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Montagespritzgießen verbindet Metall und Thermoplast

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Funktionsintegrierte Mehrschichtbauteile aus Kunststoff und Metall sind Stand der Technik und finden in vielfältiger Weise Anwendung. Jedoch ist ein direktes stoffschlüssiges Fügen dieser Werkstoffkomponenten – zum Beispiel durch Hinterspritzen – oft nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand möglich.

Kunststoff und Metall haften ohne Vorbehandlung schlecht

Grund dafür ist eine fehlende oder nicht ausreichende Haftfestigkeit oder ein unterschiedlich thermisch-mechanisches Verhalten der Komponenten. Eine Fügeflächen-Vorbehandlung, die beispielsweise die Schritte Reinigen, Entfetten und Aufbringen von Haftvermittlern umfasst, kann die Verbindung verbessern und teilweise zu einer höheren Haftfestigkeit führen.

Gemeinsam mit den beiden Projektpartnern HBW Gubesch Kunststoff-Engineering GmbH, Wilhelmsdorf, und Elastogran GmbH, Lemförde, hat der Lehrstuhl für Kunststofftechnik (LKT) eine vereinfachte Möglichkeit zur Applikation eines Metallblechs auf eine thermoplastische Hartkomponente untersucht. Dieser Fügeprozess soll in einem Prozessschritt erfolgen.

TPE-Zwischenschicht verbessert Haftung von Aluminium und PC/ABS

So ermöglicht das Einspritzen einer Zwischen- oder Medienschicht aus einem thermoplastischen Elastomer (TPE) auf Polyurethanbasis, eine Aluminiumdeckschicht und einen Grundträger aus PC/ABS stoffschlüssig zu einem Metall-Kunststoff-Kunststoff-Verbund (MK2-Verbund) zu fügen. Die thermoplastische Polyurethan-Zwischenschicht verbessert die Haftung der Komponenten und gleicht thermisch oder mechanisch induzierte Verformungsunterschiede aus.

Weil das Hauptaugenmerk dabei auf Anwendungen im Automobil-Interieurbereich liegt, wurden anhand eines Demonstrators in Form einer Zierleiste (430 mm × 40 mm × 5,6 mm) die Möglichkeiten dieses Verfahrens aufgezeigt. Ziel ist die signifikante Verkürzung der Prozesskette durch integrative Kombination einzelner Prozessschritte bei gleichzeitiger funktioneller Verbesserung des Bauteils.

Neben der Bewertung der Verbundhaftung und der Beurteilung anwendungstypischer Belastungen lag ein Schwerpunkt der Arbeiten in der prozesstechnischen Umsetzung der Verbundherstellung.

Open-Air-Plasmatechnik verbessert Verbundhaftung zwischen TPE und Metallblech

Um die Verbundhaftung zwischen der TPE-Zwischenschicht und dem Metallblech oder einer Hartkomponente zu optimieren, wird die am LKT erforschte Open-Air-Plasmatechnik angewendet. Sie ermöglicht, unmittelbar vor dem Einspritzen der Zwischenschicht die zu fügenden Oberflächen für den Verbund zu reinigen und eine Grenzflächenaktivierung durchzuführen.

Aufgrund der in die Spritzgießanlage integrierten Plasmabehandlung lassen sich die bereitgestellten Halbzeuge direkt ohne externe Behandlung in das Werkzeug einlegen. Die Plasmadüse wird von einem Sechs-Achs-Knickarmroboter gezielt im geöffneten Werkzeug über die Fügeflächen geführt. Die Oberflächenbehandlung findet ohne weitere Handhabungsschritte – also inline – statt.

Dieser integrierte Prozessschritt ermöglicht ein wirtschaftliches, prozesssicheres Fügen der drei einzelnen Komponenten und spart so vorgelagerte Bearbeitungs- und Handhabungsschritte der Halbzeuge ein. In der Verkürzung der Prozesskette – im Vergleich zur konventionellen klebtechnischen Applikation – und in der Möglichkeit zur Steigerung des Automatisierungsgrads steckt das Potenzial für einen stabilen Herstellprozess.

Vorwärmen des Metallblechs erhöht die Haftfestigkeit

Die einzelnen Schichten des Verbunds erfüllen verschiedene Aufgaben: Während die metallische Decklage optischen Ansprüchen genügen und einen Cool-Touch-Effekt erzeugen soll, wird mit der thermoplastischen Grundschicht ein leichter, formstabiler und einfach herzustellender oder zu montierender Träger erzeugt. Die Zwischenschicht stellt das stoffschlusserzeugende Medium für die originär inkompatiblen Werkstoffe dar.

