Leicht sollen sie sein, dem passiven Insassenschutz dienen, isolieren sollen sie nach Möglichkeit ebenfalls – und dabei auch noch schön aussehen: Komponenten der Innenausstattung im Fahrzeugbau haben etliche Anforderungen zu erfüllen. Während die ersten drei Eigenschaften von den Partikelschäumen locker erfüllt werden, bereiten die Oberflächen Designern wie Technikern vielfach Kopfschmerzen.
Problematisch ist einerseits die sichtbare Partikelstruktur mit den Dampfdüsenabdrücken, Zwickeln sowie vereinzelt auch Farbunterschieden. Hinzu kommt die Empfindlichkeit der Partikeloberflächen hinsichtlich Abrieb und Beschädigungen und der Umstand, dass Flüssigkeiten in das Bauteil eindringen können. Wünschenswert ist eine geschlossene, feste Oberfläche, die zudem einen optisch hochwertigen Eindruck macht und sich möglichst nicht von einem Spritzgussteil unterscheidet.
Um die Oberfläche von Partikelschaumteilen zu „veredeln“ kommen verschiedene Verfahren infrage. Technisch aufwändig ist das Hinterschäumen von Textil- oder Dekorfolien. Das Bekleben mit Folien und das Bedrucken oder Lackieren ist ebenfalls eine Möglichkeit, Schaumbauteile zu kaschieren. Und schließlich lassen sich die Oberflächen mit Laserstrukturen veredeln, wobei jedoch keine geschlossene Oberfläche entsteht.
Etwa Ende der 90er Jahre wurde das so genannte Verhauten entdeckt. Verhauten ist das Verflüssigen oder Aufschmelzen von aufgeblasenen Partikelschaumperlen an der Forminnenseite, um in einem Arbeitsgang ein Bauteil mit geschlossener, glatter und homogener Oberfläche zu erzeugen. Allerdings stellte sich das gleichmäßige Aufschmelzen und Verschweißen der Perlen mit Wasserdampf wegen des damit verbundenen hohen Verschleißes der Werkzeuge – aufgrund der hohen Temperaturen und des hohen Dampfdrucks – schnell als kritisch heraus. Ein bis heute praktizierter Ausweg ist der Einsatz von Widerstandsheizungen (Heizstäben), um die Energie von außen nach innen näher an die Kavität zu bringen.
Variothermes Verhauten – Alternative mit Potential
Eine zukunftsweisende Alternative könnte das Verhauten in Verbindung mit einer variothermen konturnahenTemperierung des Werkzeugs sein, wie sie jetzt von der T. Michel Formenbau GmbH, Lautert, und der gwk Gesellschaft Wärme Kältetechnik mbH, Meinerzhagen, vorgestellt wurde. Man kann den Weg, den die Partner gesucht und gefunden haben durchaus mit dem einst arg strapazierten Begriff „Synergie“ überschreiben. Denn die variotherme Werkzeugtemperierung ist in Verbindung mit dem kontur- oder kavitätsnahen Temperieren beim Spritzgießen schon lange ein Begriff.
Verfahrensablauf in Etappen
Zum Verhauten werden nach dem Werkzeugschließen EPP-Schaumperlen mit einem speziellen Füllverfahren auf eine zuvor thermisch überhitzte Werkzeugoberfläche in das Werkzeug eingebracht (eingeblasen). Trifft das Material auf die überhitzte Kavitätenoberfläche, bricht die Zellstruktur der Perlen zusammen, sie schmelzen. Bedingt durch das ständige Nachdrücken bzw. Weiterfüllen baut sich ein Forminnendruck auf, wobei das Material weiter nach vorne in Richtung überhitzte Fläche geschoben wird. Dabei bildet sich eine Haut aus geschmolzenen EPP, die maximal ein bis 1,2 mm dick sein kann.
Nach dem Verhauten läuft ein Standard-Partikelschäumprozess ab. Als nächstes wird der Bedampfungsprozess eingeleitet. Der Dampf strömt in diesem Fall hinter der Haut durch die Schaumperlen um sie zu verschweißen. Anschließend wird die Kavität gekühlt. Das Kühlen erfolgt auf der festen Seite mit dem variothermen Temperiersysten, auf der beweglichen Seite mit speziellen Düsen (Fog-Jet-Düsen), die einen feinen Wassernebel erzeugen, was die Kühlleistung verbessert. Es folgt die Stabilisierungsphase, in der das Formteil auf Entformungstemperatur herunterkühlt, ehe es nach dem Werkzeugöffnen entformt werden kann. Schlussendlich entsteht so ein sortenreiner, stoffschlüssiger Verbund.
Die Werkzeughälfte (auf der festen Seite) auf deren Oberfläche sich die Haut bildet ist variotherm temperiert. Dazu wurde in diese Hälfte ein konturnahes Kanalsystem eingebaut, durch das das Temperiermedium (hier Wasser) gepumpt wird. Ein Aspekt betrifft in diesem Zusammenhang die Werkzeugwerkstoffe, die für das Verhauten temperaturwechselfest sein und zudem eine gute thermische Leitfähigkeit vorweisen müssen. Nicht zu unterschätzen ist auch die Wärmeausdehnung, denn die Werkzeughälfte auf der Verhautungsseite wird auf 200 °C und mehr temperiert, während die andere Werkzeughälfte nur 140 °C hat. Wenn die Formhälften zusammenfahren beträgt die Differenz somit 60 K. Trotzdem müssen die Kavitäten dicht abschließen.
