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Spritzgießen tragender Strukturen

Endlosfaser-Tapes verstärken Thermoplaste in der Spritzgießform
Spritzgießen tragender Strukturen

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Kunststoffverarbeitung | Auch das längst bewährte Spritzgießen birgt noch ungemein Potenzial: Ein Beispiel hierfür sind Optimierungen der Spritzgussteile nach dem Vorbild der Natur, die jeder Verarbeiter durchführen kann, bis hin zu Leichtbauteilen mit Faserverstärkungs-Strukturen, die menschlichen Sehnen und Bändern ähneln – daran forscht das Fraunhofer-Institut Chemische Technologie ICT. ❧ Olaf Stauß

Die spritzgegossenen Komponenten, die Wissenschaftler des Fraunhofer ICT im Visier haben, gleichen eher einem Organismus als den Teilen, die wir heute als Spritzguss kennen. Die Forscher sind dabei, das Potenzial des Spritzgießens dramatisch zu steigern – dazu später mehr.

Doch auch die bestehenden Möglichkeiten werden oft nicht ausgeschöpft. Auch hier gibt’s Potenzial, das sich (nur) erfahrenen Entwicklern eröffnet und dessen Umsetzung zum „Future Trend“ werden könnte – und zwar, ohne dass dafür die Hilfe von Wissenschaftlern notwendig wäre. Die Barlog-Gruppe zum Beispiel, Kunststoffspezialist mit Sitz in Overath, demonstrierte das auf der Messe Fakuma mit ihrem Technologieträger „Karabiner 2.0“. Das Unternehmen versteht sich als Full-Service-Anbieter vom Granulat über das Engineering bis hin zur Kleinserie.
„Mein Bruder und ich sind passionierte Bergsteiger, und beim Klettern kommt es auf jedes Gramm an“, erklärt Peter Barlog. „Deswegen kam uns die Idee, für den Materialkarabiner – an dem beispielsweise die Trinkflasche und die anderen Karabiner befestigt werden – einen leichten Kunststoffkarabiner zu entwickeln.“ Dieser ist 90 % leichter als ein Alu-Karabiner, hat für den Verschluss eine integrierte Schnappfunktion und besteht aus einem einzelnen Spritzgussteil. Dafür zogen die Barlogs alle Register ihres kunststofftechnischen Know-hows und ihrer Erfahrung: Der Karabiner entsteht durch Mehrkomponenten-Spritzgießen als Hart-Weich-Kombination, die den Schnappmechanismus ermöglicht.
Lehnte sich die erste Geometrie noch am Aluminium-Vorbild an, so optimierte die Engineering-Tochter Bahsys in der zweiten Entwicklungsstufe das Design mit bionischen und FEM-Methoden zur Strukturanalyse. „Schlank“ ist der Karabiner nun dort, wo er gering beansprucht wird und „stark“, wo große Kräfte auftreten. So gestaltet auch die Natur ihre Teile, beispielsweise Bäume oder beim Knochenbau: Material baut sie dort auf, wo die Belastung hoch ist, an anderer Stelle dünnt sie aus. „In nur drei Monaten konnten wir damit die Tragkraft im Vergleich zum Vorgänger verdoppeln, berichtet Peter Barlogs Bruder Frank, der Bahsys leitet.
Für ausreichend hohe Festigkeit ist der Karabiner außerdem durch Carbonfasern verstärkt – aber nur in der neutralen Faser des Querschnitts, damit die Biegefähigkeit erhalten bleibt. Möglich macht‘s ein Sonderverfahren: Der erste, faserfreie Schuss gilt der Außenhaut, der zweite mit Faser-verstärkter Kunststoffschmelze der Mitte.
Diese Art der Spritzguss-Gestaltung ist heute Stand der Technik und wird in manchen Branchen wie selbstverständlich praktiziert, etwa in der Automobilindustrie. In vielen anderen jedoch wird Potenzial verschenkt. „Hier besteht ein starkes Gefälle“, sagt Peter Barlog. „In Branchen, die keine langen Erfahrungen mit Kunststoffen haben, werden die Möglichkeiten der Materialien oft nicht ausgenutzt.“
