Ein neuartiges transparentes Polymer kombiniert minimale Doppelbrechung mit guter Verarbeitbarkeit. Das öffnet neue Möglichkeiten in optischen Bauteilen.

Betrachtung von Fahrzeugdisplays aus AZP (oben) und Polycarbonat (unten) durch eine polarisierte Sonnenbrille.

Transparenter Kunststoff als Alternative zu Glas in optischen Anwendungen

HMI, Bedienelemente, Displays

Elektronik

Kfz-Elektronik

Technische Kunststoffe

Kunststoff Werkstoffe

Thermoplaste

Display im Automobil

Polymethylmethacrylat

Polycarbonat

Rote Karte für die Doppelbrechung

Covestro bietet ab sofort klimaneutrales Polycarbonat (PC) an. Die PC-Typen dem Makrolon-Produktangebot sind dem Kunststofferzeuger zufolge von der Wiege bis zum Werkstor klimaneutral. Erreicht wird das durch die Verwendung von erneuerbarem Strom für die Produktion und der Nutzung von Rohstoffen aus massenbilanzierten Bioabfällen und Reststoffen.

Für die Produktion seiner klimaneutralen PC setzt Covestro auf massebilanzzertifizierte erneuerbare Rohstoffe und erneuerbare Energien.

Erneuerbare Energie

Energieerzeugung

Kreislaufwirtschaft

Covestro produziert klimaneutrales Polycarbonat

Elektro- und Elektronikhersteller möchten die Treibhausgasemissionen ihrer Produkte senken und das Abfallmanagement und Recycling für diese optimieren. Erreichen lässt sich das unter anderem durch den Einsatz nachhaltigerer Thermoplaste und qualitätsgesicherter Rezyklate. Wichtig sind außerdem enge Kooperationen zwischen Unternehmen zum Aufbau von Stoffkreisläufen und ein recyclinggerechtes Design von Geräten.

Mit Polymeren Nachhaltigkeitstrends in der Elektro- und Elektronikindustrie gestalten

Recycling

Umweltmanagement

Kunststoff-Recycling

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Kunststoff-Aufbereitung

Kunststoff-Rezyklat

Hilfe für eine grünere E&E-Welt

Die Verbindung von Spritzprägen, partiellem Film Insert Molding und Direct Coating ermöglicht ein neuartiges Konzept für das Frontmodul des BMW iX. Wichtig bei der Entwicklung waren umfangreiche Spritzgießversuche, die der Kunststoffhersteller Covestro in seinem Technikum durchführte.

Für die Herstellung des Frontmoduls des BMW iX, die sogenannte Niere, werden verschiedene Produktionsverfahren miteinander kombiniert.  

Verbindung von Spritzprägen, partiellem Film Insert Molding und Direct Coating ermöglicht innovatives Frontmodul des BMW iX. 

Große Exterieurteile mit integrierten Funktionen und hochwertigen Oberflächen fertigen

Polyurethan

Facelifting für Elektrofahrzeuge

Ein Großteil des weltweiten Polycarbonats wird in Asien und dort insbesondere in China verarbeitet. Außerhalb des asiatischen Raums konzentrieren sich die Hersteller verstärkt auf Spezialitäten und Produkte für neue Herstellungstechnologien.

Auf PC basierende Folien ermöglichen attraktive Designs im Automobilinnenraum. Galvanisierte Echtmetalloberflächen mit Touchsensorik sind sowohl bei ein- als auch ausgeschalteter Hinterleuchtung ein echter Hingucker. 

Polycarbonat (PC): Funktionsintegration und neue Spezialitäten

Messe K-Kunststoffmesse

kunststoffe.de

Kennzahlen

Qualitätsmanagement

Wachstumstreiber China

Für den Medizinbereich hat Covestro ein Polycarbonat vorgestellt. Es soll robust sein und gleichzeitig ein attraktives Design ermöglichen.

Das PC eignet sich für robuste, transparente Produkte. © Covestro

Medizintechnik

Medizinprodukte

Robustes PC für den Gesundheitssektor

Das Internet der Dinge bietet PC-Materialien zahlreiche Einsatzmöglichkeiten. Welches Potenzial PC dabei eröffnet, zeigen aktuelle Beispiele für IoT-Geräte.

