Gewichts- und Kosteneinsparungen sind in der Luftfahrt stark gefordert. Das gilt nicht nur für verbaute Komponenten, sondern auch für Nutzgegenstände wie Tabletts. Eine Möglichkeit, das Gewicht zu reduzieren, stellen Polymerschäume dar. Allerdings lässt bei ihnen oft die Oberflächengüte zu wünschen übrig. Mit den richtigen Anpassungen können jedoch hochwertige Oberflächen erzeugt und auch noch die Ökobilanz deutlich verbessert werden.

Die Tabletts der Lufthansa bestehen gegenwärtig aus ABS. Durch ein geschäumtes PP-Compound können die Kosten verringert und die Ökobilanz verbessert werden

Polypropylen-Integralschaum ersetzt ABS

Schaumspritzgießen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Spritzgießen

Compound

Kunststoff Werkstoffe

Thermoplaste

Kunststoffe, biobasiert

Biokunststoffe

Schaumstoffe und Vorprodukte

Kunststoffe

Photonik

Optik

Schaumstoffe

Polypropylen-Compound

Polypropylen

Kunststoffe, bioabbaubar

Mit geringerem CO2-Fußabdruck  servieren

Neben einer einfachen und kostengünstigen Fertigung von Kunststoffbauteilen rückt zunehmend auch deren CO2-Fußabdruck und Recyclingfähigkeit in den Fokus. Für die Herstellung von Sichtbauteilen mit angenehmer Haptik wird deshalb nach Alternativen in der Produktion gesucht.

Schäume aus TPE verfügen über eine angenehme und weiche Oberfläche. Mit einem entsprechenden Produktionsverfahren lassen sie sich außerdem effizient herstellen und bieten dadurch Vorteile bei der Klimabilanz.

Fertigung von weichen Sichtbauteilen in einem einstufigen Prozess

Thermoplastische Elastomere

Kfz-Elektronik

Elektronik

Mit Hochdruck zum perfekten Schaum

In der Arbeit werden die Prozesse Schaumspritzgießen und Co-Injektion vereint, um Hart-Weich-Verbunde aus TPS und geschäumtem Polypropylen herzustellen.

Co-Injektion (Barriere-/Sandwich-Spritzgießen)

Schäumwerkzeuge

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung

Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von Leichtbauteilen produziert durch Co-Injektion und Schaumspritzgießen

Die K 2022 bot eine riesige Auswahl an Neuheiten und Anwendungsbeispielen für und mit nachhaltigeren Materialien. Ein Überblick über die vorgestellten Nachhaltigkeits-Highlights.

Aus Abgasen werden Schuhe: Gentechnisch veränderte Bakterien machen aus Abgasen Ethanol, aus dem anschließend Kunststoff etwa für die Schuhe Cloudprime von On hergestellt wird. 

Silikone

Messe K-Kunststoffmesse

kunststoffe-international.com

kunststoffe.de

Masterbatches

Additive

Polyethylen

Polylactid

Polyamide

Effektpigmente

Faserverbundwerkstoffe

Andere Werkstoffe

Kunststoff-Rezyklat

Silikonkautschuk

Kautschuk / Elastomere

Ist Bio das neue Normal?

Beim Schaumspritzgießen nach dem ZiFoam-Prinzip wird dem Granulat noch im Feststoffbereich Gas hinzudosiert. Daraus zieht der Anwender besondere Vorteile.

Kleine Poren, großer Unterschied (mikroskopische Aufnahme): Durch das Schäumen werden die hergestellten Bauteile deutlich leichter, verbrauchen weniger Ressourcen und verbessern die CO2-Bilanz.

Flexibles Nachrüstset für das thermoplastische Schaumspritzgießen

Leichtbau

Spritzgießmaschinen

Physikalisches Schäumen leicht(er) gemacht

Es gibt gute Gründe, das Schaumspritzgießen industriell stärker zu nutzen. Zwei Experten wollen dafür den Weg bereiten.

Dr.-Ing. Hans Wobbe (links) und Dr. Hartmut Traut.

