UNTERNEHMEN & MÄRKTE

Elektronikgehäuse mit angespritzem Stecker.

Vorteile von hybriden DruckgussSpritzguss-Komponenten VON MARC FUCHS, WALDSTATT, SCHWEIZ

Der Begriff Hybrid erinnert zunächst an den Motorenbau und nicht an einen Werkstoffverbund. In den vergangenen Jahren wurde dieser Begriff jedoch vermehrt auch in der Verfahrenstechnik verwendet, auch wenn im Detail jeweils unterschiedliche Inhalte angesprochen werden. Bei der Wagner AG, Waldstatt, Schweiz, wird unter Hybrid folgendes verstanden: > Druckgussbauteile, welche mit Kunststoff um-, hinter- oder angespritzt werden, > durch Wagner entwickelte, spezielle metallische Einlegeteile, welche mit Kunststoff umspritzt werden oder

78

UM_05_02.indd 78

> durch Wagner gegossene und zu einer Baugruppe montierte Druckguss- und Spritzgussteile.

Verfahrensbedingte Vorteile Die Vorteile von hybriden Komponenten ergeben sich teilweise alleine schon durch die Urformprozesse Druck- und Spritzgießen ­(Tabelle 1). Hier sind vor allem die Themen Bauteilgestaltungsfreiheit, Prozesssicherheit und -stabilität sowie die niedrigen Bauteilkosten zu erwähnen. Das Spritzgießen ist bei der Bauteilgestaltungsfreiheit und Prozesssicherheit dem Druckgießen im allgemeinen etwas überlegen, da die werkzeugbedingten Prozesseinflüsse beim

Spritzgießen nicht einen so großen Einfluss haben wie beim Druckgießen. Ebenso sind die Bauteilkosten beim Spritzgießen im allgemeinen niedriger, da nachgelagerte Prozessschritte wie z. B. Stanzen, Strahlen und die mechanische Bearbeitung oft nicht notwendig sind. Weitere Veredelungsmöglichkeiten bieten beide Verfahren. Die Farbgebung ist nur beim Spritzgießen im Urformen durch Zugabe von Kunststoffadditiven, sogenannten Masterbatches, möglich. Beim Druckgießen muss die Farbgebung der Teile durch eine nachgelagerte Beschichtung realisiert werden. Dafür kann beim Druckgießprozess Recyclingmaterial besser genutzt werden. Angüsse und Ausschussteile können in der Regel inhouse ohne qua-

Giesserei 98 05/2011

02.05.11 12:12

litative Einbußen wieder recycelt werden, während beim Spritzgießen nur bedingt recyceltes Material verwendet werden darf – und wenn, dann nur in einem definierten Verhältnis zu Neumaterial.

