In einem sachlich geführten Schlagabtausch gehen zwei Segmentleiter von KraussMaffei der Frage nach, welches System der Automobilbranche mehr Vorteile bietet – das Spritzgießen faserverstärkter Thermoplaste oder die Produktion von Strukturbauteilen auf dem Weg der Reaktionstechnik? Wie schwer es ist, darauf die richtige Antwort zu finden, macht die kontroverse Diskussion deutlich. 

Interview mit den KraussMaffei-Segmentleitern Frank Peters und Nicolas Beyl 

Faserverarbeitung

Spritzgießen

Schäumen / Reaktive Verarbeitung

Resin Transfer Molding

Spritzgießen oder Reaktionstechnik für Automobilteile? 

Durch die Entwicklung des 3D-Faserspritzverfahrens ist es möglich, komplex geformte und funktionsintegrierte Preforms für Strukturbauteile aus faserverstärkten Kunststoffen wirtschaftlich in großen Stückzahlen zu fertigen. Dabei erlaubt die Prozesstechnik des 3D-Faserspritzverfahrens eine Orientierung der Fasern, wodurch die mechanischen Eigenschaften der Bauteile gezielt eingestellt werden können. 

3D-Faserspritzverfahren ermöglicht wirtschaftliche Preformfertigung für faserverstärkte Strukturbauteile 

Duroplaste

Verbundwerkstoffe / Werkstoffverbunde

Additive Preformfertigung  für die Großserie 

Nach einem wachstumsstarken Geschäftsjahr 2015 treibt die KraussMaffei Gruppe die Umsetzung von  Industrie 4.0 in der Kunststoffverarbeitung unter dem Dachnamen "Plastics 4.0" voran. Der Fokus liegt dabei auf intelligenten Maschinen, vernetzten Produktionsprozessen und interaktiven Serviceleistungen. 

KraussMaffei blickt nach der Übernahme durch ChemChina zuversichtlich nach vorn 

Industrie 4.0

Spritzgießmaschinen

Extrusion

Vernetzung nach Maß 

Dass Polyurethan einen wertvollen Beitrag zu den derzeit in jedem industriellen Bereich relevanten Trendthemen Ressourceneffizienz, Leichtbau, Nachhaltigkeit und Recycling leisten kann, zeigt die PUR-Industrie mit neuen Lösungen für die steigenden Herausforderungen in ökonomischen und ökologischen Aspekten. Der Reaktivwerkstoff PUR beweist somit das große Potenzial, um langfristig eine Alternative zu bestehenden Materialien darzustellen, und das nicht nur aufgrund der vielfältig einstellbaren Eigenschaften. 

Sowohl ökologische als auch ökonomische Anforderungen im Visier 

Polyurethan

PUR-Schäummaschinen

Kunststoff-Recycling

Kunststoff-Rohre

Die Polyurethan-Welt wird nachhaltiger 

Für Hochleistungsanwendungen in Luft- und Raumfahrt sowie im Motorsport sind strukturelle Faserverbundbauteile heutzutage nicht mehr wegzudenken. Die höchste Leichtbaugüte erreichen dabei integral gefertigte Hohlbauteile ohne Kern. Um komplexe Faserverbund-Hohlbauteile zukünftig im automatisierten HP-RTM-Prozess großserientechnisch zu fertigen, war ein entscheidender Entwicklungsschritt zur Industrialisierung nötig. 

Serienfertigung von komplexen strukturellen Hohlbauteilen 

Prozesssimulation

Glasfasern / -matten

Kohlenstofffasern / -matten

Leicht und stabil auf Sand gebaut 

Das Unesco-Welterbe "Zollverein" in Essen bildete am 25. und 26. März 2019 die Kulisse für das Internationale SimpaTec Usermeeting. Dabei präsentierten die Simulationsexperten ein neues Veranstaltungskonzept mit mehreren parallelen Sessions. Auch 15 Jahre nach Gründung des Unternehmens hat dessen Chef noch eine Mission. 

