Der Einsatz von Kunststoffschäumen im Automobilbau hat in den letzten Jahren stark zugenommen. Gründe dafür sind der Trend zum Leichtbau sowie die sehr guten Dämmeigenschaften und die verbesserten Fertigungsverfahren für Bauteile mit hochwertigen Oberflächen.

Der Dachkern des Smart Fortwo besteht aus Papierwaben, die mit einer Mischung aus Polyurethan und Verstärkungsfasern ummantelt sind, sowie einer farbigen Class-A-Oberflächenfolie. (Bildquelle: Daimler AG)

Geringes Gewicht bei hoher mechanischer Festigkeit, geringerer Rohstoffeinsatz, mechanische Dämpfung, Schalldämmung, geringe Wärmeleitfähigkeit und gute Bearbeitbarkeit sind die Eigenschaften von Kunststoffschäumen, die sie für Automobilhersteller so attraktiv machen.

Als Polymerschäume werden Kunststoffe mit zellularer Struktur auf Basis von Thermoplasten oder Duroplasten bezeichnet. Die Schaumstoffe lassen sich in zwei Untergruppen einteilen: Schaumstoffe mit einheitlicher Zellstruktur und Integral- oder Strukturschäume. Für das industrielle Schäumen von Kunststoffen gibt es vier grundlegende Verfahren: Spritzgießen und Extrusion für Thermoplaste und Partikelschaum sowie Mehrkomponentensysteme für Duroplaste.

Thermoplastisches Schaumspritzgießen (TSG) eignet sich beispielsweise für PP, ABS, PE, PA, PC und PP mit Glasfasern. Für das Standard-Schaumspritzgießen können konventionelle Spritzgießmaschinen verwendet werden. Der Nachdruck wird dabei durch ein Treibmittel erzeugt. Das Treibmittel kann auf drei verschiedene Arten eingesetzt werden: Eine chemische Reaktion erzeugt das Treibmittel, das gasförmige oder flüssige Treibmittel wird direkt eingespritzt oder Luft wird mechanisch in ein Harz oder eine Paste eingerührt. Im Spritzgussverfahren sind nur Integralschäume herstellbar und ohne aufwändige Sonderverfahren sind Dichten unter 700 kg/m³ nur bedingt erreichbar.

Die Vorteile des Schaumspritzgießens gegenüber dem konventionellen Spritzgussverfahren sind die Verkürzung der Zykluszeiten durch den Wegfall des Nachdrucks und die Verkürzung der Kühlzeit. Die reduzierte Schmelzeviskosität sorgt für eine niedrigere Prozesstemperatur. Das Verfahren bietet die Möglichkeit, kleinere Wandstärken zu realisieren. Da kein Nachdruck vorhanden ist, ist auch der Werkzeuginnendruck deutlich geringer und führt zu geringeren Schließkräften, die am Werkzeug benötigt werden. Das mit diesem Verfahren hergestellte Bauteil hat eine geringere Dichte, keine Einfallstellen, weniger Verzug und weniger Spannung sowie verbesserte Isolationseigenschaften.

Beim MuCell-Verfahren werden mikrozelluläre Strukturen im Bauteil gebildet, indem Treibmittel direkt in die Kunststoffschmelze eingebracht wird. (Bildquelle: Pöppelmann)

Ein Beispiel für das Schaumspritzgießen mit physikalischen Treibmitteln ist die MuCell-Technologie. Für den großen Erfolg dieser Technologie sind vor allem zwei Faktoren ausschlaggebend: Zum einen der allgemeine Trend zum Leichtbau und zum anderen die hohe Qualität der im Schaumspritzguss hergestellten Bauteile.

Beim MuCell-Verfahren wird beim Plastifizieren ein Treibgas in die Kunststoffschmelze eingespritzt. Nach dem Einspritzen in das Werkzeug verlässt das Gas die Schmelze wieder und bildet eine feinzellige Schaumstruktur. Auf diese Weise wird im Vergleich zum Standard-Spritzguss deutlich weniger Material zum Füllen des Werkzeugs benötigt und das Bauteilgewicht reduziert. Gleichzeitig erweisen sich im MuCell-Verfahren hergestellte Bauteile als äußerst formstabil. Da das Aufschäumen die Fließeigenschaften der Schmelze verbessert, können auch komplexe Geometrien mit Hinterschneidungen vollständig ausgefüllt werden.