Variotherme Temperierung
Die Temperierung erfolgt mit einem 2-Kreis-Temperiergerät (Teco Vario) in Verbindung mit einer Energiespeicher- und Regeleinheit (ESR) von gwk. Ein Kreis ist der Heizkreis (200 °C), der andere der Kühlkreis (ca. 60 °C). Das Heißwassertemperiergerät arbeitet drucküberlagert; Temperiermedium ist wegen der guten Wärmeübertragungseigenschaften Wasser.
Das Umschalten zwischen Heiz- und Kühlphase erfolgt über eine Energiespeicher- und Regeleinheit (ESR). Sie speichert die wechselnde Wärmemenge und gibt sie beim Umschalten von Heizen auf Kühlen und umgekehrt wieder in den Prozess zurück. Die ESR ist so geschaltet, dass in der Heizphase nur heißes Wasser durch den Temperierkanal im Werkzeug fließt. Beim Umschalten auf die Kühlphase fließt das „kalte“ Wasser durch den gleichen Kanal. Grund dafür ist, dass in diesem Fall im Werkzeug kein Platz für zwei Temperierkanäle ist.
Die Ventilstation ist zugleich ein Energiespeicher. In der Station befindet sich ein Kolbenspeicher, der je nach Betriebszustand entweder kaltes oder heißes Wasser puffert. Vermieden wird dadurch das Vermischen von heißem und kaltem Wasser – zudem ist das Konzept dadurch sehr schnell und energieeffizient. Die Steuerung der ESR erfolgt über eine Schnittstelle aus dem Schäumautomaten.
Komplexe Sensorik
Zudem befinden sich im Werkzeug verschiedene Sensoren. Beim Füllen des Werkzeugs wird der Werkzeuginnendruck überwacht. Sobald ein vorgegebener Innendruck erreicht ist, stoppt das Füllen. Die Schichtdicke der Haut und deren Oberflächenqualität hängen ab von der Rohdichte der Schaumperlen, der Dauer des Nachfüllens, dem Forminnendruck, der Temperatur und nicht zuletzt von der Aufheizzeit.
Kontinuierlich während des gesamten Prozesses werden der Forminnendruck und die Temperaturen des Partikelschaums erfasst und aufgezeichnet. Die Temperatur der Werkzeughälfte auf der festen Seite wird über GWK-Temperaturfühler, alle übrigen Daten mit Mic-Probe-Sensoren, eine Eigenentwicklung von T. Michel. Hinzu kommt ein Schaumdrucksensor um den Schaumdruck zu messen. Auch der Dampfdruck und die Dampftemperatur werden erfasst und aufgezeichnet.
Im Vergleich Zykluszeit halbiert
Interessant ist ein Vergleich der Zykluszeiten für das Verhauten mit einer Widerstandsheizung (WH) bzw. mit der variothermen Temperierung (VT). Bei einer Hautdicke von ca. 0,7 mm konnte allein die Gesamt-Zykluszeit von 400 s auf runde 180 s mehr als halbiert werden. Dazu tragen insbesondere die Heiz- und Kühlzeiten bei.
Deutlich zu erkennen ist der Unterschied zwischen Widerstandsheizung (200 s) und variothermer Temperierung (100 s) beim Aufheizen der festen Seite (Verhautungsseite). Noch während des Heizens kann beim variothermen Prozess bereits das Füllen der Form und anschließend das Bedampfen der Kavität starten.
Um die Kavität und das Schaumteil zu kühlen wird die Kavitätenrückwand auf der beweglichen Seite mit der FogJet-Kühlung gekühlt, während auf der festen Seite die variotherme Kühlung startet. Mit 60 s benötigt hierfür die Widerstandsheizung doppelt so lange wie die variotherme Temperierung.
Anders beim Spritzgießen – dort wird aktiv gekühlt bis zum Entformen – läuft das Kühlen bei der Partikelschaumverarbeitung ohne weitere Temperatursteuerung ab. Wenn die Sensoren in der Formkavität signalisieren, dass die Entformungstemperatur erreicht ist, wird die Kühlung abgestellt. Das heißt jedoch nicht, dass auch das Bauteil die Entformungstemperatur erreicht hat. Dann kommt wiederum ein Sensor ins Spiel um die Temperatur der Schaumoberfläche zu messen (idealer wäre es, die Kerntemperatur zu messen). Es folgt die Stabilisierungsphase (WH: 100 s; VT: 5 s), die Wartezeit bis der Forminnendruck abgebaut und die Temperatur im Inneren des Schaumteils gesunken ist. Erst wenn die Entformungstemperatur erreicht ist und der „Blähdruck“ (Forminnendruck) abgebaut ist, kann die Maschine öffnen um das Teil zu entformen. Sobald das Teil ausgeworfen wird, kann bereits das (variotherme) Aufheizen auf der festen Seite beginnen.
Wirtschaftlich dürfte eine Haut mit 0,5 mm Wanddicke herzustellen sein. Sie bietet den gewünschten Oberflächenschutz, ist wasserdicht und wirkt optisch wie ein Spritzgussteil.
Aktuelle und denkbare Anwendungen
Aktuelle Beispiele mit verhauteten Oberflächen sind vielfach innen verhautete Transportboxen, etwa Medizin- oder Lebensmittel-Transportbehälter. Auch Luftverteilungselemente und Kinnteile von Motorradhelmen werden verhautet.
Im Fahrzeugbau sind zahlreiche Anwendungen denkbar, im Interieur etwa Türinnenverkleidungen, A-, B-, C-Säulenverkleidungen aber auch Spoiler, Schweller; sogar über Stoßfänger wird nachgedacht. Kurz alles, was eine funktionalisierte, optisch ansprechende Oberfläche benötigt, leicht sein soll und in einem Arbeitsgang hergestellt werden kann.
Quelle: gwk