Über 150 Anwender beim International SimpaTec Usermeeting 2019 in Essen 

Spritzgießsimulation

Warmformen / Thermoformen

Gasinjektionstechnik

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

"Man muss die Dinge richtig machen" 

Wer bei einem Bauteil von Metall auf Kunststoff umsteigen, die Zahl der Komponenten dabei von acht auf drei reduzieren und gleichzeitig Gewicht und Herstellungskosten senken will, muss mit viel Sorgfalt agieren, um alle Anforderungen zu erfüllen. Besonders wenn es sich um einen mechanisch stark beanspruchten Artikel im heißen Getriebe handelt. GK Concept entwickelte eine neue Schaltgabel – und erhielt dafür gemeinsam mit dem Auftraggeber Koki Technik den GKV/TecPart-Innovationspreis 2019.

Serienreife Schaltgabel aus Kunststoff erbringt Höchstmaß an Funktionsintegration

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Kunststoff Werkstoffe

Verstärkungsstoffe

Produktentwicklung (F+E)

Innovationsentwicklung

Wirtschaft

Innovationen und neue Technologie

Spritzgießwerkzeuge

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung

Inserttechnik

Software

Simulation

Hybrid-Spritzgießen (Metall / Kunststoff)

Metallsubstitution im Getriebe

Die Spritzgießproduktion von Kleinserien ist oft durch die Kosten der Werkzeugherstellung limitiert. Abhilfe können gegossene Werkzeuge aus Kunstharz-Metallpulvermischungen schaffen. 

Epoxidharz eignet sich als Material für Werkzeugeinsätze in Stammformen 

Reaktionsharze

Aluminium

Gießmaschinen / Urformen

Rapid Tooling

Rapid Manufacturing

Kostengünstiges Spritzgießen  von Kleinserien 

In einem einstufigen Produktionsverfahren werden Leichtbau-Strukturteile aus einem metallischen Kern und polymeren Funktionselementen hergestellt. Diese finden im Automobil unter anderem als Cockpitquer- und Frontendträger Einsatz. Im Verbund kombinieren die beiden Werkstoffe ihre Eigenschaften zu einem leistungsfähigen Hybridbauteil.  

Hybridbauteile aus Kunststoff-Metall-Verbunden im Einsatz in der Fahrzeugkarosserie 

Polyamide

Hybridtechnik

Verbindungstechnik, hybride

Das Beste aus zwei Welten 

Im September 2018 wird die weltweit erste Anlage für das Recycling einer PE-Aluminium-Mischung in Betrieb gehen, die daraus ein Polyethylen-Regranulat herstellt. 

7000 Jahrestonnen Verpackungsabfall verarbeiten 

Simulation Verpackung

Polyethylen

kunststoffe.de

Saftkartons zu Glitzer-Regranulat 

Die Verbindung von Kunststoff und Metall bietet wirtschaftlichen Leichtbau bei gleichzeitig hoher Funktionsintegration. Hierbei ist auch die Dichtheit gegenüber Medien ein notwendiges Kriterium für die Qualität der Verbindung. Durch eine Plasmaschicht in Kombination mit gezielter Modifikation von Kunststoffen entstehen äußerst feste Hybridbauteile. 

Plasma-SealTight-Prozess und Materialien für stoffschlüssige Kunststoff-Metall-Verbunde weiterentwickelt 

Dichtungen

Verbindungstechnik

Da wird selbst Aluminium schwach 

Die Amut Group S.p.a., Novara/Italien, wird die neue Gießfolienanlage ACS 2000 für die Folienproduktion mit dem Q-Catcher-Konzept live auf der Messe in Betrieb nehmen. Der Q-Catcher ermöglicht die Wiederverwendung von gespeicherten Parametern für die Herstellung einer Folie mit den zuvor erreichten mechanischen Eigenschaften. 

Amut Group auf der K 2019 

Folien

Erster Schritt zur datenbasierten Prozesssteuerung 

Die Batterien von Elektrofahrzeugen müssen besonders gesichert werden, um Brände zu verhindern. Batterieböden aus Aluminium bieten häufig keinen ausreichenden Schutz. Der Automobilzulieferer ElringKlinger hat deshalb einen Unterbodenschutz aus glasfaserverstärktem PP entwickelt.

