Kunststoff-Metall-Verbundtechnik auf der Überholspur

Metalle, allen voran Stähle, bieten hohe Elastizität, zudem duktiles Verhalten bei hoher Festigkeit. Deswegen kamen bisher Kunststoffe wegen mechanischer Aspekte oder aus sicherheitstechnischen Gründen vor allem in der Automobilindustrie oftmals nicht zum Zuge. Aufgrund der geforderten Gewichtseinsparung kamen zunehmend dünnere, aber hochfeste Bleche auf den Markt. Parallel dazu entstanden faserverstärkte Kunststoffe, die ebenfalls hohe Stabilität bei geringem Gewicht boten. So lag es auf der Hand, die Eigenschaften beider Werkstoffe zu verknüpfen. Der entstandene Hybridwerkstoff aus Metall plus Kunststoff ist in der Summe den beiden Einzelwerkstoffen überlegen.

Im Gegensatz zur Insert- und Outserttechnik, bei denen immer ein Werkstoff die Oberhand behält, erfüllen bei der Hybridtechnik beide Werkstoffe gleichberechtigt sich ergänzende Aufgaben. So bietet beispielsweise das Metall die hohe Steifigkeit, während der Kunststoff durch seine Rippenstruktur die Gesamtfestigkeit des Bauteiles gewährleistet und gleichzeitig angespritzte Halterungen für andere Bauteile aufweisen kann. Die Gewichtseinsparung einer derartigen Version im Vergleich zu einer reinen Metalllösung liegt bei gleicher Bauteilleistung bei bis zu 40%.

Daher findet man die Hybridtechnik in der Serienfertigung von Front-ends von Pkw, in deren Türen, Querträgern oder in der Pedalerie, um nur einige Beispiele zu nennen. Aber auch die Mechatronik nutzt die Vorteile des Verfahrens, beispielsweise bei dem Herstellen von Steuergeräten oder ABS/ESC- und Sensorgehäusen. Mit ein Grund dafür ist, dass ein solches Bauteil in einem einzigen Arbeitsgang ohne aufwändige Nachbearbeitung entsteht. Zu unterscheiden ist allerdings zwischen Umspritzen und Hinterspritzen von Metallen.

Ein schon lange bekanntes und altbewährtes Verfahren

Beim Umspritzen ergibt sich die Kraftschlüssigkeit dadurch, dass der Kunststoff – häufig Polyamid – durch gezielt geschaffene Durchbrüche fließt und somit das Metall teilweise umschließt. Es ist ein schon lange bekanntes Verfahren, das uns tagtäglich beispielsweise in Flachsteckern von elektrischen Geräten begegnet. Wegen des zunehmenden Anteils an Metall-Kunststoff-Komponenten mit immer komplexeren Geometrien ist das Umspritzen das Verfahren der Wahl: Der weitgehend automatisierte Fertigungsprozess stellt eine gleich bleibende Qualität über einen langen Lebenszyklus sicher.

llerdings bedarf es bei diesem Verfahren auch grundlegender Überlegungen, wie Oliver Giesen von der Arburg GmbH & Co KG, Loßburg, betont. „Beim Umspritzen insbesondere von Kleinteilen unterscheiden wir zwei elementar unterschiedliche Fertigungsverfahren. Das eine besteht aus dem Umspritzen von Einlegern, die als Einzelteil vorliegen und dem Spritzgießwerkzeug entweder manuell, mittels Robottechnik oder in Kassetten zugeführt werden. Das andere betrifft das Umspritzen von Einlegern, die als Stanzstreifen in einer Haspel aufgerollt sind und von dort dem Werkzeug zugeführt werden. Daraus ergeben sich verschiedene Kriterien zur Konzeptauswahl, wie beispielsweise die Geometrie des Einlegers, wie sein Lieferzustand ist – Stanzstreifen, Kassette oder Schüttgut – oder welche vor- und nachgeschalteten Arbeitsgänge an ihm vorgenommen werden müssen.“

Dazu gehört beispielsweise, wie man einen mediendichten Verbund zwischen Kunststoff und Metall erzielen kann. Dies ist dann von großer Bedeutung, wenn Kriechströme oder Korrosion unbedingt zu vermeiden sind. Denn zwischen Kunststoff und Metall besteht eine chemische Ungleichheit, die eine direkte, stoffschlüssige Verbindung zwischen beiden Werkstoffen unmöglich macht. Hier muss daher der Umweg über Haftvermittler gewählt werden.