Das UV-stabile Gehäuse schützt das Innere der Basisstation auch bei sehr tiefen Temperaturen gegen Stöße und sorgt zugleich für eine stabile Signalübertragung.

Polycarbonate für smarte und nachhaltigere IoT-Anwendungen

Smart City

Internet der Dinge

Wirtschaft

Innovationen und neue Technologie

Smart Building

Energieeffizienz

Smart Home

Smart Home / IoT

Maker

Vom Internet der Dinge zur Intelligenz der Dinge

E-Autos haben andere Anforderungen an die Materialien als Verbrenner. Das bietet Chancen für im Antriebsstrang untypische Kunststoffe: etwa Polycarbonat.

Speziell angepasste Polycarbonate bieten sich beispielsweise als Materialien für die Lithium-Ionen-Batterien von Elektrofahrzeugen an. 

Elektromobilität eröffnet Chancen für ungewohnte Materialien

Elektromobilität

Mobilität

Polycarbonate für Hochvoltkomponenten

Moderne Autos sollen einen geringeren CO2-Fußabdruck bei gleicher Leistung bieten. Umsetzbar ist das mit passenden Materialien, wie ein Projekt von Trinseo zeigt.

Beim Wechsel auf ein Recyclingmaterial ist es wichtig, dass dieses die notwendigen Anforderungen erfüllt. Ein Blend von Trinseo erreicht diese und kann deshalb für die Tür eines SUV verwendet werden. 

Bauteile mit hohem Recyclinganteil für Fahrzeuge

Blend

Styrol-Copolymerisate

Rezyklate in Serie gebracht

Bei der Kombination von PC mit Flüssigsilikonkautschuk ist die Hitzebeständigkeit des PC ein wichtiger Faktor. Covestro hat dafür ein spezielles PC vorgestellt.

Das Copolycarbonat Apec 2045 eignet sich für Medizinprodukte mit eingegossenen Dichtungen und Anwendungen im Gesundheitswesen, die eine Heißluftsterilisation bei bis zu 180 °C erfordern.

Polycarbonat für die Medizintechnik

Höhere Hitzebeständigkeit, höhere  Produktivität

Die Unternehmen der Otto Krahn Gruppe zeigen auf der Fakuma 2024, dass Nachhaltigkeit, Funktionalität und gutes Design vereinbar sind.

Die Rückseite des Fairphone 5 besteht aus 100 % PCR. Das entsprechende PC dafür stammt von Mocom. Es ermöglicht auch ein transparentes Design, ohne schwarze Stippen.

Compound

Messe Fakuma

kunststoffe-international.com

Compoundeure

Dienstleistungen

Handel

Ansprechende Designs mit Recyclingmaterialien

Touch-Bedienung durch integrierte und gedruckte Elektronik sowie haptische Feedback-Funktionen sind genauso wie lackierte Oberflächen mit Selbstheilungseffekt eine Herausforderung für die Kunststofftechnik. Sie könnten zu immensen Fortschritten bei der Auslegung und Produktion von Kunststoffbauteilen führen. In Kombination wären die drei Techniken eine unschlagbare Lösung für Mensch-Maschine-Schnittstellen. 

Moderne Fertigungstechniken für smarte und dekorative Oberflächen 

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

Folien

Oberflächentechnik

Oberflächenveredelung

Schnittstellen zwischen Mensch  und Maschine 

Die Croda Europe Ltd., East Yorkshire/ Großbritannien, zeigt auf der K-Messe 2019 erstmalig ihre permanenten antistatischen Additive der Marke Ionphase. Die inhärent dissipativen Produkte sollen einen sofortigen und dauerhaften Effekt bieten, der feuchtigkeitsunabhängig ist. Hinzu kommt, dass sie eine gleichmäßige und homogene Verteilung in der Polymermatrix ermöglichen und eine sehr gute Verarbeitbarkeit und Oberflächenqualität aufweisen. Die Additive können compoundiert, extrudiert sowie spritzgegossen werden und erfüllen die Industriestandards für EPA- und EX-Bereiche. Es stehen mehrere Klassen für verschiedene Polymertypen zur Verfügung, darunter Polyolefine, Styrole und PC-Mischungen. 

