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Der Vorteil von Kunststoff ist sein große Bandbreite an Eigenschaften, von irreversibel hart bis zu vollkommen elastisch, von glasklar über opak bis zu vollkommen undurchsichtig, von wasserlöslich bis zu säurefest, elektrisch isolierend oder leitfähig modifiziert, mit abstoßender Oberfläche oder klebend, um nur einige Beispiele zu nennen. Ebenso umfangreich sind die Anforderungen, mit denen Werkstoffe in einem Automobil konfrontiert sind.

Luftklappen in Ansaugmodulen mit variabler Luftführung

Klappensysteme bestehen in traditioneller Bauweise aus einer größeren Anzahl an zu montierenden Einzelteilen, den Schließplatten, der Drehachse samt Haltevorrichtung und den Dichtungen, gegebenenfalls zusätzlich noch Lagerblöcke für die Drehachse. Die bei Schneegans produzierten Alternativversionen bestehen komplett aus Kunststoff und werden ohne zusätzlichen Montageaufwand durch sequentiellen Mehrkomponenten-Spritzguss hergestellt. Die Klappenleisten werden in einem ersten Produktionsschritt aus Werkstoff I hergestellt, anschließend werden die Lagerblöcke aus Werkstoff II darüber geformt. Durch eine geeignete Werkstoffpaarung bleibt die Welle frei beweglich, ist leichtgängig und reibungsfrei gelagert. Auf jeder Welle wird zusätzlich ein Magnet zur Positionsüberwachung vollautomatisch montiert, sowie in einem dritten Produktionsschritt eine FPM-Dichtung aufgebracht.
Ein weiteres Beispiel für das Innovationspotenzial durch eine Werkstoffkombination ist die Ansaug-Luftklappe für einen anderen Automobilmotor. Während in der Ausgangsversion die Schließplatte aus Kunststoff mit einem Bügel aus Metall und 4 Dichtungen zur einbaufertigen Baugruppen montiert werden muss, verlässt die Mehrkomponenten-Version einbaufertig die Spritzgießmaschine. Die Lagerpunkte aus Metall werden vollautomatisch montiert und im Produktionsschritt II die Gummidichtungen aus chemisch und hoch-temperatur-beständigem HNBR (Hydrierter Acrylnitrilbutadien-Kautschuk) aufgespritzt.

Metallsubstitution im Motorumfeld

Kunststoffe wiegen nur rund 50 Prozent von Aluminium und 15 Prozent von Stahl, bieten aber in Verbindung mit Glas- oder Kohlefaserverstärkung Eigenschaften, die sie für die Metallsubstitution konkurrenzfähig machen. Beispiele sind Anwendungen, wie Wasserpumpengehäuse, Ventildeckel, Ölwannen, Kühlergehäuse oder Haltebügel zum Fahrwerk hin. In jüngster Zeit wurde ein Wasserpumpengehäuse entwickelt, das im direkten Motorblockumfeld positioniert ist. Es integriert nicht nur die Kühlwasserkanäle vom Motorblock zur Wasserpumpe, sondern auch eine komplexe Rippenstruktur zur Kraftübertragung innerhalb des Gehäuses zwischen den Anschraubpunkten und den Achslagern für die Riemenscheiben des Pumpenantriebs. Auf die Gehäusestruktur aus einem PA 6.6 HRX mit 35 Prozent Glasfaseranteil wird in einem zweiten Spritzgießschritt einseitig eine umlaufende Dichtung aus einem Fluor-Kautschuk-Compound direkt aufgebracht.

