Mit Wasserinjektion zu leichteren Kunststoffteilen

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Dass sich mit Wasser als Hilfsmedium Spritzgießteile erheblich stabiler und leichter machen lassen, zeigt die TU Chemnitz mit einem Kupplungspedal.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Exzellenzclusters Merge und des Instituts für Strukturleichtbau der Technischen Universität Chemnitz entwickeln gemeinsam mit dem Industriepartner PME fluidtec GmbH das Spritzgießen weiter und 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.

77 Prozent leichter als herkömmliche Blechkonstruktionen

Im Vergleich zum herkömmlichen Metallbauteil, einer Blech-Schweißkonstruktion, konnte das Gewicht von 960 g auf 220 g und damit um rund 77 % reduziert werden. Zudem entfallen gegenüber den üblichen Metallteilen 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.

Hohlkörper für geringes Gewicht

Die Wasser-Injektions-Technik (WIT) erlaubt die Herstellung komplexer Hohlkörper im Spritzgussverfahren. Beim Einspritzen des Kunststoffs ins Werkzeug 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.

60 Prozent weniger Energieeinsatz

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 % 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.

Interessante Anwendungen auch außerhalb der Automobilindustrie

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.

gk

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