Für EPA- und EX-Bereiche 

Additive

Kunststoffe

Antistatik-Additive 

BASF, Bobst, Evertis und Sulayr wollen neues Recyclingkonzept PET/PE-Mehrschichtfolien entwickeln.

Best-Practice-Beispiel eines geschlossenen Recycling-Kreislaufs für PET-basierte Mehrschichtverpackungen.

16:9

Verpackungsmittel aus Kunststoffen

Kunststoffverarbeitung

Verpackungsmaterial

Logistik

Photonik

Optik

Polyethylenterephthalat

Kreislauf für PET-basierte Mehrschichtverpackungen

Ziel der Arbeit war es transparente PC/PMMA-Blends mittels kontinuierlicher Reaktivextrusion unter Verbesserung mechanischer und optischer Eigenschaften herzustellen.

Optische Mess- und Prüfverfahren

Qualitätssicherung

Qualitätssicherung Kunststoff

Transparente PC/PMMA Blends: Einfluss der Funktionalisierung auf optische, morphologische und mechanische Eigenschaften

Großflächige gebogene Kunststoffblenden mit integrierten Displays

Displays harmonisch in die Linienführung eines Fahrzeugcockpits zu integrieren war bisher eine echte Herausforderung. Das Unternehmen Continental setzt nun eine Kombination aus Film Insert Molding, In-Mold Decoration und Spritzprägen ein, um große dreidimensional geformte Kunststoffblenden zu fertigen.

Fahrzeugcockpits werden immer stärker von Displays geprägt. In der Regel verfügen aktuelle Modelle über zwei vollfarbige, grafikfähige Anzeigen. Das Kombinationsinstrument besteht meistens aus einem großen Display (Full Digital Cluster, FDC). Zusätzlich dazu befindet sich oft in der Mittelkonsole ein zweites Display, das in der Regel nicht direkt fahrrelevante Inhalte wie Navigation, Infotainment und Bedienung darstellt. Häufig verfügt es über eine Touch-Funktion. Der Trend geht seit Jahren ungebrochen dahin, dass Anzahl, Diagonale und Auflösung der Displays zunehmen.

Die technischen Eigenschaften solcher nebeneinander angeordneten Displays möglichst exakt zu harmonisieren (Weißpunkt, Farbtemperatur, Farbkoordinaten, Schwarzhomogenität) stellt eine große Herausforderung dar. Eine weitere besteht darin, die Displayoberflächen harmonisch in die Linienführung eines Cockpits zu integrieren. Displays auf Glasbasis erweisen sich als etwas sperrig. Die erreichbare Krümmung liegt bei ihnen etwa bei 800 bis 3000 mm Radius. Wesentlich bessere Voraussetzungen bieten flexible Anzeigen wie AMOLED-Displays (Active Matrix Organic Light Emitting Diode). Allerdings benötigen AMOLED zwingend eine Schutzschicht, um für den vergleichsweise rauen Fahrzeugeinsatz mit Touch-Bedienung geeignet zu sein.

Um diese Herausforderung zu lösen, hat das Unternehmen Continental AG, Hannover, eine durchgehende 3D-Kunststoffblende entwickelt (Titelbild). Sie schützt die dahinter liegenden beiden AMOLED-Displays mit 12,3 Zoll vor mechanischer Beschädigung. Außerdem lässt die partiell bedruckte Blende die Bildschirme nahtlos mit der umgebenden Fläche verschmelzen, wodurch die gesamte gekrümmte Fläche wie ein einziges durchgehendes Instrument wirkt. Für diese Innenraumverkleidung wurden mehrere Sonderproduktionsverfahren miteinander kombiniert. Das sogenannte High-Pressure Forming (HPF) dient etwa zur Umformung der zweidimensional bedruckten Folie in die dreidimensionale Kontur des finalen Bauteils. Dieses wird im Anschluss in ein Werkzeug eingelegt und hinterspritzt. Dieser Prozess nennt sich Film Insert Molding (FIM). Beim In-Mold-Decoration-Verfahren (IMD) wird schließlich im Rolle-zu-Rolle-Prozess schon im Spritzgusswerkzeug die Hardcoat-Beschichtung auf das Bauteil aufgebracht. In Kombination mit dem Spritzprägeverfahren sorgt das für sehr geringe Spannungshaushalte im Bauteil. Die Herausforderung bei der Entwicklung dieses Produktionsverfahrens lag in den Dimensionen der Blende: Das Muster misst rund 200 mm x 700 mm. Diese Größe konnte bisher weder im IMD- noch im FIM-Verfahren mit >100 mm Um-formhöhe verarbeitet werden. Die verwendeten Maschinen sind bei Inbetriebnahme teilweise weltweit einzigartig.