Werkstoffbedingte Vorteile Um weitere Vorteile von hybriden Bauteilen zu evaluieren, müssen die spezifischen Werkstoffeigenschaften genauer unter die Lupe genommen werden. In Tabelle 2 sind diese für die verfahrenstypischen Materialien AlSi9Cu3 (226) und Polyamid 66 ­(PA 66) gegenübergestellt. Die Dichte ist bei PA66 nur halb so groß wie bei der Aluminiumlegierung 226. Hier wird klar ersichtlich, dass der Kunststoff bei einem hybriden Bauteil zur Gewichtsreduktion beitragen kann. Die Zugfestigkeit von 80-90 N/mm2 bei PA66 beträgt nur ein Drittel der 226er-Legierung und würde ein hybrides Bauteil aus beiden Werkstoffen deutlich schwächen. Eine ausgeprägte Streckgrenze, welche bei Metallen den Übergang zwischen elastischer und plastischer Verformung angibt, gibt es bei PA66 so nicht. Ist aber ein Vergleichswert nötig, so kann die technische Elastizitätsgrenze im Spannungs-Dehnungs-Diagramm mittels 0,1 % Abweichung der Linearität ermittelt werden, was einem Wert von ca. 35-40 N/mm2 bei einem mittlerem Wassergehalt von ca. 2,6 % entspricht. Die Bruchdehnung oder Reißdehnung (Fachbegriff aus dem Kunststoffbereich) von PA66 ist um etwa den Faktor 60 höher als bei der 226er-Legierung. Eine Eigenschaft, die bei hybriden Bauteilen z. B. als Dämpfungsfunktion genutzt werden kann. Der EModul liegt bei PA66 mit einem Wert von 1,6-2,1 kN/mm2 auf einem sehr niedrigen Wert. Das bedeutet, dass PA66 ohne Verstärkung durch z. B. Glasfasern für mechanisch belastete Bauteile nur mäßig geeignet ist. Die Wärmeleitfähigkeit von PA66 liegt um etwa den Faktor 500 niedriger als die der 226er-Legierung und kann somit bei einer Hybridanwendung wärmeisolierende Funktionen übernehmen (zum Vergleich: Die Wärmeleitfähigkeit der beim Zink- und Leichtmetalldruckgießen ein­ gesetzten Legierung 1.2343 liegt bei ­28-30­  ­W­/­mK, bei Sonderstählen bis ­60 W­/mK). Der Formschwund ist bei PA66 deutlich höher als bei der 226er-Legierung und muss beim Hinterspritzen von Einlegeteilen berücksichtigt werden. Bei großen Flächen ist daher der Einsatz von Verankerungen oder Haftvermittlern nötig. Beim Vergleich der Dauergebrauchstemperaturen wird klar, dass ein hybrides Bauteil aus diesen beiden Werkstoffen z. B. im Pkw-Motorraum nicht zur Anwendung kommen darf. Der sehr niedrige Wert bei der elektrischen Leitfähigkeit von PA66 zeigt, dass

Tabelle 1: Verfahrensbedingte Vorteile von Druck- und Spritzguss. Eigenschaft

Druckguss Spritzguss

Bauteilgestaltungsfreiheit

Hoch

Sehr hoch

Prozesssicherheit und –stabilität

Hoch

Sehr hoch

Bauteilkosten

Niedrig

Sehr niedrig

Möglichkeiten zur Veredlung

Gut

Gut

Farbgebung

Schlecht

Sehr gut

Redyclierbarkeit

Sehr gut

Mäßig

Tabelle 2: Werkstoffeigenschaften von 226 und PA66

Eigenschaft

AlSi9Cu3(226)

PA 66

Dichte

2,68 g/cm

1,14 g/cm3

Zugfestigkeit

240-350 N/mm2

80-90 N/mm2

Streckgrenze (techn. Elastizitätsgrenze)

150- 220 N/mm

(ca. 35-40 N/mm2)

Bruchdehnung (Reißdehnung)

2-5 %

120-220 %

E-Modul

70-72 kN/mm

1,6-2,1 kN/mm2

Wärmeleitfähigkeit

110-130 W/mK

0,2 W/mK

Formschwund

0,4-0,6 %

1,2-2 %

Dauergebrauchstemperatur bis

400-450 °C

80-100 °C

Elektrische Leitfähigkeit

20 MS/m

1012 S/m

Korrosionsbeständigkeit

Mäßig

Sehr gut

UV-Beständig keit

Sehr gut

Mäßig

3

2

2

dieser Werkstoff neben wärmeisolierenden auch elektrisch-isolierende Eigenschaften hat, die in gewissen Hybridanwendungen von Nutzen sein können. PA66 hat gegenüber der 226er-Legierung aber auch den Vorteil, dass es nicht korrodiert, dafür aber nur mäßig gegen UV beständig ist und somit bei Anwendungen im Außenbereich nur bedingt optischen Ansprüchen genügt.

