Gesamtprozess im Blick

Bei der Herstellung von Hybridteilen aus Metall und Kunststoff ist praktische Erfahrung über das Spritzgießen hinaus erforderlich. Einen wichtigen Ansatz in Sachen Leichtbau bietet die Hybridtechnik,...

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Bei der Herstellung von Hybridteilen aus Metall und Kunststoff ist praktische Erfahrung über das Spritzgießen hinaus erforderlichEinen wichtigen Ansatz in Sachen Leichtbau bietet die Hybridtechnik, indem sie die Vorteile von Metallen mit denen der Kunststoffe kombiniert. Charakteristische Vorteile der Metalle sind ein hoher E-Modul, eine hohe Steifigkeit, ein exzellentes Crashverhalten und eine hohe Temperaturbeständigkeit. So bietet sich die Kombination mit Kunststoffen aus unterschiedlichen Gründen an: Zum Beispiel lässt sich damit eine optimale Krafteinleitung in dünnwandige Bleche zu erreichen, indem auf der Rückseite entsprechende Kunststoff-Verrippungen angebracht werden, Dadurch erhöht sich die Steifigkeit der Blechteile. Auf diese Weise lassen sich Leichtbauteile mit hohem Integrationsniveau realisieren.Viele Zusatzfunktionen in den Prozess integrierbarZur Herstellung von Hybridteilen werden vorgefertigte Stahlbleche (tiefgezogen, gestanzt) ähnlich der Insert-Technik in ein Spritzgießwerkzeug gelegt und mit Kunststoff - in der Regel Polyamid - umspritzt. Dabei dringt die Kunststoffschmelze durch die gestanzten Öffnungen des Blechs und bildet zwischen der Wand der Werkzeugkavität und dem eingelegten Metallteil einen Nietkopf, wodurch eine formschlüssige Verbindung entsteht (Bild 1). Das Blech benötigt dabei weder einen Haftvermittler noch anderweitige zusätzliche Behandlungen. In nachgeschalteten Montagestationen können zusätzlich Halter oder andere Komponenten angeschraubt werden. Aufgrund der Möglichkeit eine Vielzahl an Zusatzfunktionen im Spritzgießverfahren zu integrieren, eröffnet die Hybridtechnik ein vielversprechendes Rationalisierungspotenzial bei der Herstellung montagefertiger Module.Reduzierung der Kosten im AutomobilbauBeim Frontend für das Fahrzeug Audi A6 wurden unter anderem mittels Insert-Technik Befestigungsbuchsen für das Motorlager sowie andere Befestigungselemente gemeinsam mit dem tiefgezogenen Blech in das Spritzgießwerkzeug gelegt und gleichzeitig umspritzt. Damit kamen die zahlreichen Vorteile dieser Technik voll zum Tragen: Die Investitionskosten wurden um rund ein Viertel verringert und die Produktionskosten um etwa 10% reduziert. Auch das Bauteilgewicht verringerte sich um rund 10%. Besonders attraktiv bei der Gewichtseinsparung am Frontend ist, dass sie vor der Vorderachse realisiert werden konnte, was sich auf die Achslastverteilung günstig auswirkt. Der für die Fertigungsanlagen erforderliche Platzbedarf verringerte sich sogar um etwa 40%.Wesentliche Anlagenkomponenten einer Fertigungszelle zur Herstellung von Hybridteilen sind die Spritzgießmaschine mit Werkzeug, das Einlege- und Entnahmegerät (Roboter), die Anguss-Abtrennstation, die Vereinzelung- und Aufnahmestation für Einlegeteile, die Fertigteilablage mit Kühlstrecke und Fertigteilentnahme sowie sonstige Nachfolgeschritte (Bild 2). Die Stationen können entweder für den automatischen Betrieb - bestehend aus Robotern mit entsprechender Sensorik - oder als manuelle Arbeitsplätze geplant und ausgeführt werden. Entscheidend für die technische Ausstattung der Fertigtungszelle ist die Komplexität der auszuführenden Arbeiten:- Bei der Handhabungsfunktion sind beispielsweise das Gewicht der Teile, die benötigten Reichweiten, die Komplexität der Bewegungen oder des Fügevorgangs zu beachten.