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Kunststofftechnik

Es muss nicht immer Blech sein

28.09.2006 | Redakteur:

Polyurethan-Hartschaum ermöglicht rationelle Herstellung hoch beanspruchter Gehäuse- und Funktionsteile. Nahezu unbegrenzte Formbarkeit, geringes Gewicht, Korrosionsfestigkeit, Stabilität und...

Nahezu unbegrenzte Formbarkeit, geringes Gewicht, Korrosionsfestigkeit, Stabilität und Schlagzähigkeit, montagefreundliche Integralbauweise ] die Liste der Vorzüge von Polyurethan (PUR) ist lang. Auch hinsichtlich der Herstellungskosten sind PUR-Lösungen, insbesondere bei geringen und mittleren Stückzahlen, meist deutlich günstiger als Teile aus Stahlblech oder Spritzguss. In welchen Fällen eine PUR-Konstruktion eine interessante Alternative zu Blech sein kann, wird im Folgenden anhand einiger Beispiele näher betrachtet, die von der Thieme GmbH & Co. KG im Kundenauftrag realisiert wurden.Höhere Wirtschaftlichkeit bei kleineren StückzahlenEin großes Problem bei der Blechverarbeitung ist die Herstellung komplexer, dreidimensionaler Geometrien mit Mehrfachkrümmungen. Hierfür sind teure Biege-, Stanz- und Prägewerkzeuge aus Stahl erforderlich, die sich nur bei hohen Stückzahlen – ab einigen Zehntausend – rechnen, wie sie etwa bei der Herstellung eines Kotflügels in der Automobilindustrie gegeben sind. Werden hingegen nur einige Hundert oder Tausend Stück pro Jahr benötigt, ist PUR als Alternative in Betracht zu ziehen: Das Schäumen von PUR-Formteilen erfolgt bei niedrigen Drücken (je nach Werkstofftyp etwa 5 bis 15 bar), so dass wesentlich kostengünstigere Formen aus Aluminium verwendet werden können. Zudem ist die Bearbeitungszeit deutlich kürzer als bei Stahlformen, so dass von der Auftragserteilung bis zur Auslieferung der ersten Formteile – auch bei aufwändigen Konstruktionen – in der Regel nur zwei bis drei Monate erforderlich sind. Dank des günstigen Fließverhaltens der PUR-Schäume lassen sich problemlos lange und gleichzeitig enge Wege und Stege durchströmen und damit sehr große Formteile realisieren. Bei Thieme werden zum Beispiel mit dem PUR-Hartschaum Baydur 110 (Hersteller Bayer) verschiedene Bauteile mit bis zu 2 m 3 3 m projizierter Fläche und einem Schussgewicht bis zu 40 kg ] im Einzelfall auch noch wesentlich höher – „aus einem Guss“ gefertigt.So formt man daraus Verkleidungsteile für ein Solarium, die Thieme für den Schwäbisch Gmünder Hersteller Uwe GmbH entwickelte: Hinsichtlich der geometrischen Komplexität mit einem Kotflügel durchaus vergleichbar, war eine Ausführung in Stahlblech bei den geforderten Stückzahlen nicht zu vertreten. Auch die Alternative, das Gehäuse aus mehreren, geometrisch einfacheren Blechteilen zusammenzusetzen, schied sowohl aus wirtschaftlichen als auch aus Designgründen aus. Die Herstellung der Verkleidungsteile aus dem Werkstoff Baydur 110 erwies sich dagegen als unproblematisch: Um die aufwändige Geometrie der in alle Raumrichtungen gekrümmten, bis zu 2,15 m langen Verkleidungsteile zu realisieren, konstruierten die Thieme-Formenbauer Schäumformen mit mehreren schräg ausfahrenden und geteilten Kernen. Trotz der Komplexität der Werkzeuge konnte die Entwicklung in einem Zeitraum von elf Wochen – zwei Wochen für die konstruktive Umsetzung auf PUR und neun Wochen bis zur Auslieferung der ersten Muster – abgeschlossen werden. Zusätzlich zum ansprechenden Design war in diesem Fall auch die angenehme Haptik des Geräts von Bedeutung: Während sich Metall kalt angefühlt hätte, erinnert PUR bei Berührung eher an den natürlichen, warmen und weichen Werkstoff Holz. Auch in puncto thermischer Isolierung und Geräuschdämmung ist PUR deutlich überlegen – ein entsprechendes Blechgehäuse müsste zusätzlich gedämmt werden, um vergleichbare Werte zu erreichen, was zusätzliche Kosten verursachen würde.Intergralbauweise verkürzt Anzahl der FertigungsschritteAußer dem kostengünstigen Formenbau ist eine PUR-Konstruktion auch in anderer Hinsicht sparsam: Aufgrund der Integralbauweise mit eingeschäumten Funktionselementen können in der Endmontage beim Kunden viele Montageschritte und zusätzlich benötigte Teile samt zugehöriger Logistik und Qualitätssicherung entfallen. Wanddickensprünge, die für die Integration von Funktionselementen notwendig sind, stellen kein Problem dar: So können etwa mit dem PUR-Werkstoff Baydur 60 Wanddickensprünge von 5 bis 30 mm realisiert werden, ohne dass Einfallstellen entstehen. Auch ein nachträglicher Verzug, der zu Passungenauigkeiten führen könnte, ist bei PUR-Teilen nicht zu befürchten, weil beim (chemischen) Fertigungsprozess keine eingefrorenen Spannungen entstehen.Nach der Entformung ist das Teil nahezu fertig: Der Anwender erhält vollständige, montagefertige Baugruppen mit eingeschäumten Versteifungsrippen, Durchbrüchen, Zapfen und/oder eingelegten Montage- und Verbindungselementen, die wahlweise aus Metall, Holz oder anderen Kunststoffen bestehen können. Eine zeit-, arbeits- und kostenaufwändige Montage - wie sie bei Blechteilen erforderlich ist - entfällt.Ein Beispiel für die durch die Integralbauweise ermöglichte Verbindung von Form und Funktion sind die Seitenverkleidungen, die Thieme für ein Lasergravurgerät des französischen Herstellers Gravograph aus dem Werkstoff Baydur 60 gefertigt hat. Die Seitenteile bilden nicht nur eine ansprechende Verkleidung für das Gerät, sondern fungieren zugleich als Träger der Gerätetechnik. Die gesamte Technik mit Motor und Laser ist an den Seitenteilen befestigt, die über 100 kg Last aufnehmen können, ohne dass die PUR-Teile an Steifigkeit einbüßen. Zur einfachen Befestigung wurden Aluminiumbuchsen direkt in den Werkstoff eingeschäumt. Auch die Rollen, auf denen sich das Gerät trotz seines hohen Gesamtgewichts leicht bewegen lässt, wurden direkt an den Seitenwänden angebracht. Zusätzlich wurden die Formteile mit einem speziellen Strukturlack veredelt.Hohe Festigkeit bei niedrigem GewichtEin weiterer Vorteil von PUR ist die Kombination aus hoher Steifigkeit und geringem Gewicht, die sich durch eine entsprechende konstruktive Auslegung der Teile noch optimieren lässt. So werden Bereiche, die hohe Kräfte aufnehmen müssen, zum Beispiel Randzonen, mit hohen Wanddicken oder stabilisierenden Stegen ausgeführt. Im Gegensatz dazu ist möglich, gering belastete Bereiche dünnwandig zu halten. Auch in diesem Fall kann der Konstrukteur schroffe Wanddickensprünge in Kauf nehmen, ohne Einfallstellen an der Bauteiloberfläche zu riskieren. Einige PUR-Werkstoffe haben darüber hinaus eine Sandwich-Struktur aus harter Oberfläche und mikroporigem Kern und erreichen so eine hohe Eigensteifigkeit bei besonders geringem Gewicht.Ein Beispiel für ein hoch beanspruchtes Teil ist die von Thieme in Zusammenarbeit mit der Dynamit Nobel Kunststoff GmbH realisierte Lager- und Transportpalette für die Automobilindustrie. Die 2300 mm langen, 1000 mm breiten und 225 mm hohen Werkstückträger können je drei linke und drei rechte Seitenschweller für die aktuelle E-Klasse von Mercedes-Benz aufnehmen. Der verwendete PUR-Integralschaum Baydur 60 hat nicht nur die dazu erforderliche hohe Festigkeit, sondern ist auch beständig gegen Öle, Säuren und Laugen. Bei nur 16 mm Wanddicke sind die nur 21 kg schweren Paletten ausreichend stabil, um die je 1,5 kg schweren Seitenschweller verzugsfrei zu tragen.Vielfältige Möglichkeiten der OberflächenveredelungAufgrund der geschlossenen Oberfläche bietet Polyurethan zahlreiche Möglichkeiten der Oberflächenveredelung: Von der groben Prägung bis zum Hochglanzlack ist jede Struktur möglich. Darüber hinaus lassen sich PUR-Teile im Sieb- oder Tampondruck bedrucken oder mit Folie bekleben. Auch bei der Oberflächenveredelung ist PUR ein „gutmütiger“ Werkstoff im Vergleich zu Blech, das in zahlreichen Arbeitsschritten geschliffen, gespachtelt, geprimert, grundiert und lackiert werden muss. Bei einem PUR-Teil beschränkt sich die Nachbearbeitung im Wesentlichen auf das Entgraten sowie eine Plasmabehandlung zur elektrischen Aktivierung und Reinigung der Oberfläche anstelle einer mechanischen oder chemischen Vorbehandlung. Diese Art der Vorbereitung für den Lackierprozess ist im Vergleich zu allen anderen Verfahren wesentlich prozesssicherer und da-rüber hinaus äußerst umweltschonend. Nach der Vorbehandlung werden die Teile - sofern erforderlich - grundiert und schließlich die gewünschte dekorative Oberfläche aufgebracht. Ein Beispiel für eine hochglänzende Design-Oberfläche ist die bereits erwähnte Sonnenliege. Dieses Produkt steht hinsichtlich ihrer optischen Qualität einem lackierten Blechteil in nichts nach.Kaum ein Konstruktionswerkstoff kann mit so vielen günstigen Eigenschaften zugleich aufwarten wie Polyurethan: Günstiger Formenbau, weitgehende Freiheit bei der Gestaltung, günstige physikalische und chemische Eigenschaften sowie die montagefreundliche Integralbauweise machen PUR zu einem Allround-Werkstoff, der vor allem - aber nicht nur - bei geringen und mittleren Losgrößen eine attraktive, Kosten sparende Alternative zu Blech und anderen Kunststoffen darstellt.

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