Das Verfahren hat aber auch einen unangenehmen Nachteil: Auf den Oberflächen der Kunststoffteile bilden sich Schlieren. Schlieren entstehen, weil die heiße Polymerschmelze beim Durchströmen der kühlen Form Schaumblasen bildet. Diese werden durch den Druck der Polymerschmelze auf die Formwand zerkleinert – die Unebenheiten verfestigen sich mit der Schmelze und bleiben auf der Oberfläche des fertigen Bauteils sichtbar. Auf der letzten Fakuma präsentierte der MuCell-Spezialist Trexel eine Lösung, die mit Hilfe einer schnellen 3D-Temperierung des Werkzeugs Bauteile mit hochwertigen Oberflächen ermöglicht. Durch die höhere Werkzeugtemperatur beim Einspritzen bleibt das Polymer beim Kontakt mit dem Werkzeug länger verformbar. Die Blasen verfestigen sich daher nicht sofort, sondern die Oberfläche wird glatt gepresst. Mit ihr lassen sich sowohl hochglänzende Oberflächen als auch strukturierte Flächen realisieren, was sogar neue Gestaltungsansätze ermöglicht. Wesentlich ist, dass keine Einschränkungen hinsichtlich Leichtbau oder Oberflächenqualität berücksichtigt werden müssen, sondern die Vorteile beider Technologien – Spritzgießen und Schäumen – zu einer Gesamtlösung zusammengeführt werden.

Der im Schaumspritzgussverfahren hergestellte Demonstrator verfügt durch die 3-D-Temperierung des Werkzeugs über hochwertige Oberflächen.

Die Marktnachfrage nach ästhetischen Leichtbauteilen steigt, vor allem getrieben durch den enormen Preis- und Kostendruck der Endverbraucher. Auf der Fakuma präsentierte das Unternehmen ein Demonstratorbauteil, das einerseits ein hochwertiges Erscheinungsbild aufweist, andererseits aber die technischen Gestaltungsmöglichkeiten des MuCell-Verfahrens nutzt. Dadurch können auch Wanddickensprünge an den Stellen gemacht werden, an denen dies für die Funktion des Bauteils notwendig ist.

Das Schäumen von PUR ist ein Reaktionsschäumverfahren. PUR besteht aus den Komponenten Isocyanat und Polyol und ist ein Duroplast. Bei der Verarbeitung findet eine Polyaddition statt. Die Polyaddition und das Aufschäumen erfolgen parallel. Es können Dichten im Bereich von ca. 30 kg/m³ erreicht werden.

Polyurethan ist für den modernen Automobilbau unverzichtbar und macht den größten Anteil an Kunststoffen aus. In zahlreichen Anwendungen wie Armaturenbrett, Dachhimmel, Fahrwerk, Kabelummantelung, Kopfstützen, Lenkräder, Schaltknäufe, Sitze, Stoßfänger und Türverkleidungen ist das Material das Standardmaterial in weicher oder harter Ausführung oder als Spritzhaut. Die neuesten Entwicklungen sind Komponenten für die Karosserie. Dabei kommt die PUR-Papierwabentechnologie zum Einsatz, wie sie seit Jahren im Autoinnenraum für Ladeböden, Dachhimmel und Hutablagen eingesetzt wird.

Der Kern des Verbundmaterials besteht aus Papierwaben, die mit einer Mischung aus Polyurethan und Verstärkungsfasern ummantelt sind. Aufgrund seiner besonderen Steifigkeit eignet es sich ideal für die Produktion von Exterieurteilen mit einer Fläche von mehr als zwei Quadratmetern. Autodächer sind für diese Anwendung bestens geeignet. Die Außenseite des Daches ist mit einer genarbten, tiefgezogenen und wetterfesten Folie bespannt, die Innenseite ist passend zum Innenraum beflockt. Im Jeep Renegade ging erstmals ein Dachsystem aus diesem Faserverbundwerkstoff in Serie. Diese besteht aus zwei Dachelementen aus Polyurethan-Verbundmaterial, die komplett aus dem Fahrzeugrahmen herausgenommen und im Kofferraum verstaut werden können.

