioniert. Während das Werkzeug schließt, wird es durch Schieber in Position gehalten und anschließend mit Kunststoff, z. B. einem PPS-GF40, zum fertigen Bauteil umspritzt. Zuletzt folgt die automatische optische Qualitätskontrolle der Bauteile durch eine Kamera. Derartige Werkzeuge sind eine der Spezialitäten der Mühlbeyer Werkzeug- und Formenbau GmbH.

Bei hohen Werkzeugtemperaturen werden die Werkzeugbauteile  teurer

Der für die Isolierung der Statorsegmente, des Stators, Rotors oder Lüfterrads ausgewählte Kunststoff beeinflusst im Wesentlichen die Kosten des Spritzgießwerkzeugs. Ein Kunststoff wie z. B. ein Polyamid (PA), der eine Werkzeugtemperatur von 80 bis 100 °C verlangt, verursacht weit geringere Kosten als ein Kunststoff wie etwa Polyphenylensulfid (PPS), der eine Werkzeugtemperatur von ca. 150 °C benötigt, oder wie ein Polyetherketon (PEK) oder Polyetheretherketon (PEEK), die gar eine Werkzeugtemperatur von 240 °C und mehr verlangen.

Bei hohen Werkzeugtemperaturen werden die Normalien wie Sensoren, Aktoren, Magnete bei Einlegeteilen, die vollständige Rundumisolierung des Spritzgießwerkzeugs, das Heißkanalsystem oder auch die aufwendigeren Schieber (Gratbildung) deutlich teurer. Die Maßtoleranzen bei den Werkzeugbauteilen verkleinern sich und können eine Anfertigungsgenauigkeit von 2 µm erfordern.

Des Weiteren sind die Werkzeugkorrekturen bei Anwendungen mit den Hochleistungskunststoffen PPS, PEEK und PEK wesentlich aufwendiger, weil die Viskosität (Gratbildung an den Tuschierflächen) höher ist als bei PA. Die Gratbildung kann bei Hochspannungsisolierkörpern zu Teilentladungen oder auch beschädigten Drähten oder Wickelfehlern führen.

Fließleiter unterstützen die Füllung in dünnwandigen Bereichen

Bei Kunststoffcompounds mit Glasfaserverstärkung oder Glimmerzusatz wird das Fließverhalten negativ beeinflusst. Daher sollte möglichst eine Spritzgießsimulation, z. B. mit Autodesk Moldflow Insight, durchgeführt werden, um eine Fehlkonstruktion aufgrund falscher Annahmen zu vermeiden. Mögliche Fehlerbilder des Spritzgussteils können beispielsweise eine unvollständige Ausspritzung oder Bindenahtfehler sein. In der Simulation können ggf. auch zusätzliche Fließhilfen, Mehrfachanbindungen etc. eingebracht und berechnet werden – oder auch eine Überlauf-Kavität, in der der überschüssige Kunststoff automatisch beim Öffnen des Werkzeugs abgetrennt wird.

Fließhilfen werden zusätzlich an den Stellen eingebracht, die die Funktion des Elektromotors nicht beeinflussen. Dies kann z. B. bei der Nutisolierungsfläche in Richtung des Mitte-Innenbereichs des Jochrings sein, die nicht von der Wicklung berührt wird. Auch können Fließleiter durch Löcher mit wenigen Millimetern Durchmesser durch das Lamellenpaket des Rotors oder Stators realisiert werden. Diese Fließleiter unterstützen den Materialfluss von Thermoplasten und fördern die komplette Füllung von dünnwandigen Sektionen.

In jedem solchen Spritzgießwerkzeug muss immer eine Kompensation der Stanzpakettoleranzen berücksichtigt werden (bis zu 0,8 mm), um einen stabilen Prozess sicherstellen zu können. In der Konstruktion sind aufgrund der wickeltechnischen Auslegung kleinste Geometrien (z. B. Radius 0,1 mm) zum Ablegen des Wickeldrahts notwendig. Für die Schräglagenwicklung in Rillen wird eine gewisse Oberflächenrauigkeit benötigt, die das Verrutschen der Wicklung verhindern soll. Das setzt natürlich voraus, dass der polymere Isolierwerkstoff dies auch leistet.

Wie exakt die Einlegeteile positioniert werden, hat Folgen

Einlegeteile wie Dauermagnete, Blechpaket oder anderes müssen im Spritzgießwerkzeug exakt positioniert werden. Ihre Position muss während des Spritzgießens eindeutig definiert sein. Dies gelingt mit verschiedenen Mühlbeyer-Klemmsystemtechniken im Spritzgießwerkzeug. Je höher die Positioniergenauigkeit der Einlegeteile, desto geringer ist die Unwucht des Motors. Das heißt, dass die asymmetrische Verteilung der Rotormasse dadurch vorteilhaft verringert wird.

Eine geringere Unwucht wirkt sich wiederum positiv auf die Effizienz des elektrischen Antriebs aus und verringert so gleichzeitig die Geräuschbildung und den Bauteilverschleiß. Weiterhin kann durch die lagegenaue Positionierung des Blechpakets bzw. des Grundkörpers im Spritzgießwerkzeug die Toleranzkette in Radial-, Umfangs- und Längsrichtung verbessert werden.