Unterbodenschutz für Batterien von Elektrofahrzeugen

Polypropylen-Platten

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

Automotive

Elektronik

Elektromobilität

Mobilität

Kunststoffe

Photonik

Optik

Metall Werkstoffe

NE-Metalle

Polypropylen

Thermoplaste

Polypropylen schlägt Aluminium

Als Alternative zu klassischen Fügeverfahren können durch das thermische Direktfügen in Kombination mit geeigneten Oberflächenvorbehandlungen stabile Fügeverbindungen für unterschiedlichste Materialkombinationen erzeugt werden.

Thermisches Direktfügen von Kunststoff-Metall-Verbindungen für industrielle Anwendungen

Laserstrukturieren

Oberflächentechnik

Laserbearbeitungen

Verbindungstechnik Verfahren

Alternativen zum Kleben und  mechanischen Fügen

Nur eine Kleinserie zu fertigen, verteuert in der Regel das Bauteil. Schließlich ist der Entwicklungsprozess der gleiche wie bei Großserien. Ein Unternehmen hat daher sein Prototypenverfahren weiterentwickelt und kann nun in der Größenordnung von 5000 Stück produzieren. 

Gusswerkstoffe

Rapid Prototyping

NylonMold-Verfahren: Polyamid geformt in Silikon 

Offenporige Aluminiumgussteile als Basis für neuartige Kunststoff-Metall-Hybridbauteile

Im Gegensatz zu konventionellen Metalleinlegern verfügen offenporige Aluminium-Inserts über bisher unbekannte multistrukturelle Eigenschaften. Die sogenannten Fillserts werden mit Kunststoffen nicht umspritzt, sondern infiltriert. Dadurch lassen sich leichte, leistungsstarke, multifunktionale und mediendichte Hybridteile für mechanische, elektrische, mechatronische, thermische, optische und chemische Anwendungen herstellen und bisher nicht praktikable Konstruktionen umsetzen.

Im Gegensatz zu konventionellen Metalleinlegern verfügen offenporige Aluminium-Inserts über bisher unbekannte multistrukturelle Eigenschaften. Die sogenannten Fillserts werden mit Kunststoffen nicht umspritzt, sondern infiltriert. Dadurch lassen sich leichte, leistungsstarke, multifunktionale und mediendichte Hybridteile für mechanische, elektrische, mechatronische, thermische, optische und chemische Anwendungen herstellen und bisher nicht praktikable Konstruktionen umsetzen

Die Herstellung hybrider Bauteile in der Kombination von Kunststoffen mit Metallen ist in der Kunststoffverarbeitung seit langem etabliert. Im Wesentlichen bestehen hierfür zwei Verfahren: das Insert- und das Outsert-Spritzgießen. Beim Insert-Spritzgießen werden die Funktionseigenschaften metallischer Werkstoffe in Form von Einlegeteilen in die Kunststoff-Matrix integriert. Die Metalleinleger werden im Fertigungsprozess im Werkzeug platziert und kraft- und formschlüssig fast vollständig umspritzt. Beim Outsert-Spritzgießen werden die Funktionseigenschaften polymerer Werkstoffe durch die selektive Ummantelung eines Metalleinlegers integriert. Die Metalleinleger werden in diesem Fall nur in ausgewählten Bereichen umspritzt.

Beide Hybrid-Techniken haben jedoch allgemein bekannte Nachteile, insbesondere für den funktionsintegrierten Leichtbau – nicht nur, wenn man an den Einsatz von schweren Metallen wie Stahl oder Messing denkt. Als problematisch erweisen können sich geringe Kontaktflächen mit eingeschränktem Kraft- und Formschluss sowie Verzug, Rissbildung und Undichtigkeit durch eine unterschiedliche Wärmeausdehnung der beteiligten Materialien. Zudem besteht ein erhöhtes Risiko für Spaltkorrosion, Kontaktkorrosion und elektrochemische Korrosion an den Grenzflächen zwischen verschiedenen Werkstoffen.

Ein weiterer Nachteil ist die eingeschränkte Qualität und Funktionalität, wenn höhere Kräfte und Drehmomente übertragen werden, insbesondere bei Vibration bzw. Klimawechsel. Um die Haftung zu verbessern, ist darüber hinaus zumindest teilweise der Einsatz von Chemikalien erforderlich.