Vom heutigen Stand der Technik zu den Möglichkeiten der Zukunft: Sie sind gekennzeichnet von Endlosfaser-Verstärkungen, die sich augenblicklich im Hightech-Sektor etablieren, auch in Spritzgussteilen. Ein Beispiel ist der Leichtbau-Nussknacker, den Kunststoffverarbeiter HBW-Gubesch auf dem Fakuma-Stand des Maschinenbauers Sumitomo Demag präsentierte: Ein Roboter legt eine Deko-Folie zusammen mit unidirektionalen Faser-Tapes in die Form ein. Im Doppelpack werden die Schichten hinterspritzt. Sie verbacken untereinander und werden teils sogar von der Thermoplastschmelze durchdrungen, aber nur teils. Dabei entstehen eine hochfeste Struktur und ein sehr leichter Nussknacker.
Noch viel weiter gehen die Visionen der Forscher vom Fraunhofer ICT, die solche UD-Tapes als eine Art von Sehnen und Bänder dort im Spritzgussteil positionieren, wo die großen Kräfte auftreten. Kräfte, die ansonsten das Spritzgussteil überfordern oder zu einer immensen Überdimensionierung führen. Diese Endlosfaser-Strukturen nehmen die Kräfte über Schlaufenanschlüsse auf und werden durch Spritzgießen in eine Thermoplastmatrix eingebettet. Eine Vision, die utopisch anmutet, aber zum Greifen nah scheint. „Wir arbeiten zurzeit an der Industrialisierung, an der Umsetzbarkeit in Großserien“, sagt Dr. Timo Huber, stellvertretender Produktbereichsleiter Polymer Engineering beim Fraunhofer ICT. „Der nächste Schritt ist ein reales Serienbauteil, das wir mit einem Kunden aus der Industrie entwickeln.“
Ein Schlüssel für die Technologie sind die Krafteinleitungspunkte. Schon bei Rotorblättern von Helikoptern und Windkraftanlagen hat sich das Umwickeln von metallischen Anschlusshülsen bewährt. Neu ist die Umsetzung mit Thermoplasten – ein Feld, auf dem Dr. Huber und sein Team schon seit über fünf Jahren arbeiten.
Weiter gehört zu den großen Herausforderungen die Anordnung der UD-Tapes in lastorientierten Pfaden – und zwar so, dass sie im Werkzeug richtig platziert sind, bleiben und erfolgreich umspritzt werden können. Die Verstärkungsstrukturen können dabei sehr komplexe Formen annehmen (Foto).
Thermoplaste bieten hier den Vorteil, dass sich Sub-Preforms fertigen und miteinander verschweißen lassen, bevor sie als größere Struktur in die Kavität kommen. Die Technologie verlangt viel von den Werkzeugbauern. „Aber die sind schon sehr weit“, sagt Huber. Außerdem sind kurze Zykluszeiten unabdingbar. „Die Minute ist die magische Grenze“, wie überall in der Großserie. Das Wickeln der Strukturen muss simultan zum Spritzgieß-Takt ablaufen – eine Aufgabe für Roboter.
Dr. Huber zeigt sich überzeugt davon, dass es Leichtbau-Anwendungen geben wird, bei denen „das Gesamtpaket der Vorteile“ zum Zuge kommen wird. Er denkt dabei an die für das Spritzgießen typischen, niedrigen Zykluszeiten in Verbindung mit einem weitgehenden Prozessmonitoring. Und an drastische Gewichtseinsparungen.
Geradezu prädestiniert für den Tape-verstärkten Spritzguss seien komplexe Trägerstrukturen in bewegten Komponenten, zum Beispiel Achsaufhängungen, Getriebeträger oder Bestückungsautomaten für die Elektronik. Und wo kommt das Know-how für Entwicklung und Produktion her? Vom Fraunhofer ICT. Die Pfinztaler stellen sich auf konkrete Anwendungsentwicklungen ein.


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