Interview mit den Buchautoren Dr. Hans Wobbe und Dr. Hartmut Traut

„Besser geschäumt als kompakt“

Hochleistungs-Spritzgießen von Verpackungen: Publikumsmagneten auf der K 2022

Für zwei 10-Liter-Eimer mit Label – hier der Blick ins Werkzeug bei Stillstand – braucht das Arrangement der niederländischen Partner Stork und Brink 6,3 s.

Doriat, Clemens, Dr.

Folientechnik (IMD, IML, FIM, u.a.)

Energieeffizienz

Kreislaufwirtschaft

Tempo und Finesse

Gut 100 Teilnehmer versammelten sich zum Neustart der VDI-Jahrestagung Spritzgießen nach der dreijährigen Pandemiepause. Im Fokus: Rahmenbedingungen und Implikationen für einen nachhaltigen Wandel der Branche.

Im Exterieur von Lkw sind, anders als bei Pkw, sehr viele Kunststoffteile verbaut.

Wirtschaftspolitik in Deutschland

Wirtschaft

Nachhaltigkeit

Umweltmanagement

Ressourcenmanagement

Produktion

Nachhaltigkeitsträume versus Realität

Das Schneckenmodell „HPS-Physical Foaming“ verbessert die Plastifizierleistung beim physikalischen Schaumspritzgießen um bis zu 30 Prozent.

Die neue Schnecke „HPS-Physical Foaming“ ist universell einsetzbar und bietet eine verbesserte Plastifizierleistung.

KraussMaffei zeigt nach zwei Jahren Laborarbeit leistungsstärkere Universalschäumschnecke

Schnecken und Plastifiziersysteme

30 Prozent höhere Plastifizierleistung

Eine keramische CeraShibo-Beschichtung kann gegenüber konventionellen Werkzeugeinsätzen die Oberflächenqualität geschäumter Formteile deutlich verbessern.

Durch den Einsatz der Beschichtung auf dem Aluminiumwerkzeug lassen sich Oberflächendefekte deutlich reduzieren.

Isolierende Werkzeugbeschichtungen – eine Alternative zur variothermen Temperierung?

Spritzgießwerkzeuge

Keramik

Beschichtungen

Oberflächentechnik

Chemisches Bearbeiten (Auftragen)

Schöne Oberflächen  beim Schaumspritzgießen

Materialverzug stellt beim 3D-Druck ein Problem dar. Dipromat hat deshalb verzugsfreie PA und PP entwickelt. Sie eignen sich auch für das Spritzgießen.

Carbonfaserverstärkte Präzisions-PA sind bei 3D-Druck-Anwendungen beliebt, da die Schwindung durch Carbonfasern minimal ist. Die Fasern besitzen eine negative Schwindung und gleichen dadurch die Matrixschwindung aus. Die von Apium additiv gefertigten Bauteile kommen bei einem Carbonfaseranteil von 15 % lediglich auf eine Schwindung von 0,1 % in beiden Richtungen.

Additive Fertigung

Vom Spritzgießen in die additive  Fertigung und wieder zurück

Material und Herstellungsverfahren optimiert, CO2 eingespart: Recycling-Waschkappe von Pöppelmann K-Tech schließt den Kreislauf.

Material und Herstellungsverfahren optimiert, Kreislauf geschlossen: Recycling-Waschkappe für die Automobilindustrie. 

Kunststoff-Recycling

Kunststoff-Aufbereitung

Geschlossener Materialkreislauf mit technischem Bauteil realisiert

Analysen von KraussMaffei und der HS Schmalkalden zeigen, welche positiven Effekte sich aus der Kombination von thermoplastischem Schaumspritzgießen mit Post-Consumer-Rezyklat ergeben.

Doppelter Nutzen: Bauteilgewicht verringern und Rezyklat verarbeiten mit dem MuCell-Verfahren.

Werkstoffprüfung, mechanisch

Messtechnik

Werkstoffprüfung

Doppelt CO2 sparen

Bei Einhaltung einer geringen Scherbelastung und eines homogenen Temperaturprofils lassen sich TPE-Kork-Compounds prozessstabil und ohne nennenswerte Verfärbungen verarbeiten.

