Automotive 30.05.2017 1 Bewertung(en) Rating

Immer häufiger im Auto: Schäume aus Polypropylen

Bei einer Batteriebox für die Start-Stop-Technik im Automobil konnten Kunststoffexperten das Gewicht dank einer Materialänderung von Polyamid auf Polypropylen um fast 25 % senken. Mit Hilfe eines Schaumverfahrens ließ sich das Gesamtgewicht um weitere 10 % reduzieren.

 - Mithilfe eines K-Tech Checks von Pöppelmann konnte diese Batteriebox besonders leicht und gleichzeitig funktional produziert werden.
Mithilfe eines K-Tech Checks von Pöppelmann konnte diese Batteriebox besonders leicht und gleichzeitig funktional produziert werden.
Pöppelmann

Ein Automobilzulieferer wandte sich an den Kunststoffverarbeiter Pöppelmann, um ein neues Konzept für die sichere Befestigung und Umhausung einer Start-Stop-Batterie eines Fahrzeuges zu entwickeln. Die Anforderungen waren die Befestigung an der Karosserie und eine schnellere und sicherere Montage der Batterieeinheit. Die Hauptzielvorgabe bestand in geringen Kosten und reduziertem Bauteilgewicht. Die Anforderungen des Kunden waren also klar definiert, und hier begann für die Experten von Pöppelmann der dort so genannte K-Tech Check.

Mit dem K-Tech Check bietet Pöppelmann seinen Kunden bei der Bauteilentwicklung neue Möglichkeiten bei Gewichtsreduzierung und Kosteneinsparungen. Jede Kundenanfrage wird dabei auf die Parameter Material, Konstruktion, Werkzeug und Prozess überprüft.

FEM-Analyse: Polypropylen ersetzt Polyamid

Angewandt auf die Batteriebox führte dies zu einer etwas überraschenden Lösung: Bei der Bewertung des Bauteillastenheftes und der nachfolgenden FEM-Berechnungen zeigte sich, dass das bestehende Material, ein Polyamid, durch modifizierte Polypropylen-Materialien substituiert werden kann. Vorteile von Polypropylen sind vor allem die geringere Materialdichte sowie ein geringer Materialpreis.

Auf Basis dieser Ergebnisse der Materialbewertung legten die Experten die Konstruktion des Bauteiles aus. Beispielsweise verstärkten sie für eine sichere und dauerhafte Befestigung die Befestigungsbereiche mit Metallbuchsen und integrierten eine Verrippung. Zudem optimierten sie das Deckelkonzept in Bezug auf die spätere Montage am Band mit einer Clip- bzw. Rastfunktion.

Datenbank aus Materialanalysen

Bauteile wie das Batteriegehäuse sind wegen ihrer Geometrien in der Regel sehr verzugsanfällig. Mit der Mucell-Technik lässt sich der Verzug in der Fertigung deutlich reduzieren. Mucell ist ein Verfahren zum physikalischen Schäumen von Thermoplasten. Durch das Einbringen von Gas als Treibmittel (Stickstoff oder Kohlenstoffdioxid) direkt in die Kunststoffschmelze werden beim Spritzguss im Bauteil mikrozellulare Strukturen gebildet. Eines der stärksten Argumente für Mucell ist die Kombination von technischen und wirtschaftlichen Zielsetzungen. Die Gewichtsreduzierung ist dabei nur ein wesentlicher Vorteil. Stärker überwiegen die funktionellen Vorteile wie die verbesserte Dimensionsstabilität der Formteile. Zudem können Einfallstellen reduziert werden.

 - Der Mucell-Prozess integriert den Einsatz von Gas im superkritischem Zustand (SCF = super critical fluid) und bildet Millionen von mikroskopisch kleinen Bläschen in dünnwandigen Spritzgießteilen (≤ 3mm). Das Herzstück ist ein hochgenaues SCF-Dosiersystem, die das Gas in den Plastifizier-Zylinder einbringen. Ein spezielles Schneckendesign mischt das SCF mit der Polymerschmelze zu einer einphasigen Lösung. Um ein vorzeitiges Schäumen zu vermeiden, ist der Zylinder am vorderen Ende mit einer Verschlussdüse ausgestattet.
Der Mucell-Prozess integriert den Einsatz von Gas im superkritischem Zustand (SCF = super critical fluid) und bildet Millionen von mikroskopisch kleinen Bläschen in dünnwandigen Spritzgießteilen (≤ 3mm). Das Herzstück ist ein hochgenaues SCF-Dosiersystem, die das Gas in den Plastifizier-Zylinder einbringen. Ein spezielles Schneckendesign mischt das SCF mit der Polymerschmelze zu einer einphasigen Lösung. Um ein vorzeitiges Schäumen zu vermeiden, ist der Zylinder am vorderen Ende mit einer Verschlussdüse ausgestattet.
Trexel

Doch bis heute gibt es seitens der Polymerhersteller keine Angaben bezüglich des Einflusses von Gas in Hinsicht auf den Schäumprozess. Dies ist allerdings notwendig, um einen passenden Polymer-Typ zu identifizieren. Denn bedingt durch die Gasinjizierung weichen die mechanischen Kennwerte der Materialdatenblätter ab.

Pöppelmann K-Tech hat deswegen eigene Bewertungen durchgeführt und verfügt über eigene Materialmuster in Mucell. Die Kunststoffverarbeiter aus Lohne können auf eine große Datenbank aus den Materialanalysen zurückgreifen und haben somit von Anfang an das richtige Material zur Hand. In Bezug auf die Batteriebox konnten die Kunststoffexperten ein geeignetes Polypropylen finden.

Die passende Werkzeugtechnik

Aufbauend auf den umfangreichen Erfahrungen mit Mucell wurde das Bauteil von Anfang an Mucell-gerecht konstruiert und das Werkzeug in der eigenen Entwicklungsabteilung auf diesen Prozess abgestimmt, vor allem in Bezug auf Ausbringungsmenge sowie Kühlung. Die Kühlung ist wichtig, um einen stabilen und schnellen Fertigungszyklus halten zu können. Zudem unterstützen unterschiedliche Sensoren im Werkzeug die absolute Reproduzierbarkeit der Prozessparameter. Immer wichtiger werden zudem Füll- und Verzugssimulationen. Sie helfen bereits in der Konzeptphase des Werkzeuges, die richtige Performance zu finden.

Im Ergebnis konnten die Kunststoffexperten von Pöppelmann K-Tech aufgrund der Materialänderung von Polyamid auf Polypropylen das Materialgewicht um fast 25 % senken. Und mit Hilfe von Mucell ließ sich das Gesamtgewicht um weitere 10 % reduzieren. Aufgrund des geringeren Verzuges erreichte das Werkzeug zudem deutlich schneller die Serienreife. Zudem konnte dank der Expertise im Bereich Mucell die Projektlaufzeit deutlich verringert werden. Am wichtigsten war aber, dass für den Kunden ein Batteriegehäuse realisiert wurde, das mit der Batterie einfach, sicher und störungsfrei an der Karosserie verbaut werden kann.

mg

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