Zur Konstruktion des Spritzgießwerkzeugs gehört es, einen Funktionsablaufplan für das Spritzgießwerkzeug festzulegen. Damit werden Funktion und Position der Einlegeteile sichergestellt. Ebenso muss die Drahtführung gewährleistet werden. Die aufgrund der verschiedenen Blechpakete unterschiedlichen Bauhöhen der Statoren und Rotoren müssen mithilfe eines mechanischen Höhenausgleichs im Spritzgießwerkzeug (Bilder 4 und 5) berücksichtigt werden. Auch sind der Anspritzpunkt oder die Anspritzpunkte festzulegen, sodass eine vollständige Füllung und Verzugsarmut der Kunststoffummantelung gewährleistet sind.

Eine komplette Füllung ist wesentlich, um jede Möglichkeit eines dielektrischen Versagens während des Betriebs auszuschließen. Eine weitere Herausforderung für die Konstruktion des Spritzgießwerkzeugs stellt die zum Teil geforderte Blankheit der Außen- und Innenseite des Jochrings dar. Auch hierfür müssen konstruktive Maßnahmen ergriffen werden. Dies gelingt z. B. durch verschiedene Abdichtungstechniken zum Stanzteil.

In besonderen Fällen, wenn die Anwendung auf einer Anlage mit Rundtisch läuft, wird das Werkzeugunterteil doppelt ausgeführt (Bild 6). Der Rundtisch lässt dem Beladegreifer jeweils ausreichend Zeit, um anzudocken und das Stanzpaket und andere Einlegeteile sorgfältig an der richtigen Stelle einzulegen. Dazu richtet sich der Greifer selbstständig bis auf wenige hundertstel Millimeter genau über dem Vierfach-Werkzeug aus. Anschließend werden die Einlegeteile, deren Vollständigkeit mithilfe einer Kamera geprüft wird, exakt im Werkzeug positioniert. Der Roboter holt nach dem Umspritzprozess die fertigen Bauteile ab. Der Rundtisch dreht sich um 180°. Schließlich legt der Roboter das umspritzte Bauteil in Kisten ab, die übereinandergestapelt werden und über ein Förderband die Anlage verlassen. Währenddessen werden die Kavitäten der zweiten Werkzeugunterhälfte auf der anderen Seite des Rundtellers wieder gefüllt. Ein kompletter Spritzzyklus dauert 26 s. Dies bedeutet für die Kunden eine sehr hohe Produktivität.

Auch die Bearbeitung der Einzelbauteile für die Stator- oder Rotor-Spritzgießwerkzeuge kann besondere Maßnahmen erfordern. So wurden z. B. in einem vor kurzem gebauten Werkzeug, das zur Produktion von Rotoren und Statoren von Elektromotoren dient, außer den Stanzpaketen auch Magnete eingelegt. Dies machte es notwendig, für die Formen einen Werkstoff zu verwenden, der selbst nicht magnetisch ist. Darum hat sich Mühlbeyer bei diesem Werkzeug für den nicht magnetisierbaren Werkstoff Ferrotitan entschieden.

Bei den ersten Versuchen, dieses mit 48 bis 53 HRC nicht besonders harte, aber aufgrund seines Titankarbid- und Austenitgefüges sehr verschleißfeste Material zu fräsen, verschweißten die abgefrästen Späne in den Fräserschneiden. Daher mussten spezielle Fräser für das Ferrotitan eingesetzt werden. Außerdem wurden zusätzliche Spannvorrichtungen gebaut, weil die magnetische Spanntechnik für diese Titan-Eisen-Legierung in allen Fertigungstechniken ausfällt.

Die hier beschriebene Werkzeugtechnik für kunststoffummantelte Blechpakete und Einlegeteile ist ein Mehrwert für Kunden, die Statoren und Rotoren für Elektromotoren (stromerregte oder permanentmagnetisierte) produzieren und verbauen. Die damit praktizierte Umspritztechnik, mit der Mühlbeyer darüber hinaus Anwender aus der Automobil-, Bahn-, Windkraft-, Elektro-, Steuerungs-, Klima-, Anlagen- und Automatisierungstechnik bedient, zeichnet sich durch eine hohe Prozess- und Kosteneffizienz aus, da neben der Isolierung auch technische Funktionen in das Bauteil eingebracht werden.

Bild 1. Beispiele für kunststoffummantelte Rotoren

Bild 2. Mit einem Polyphenylensulfid (PPS) ummantelter Stator

Bild 3. Kunststoffummantelter Stator mit zusätzlichen technischen Funktionen. U/V/W bezieht sich auf den elektrischen Anschluss (Motorsternschaltung; S = Sternpunkt)

Bild 5. 4-fach-Werkzeug (Auswerferseite) für einen Stator, das auf einer Rundtischmaschine läuft. Darin enthalten ist ein CVe-Monitor zur elektronischen Werkzeugüberwachung, der auf dem Display Schusszahl, Zykluszeit und Auslastung anzeigt

Bild 6. Vollautomatisierte Fertigungsanlage: Das 4-fach-Werkzeug für Statoren – bestehend aus einem Werkzeugoberteil und zwei auf dem Rundtisch montierten Werkzeugunterteilen – wurde inkl. Handling von Mühlbeyer konstruiert und gebaut

Bild 4. Düsenseite eines 4-fach-Werkzeugs für kunststoffummantelte Statoren. Daneben der Haupteinsatz des Werkzeugs in Nahaufnahme