PUR-Technik Polyurethangehäuse spielen ihre Vorteile bei fertigungsgerechter Gestaltung aus

Autor / Redakteur: Jürg Fischer und Christian Merz / Josef-Martin Kraus

Der Werkstoff Polyurethan bietet mehr Gestaltungsfreiheit bei Gehäuseteilen als metallische Konstruktionen. Voraussetzung dafür ist ein fertigungsgerechtes Design, um Wanddickenunterschiede, Gewichtseinsparung und Integration zusätzlicher Funktionselemente zu ermöglichen. Dazu kommen werkstoffliche Vorteile, zum Beispiel Korrosionsbeständigkeit. Das Ergebnis spiegelt sich in einer höheren Attraktivität von Maschinen, Anlagen und Geräten wider.

Firmen zum Thema

Entnahme eines Formteils aus dem geöffneten Werkzeug. Dieses Polyurethanteil erfüllt die hohen Anforderungen hinsichtlich Design und Funktionalität. Bild: Emaform
Entnahme eines Formteils aus dem geöffneten Werkzeug. Dieses Polyurethanteil erfüllt die hohen Anforderungen hinsichtlich Design und Funktionalität. Bild: Emaform
( Archiv: Vogel Business Media )

Polyurethan (PUR) ist als Konstruktionswerkstoff für Gehäuse von Maschinen und Geräten prädestiniert. Ein Grund dafür liegt in den hervorragenden Werkstoffeigenschaften wie hohe Steifigkeit, Robustheit und chemische Stabilität, ein anderer im hohen gestalterischen Freiheitsgrad, der ein optimales Design für technische Formteile ermöglicht. In dieser Kombination bieten sich für die verschiedenen Gehäuseteile PUR-Integralhartschaum und PUR-Kompaktmaterial an. Auf die Verarbeitung dieser beiden Polyurethan-Werkstoffe hat sich die Emaform AG, Gontenschwil/Schweiz, die in diesem Jahr 25- jähriges Bestehen feiert, bei Verschalungen und Abdeckungen spezialisiert.

Im Vergleich zu metallischen Blechen bietet der Gehäusewerkstoff Polyurethan folgende Vorteile:

Bildergalerie
  • Polyurethan ermöglicht ein zeitgemäßes, ergonomisches Design.
  • Aufgrund der hohen Reproduzierbarkeit in der Verarbeitung entstehen präzise formgebundene Teile.
  • Zur Geometrie-Optimierung sind Wanddickenunterschiede möglich.
  • Eine Schalldämmung ist ohne zusätzliche Maßnahmen erreichbar.
  • Aufgrund der thermischen Isoliereigenschaften von Polyurethan wird eine Kondensatbildung vermieden.
  • Im Gegensatz zu Metallblechen ist Polyurethan korrosionsbeständig.
  • Die Gewichtsreduktion vereinfacht das Gehäuse-Handling.
  • Die Berührung einer Polyurethanoberfläche ist angenehm. Es stellt sich ein Great-Feeling-Effekt ein.

Kundenspezifische Beratung ist Erfolgsbasis bei Projekten

Damit die Vorzüge von Polyurethan optimal genutzt werden können, ist bei der Entwicklung von Designkonzepten eine fertigungsgerechte Gestaltung von hoher Wichtigkeit. Voraussetzung für ein gelungenes Formteil ist das erfolgreiche Zusammenspiel zwischen Hersteller und Kunde. So benötigt der Kunde oft individuelle Unterstützung, speziell in der Konstruktion. Die Beratung vor Ort und die Besichtigung der Fertigung durch den Kunden ist für Emaform daher ein wesentlicher Bestandteil im Umgang mit diesem Gehäusewerkstoff.