- Die Qualitätsprüfung am Bauteil enthält die optische Erkennung von Verzug, Überspritzungen und sonstigen Fehlern.Wichtig ist in diesem Zusammenhang, dass die gesamte Prozesskette - also nicht nur die Spritzgießzelle - einer übergeordneten Betrachtung unterzogen wird. Denn auch logistische und standortspezifische Faktoren können entscheidenden Einfluss haben. Darüber hinaus sind selbstverständlich die zu verarbeitenden Rohstoffe (Kunststoffgranulat) und Halbzeuge (Einlegeteile) zu berücksichtigen, zum Beispiel Blechträger oder Gewindebuchsen.Einen entscheidenden Einfluss auf das Fertigteil hat der verwendete Kunststoff. Üblicherweise ist es Polyamid 6 mit Glasfaserverstärkung. Die Anisotropie längs und quer zur Fließrichtung und an Bindenähten führt zu unterschiedlichen Schwindungswerten. In Verbindung mit dem Metalleinleger ergibt sich ein komplexes Schwindungs- und Verzugsverhalten (Bild 3). Diese Einflüsse können im Vorfeld durch Simulationsmethoden untersucht werden, um die Anpassung des Werkzeuges möglichst zu reduzieren.Natürlich ist auch die Beschaffenheit der Einlegeteile von entscheidender Bedeutung für die Qualität des fertigen Bauteils. Tiefgezogene Metalleinleger müssen in erster Linie maßhaltig sein, um sie mit Hilfe von Magneten und Klemmschiebern im Werkzeug halten zu können. Wegen der im Allgemeinen relativ geringen Entformungsschrägen bei Kastenstrukturen ist es erforderlich, die senkrechten Wände (in Entformungsrichtung) genau zur Werkzeugkontur anzupassen. Toleranzüberschreitungen können aus dem Tiefziehprozess resultieren. Sie entstehen jedoch auch durch falsche Lagerung vor, während oder nach dem Transport der metallischen Einlegeteile. Abweichungen in der Winkligkeit oder große Varianzen der Abmessungen führen in den meisten Fällen zu Problemen beim Einlegen und Abformen der Kunststoffgeometrie.Staub- und Fettfreiheit für gute Haftung nötigExaktes Abtuschieren zwischen Einlegeblech und Werkzeugkavität ist für eine saubere Abformung der spritzgegossenen Nietköpfe unabdingbar. Zwar erlaubt die elastische Verformung der Blechteile beim Schließen des Werkzeugs das Füllen der Werkzeugkavität. Doch nach dem Entformen der Fertigteile beeinflussen die Rückstellkräfte der Blechteile das Schwindungs- und Verzugsverhalten. Sie können somit Ausschuss verursachen. Um einen optimalen Verbund zwischen Metall und Kunststoff zu erreichen, müssen die Einlegeteile fett- und staubfrei sein. Die KTL-Vorbehandlung (kathodisches Tauchlackieren), ein Standardkorrosionsschutz in Automobilbereich, setzt ebenfalls saubere Teile voraus, so dass nachträgliches Waschen entfallen kann. Das Vorwärmen dünnwandiger Stahlblech-Einleger, wie es aus der Verarbeitung von Gewindebuchsen bekannt ist, ist nicht zwingend erforderlich. Meist reicht die Zeit vom Einlegen in das temperierte Werkzeug bis zum Einspritzvorgang aus, um die Einleger auf Temperatur zu bringen.Hybridteile bieten interessante Formteileigenschaften für viele Einsatzbereiche, sind aber aufgrund der komplexen Fertigung in erster Linie für die Großserienproduktion geeignet. Im Hinblick auf den verstärkten Einsatz von Modulbaugruppen in der Automobilindustrie und den damit verbundenen Stückzahlen zeichnet sich zukünftig ein vermehrter Einsatz dieser Bauteile ab.Bei der Fertigungskonzeption sollte das Hauptaugenmerk auf die Verknüpfung der einzelnen Prozessschritte gerichtet werden. Nur die Betrachtung der gesamten Fertigungsstrecke mit allen Einflussfaktoren führt zum Ziel. Folglich ist das frühzeitige Einbeziehen aller Beteiligten - von den Anlagenbauern bis zu den Teilelieferanten - erforderlich.