Die 3D-Instrumentenblende ist aus drei Funktionslagen aufgebaut. Die Rückseite bildet eine bedruckte Folie (FIM) mit 375 µm Stärke, die Vorderseite ist eine 15 µm dünne Hartschicht, die von einer Transferfolie (IMD) aus übertragen wird. Der Kern des Bauteils besteht aus 2,1 mm dickem Polycarbonat (PC), das zwischen FIM-Folie und vorderseitige IMD-Folie eingespritzt wird. Anschließend bleibt es bei homogenem Druck und Temperaturen von anfänglich 300 °C während der Abkühlphase im Werkzeug. Trotz der Größe von 200 mm x 700 mm wiegt das rund 2,5 mm dicke Endprodukt nur rund 350 g.

Ohne umfangreiche technische Erfahrung mit den eingesetzten Fertigungstechnologien wäre diese Integration nicht möglich gewesen. Bei der Kombination aller Schritte zusammen mit der dreidimensionalen Kontur der Blende handelt es sich nämlich um ein komplett neues Verfahren. Continental kamen dabei die viele Jahrzehnte Erfahrung mit der Bedruckung von Folien und deren Umformung, beispielsweise für Zifferblätter von klassischen Tachos, zugute. Auch die Erfahrung des Automobilzulieferers im Spritzen von optischen und hochtransparenten Bauteilen wie Spiegel für Head-up-Displays und Deckgläser war enorm wichtig. Auch die Transferapplikation von dünnen Filmen wird bereits seit vielen Jahren in der Großserie genutzt, etwa um transparenten Zeigerfahnen ihre leuchtfarbige Oberfläche zu geben oder hochwertige und beständige Klavierlack-Oberflächen auf Kunststoffblenden zu erzeugen.

Neben den Fertigungstechnologien war auch die Auswahl der passenden Rohstoffe eine große Herausforderung. Die Anforderungen an die Materialien im Automobilbereich sind sehr hoch. Dazu zählen Wärmebeständigkeit, etwa gegenüber direkter Sonneneinstrahlung oder der Verlustwärme der Displays, Dimensionsstabilität, Kratzfestigkeit trotz zahlreicher Abriebhübe und optische Qualität, die dem Vergleich mit hochwertigen Materialien wie Mineralglas standhalten muss. Auch eine hohe Schlagzähigkeit ist notwendig, um im schlimmsten Fall selbst bei einem Kopfaufprall ein Splittern des Deckglases zu verhindern. Außerdem muss eine Touch-Bedienung integrierbar sein. Wie bei jeder Lebensdauerkomponente im Fahrzeug wird eine Dauerfestigkeit über 10 Jahre bzw. 300 000 km erwartet – und auch kompromisslos getestet. Aus diesem Grund kommen nur speziell ausgewählte Materialien infrage.

Bild 1 zeigt die beiden Stränge des Fertigungsprozesses im Überblick. Der obere Strang erzeugt die bedruckte Rückseite der Blende durch FIM, der untere Strang führt die Transferfolie mit der Hartbeschichtung zu. Am Zusammentreffen der beiden Stränge folgt die Hinterspritzung der beiden Folienschichten mittels Spritzprägen.

Am Anfang des oberen Stranges steht jeweils ein großer Bogen aus PC-Folie (Typ: Makrofol HF; Anbieter: Covestro AG, Leverkusen). Das Makrofol HF eignet sich wegen seiner hohen Wärmeformbeständigkeit und Transparenz sowie der sehr guten Formbarkeit und Elastizität über einen großen Temperaturbereich optimal für den Anwendungszweck. Diese 375 µm dünne Folie wird zunächst in einem Kombinationsverfahren aus Digital- und Siebdruck mit Funktions- und dekorativen Drucken sowie farbigen Elementen versehen. Der Digitaldruck dient dazu, anspruchsvolle Farbverläufe und grafische Muster zu erzeugen. Selbst fotorealistische Drucke sind umsetzbar.