Neben der Gewichtsreduzierung von über 50 Prozent gegenüber Stahl sprechen die sehr gute 3D-Umformbarkeit sowie die ausgeprägten akustischen und wärmedämmenden Eigenschaften für das Material. Dank der geringen Werkzeugkosten eignet sich diese Leichtbautechnologie besonders für Auftragsvolumina mit kleinen bis mittleren Stückzahlen. Inzwischen sind Autodächer mit einer farbigen Class-A-Oberflächenfolie wie der Smart Fortwo auf dem Markt.

Hochleistungs-Sandwich-Verbunde können jetzt in einem Schritt hergestellt werden. (Bildquelle: TUD / ILK)

Die bisher sehr aufwendige Herstellung von Sandwichstrukturen mit komplexer Geometrie soll im Rahmen des AiF-Forschungsprojektes SHAPE vereinfacht und zur Serienreife entwickelt werden. Ein neues Verfahren nutzt die Expansionsreaktion von schäumbarem Polyurethan in einem geschlossenen Werkzeug, wobei das reaktive PUR-Gemisch in die eingelegten textilen Halbzeuge eindringt und für eine endkonturnahe Formfüllung sorgt. Sowohl die Herstellung des Schaumkerns als auch die Imprägnierung der späteren Sandwich-Deckschichten erfolgen in einem Schritt. Neben reinen Schaumkernen ist auch die Integration von unkaschierten Papierwaben möglich.

Formteile aus expandiertem Polypropylen (EPP) werden als Einbauteile an unterschiedlichen Positionen im Auto eingesetzt. Sie optimieren die passive Sicherheit im Fahrzeug und dienen dem Schutz der Insassen. Da dieser Partikelschaum ein sehr geringes Gewicht hat, wird er zur Gewichtsreduzierung im Fahrzeugbau eingesetzt. Da expandierbares Polypropylen energieabsorbierende Eigenschaften und ein sehr gutes Rückstellvermögen besitzt, wird es für Stoßfänger im Frontendbereich, Fußeinsätze, Absorber, Verkleidungen, Kopfstützen und andere Pralldämpfer verwendet. Bei einem Heckaufprall absorbieren diese Komponenten die Energie und erhöhen so die Sicherheit im Fahrzeug.

Formteile aus expandiertem Polypropylen werden aufgrund ihrer charakteristischen Dampfdüse und Wulststruktur oft unter Blechgehäusen versteckt oder mit Gewebe oder Folie abgedeckt. Neu ist eine spezielle Werkzeugtechnologie, die EPP-Formteile mit seidenmatter Oberfläche veredelt. Der zum Sintern der Polypropylenpartikel benötigte Dampf durchströmt die Werkzeugoberfläche gleichmäßig, so dass auf die sonst üblichen Dampfdüsen komplett verzichtet werden kann. Dabei verschwinden die meist sichtbaren und für Schaumteile typischen Grenzen zwischen den einzelnen Schaumperlen und den Abdrücken von Dampfdüsen an der Oberfläche. Das Ergebnis ist eine seidenmatte, gleichmäßige und auch wasserfeste Oberfläche, die auch lackiert werden kann.

Als Verfahrenskombination zur Herstellung von Mehrkomponententeilen kombiniert das Partikelschaum-Verbundspritzgießen (PVSG) das Schäumen von Partikelschäumen wie EPS oder EPP mit dem Spritzgießen von Thermoplasten. Dadurch entsteht eine stoffschlüssige, unlösbare Verbindung in der Grenzfläche zwischen Partikelschaum und Kunststoffbauteil. So lassen sich die positiven Eigenschaften von Partikelschäumen mit den Vorteilen von Thermoplasten zu völlig neuen, funktionsintegrierten Leichtbaulösungen kombinieren.

ist freier Redakteur bei Plastverarbeiter.

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