Wie prozesssicher lässt sich die Kombination TPE und Kork mit einem Nadelverschluss-Heißkanalsystem verarbeiten? Diese Frage stand im Mittelpunkt einer Versuchsreihe.

Verarbeitung eines TPE-Kork-Compounds im Heißkanalsystem

Heißkanalsysteme

Komponenten für die Kunststoffverarbeitung

Naturkork zum Spritzgießen

Der Kunststoff-Distributeur Ultrapolymers Deutschland GmbH , Augsburg, hat sein Portfolio an PP-basierenden thermoplastischen Polyolefinen (TPO) um die Typ Hiflex CA 7600 A von LyondellBasell erweitert. Über die bisher verfügbaren, mit der Catalloy Technologie hergestellten TPO hinaus, soll dieser neue, weiche Typ hohe Flexibilität mit leichter Verarbeitbarkeit, hoher Dimensionsstabilität und hoher Kälte-Schlagzähigkeit sowie zugleich gute mechanische Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen kombinieren.

Flexibel, kälteschlagzäh und wärmeformbeständig 

Thermoplastisches Polyolefin Hiflex CA 7600 A 

Co-Injektion im Spritzgießen: Sandwichbauteile mit geschäumtem Kern und weichelastischer Haut

 Grundlagen für die verfahrenstechnische Nutzbarmachung der Kombination von Co-Injektion und Thermoplastschaumspritzgießen für komplexe Materialkombinationen.

Das Sonderverfahren Thermoplastschaumspritzgießen (TSG) bietet durch einen geschäumten Kern und kompakte Randschichten bei gleichzeitig hohen spezifischen Biegesteifigkeiten ein hohes Leichtbaupotential. Um typische Oberflächendefekte, die bei TSG auftreten, zu kaschieren und zusätzlich haptischen Ansprüchen gerecht zu werden kann das Sonderverfahren Co-Injektion eingesetzt werden.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die notwendigen wissenschaftlichen Grundlagen für die verfahrenstechnische Nutzbarmachung der Kombination von Co-Injektion und TSG für komplexe Materialkombinationen zu schaffen. Ein wesentliches Ziel bei der Fertigung von Bau- teilen durch Co-Injektion ist die gleichmäßige Verteilung von Haut- und Kernkomponente. Ein entscheidendes Qualitätsmerkmal geschäumter Bauteile ist eine gut ausgebildete Integralschaumstruktur. Diese Arbeit konzentriert sich daher auf die Betrachtung der rheologischen Eigenschaften von Haut- und Kernkomponente. Weiterhin ist auch die Aufklärung des Erstarrungsprozesses der geschäumten Kernkomponente in der Prozesskombination Co-Injektion mit geschäumtem Kern und weicher Hautkomponente ein wichtiges Ziel.

Das Viskositätsverhältnis von Kern- und Hautkomponente ist maßgeblich für die Verteilung der beiden Komponenten im Bauteil verantwortlich. Dieses Verhältnis wird in der vorliegenden Arbeit über den kompletten spritzgießrelevanten Scherratenbereich phänomenologisch betrachtet. Bei der betrachteten Materialkombination von thermoplastischem Elastomer auf SEBS-Basis (TPS) als Hautkomponente und Polypropylen als Kernkomponente (PPKern) führt ein steigender PPHaut-Gehalt der Hautkomponente zu einer abnehmenden Scherratensensitivität des Viskositätsverhältnisses und damit zu einer zunehmenden und homogeneren Ausbreitung des Kernmaterials.

Die Hautschichtdicke co-injizierter Bauteile mit geschäumtem Kern verändert die thermischen Bedingungen während des Aufschäumens der Kernkomponente. Mit Hilfe der Betrachtung eines Schäumprozesses zwischen TPS-Einleger definierter Dicke werden die thermischen Ver- hältnisse in der schäumenden Komponente aufgeklärt. Dabei kommt Spritzgießsimulation zur Analyse des Temperaturverlaufs zum Einsatz. Durch einen geringeren Temperaturgradienten (im Vergleich zum reinen TSG-Verfahren) im Schaum vergrößert sich durch das Einbringen der Hautkomponente die Zellgröße. Die Dicke der Hautschicht spielt eine untergeordnete Rolle.