Offenporige Funktionsbereiche  erlauben neue konstruktive Lösungen

Um die Schwachstellen etablierter Verfahren zu überwinden, hat die Automoteam GmbH, Stuttgart, die sogenannte Fillsert-Technik entwickelt. Fillserts bieten viele neue Ansätze, um die Material-, Energie-, Ressourcen- und Kosteneffizienz von Produkten zu erhöhen. Sie beinhalten offenporige Strukturen und können sowohl mit einem als auch mit unterschiedlichen Werkstoffen infiltriert werden.

Fillserts werden als selektiv oder komplett offenporige Gussteile aus Aluminium im Kokillengießverfahren hergestellt. Dabei wird die Metallschmelze über einen oben liegenden Einguss in eine wiederverwendbare metallische Form (Kokille) gegossen. Die Gussteile weisen massive und/oder offenporige Funktionsbereiche auf, die miteinander stoffschlüssig verbunden sind. Die möglichen geometrischen Kombinationen von offenporigen und massiven Funktionsbereichen erlauben viele neue konstruktive Lösungen (Bild 1).

Die offenporigen Kokillengussteile unterscheiden sich in allen Aspekten von den konventionellen geschäumten oder gesinterten Metallen. Sie haben eine variable Porengröße, makroskopisch isotrope Eigenschaften, ein belastbares Gussgefüge, bessere (u. a.) mechanische, strömungsmechanische, thermische sowie akustische Eigenschaften und können in unterschiedlichen Formen und Größen auf den Hundertstelmillimeter genau gefertigt werden. Die Dichte des offenporigen Aluminiums beträgt ca. 1,3 g/cm3. Sowohl in die massiven als auch in die offenporigen Bereiche der Fillserts lassen sich alle aus der Metallbearbeitung bekannten Funktionen, wie z. B. Gewinde, Bohrungen, Scharniere, Ösen, Einpressbolzen oder Nietmuttern, einbringen.

Variable Porengröße mit  unterschiedlicher Zielsetzung

Die Porengröße in den offenporigen Funktionsbereichen kann anwendungsspezifisch von wenigen Mikrometern bis zu mehreren Millimetern eingestellt werden, wobei sogar gradierte Einstellungen möglich sind. Somit können die Metallstrukturen in unterschiedlichen Urformverfahren wie Spritzgießen, Thermoformen, Blasformen, Schäumen oder RTM (Resin Transfer Molding) mit Kunststoff infiltriert werden, um einen starken, gasdichten Werkstoffverbund ohne den Einsatz von Chemikalien herzustellen. Werden poröse Bereiche gezielt nicht infiltriert, so können sie weitere für offenporige Metalle spezifische Funktionen übernehmen, z. B. Filtration, Schalldämpfung, Wärmeübertragung, Crashenergie-Absorption oder Entlüftung.

Die komplett offenporigen Fillserts ohne massiven Funktionsbereich können vollständig in eine Kunststoff-Matrix integriert werden. So kann ein Kunststoffbauteil bewusst an ausgewählten Stellen mit der Funktionalität eines Verbundwerkstoffs ausgestattet werden (Titelbild).

Die massiven Fillserts mit selektivem offenporigen Funktionsbereich lassen sich gezielt lokal mit Kunststoff infiltrieren. So kann ein Aluminiumbauteil an ausgewählten Stellen mit der Funktionalität eines Verbundwerkstoffs ausgestattet werden oder eine definierte Schnittstelle für ein Kunststoffbauteil zur Verfügung stellen. Die selektiv offenporigen Fillserts können mit einem oder mehreren massiven und/oder offenporigen Funktionsbereichen ausgestattet werden, um viele weitere Kombinationen von massiven, offenporigen, infiltrierten und nicht infiltrierten Funktionsbereichen zu ermöglichen (Bild 2).

Hybride Befestigungssysteme lassen sich konventionell fügen

Ein Beispiel dafür sind „Fastening Fillserts“, hybride Befestigungssysteme für den multifunktionalen Mehrmaterial-Einsatz. Sie basieren darauf, dass die offenporigen Gussteile mit konventionellen Fügeverfahren wie etwa Schrauben, Nieten, Bördeln, An- und Einpressen, Löten, Kleben oder Ultraschallschweißen kompatibel sind.