KURZFASSUNG: Unter hybriden Komponenten werden bei der Wagner AG speziell gefertigte metallische Einlegeteile verstanden, welche mit Kunststoffteilen kombiniert werden. Neben den allgemeinen Vorteilen, welche die Verfahren Druckgießen und Spritzgießen mit sich bringen, sind die Funktionsintegration sowie die Gewichts- und Kostenreduktion Haupttreiber bei der Entwicklung solcher hybrider Komponenten. Um die Kunststoff- und Metallkomponenten zu verbinden, werden bei Wagner die Prozesse Montage und Hinterspritzen ausgeführt. Beim Hinterspritzen wird dabei zwischen einem formschlüssigen und stoffschlüssigen Verbund unterschieden. Während beim formschlüssigen Verbund der Zusammenhalt der Komponenten durch hinterschnittige Bereiche erzielt wird, müssen hierzu beim stoffschlüssigen Verbund Haftvermittler (Primer) eingesetzt werden.

Vorteile von hybriden Bauteilen Abgeleitet von den verfahrens- und werkstoffspezifischen Vorteilen ergeben sich Vorteile, die gleichzeitig auch die Treiber der Entwicklung hybrider Komponenten sind: > Funktionsintegration: Eigenschaften, die dem metallischen Teil fehlen, können durch den Kunststoffteil ergänzt und somit die Funktionalität der Baugruppe erhöht werden. So können Kunststoffe z. B. als thermisch oder elektrisch isolierende Schicht, als Dämpfmaterial, als Gleitpartner, als Korrosionsschutz oder als dekorativer Anteil in einem Hybridbauteil zur Anwendung kommen, um nur einige Anwendungen zu nennen. > Gewichtsreduktion: Wie Tabelle 2 zeigt, liegt die Dichte der Kunststoffe, auch wenn sie z. B. mit Glasfasern verstärkt sind, deutlich unter der Dichte von Metall und kann somit in der Hybridstruktur zur Gewichtseinsparnis beitragen.

> Kostenreduktion: Oft kann durch die Verlagerung von zusätzlichen Funktionen ins Bauteil der Aufwand in einem späteren Wertschöpfungsschritt, zum Beispiel durch vereinfachte Montageprozesse, re-

UM_05_02.indd 79

Giesserei 98 05/2011

79 28.04.11 14:34

UNTERNEHMEN & MÄRKTE

duziert werden. Damit können die Kosten für den Kunden gesenkt werden. Leider lassen sich nicht alle Metalle mit allen Kunststoffen zu einem nutzbringenden hybriden Bauteil verbinden. Bei dessen Entwicklung müssen die Einsatzbedingungen ganz genau bekannt sein und die mechanischen, elektrischen und thermi-

schen Eigenschaften der beiden Werkstoffpartner müssen für die spezifische Anwendung abgestimmt sein. Des Weiteren muss sehr genau bedacht werden, wie die Hybridkomponente am wirtschaftlichsten hergestellt werden kann. Einer der wichtigsten Punkte z. B. beim Umspritzen von metallischen Einlegeteilen ist die Genauigkeit der Einlegeteile, da-

Verbund

Hinterspritzen

Kleben

Montieren

Metall auf Kunststoff (integrierter Prozess)

Kunststoff auf Metall (integrierter Prozess)

Kunststoff auf Metall (Einlagen)

Formschlüssig

Stoffschlüssig

Einsatz von Haftvermittlern Bild 1: Metall-Kunststoff-Verbundmöglichkeiten.

mit das Werkzeug prozesssicher am Einlegeteil abdichtet und der Kunststoff nicht undefiniert hinterspritzt. Da in einem Vielfach-Druckgießwerkzeug keine Kavität maßlich wie die andere ist, gibt es folgende Möglichkeiten, um eine prozesssichere Herstellung zu gewährleisten: > den Einsatz von flexiblen Dichtelementen im Spritzgießwerkzeug, > den Einsatz eines Einfach-Druckgießwerkzeuges anstelle eines Vielfach-Werkzeuges, > die mechanische Bearbeitung des Einlegeteils.