Grundsätzlich wird von Maschinen- und Geräteherstellern bei der Konstruktion und Fertigung von Verschalungen und Abdeckungen metallspezifisch gedacht. In sehr vielen Fällen sind allerdings auch Kenntnisse der Kunststoffverarbeitung vorhanden, insbesondere über das Thermoplast-Spritzgießen. Darauf aufbauend werden mit den Kunden grundsätzliche Konstruktionsrichtlinien für PUR-Formteile besprochen und die spezifischen Details wie Material, Anzug, Rippen, Eckradien, Gewindeaufnahmen und Einlegeteile festgelegt. Insgesamt erstreckt sich die Zusammenarbeit von der Mithilfe beim Entwurf über das fertigungsgerechte Design (der Formteilkonstruktion) und die Herstellung funktionstüchtiger Prototypen bis zur serienreifen Fertigung des PUR-Formteils (Bild 1) – und teilweise sogar bis zur Montage.

Zu den Auswahlkriterien für die Polyurethan-Werkstoffe gehören die Formteilgeometrie und -eigenschaften. So spricht für PUR-Kompaktmaterial die hohe Schlagzähigkeit. Das ermöglicht die Fertigung von dünnwandigen Teile mit komplexer Geometrie. Demgegenüber ist PUR-Integralschaum für Formteile mit unterschiedlichen Wanddicken prädestiniert. Diese Flexibilität, je nach lokaler Belastung Wanddicken anpassen zu können, erhöht den Freiheitsgrad bei der Formteilgestaltung. So können mit PUR-Integralschaum besonders leichte und dennoch dickwandige Formteile gefertigt werden.

Neukonstruktion bei Wechsel des Gehäusewerkstoffs

Das fertigungs- und werkstoffgerechte Design verbietet in der Regel, Blechteilkonstruktionen einfach zu übernehmen. Im überwiegenden Fall setzen Abdeckungen und Verschalungen aus Polyurethan eine Neukonstruktion voraus (Bild 2). Ein wesentlicher Grund dafür liegt im Werkstoff-Fließverhalten. So führen Angussauslegung und -position zu Strömungseffekten, die es in der Fertigung zu nutzen gilt. Polyurethan ist dünnflüssig. Radien und Eckverrundungen ermöglichen ein optimales Fließen. Rippen und Anbindungen von Domen mit Gewindebuchsen sind deshalb unproblematisch. Der Werkstoff fließt in alle Bereiche der Form.

Innen- und Außenradien erhöhen die Bruchfestigkeit der Formteile. Außerdem verringern sie die Kosten der Formherstellung. Grundsätzlich gilt bei Polyurethanteilen: Je größer der Radius, desto besser. Lediglich entlang der Formtrennung sind scharfe Kanten einfacher herzustellen als gerundete Kanten. Rippen, die eine Dicke von ±50% der Wanddicke haben, sorgen für hohe Formteilstabilität, ohne dass Einfallstellen auf den Sichtseiten entstehen. Nach Möglichkeit sollten die Rippen in Fließrichtung des Polyurethans verlaufen, um Lufteinschlüsse zu vermeiden.

Wegen der guten Fließfähigkeit eignet sich Polyurethan zur Fertigung von großen und komplexen Formteilen. Das gute Fließverhalten sorgt auch für eine hohe Abbildungsgenauigkeit. So können feine konstruktive Details im Werkzeug vorgegeben werden. Ein weiterer Vorteil liegt in der Schaffung von Wanddickenunterschieden, ohne dass die Formteile Einfallstellen oder ungleichen Schwund „erleiden“.

Außerdem ist die Integration von Funktionsteilen aus anderen Werkstoffen möglich, beispielsweise von Gewindeeinsätzen, die direkt eingegossen oder umschäumt werden. Als lösbare Verbindungselemente werden meistens Gewindebuchsen integriert. Bei begrenzten Anforderungen genügen auch verschiedene Spreizbuchstypen. Die Integration zusätzlicher Funktionsteile ermöglicht, Fertigungsschritte einzusparen und die Montage zu erleichtern (Bild 3).

Formteilherstellung im preiswerten Werkzeug

Der Fertigung von Polyurethanteilen umfasst vier Stationen: Polyurethanerzeugung, Formteilherstellung, Nach- und Weiterbearbeitung. Sie beginnt mit dem Vermischen der beiden flüssigen Rohstoffkomponenten Polyol und Isocyanat. Sie werden bei Emaform in großen Rohstofftanks gelagert. Von dort gelangen die Komponenten in Tagesbehälter. In diesen Behältern werden sie in Abhängigkeit vom Formteil mit Zusatzstoffen wie Flammschutzmittel und Farbstoff versetzt, bevor sie in einem bestimmten Dosierverhältnis in die Mischanlage und somit in den Mischkopf kommen. Dort werden die beiden Komponenten unter Druck vermischt.