Damit eröffnen sich flexible Möglichkeiten für die Entwicklung anwendungsspezifischer Befestigungssysteme. Zusätzlich lassen sich solche Schnittstellen auch mit weiteren Funktionen wie Vibrationsdämpfung, Filtration oder Wärmeübertragung ausstatten.

So verwendet die KVT-Fastening GmbH, Illerrieden, offenporige Aluminiumstrukturen auch für ihre Blindnietmuttern-Technik ecosyn (Bild 3), die u. a. für Kunststoffe und Leichtbaumaterialien entwickelt wurde, wenn tragfähige Gewinde in dünnwandigen Materialien benötigt werden. Aufgrund der gezielten Auslegung des Befestigungselements wird hier eine definierte Wulstbildung ohne Lochleibung im Trägermaterial erzielt. Dadurch ist sowohl der sichere Sitz des Gewindesystems als auch ein angemessener Toleranzausgleich gewährleistet. Selbst dünnwandige Bereiche und Hohlstrukturen lassen sich für tragfähige Befestigungspunkte nutzen.

Die Fillserts mit Gewinde im offenporigen Bereich sind belastbar und können mit verschiedenen offenporigen oder massiven Bauteilen verschraubt werden (Bild 4). Die gezielte Infiltration des porösen Gewindes mit Polymeren oder Klebstoffen sichert die Schraubenverbindung zusätzlich bei Vibrationen oder dynamischen, zyklischen Belastungen durch eine chemische oder klemmende Wirkung ab.

Oberfläche kombiniert widersprüchliche Werkstoffeigenschaften

Die Funktionalität und Leistungsfähigkeit von Fillserts lassen sich noch erweitern, indem die Oberflächen des Bauteils in den massiven und/oder offenporigen Bereichen mit dem Metaker-Verfahren behandelt werden. Dieses überträgt die strukturellen Eigenschaften von porösem Aluminium auf den Mikrobereich. Es handelt sich dabei um ein Verfahren für die elektro-plasmachemische Modifikation von Leichtmetalloberflächen im Tauchverfahren. Der Prozess wandelt die Randschichten eines Werkstücks unter Elektrolyt-Plasma und unter Einfluss von Millionen Mikro-Lichtbögen zu einem neuartigen Mikro-Verbundwerkstoff um.

Aluminiumkomponenten mit derartigen Oberflächen kombinieren die mechanischen, thermischen, elektrischen, chemischen und mikrostrukturellen Eigenschaften von Aluminium und Keramik auf bisher einmalige Art. Damit entstehen viele neue Möglichkeiten, die Wärmetransportvorgänge in thermisch beanspruchten elektronischen, elektrischen, mechanischen und anderen Systemen zu optimieren.

So kann beispielsweise ein Metaker-modifiziertes 99,5 % Aluminium-Fillsert eine Oberflächen-Mikrohärte von über 1000 HV, eine elektrische Durchschlagsfestigkeit von 22 kV/mm und zugleich eine Wärmeleitfähigkeit von 210 W/mK aufweisen. Die Prozesssteuerung erlaubt die Herstellung hunderter unterschiedlicher Eigenschaftsprofile. Solche Komponenten können Bauteile aus anderen Werkstoffen wie z. B. Stahl, Edelstahl, Messing, Bronze oder Keramik substituieren.

Um das vollständige Optimierungspotenzial durch den Einsatz von Fillserts auszuschöpfen, ist ein ganzheitliches Technologieverständnis in interdisziplinären Entwicklerteams erforderlich. Im Austausch mit Automoteam können die Gussteile in einer der Standardausführungen anwendungsspezifisch angepasst oder in einer Sonderausführung anwendungsspezifisch bis zur Serienreife entwickelt werden. Die entwickelten Lösungen können in drei- bis sechsstelligen Stückzahlen geliefert werden.

Fünf Fragen an ... Eugen Pfeifer, CEO der Automoteam GmbH

Wie lässt sich die Porengröße im Kokillengießverfahren einstellen?