Damit der Verbund aus einer optimal haftenden Werkstoffkombination besteht, wurden die Teilsysteme Metall–TPE sowie TPE–Grundträger separat geprüft. So fand am LKT eine angepasste Prüfung durch Stirnabzug statt. Als Schwachstelle des Verbunds stellte sich die Anbindung des TPE am Metall heraus. Dagegen wurde zwischen TPE und Grundträger eine ausreichend gute Verbundhaftung erreicht. Durch Vorwärmen der Metalleinleger ist eine Verbesserung der Haftfestigkeit möglich.

Beste haftung mit weicherem TPE und unbehandeltem Aluminiumblech

Bei Anwendung als Zwischenschicht im MK2-Demonstrator zeigte sich, dass zwischen einem weicheren TPE (Elastollan C65A HPM der Elastogran GmbH, Härte Shore A 65) und einem unbehandelten Aluminiumblech (EN AW-1050A) die beste Haftung erreicht werden kann. Zur Herstellung des Grundträgers wurde PC/ABS mit 20 Gew.-% Glasfaseranteil (Bayblend T88-4N der Bayer AG) verarbeitet.

Eingehende Untersuchungen am LKT zur Belastbarkeit eines solchen Verbunds verdeutlichen das Leistungspotenzial der Zwischenschicht: Aufgrund der elastischen Eigenschaften der TPE-Schicht kann eine mechanisch oder thermisch induzierte Deformation oder Dehnung kompensiert werden.

Werkstoff und Dicke der Zwischenschicht beeinflussen Ergebnis erheblich

Jedoch hat in diesem Fall die Schichtgestaltung einen erheblichen Einfluss auf das Ergebnis. Sowohl Werkstoffauswahl als auch Schichtdickengestaltung müssen entsprechend der Anwendung gerecht ausgelegt werden. Insbesondere Änderungen der Zwischenschichtdicke ermöglichen, die Eigenschaften des Verbunds anzupassen.

Der Demonstrator „Zierleiste“ wurde aus diesem Grund gezielt mit variierten Schichtdicken hergestellt und unterschiedlicher Belastung ausgesetzt. So führten die Prüfung „Wasserlagerung“ und der für die automobile Anwendung notwendige Klimawechseltest zu einer deutlich stärkeren Belastung der Prüfkörper mit dünnen TPE-Zwischenschichten.

Ergebnis: Die Kraft zur Durchbiegung im Drei-Punkt-Biegeversuch fällt deutlich ab. Dickere Zwischenschichten bieten dagegen mehr elastisches Potenzial. Sie können die Belastung einwirkender Medien und Temperaturwechsel besser ertragen und kompensieren unterschiedliche Dehnungswerte der einzelnen Schichten. Die Minderung der mechanischen Belastbarkeit ist gering.

Potenzielle Anwendungen der TPE-Zwischenschicht reichen über Automobilindustrie hinaus

Grundsätzlich wurde anhand des Forschungsprojekts gezeigt, dass sich durch Einspritzen einer TPE-Zwischenschicht die Belastbarkeit von Verbundteilen aus Metall und Thermoplast steigern lässt. Die beiden industriellen Projektpartner sehen noch eine weitere Steigerungsfähigkeit, indem man die konstruktive Bauteilgestaltung verbessert und weitere Werkstoffkomponenten testet. Auch eine weitere Verkürzung des Herstellprozesses ist denkbar sowie die Übertragung der Ergebnisse in Anwendungsbereiche außerhalb der Automobilindustrie – insbesondere dort, wo ein Stoffschluss durch Spritzgießen noch nicht möglich ist.

Für die Bereitstellung der im Rahmen der Untersuchungen benötigten Werkstoffe danken die Autoren der Elastogran GmbH und der Novem Car Interieur Design GmbH, Vorbach, außerdem der Neue Materialien Fürth GmbH für die Unterstützung bei den Versuchen und der Deutschen Forschungsgemeinschaft für die finanzielle Unterstützung im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 396 „Robuste verkürzte Prozessketten für flächige Leichtbauteile“.

Prof. Dr.-Ing. Dietmar Drummer ist Inhaber des Lehrstuhls für Kunststofftechnik (LKT) der Universität Erlangen-Nürnberg. Dipl.-Ing. Marc Reichart leitet die Entwicklung bei der HBW Gubesch Kunststoff Engineering GmbH in Wilhelmsdorf. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Steve Meister ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am LKT.

Dietmar Drummer, Marc Reichart u | Quelle: MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen: www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/produktion/kunststoffverarbeitung_gummiverarbeitung/articles/253395/

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