Bei Co-Injektion mit Schaumkern führen steigende Bauteildicken zu höheren maximalen Kern- anteilen im Gesamtbauteil. Bei einer Bauteildicke von 5 mm kann bis zu 12 % Gewichtsreduktion erzielt werden. Besonders bei großen Bauteildicken besteht ein hohes Potential zur Gewichtseinsparung. Bei der untersuchten Materialkombination wird die Haut/Kern-Verteilung kaum durch die Zugabe des Treibmittels beeinflusst. Diese Tatsache wird auch durch Messungen mit einem InLine-Viskosimeter bestätigt. Lediglich am Fließwegende entstehen Instabilitäten der Kernfließfront durch Ausgasen des Treibmittels.

Zuletzt werden die gewonnen Erkenntnisse auf ein Demonstratorbauteil aus der Bau- maschinenbranche (Bauteildicke: 40 mm) übertragen. Dabei kann das Gewicht (im Vergleich zu einem kompakt gefertigten Bauteil gleicher Größe) um 50 % reduziert und ein durch innovative Werkzeugtechnik hergestellter Durchbruch der Kernkomponente reproduzierbar hergestellt werden.

Co-Injektion, Sandwich, Spritzgießen, Schaum, Thermoplastische Elastomere, Hart-weich-Verbunde

Der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Universität Bayreuth

zur Erlangung der Würde einer Doktor-Ingenieurin (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation

Dipl.-Ing. Katharina Krause (geb. Wunderlich) aus

Erstgutachter: Prof. Dr.-Ing. Holger Ruckdäschel Zweitgutachter: Prof. DI Dr. Georg Steinbichler Tag der mündlichen Prüfung: 20.07.2023

Lehrstuhl für Polymere Werkstoffe Universität Bayreuth

Das Sonderverfahren Thermoplastschaumspritzgießen (TSG) bietet durch einen geschäumten Kern und kompakte Randschichten bei gleichzeitig hohen spezifischen Biegesteifigkeiten ein hohes Leichtbaupotential. Um typische Oberflächendefekte, die bei TSG auftreten, zu kaschie- ren und zusätzlich haptischen Ansprüchen gerecht zu werden kann das Sonderverfahren Co- Injektion eingesetzt werden.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die notwendigen wissenschaftlichen Grundlagen für die verfahrenstechnische Nutzbarmachung der Kombination von Co-Injektion und TSG für kom- plexe Materialkombinationen zu schaffen. Ein wesentliches Ziel bei der Fertigung von Bau- teilen durch Co-Injektion ist die gleichmäßige Verteilung von Haut- und Kernkomponente. Ein entscheidendes Qualitätsmerkmal geschäumter Bauteile ist eine gut ausgebildete Integral- schaumstruktur. Diese Arbeit konzentriert sich daher auf die Betrachtung der rheologischen Eigenschaften von Haut- und Kernkomponente. Weiterhin ist auch die Aufklärung des Erstar- rungsprozesses der geschäumten Kernkomponente in der Prozesskombination Co-Injektion mit geschäumtem Kern und weicher Hautkomponente ein wichtiges Ziel.

Das Viskositätsverhältnis von Kern- und Hautkomponente ist maßgeblich für die Verteilung der beiden Komponenten im Bauteil verantwortlich. Dieses Verhältnis wird in der vorliegenden Arbeit über den kompletten spritzgießrelevanten Scherratenbereich phänomenologisch be- trachtet. Bei der betrachteten Materialkombination von thermoplastischem Elastomer auf SEBS-Basis (TPS) als Hautkomponente und Polypropylen als Kernkomponente (PPKern) führt ein steigender PPHaut-Gehalt der Hautkomponente zu einer abnehmenden Scherratensensitivität des Viskositätsverhältnisses und damit zu einer zunehmenden und homogeneren Ausbreitung des Kernmaterials.