Der Herstellungsprozess gehört zu den schmelzmetallurgischen Gießverfahren mit verlorenen Platzhaltern und besteht aus vier Arbeitsschritten: der Befüllung der Kokille bis zu einem definierten Volumen mit NaCl-Salzgranulat, dem weiteren Auffüllen der Form mit Aluminiumschmelze, der konventionellen, mechanischen Bearbeitung des Formteils und schließlich dem Ausspülen des Salzes aus den Poren. Ähnlich wie Splitte, Kiese oder Schotter wird das NaCl-Granulat mit zwei Grenzsieben zu einem anwendungsspezifischen Gemisch gesiebt. Das kleinste Gemisch enthält NaCl-Kristalle zwischen 0,14 und 0,3 mm. Einschränkungen nach oben gibt es keine.

Sind die Poren gleichmäßig über den Metallkörper verteilt und für welche Anwendungen sind für den Mikrometer- bzw. Millimeterbereich denkbar?

Ähnlich wie in einem Salzstreuer liegen die Salzkristalle in der Kokille dicht aufeinander und füllen ca. 50 % des Volumens. Die Räume dazwischen werden mit der Aluminiumschmelze infiltriert. Nach dem Auswaschen der wasserlöslichen Salzkristalle bleibt ein homogenes Bauteil mit offener Porenstruktur. Die aktuellen Serienanwendungen für kleinporige Bauteile sind z. B. Filter, Schalldämpfer, Sensorschutzkappen, Vakuumtische und Formteile für Thermoformwerkzeuge. Die großporigen Teile werden z. B. in lichtdurchlässigen Design-Paneelen und Leuchten eingesetzt.

Mit welchen Kunststoffen haben Sie bzw. Ihre Kunden bereits Erfahrungen gesammelt?

Unsere Pilotkunden haben sehr erfolgreiche Versuche mit thermoplastischen Elastomeren durchgeführt. In einem aktuellen Fall geht es um einen gasdichten, stark belastbaren Werkstoffverbund ohne den Einsatz jeglicher Chemikalien für eine Anwendung in der Lebensmittelindustrie.

Infiltriert die Kunststoffschmelze nur die Poren an der Oberfläche, um sich darin sozusagen zu verkrallen?

Nein, die Poren bilden ein räumliches Kapillarsystem. Dieses homogen offenporige Volumen wird komplett infiltriert, wenn Porengröße und Fertigungsverfahren aufeinander abgestimmt sind. Beim Thermoformen beschränkt sich die Infiltration auf die Verklammerung des Polymers in den äußeren Poren, beim Spritzgießen lassen sich große Volumen und kleine Poren gut füllen. Dabei gilt es allerdings auch zu berücksichtigen, dass die mechanische Belastbarkeit verloren geht, wenn die Poren zu groß und Radien zu eng oder Wanddicken zu gering eingestellt sind. Deswegen ist eine frühzeitige Abstimmung mit den Produktentwicklern von Vorteil.

Wie lässt sich diese Technik in die Produktentwicklung integrieren?

Unsere Strategie sieht die durchgehende digitale Darstellbarkeit von Fillserts vor. Angefangen bei den digitalen Materialmodellen offenporiger Strukturen bis zur anwendungsspezifischen Simulation von Hybridteilen. Das entsprechende Know-how steht bereits zur Verfügung.

Interview: Dr. Clemens Doriat, Redaktion

KVT-Fastening GmbH  

www.kvt-fastening.de

Ausgabenartikel

Die geometrisch präzisen und makroskopisch isotropen Fillserts aus offenporigem Aluminium lassen sich hervorragend in die Kunststoff-Matrix integrieren

Bild 1. Fillserts kombinieren massive und offenporige Funktionsstrukturen. Die jeweiligen Bereiche lassen sich anwendungsspezifisch einstellen

Bild 2. Durch Infiltration der offenporigen Strukturen (hier marmoriert abgebildet) mit Kunststoffen eröffnen sich neue Gestaltungsmöglichkeiten für Hybridbauteile

Bild 3. Fillserts als hybrides Befestigungssystem in Kombination mit ecosyn-Blindnietmuttern

Bild 4. Lasttragende Schraubverbindung zwischen einem offenporigem Fillsert und einem Vollmaterial-Stutzen

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Eugen Pfeifer ist CEO der Automoteam GmbH, Stuttgart; <a href="mailto:eugen.pfeifer@automoteam.com">eugen.pfeifer@automoteam.com</a>