 Heizkacheln erwärmen in einer HPF-Maschine den fertig gedruckten 2D- Folienbogen, bis er bei 150 °C seine Glasübergangstemperatur erreicht. Nun wird der aufgeheizte Bogen über dem 3D-Werkzeug positioniert, und das Umformwerkzeug schließt sich. Luftdruck mit rund 60 bar legt die Folie an die 3D-Kontur der Form an (Bild 2). Nach der Entnahme aus der Maschine härtet der umgeformte Film dann unter UV-Licht aus. Bei der Prototypfertigung wird der 3D-Rohling anschließend mit einem Fräsverfahren allseitig auf die Bauteilkontur beschnitten, und gegebenenfalls erforderliche Bohrungen werden durch-geführt. Das Ergebnis dieses Prozesses ist die Rückseite der späteren Instrumentenblende. Die verwendete HPF-Maschine des Herstellers Niebling GmbH, Penzberg, ermöglicht ein echtes 3D-Umformen großformatiger Bauteile mit Ziehtiefen von ≤150 mm bei Bogengrößen von 1150 mm x 650 mm. Das formgebende Werkzeug wurde speziell für diesen Prozess entworfen.

In dem unteren Strang der in Bild 1 dargestellten Fertigung wird der Transferfilm mit der Hartbeschichtung vorbereitet. Dieser IMD-Film wird der Spritzgießmaschine als Rollenmaterial zugeführt. Durch das dreidimensionale und großformatige Design der Displayblende war es auch in diesem Fertigungsabschnitt notwendig, über die bisher bestehenden technologischen Grenzen hinauszugehen.

Vor dem Hinterspritzen wird der bedruckte 3D-Film in das komplexe Spritzgießwerkzeug eingelegt. Die beiden Werkzeughälften wiegen zusammen über 16 t. Zudem verfügt das Werkzeug aufgrund seiner Komplexität über eine gewisse Intelligenz in Form einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS), die u. a. die Bedienung via Smartphone und über WLAN unterstützt. Die SPS ist zuständig für die Überwachung und Koordination der mehr als 60 Aktoren und Sensoren, die sich in dem Werkzeug befinden. Sie wickelt eigenständig das Zusammenspiel mit Spritzgießmaschine und zwei weiteren Sekundärperipherien ab. Während des Einlegens des FIM wird die IMD-Schutzfolie (Typ: Bright View; Anbieter: Leonhard Kurz Stiftung GmbH & Co KG, Fürth) von einem speziellen Folienzuführgerät im Werkzeug positioniert. Für die Fixierung der Folie im Werkzeug dient ein zwölfteiliges Klemmrahmenkonzept. Dieses fixiert die Folie mit einer exakt definierten Abfolge geschwindigkeits- und positionsgeregelt im Werkzeug (Bild 3). Unter Vakuum legt sich die Transferfolie faltenfrei in die Form.

Sind beide Folien positioniert, werden die Werkzeughälften geschlossen und mit bis zu 300 °C heißem PC (Typ: Makrolon Ai, Anbieter: Covestro) hinterspritzt. Das bedruckte FIM und der transparente IMD-Schutzlack werden durch die hohen Temperaturen und Drücke ein fester Bestandteil der Blende. Um eine gleichmäßig hohe optische Qualität der späteren Blende sicherzustellen, wird der Kunststoff in die noch leicht geöffnete Kavität eingespritzt und diese erst nach dem vollständigen Einspritzen komplett geschlossen. Das sorgt für einen niedrigen Fülldruck und eine homogene Druckverteilung während der Abkühlphase. Aufgrund der dabei entstehenden Auftriebskräfte muss die Hydraulik der Maschine Schließkräfte von bis zu 1500 t erzeugen. Beim Öffnen der Maschine löst sich der IMD-Transferfilm von der Vorderseite der 3D-Blende, während die Hartschicht (Schutzlack) auf dem PC verbleibt.