Türschlossgehäuse aus 3-Stoff-System

Auch Türschlossgehäuse sind komplexe Baugruppen, die neben der mechanischen Grundfestigkeit, auch Lagerungen, Abschlagsdämpfer, Fixierpunkte und Dichtungen zur Türstruktur in sich vereinigen müssen und darüber hinaus gegenüber einer Reihe von Umwelteinflüssen beständig sein müssen.
Die Schließfunktion von PKW-Türen wird heute nicht mehr mechanisch betätigt, sondern durch das Betätigen von elektrischen Schaltern in den Türgriffen. Dazu sind Türgriffe mit elastisch gelagerten Betätigungstasten, die gleichzeitig feuchtigkeitsdicht sind, notwendig. Durch die Kombination von Strukturteilen mit einem elastischen Zwischenteil aus TPE mit einem hohen Rückstellverhalten lässt sich die Funktion integrieren.

Dichtungsintegration durch
Spritzgießen
Hart/Weich-Werkstoffsysteme bieten ein großes Potenzial zur Montage-, Logistik- und Qualitätskostensenkung. Vor allem dann, wenn durch einen zweiten Produktionsschritt schwierig zu manipulierende Dichtungen unlösbar und positionsgenau mit dem Strukturteil verbunden werden können. Dies gilt sowohl für Dichtungen aus den vulkanisierenden Werkstoffen Gummi und LSR, als auch aus thermoplastisch verarbeitbarem TPE. Beispiele für derartige Bauteile sind Deckel von Fensterheberantrieben oder Elektronik-Gehäuse mit integrierter Dichtung aus einem Silikon-Elastomer, aber auch ganz simple Teile, wie 2K-Dichtscheiben, die zur Abdichtung von Karosseriehohlräumen vor dem Einspritzen von Konservierwachs verwendet werden.

2K-Technik für Crash-Sensoren

Auch in den Sicherheitssystemen von Kraftfahrzeugen sind Mehr-Werkstoffsysteme zu finden, so zum Beispiel in Form von Schutz- und Auslösekappen für die zahlreichen Crashsensoren, die die Airbags aktivieren. Es sind Gehäuse mit einem Durchmesser von rund 50 mm, in dem die zentrale Aufnahmelageplatte für den Bewegungssensor durch einen elastischen Zwischenteil elastisch mit dem Außenring verbunden ist. Auf diese Weise kann ein mechanischer Impuls an den Sensor weitergegeben werden, der in Folge beispielsweise die Airbags aktiviert. Gleichzeitig sorgt die Elastomermembran für einen effektiven Schutz des Sensors vor Feuchtigkeit und sonstigen Umwelteinflüssen.

Systembedingte Vorteile im 2-K-Spritzguss

Die Verschmelzung von Einzelteilen mit unterschiedlichen Funktionen durch ein Werkstoffsystem zu einem Integrationsteil bietet großes Potenzial, um die Funktionsqualität zu erhöhen und gleichzeitig die Herstellkosten zu reduzieren. Zur Erhöhung der Systemqualität tragen vor allem die feste Verbindung unterschiedlicher Komponenten durch einen Spritzgießprozess an Stelle des Zusammenfügens durch einen Montageprozess bei. Außerdem verringert sich der Aufwand für die Lagerlogistik und die begleitende Qualitätskontrolle, sowie der zu erwartendende Serviceaufwand und die Gewichtsvorteile im Vergleich zu den Einzelteilen. Hart-/Weich-Verbunde bieten darüber hinaus noch spezifische Anwendungsvorteile, vor allen durch die Möglichkeit zur Integration von Dichtungs-, Feder- oder Elastikfunktionen, aber auch durch die Dämpfungseigenschaften, zum Beispiel für akustische Anwendungen. Durch die Möglichkeit zur automatischen Überwachung, der in der Spritzgießmaschine durchgeführten Montage, sinkt die Ausschussrate beziehungsweise die Versagensrate im Fertigteil. Doch die Komponenten-Integration auf dem derzeitigen Niveau hat noch nicht die Grenzen der Machbarkeit erreicht. Dieses Potenzial gilt es durch die enge Verzahnung zwischen Produktentwicklern, Werkzeugmachern und Spritzgießtechnikern zu heben.

Über den Autor

Reinhard Bauer