Mit Wasserinjektion zu neuen Leichtbauteilen

Die Spritzgießtechnik ist eine der bedeutendsten Herstellungsverfahren zur Kunststoffverarbeitung. Sie erlaubt die schnelle und wirtschaftlich effiziente Fertigung großer Stückzahlen mit hoher Gestaltungsfreiheit und Funktionalität.

Das Verfahren ist auch im Bereich des Leichtbaus etabliert. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Exzellenzclusters MERGE und des Instituts für Strukturleichtbau der Technischen Universität Chemnitz entwickeln nun gemeinsam mit dem Industriepartner PME fluidtec GmbH dieses Verfahren weiter – sie nutzen dabei gezielt Wasser als Hilfsmedium.

Anwendung findet diese sogenannte „Wasser-Injektions-Technik“ (WIT) bereits in der komplexen Bauteilstruktur eines Pkw-Kupplungspedals als Kunststoff-Hohlkörper. Im Vergleich zum herkömmlichen Metallbauteil, einer Blech-Schweißkonstruktion, konnte das Gewicht von 960 Gramm auf 220 Gramm und damit um rund 77 Prozent reduziert werden.

Zudem entfallen aufwendige Prozessschritte wie Stanzen, Biegen, Schweißen und das Aufbringen eines geeigneten Korrosionsschutzes in Verbindung mit den dazugehörigen logistischen Verkettungen. Das neuartige Kunststoff-Kupplungspedal kann wesentlich schneller, effizienter, materialschonender und kostengünstiger gefertigt werden.

Die Chemnitzer Leichtbauer und ihr Forschungspartner präsentieren den Technologiedemonstrator nun vom 28. bis 31. Mai zur Plastpol, der internationalen Fachmesse für Kunststoff- und Gummiverarbeitung, im polnischen Kielce.

Hohlkörperfertigung für geringes Gewicht

Die Wasser-Injektions-Technik (WIT) erlaubt die Herstellung komplexer Hohlkörper im Spritzgussverfahren. Dabei schmilzt im Innern der Maschine eine rotierende Schnecke das Kunststoffgranulat bei Temperaturen zwischen 200 und 300 Grad Celsius, fördert diese flüssige Masse in Richtung des Formwerkzeugs für das Bauteil und spritzt die heiße Kunststoffmasse anschließend unter hohem Druck in die sogenannte Werkzeugkavität, also den Hohlraum der Form, ein.

Während der ersten Prozessphase wird die Kavität komplett mit der heißen Kunststoffmasse gefüllt und der Kunststoff beginnt von außen nach innen zu erstarren. Damit der eigentliche Hohlkörper gefertigt werden kann, kommt in der nachfolgenden Prozess-Phase Wasser zum Einsatz.

Es „spült“ die sogenannte plastische Seele des Bauteils heraus, indem es mit bis zu 230 bar Druck den noch flüssigen Kunststoff aus dem Innern des Bauteils entfernt. Nur seine Außenwandung bleibt erhalten.

Die entfernte Masse wird zur erneuten Verwendung wieder zurück in den Schneckenvorraum der Maschine befördert, sodass kein Abfall entsteht. „Wir können dadurch besonders ressourceneffizient vorgehen und verwerten den Kunststoff zu einhundert Prozent“, erklärt Dr. Jens Emmrich, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Strukturleichtbau der TU Chemnitz.

Nach einer kurzen Nachdruck- und Abkühlphase wird das hohle Bauteil schließlich aus der Maschine entnommen. Für die Fertigung des Kupplungspedals nutzten die Forschungspartner Polyamid 6 mit Carbon- und Glasfaserverstärkung.

„Ein Schuss, ein Bauteil“

Das alles passiert vollautomatisch und in kurzer Taktzeit, wodurch im Falle des Kupplungspedals gegenüber herkömmlichen Fertigungsverfahren die Produktionskosten sowie der Energie-Einsatz um rund 60 Prozent sinken. Dr. Jens Emmrich, fasst die Vorteile so zusammen: „Ein Schuss, ein Bauteil – und das nach 32 Sekunden.“

Die WIT-gefertigten Produkte zeichnen sich durch hohe Formstabilität und Bauteilsteifigkeit bei geringem Gewicht und hervorragendem Design aus. Neben Automotive-Anwendungen findet die Technologie auch Einsatz für die Herstellung von Tragegriffen für Babysitzschalen oder Einkaufswägen, Fluidkanäle oder den Rahmen von Kunststoff-Schubkarren.

Ähnliche Verfahren existieren am Markt auch unter Zuhilfenahme von Gas. Doch Wasser ist im Gegensatz zu Gasen nicht komprimierbar, sodass „die Bauteile eine kompaktere Wandung erhalten und das Verfahren sehr prozessstabil ist“, so Emmrich. Weil die Chemnitzer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zusammen mit der PME fluidtec GmbH dafür Wasser von rund 20 Grad Celsius nutzen, ist bei dem aktuellen Vorgang zunächst noch eine isolierende Luftschicht zwischen Wasser und Kunststoffwand beim „Ausspülen“ des Bauteils erforderlich, denn bei direktem Kontakt der beiden Medien würde der Kunststoff zu schnell erstarren und zu Fehlern bei der Hohlraumbildung führen.

Daher arbeiten die Projektpartner aktuell an einer Weiterentwicklung dieses Verfahrens, um das Anwendungsfeld der Technologie zukünftig noch zu erweitern.

Hintergrund: Polnische Leitmesse „Plastpol“

Die Leitmesse der Kunststoffbranche in Polen mit Ausstrahlungskraft auf Mittel- und Osteuropa findet bereits zum 23. Mal statt.

Zur diesjährigen Plastpol erwarten die Veranstalter über 800 internationale Ausstellerinnen und Aussteller, die Produktneuheiten der in Kunststoffindustrie gegenüber rund 19.000 Fachbesucherinnen und -besuchern präsentieren.

Führende Unternehmen aus der Kunststoffverarbeitung präsentieren vom 28. bis 31. Mai 2019 Maschinen und Anlagen, Formen und Werkzeuge sowie eine Vielzahl an Kunststoffen, Kunststofferzeugnissen, Recyclingtechnologien, IT-Lösungen speziell für die Kunststofffertigung und Verpackungstechniken. In parallel zur Messe stattfindenden Konferenzen, Fachseminaren, Workshops und Vorträgen erwarten die Besucherinnen und Besucher neue Systemlösungen sowie technologische Weiterentwicklungen und Trends der Branche.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr.-Ing. Jens Emmrich, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Strukturleichtbau, Telefon: +49 371 531 37963 E-Mail jens.emmrich@mb.tu-chemnitz.de