Verbindungen für hohe mechanische Anforderungen

„Aktuelle Untersuchungen zeigen, dass sich manche Haftvermittler sogar stanztechnisch umformen lassen“, erläutert Marius Fedler vom Kunststoff-Institut Lüdenscheid. „Dies hat den Vorteil, dass sie sich kostengünstig auf die metallische Rohware aufbringen lassen. Weitere Möglichkeiten bieten Imprägniertechniken, das Vergießen oder die Umspritzmassen selbst, indem beispielsweise die Verarbeitungsschwindung von bestimmten Kunststoffen zu absolut dichten Verbünden führt“, so Fedler.

Beim Hinterspritzen von Metall und Kunststoff lässt sich der formschlüssige Verbund dadurch erreichen, dass ebenfalls durch Löcher im Metall gespritzt oder ein umlaufender Kantenschutz erzeugt wird. Problematisch wird es, wenn es sich um eine Sichtfläche handelt, beispielsweise um eine Zierleiste am Fahrzeug. Dazu Marius Fedler: „Unsere Untersuchungen führten zur Entwicklung von Haftvermittlern, die auf dem Halbzeug aufgetragen werden können. Sie lassen sich auf allen gängigen metallischen Werkstoffen mit dem so genannten Coil-Coating-Verfahren großserientechnisch applizieren. Die durch den anschließenden Hinterspritzprozess hergestellten Verbindungen zwischen Kunststoff und Metall halten hohen mechanischen Anforderungen stand.“

Sowohl für das Umspritzen wie auch das Hinterspritzen sind herkömmliche Spritzgießwerkzeuge geeignet, die zudem bedeutend längere Standzeiten als solche für Aluminium- oder Magnesium-Druckguss bieten. „Ein Hybridspritzwerkzeug hält genauso lang wie ein normales“, betont Dipl.-Ing Martin Klocke von der Lanxess Deutschland GmbH, „wenn für eine sichere und formschlüssige Fixierung der Bleche gesorgt ist. Dies gewährleisten Zentrierstifte, Klemmbacken oder Schieber. Die Standzeiten sind mit bis zu einer Million Schuss deutlich länger als die von Aluminium- oder Magnesium-Druckgusswerkzeugen: Diese müssen nach etwa 300 000 Schuss erneuert oder überarbeitet werden. Zudem verschlechtert sich mit steigender Stückzahl die Teileoberfläche beispielsweise durch Ausbrenner. Beim Hybridspritzguss dagegen bleibt die Oberflächenqualität annähernd gleich.“

Dennoch zeigt die Weiterentwicklung der Hybridtechnik, dass eine höhere Belastbarkeit zwischen Metall und Kunststoff durch eine verbesserte Haftung angestrebt wird. Mit physikalischem Schäumen lassen sich weitere Verarbeitungs- und Gewichtsvorteile erzielen. Auch Organoblech wird für viele Branchen immer interessanter: Dieser Werkstoff besteht aus speziellen Glasfasern, Kevlar- oder Kohlefasern, die in eine Thermoplastmatrix eingebettet sind.

Neue Anwendungen dank Leichtbau

Den jetzigen Stand der Hybridtechnik im Automobilbau fasste Dr. Hans-Josef Haepp, ehemaliger Leiter Produktions- und Werkstofftechnik der Daimler AG in Sindelfingen, auf der Fachmesse Proform folgendermaßen zusammen: „Die Metall-Kunststoff-Hybridtechnologie erschließt auf Grund des Leichtbaupotenzials zunehmend neue Anwendungen in der Fahrzeugstruktur. Durch die mögliche Funktionsintegration bei Hybridbauteilen bei der Bauteileherstellung entfallen Prozessschritte im Fahrzeugrohbau. Die geforderten Toleranzen der Gesamtkarosserie stellen hohe Anforderungen an die Maßhaltigkeit der Bauteile und das Fügekonzept.“

Das kombinierte Fügeverfahren aus Kleben und Nieten besitze ein hohes Potenzial im Blick auf Crashsicherheit und Betriebsfestigkeit bei der Mischbauweise. „Voraussetzung für die erweiterte Anwendung der Hybridtechnik in der Fahrzeugstruktur ist das wettbewerbsfähige Herstellen der Bauteile sowie eine in den bestehenden Rohbauprozess integrierbare Fügetechnik und Qualitätsüberwachung“, so Haepp.