Das PC mit seiner glasartigen Transparenz, einer hohen Schlagzähigkeit auch bei niedrigen Temperaturen und der guten Dimensionsstabilität gibt der 3D-Instrumentenblende ihre Festigkeit. Nach dem Abkühlen härtet der IMD-Schutzlack der fertigen Blenden unter UV-Licht aus. Anschließend werden die Angüsse entfernt und sind nun bereit für das optische Dry-Bonding der beiden 12,3 Zoll großen AMOLED-Displays.

Bei Blenden aus Kunststoffen können auf der Vorderseite zusätzliche 3D-Strukturen erzeugt werden, die den Finger des Fahrers bei der Bedienung der Mittelkonsole führen (Bild 4). Damit lassen sich etwa digitale Bedienelemente wie Schieberegler zur Lautstärkenverstellung nachbilden. Durch diese fühlbaren Orientierungshilfen sinken die Anforderungen an die Hand-Auge-Koordination. Der Fahrer muss den Blick kürzer von der Straße abwenden und behält das Verkehrsgeschehen besser im Blick. Zusätzlich können dem Fahrer mit der 3D-Instrumentenblende taktile Rückmeldungen gegeben werden. Er fühlt z. B. an der Fingerspitze, sobald er eine Touch-Eingabe gemacht hat. Kontrollblicke werden kürzer oder entfallen ganz, was die Sicherheit steigert.

Mit den Fertigungsprozessen aus FIM-3D- Umformung, Rolle-zu-Rolle-IMD-Beschich- tung und Spritzprägen lassen sich optisch hochwertige großformatige Instrumentenblenden erzeugen. Neben ihrem geringen Gewicht besitzen sie mehrere zentrale Vorteile. Der kombinierte Prozess erlaubt die Integration gekrümmter Displayoberflächen, was vor allem die Mittelkonsole besser in den bogenförmigen Greifraum der rechten Fahrerhand rückt. Die Bedienung der im Mittelkonsolendisplay integrierten Funktionsumfänge wird dadurch ergonomischer. Die Möglichkeit, zusätzlich dreidimensionale Strukturen auf der Oberfläche der Blende zu erzeugen, macht die Bedienung während der Fahrt noch sicherer und intuitiver. Und schließlich ermöglicht der Prozess die nahtlose Integration einzelner AMOLED-Displays ohne sichtbare Übergänge zwischen Bildschirm und Blendenfläche. Dadurch entsteht ein harmonisches Cockpit mit attraktiv gespannten Bogenverläufen.

Die neuartige Fertigungstechnik mit eigens dafür angepassten Maschinen hat sich in der Herstellung von Prototypblenden bewährt. Das neuartige Verfahren kann somit für künftige Serieneinsätze genutzt werden.

Continental Automotive Technologies GmbH  

https://www.continental-corporation.com

Ausgabenartikel

In die durchgehend 3D-geformte Instrumentenblende sind zwei Displays nahtlos integriert

Bild 1. Der Fertigungsprozess der Kunststoffblende erfolgt zunächst in zwei getrennten Prozessen, die danach zusammengeführt werden  

Bild 2. Die FIM-Maschine für die 3D-Heißumformung großformatiger PC-Bögen arbeitet mit 60 bar

Bild 3. Der zwölfteilige Spannrahmen für die Positionierung der IMD-Folie sorgt für eine exakte Fixierung der Folie vor dem Hinterspritzen  

Bild 4. Oberflächentopografien auf der Blende erleichtern die Blindbedienung von Funktionen auf dem Display. Dadurch ist der Fahrer weniger vom Straßengeschehen abgelenkt

Continental - Hauptartikel

Martin Lenz ist Expert Plastic Design for Manufacturability und technischer Projektleiter für 3D-Kunststoffblenden bei Continental in Babenhausen;

<a href="mailto:Martin.Lenz@continental.com">Martin.Lenz@continental.com</a>

Kai Hohmann arbeitet als Produktmanager für Displayprodukte bei Continental in Babenhausen;

<a href="mailto:Kai.Hohmann@continental.com">Kai.Hohmann@continental.com</a>