Bei Co-Injektion mit Schaumkern führen steigende Bauteildicken zu höheren maximalen Kern- anteilen im Gesamtbauteil. Bei einer Bauteildicke von 5 mm kann bis zu 12 % Gewichts- reduktion erzielt werden. Besonders bei großen Bauteildicken besteht ein hohes Potential zur Gewichtseinsparung. Bei der untersuchten Materialkombination wird die Haut/Kern-Ver- teilung kaum durch die Zugabe des Treibmittels beeinflusst. Diese Tatsache wird auch durch Messungen mit einem InLine-Viskosimeter bestätigt. Lediglich am Fließwegende entstehen Instabilitäten der Kernfließfront durch Ausgasen des Treibmittels.

Zuletzt werden die gewonnen Erkenntnisse auf ein Demonstratorbauteil aus der Bau- maschinenbranche (Bauteildicke: 40 mm) übertragen. Dabei kann das Gewicht (im Vergleich zu einem kompakt gefertigten Bauteil gleicher Größe) um 50 % reduziert und ein durch inno- vative Werkzeugtechnik hergestellter Durchbruch der Kernkomponente reproduzierbar her- gestellt werden.

With the special injection molding technology thermoplastic foam injection molding (FIM), a high potential for lightweight construction is achieved through a foamed core and compact skin layers with simultaneously high specific bending stiffnesses. To overcome the typical surface defects and furthermore achieve a haptic surface, the special injection molding technology co- injection molding can be applied.

The aim of the present work is to establish the necessary scientific basics for the processability of the combination of co-injection molding and FIM for complex material systems. A key ob- jective in the production of parts by co-injection molding is the uniform distribution of skin and core components. A decisive quality feature of foamed components is a well-formed integral foam structure. This work focuses on the one hand on the consideration of the rheological prop- erties of the skin and core component and on the other hand on the elucidation of the solidifi- cation process of the foamed core component of the process combination co-injection molding with foamed core and soft skin component.

The viscosity ratio of the core and skin components is largely responsible for the distribution of the two components in the part. This ratio is considered phenomenologically in the present work over the complete injection molding relevant shear rate range. The considered material combination in this work is thermoplastic elastomer based on SEBS (TPS) as the skin compo- nent and polypropylene (PPcore) as the core component. An increasing PPskin content of the skin component leads to a decreasing shear rate sensitivity of the viscosity ratio and thus to an in- creasing and more homogeneous spreading of the core material.

The skin component thickness of co-injection molded parts with foamed core changes the ther- mal conditions during foaming of the core component. It represents a thermal resistance between the solidifying melt of the core component and the cavity wall. The thermal conditions in the foaming component are elucidated by observing a foam injection molding process between TPS-inserts of defined thickness. Injection molding simulation is used to analyze the temperature curve. Due to a lower temperature gradient (compared to the FIM-only process) in the foam, the presence of a skin component increases the average cell size and leads to less variation across the component thickness. The thickness of the skin component plays a minor role.

Increasing part thicknesses lead to higher maximum core shares in the overall part. With a part thickness of 5 mm, up to 12 % weight reduction can be achieved. Particularly with large part thicknesses, there is a high potential for weight savings. In the material combination investi- gated, the skin/core distribution is hardly influenced by the addition of the blowing agent. This fact is also confirmed by measurements with an in-line viscometer. Only at the end of the flow path instabilities of the core flow front occur due to outgassing of the blowing agent.

Finally, the findings are transferred to a demonstrator component from the construction machinery sector (component thickness: 40 mm). The weight (compared to a compactly manu- factured component of the same size) can be reduced by 50 % and a breakthrough of the core component is achieved reproducibly using innovative tooling technology.

Ich danke Herrn Prof. Dr.-Ing. Holger Ruckdäschel für die Unterstützung, Betreuung und Kor- rektur meiner Arbeit. Bei Prof. DI Dr. Georg Steinbichler möchte ich mich für die Übernahme der Zweitkorrektur meiner Arbeit bedanken.