Anschließend folgt die Formteilherstellung in einem Aluminiumwerkzeug, das in kurzer Zeit gebaut werden kann, verhältnismäßig preiswert ist und eine relativ lange Lebensdauer hat. In einer solchen Form können generell bis zu 30000 Teile ohne besondere Unterhaltsarbeiten gefertigt werden. Seitenschieber und Losteile sind Stand der Technik, verteuern jedoch den Formenbau und teilweise deutlich auch die Formteile. Außerdem verkürzen sie unter Umständen die Werkzeugstandzeit.

Die Druckverhältnisse in diesem Werkzeug können nicht mit denen beim Thermoplast-Spritzgießen verglichen werden. Lediglich weil man bei der Herstellung von Polyurethanteilen nur mit geringen Drücken arbeitet, lässt sich die Form aus Aluminium fertigen. So sind nachträgliche kundenspezifische Werkzeuganpassungen – beispielsweise durch Fräsen – in der Regel möglich. Im Vergleich zum Spritzgießen gibt es jedoch noch weitere Unterschiede bei den Werkzeugen. Zum Beispiel dienen die Trennkanten auch zur Entlüftung. Dadurch können Lufteinschlüsse in den Polyurethanteilen minimiert werden.

Zu starken Formteilverzug bei Einlegeteilen vermeiden

Für die Formteilherstellung wird das flüssige Polyurethan über ein Anguss-System in die geschlossene Form geleitet. Dazu ist sie in einer Presse auf einen Formenträger gespannt und wird beheizt. Eine Steuerung öffnet und schließt die Form mit Hilfe von hydraulischen oder mechanischen Schiebern. Sie regelt die Verbindung zur Mischanlage. Gegebenenfalls werden in die geöffnete Form zuvor noch Einlegeteile, zum Beispiel Gewindebuchsen, einge-setzt. Beim Einlegen von Metallteilen zur Formteilverstärkung ist darauf zu achten, dass kein untolerierbarer Verzug auftritt. Dadurch können Spannungen im Formteil entstehen, die zu späteren Bauteilschäden führen.

Nach dem Aushärten des Werkstoffs, wird die Form geöffnet und das Polyurethanteil entnommen. Dabei erleichtern Formschrägen am Werkzeug die Entnahme trotz Formteilschwund. Sind keine oder ungenügende Formschrägen vorhanden, können deren Funktion auch Entformungshilfen, zum Beispiel Abstreifrahmen oder Auswerferstifte, übernehmen.

In den meisten Fällen ist bei Polyurethanteilen eine Nachbearbeitung erforderlich. In der Regel werden die Teile entgratet. Gegebenenfalls müssen auch sichtbare Poren (durch Lufteinschlüsse hervorgerufen) gespachtelt und danach die Formteiloberfläche geschliffen werden. Ist eine besondere mechanische Bearbeitung notwendig, kommen bei Emaform auch CNC-Fräsmaschinen zur Anwendung.

Danach werden die Teile lackiert. So erhalten sie eine glatte, Struktur- oder Hochglanzoberfläche. Durch das Lackieren der Teile lassen sich jedoch auch Funktionsschichten erzeugen – mit Lacken, die zum Beispiel eine elektrostatische Abschirmung (EMV) ermöglichen oder antibakterielle Eigenschaften haben. Zum Schluss erfolgt noch der Versand der fertigen Teile. Fachgerecht verpackt gelangen die Polyurethanteile zum Kunden.

Jürg Fischer leitet die Geschäftsbereiche der Emaform AG in Gontenschwil/Schweiz. Christian Merz ist Leiter Verkauf und Marketing bei Emaform, CH-5728 Gontenschwil, Tel. (00 41-62) 7 67-20 05, Fax (00 41-62) 7 67-20 01, cmerz@emaform.ch

Artikelfiles und Artikellinks

(ID:225086)