Herrn Prof. Dr.-Ing. Volker Altstädt danke ich für die Möglichkeit das Themengebiet des Spritzgießens bei der Neue Materialien Bayreuth GmbH mitgestalten zu können. Während mei- ner Zeit bei der Neue Materialien Bayreuth GmbH durfte ich mich sowohl fachlich als auch persönlich weiterentwickeln. Herrn Dr.-Ing. Thomas Neumeyer danke ich für das Korrektur- lesen meiner Arbeit, für die stetige Unterstützung und unzählbare Stunden der fachlichen Dis- kussion, aber auch des Beistands bei Herausforderungen.

Den Partnerfirmen Hilti Kunststofftechnik GmbH und Werkzeugbau Siegfried Hofmann GmbH, insbesondere Max Kummer und Jonas Beck, danke ich für die Möglichkeit des Trans- fers der wissenschaftlichen Ergebnisse auf ein anwendungsrelevantes Bauteil und die offene und unkomplizierte Zusammenarbeit. Dem Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz danke ich für die Förderung des Projekts HiCoInject (Förderkennzeichen: ZF4064602) im Rah- men des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand.

Herrn Dr. Volker Reichert danke ich für die Diskussionen rund um das Konzept der verwen- deten Zwischenplatte, sowie Lyondell Basel und Allod Werkstofftechnik für die Bereitstellung der Kunststoffgranulate. Herrn Prof. Dr. Nuri Aksel danke ich für die Bereitstellung des Vis- kosimeters und Herrn Dr. Lutz Heymann für die fachliche Unterstützung.

Mein besonderer Dank gilt den technischen MitarbeiterInnen der Neue Materialien Bayreuth GmbH und des Lehrstuhls für Polymere Werkstoffe der Universität Bayreuth, insbesondere Philipp Schmidt, Sven Bauer, Ute Kuhn und Jacqueline Uhm für die Realisierung meiner Ideen mit sehr großer Motivation. Josefa Nüßlein und Kathrin Lindner danke ich für die Unter- stützung bei der Betrachtung des Treibhauspotentials des Demonstratorbauteils. Meinen KollegInnen, besonders Dr.-Ing. Michael Kropka, Johannes Knöchel und Dr. rer. nat. Julia Gensel, danke ich für die zahlreichen fachlichen Diskussionen und die schöne Promotionszeit.

Den Studierenden, insbesondere David Elzenbeck, André Bär, Jian Yang und Michelle Hart- bauer, danke ich für den unermüdlichen Einsatz bei ihren Tätigkeiten als Abschlussarbeitende.

Meinen Eltern und Geschwistern danke ich dafür, dass sie mir alles ermöglicht, mich stets ge- fördert und so den Grundstein für meine Promotion gelegt haben. Meinem Mann Andreas danke ich vor allem für die emotionale Unterstützung und die vielen fachlichen Diskussionen. Meinen Söhnen Emil und Fiete danke ich für die nötige Ablenkung und die Freude, die sie mir bringen.

1.1 Weichkomponenten zur Verarbeitung im Spritzgießverfahren: Thermoplastische Elastomere 4

1.1.3 Hart/Weich-Verbunde mit Styrol-Block-Copolymeren 6

1.2.2 Einflüsse auf die Haut-Kern-Verteilung 10

1.3.1 Ausbildung der typischen Integralschaumstruktur 20

1.3.2 Verfahrensvarianten des Thermoplastschaumspritzgießens 21

1.3.3 Fließverhalten treibmittelbeladener Schmelzen 26

1.3.5 Oberflächen beim Thermoplastschaumspritzgießen 29

1.3.6 Simulation des Thermoplastschaumspritzgießprozesses 31

1.4 Co-Injektion mit geschäumtem Kern 34

Dissertation_Krause.pdf

2023-08-14 Dissertation Katharina Kruse

Dr.-Ing. Katharina Kruse katharina.krause@nmbgmbh.de