Metall-KunststoffVerbundmöglichkeiten Unabdingbar bei der Entwicklung von hybriden Komponenten ist das Abschätzen der Grenzen und Grenzwerte dieser Verbindungen. Beim Hinterspritzen variieren diese Grenzen sehr stark, ob man einen Formschluss, also eine Verbindung über ein Verbindungsteil, oder einen Stoffschluss, also eine Verbindung über atomare oder molekulare Kräfte, realisiert. Sinnvoll ist auch, über alternative Verbundmöglichkeiten nachzudenken (Bild 1). Um einen Hybriden herzustellen, gibt es mehrere Möglichkeiten. Da sind zum einen

Die zuverlässige Lösung Für Experten in der Metallanalytik

Efficient TECHNOLOGIES Technologische Effizienz wird bei uns großgeschrieben. Entdecken Sie innovative Ofensysteme mit überragender Rohstoff-, Energie- und Umwelteffizienz und besuchen Sie uns auf der GIFA 2011. www.zpf-therm.de

80

UM_05_02.indd 80

GIFA 2011 28.6.- 02.7. 2011 Halle 10 - E58

Die Technologie von Oxford Instruments liefert exakte Analytik von Fe- und NeMetallen in der Guss-, Primär-, und Sekundärindustrie. Wir freuen uns Sie auf der GIFA in Düsseldorf 28.6. - 2.7.2011 Halle 12, Stand B16 begrüßen zu dürfen

FOUNDRY-MASTER Xpert

• SCHNELL • AKKURAT • ZUVERLÄSSIG

FOUNDRY-MASTER PRO

Stationäre, mobile und tragbare XRF- & OES-Systeme e

NEU!

www.oxford-instruments.com/de E-mail: [email protected]

Giesserei 98 05/2011

28.04.11 14:34

das Kleben und die Montage – hier sind beide Werkstoffpartner in festem Zustand – und zum anderen das Hinterspritzen, bei dem ein Werkstoff in festem und einer in flüssigem Aggregatszustand ist. Hierbei kann zwischen einem integrierten Prozess und konventionellem Hinterspritzen von Einlegteilen unterschieden werden. Am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Aachen ist ein integrierter Hybridprozess entwickelt worden, der es, ähnlich wie beim sogenannten 2K-Spritzgießprozess, erlaubt, niedrigschmelzende Metalle wie Zinn-Zink-Wismut-Legierungen direkt an einer Spritzgießmaschine in Kombination mit Kunststoff zu verarbeiten. So können z. B. metallische Leiterbahnen auf eine Kunststoffplatte gespritzt werden und dies in einem Werkzeug auf nur einer Maschine. Ein ähnlicher Ansatz wird derzeit von einem Forscherteam der RWTH Aachen verfolgt: Was im Bereich Zinkwarmkammerdruckgießen bereits in der Serie im Einsatz ist, soll nun auch für das Aluminiumdruckgießen umgesetzt werden. Neben der Ermittlung der optimalen Prozessparameter für die Herstellung eines inte­ grierten Aluminium-Kunststoff-Hybriden, sollen auch die Möglichkeiten der Nachbehandlung, die Ermittlung der Festigkeit

des stoffschlüssigen Verbunds und die Wirtschaftlichkeit evaluiert werden. Der etablierteste Prozess auf dem Markt ist jedoch das Hinterspritzen eines eingelegten metallischen Körpers. Es ist ein formschlüssiger Verbund anzustreben, da bei stoffschlüssigen Verbünden meist Haftvermittler zur Steigerung der Festigkeit nötig sind. Die Wahl des richtigen Haftvermittlers ist wieder sehr stark von den zu verbindenden Werkstoffpartnern abhängig. Hierbei ist primär die Chemie des Kunststoffes wichtig, denn diese bildet meistens auch die Basis des Haftvermittlers. Bei der Applikation des Haftvermittlers auf den metallischen Einleger kann prinzipiell zwischen der Bandbeschichtung (Coil Coating) und alternativen Verfahren unterschieden werden. Beim Coil Coating wird ein metallisches Blech zunächst durch ein Tauchbad mit Haftvermittler geführt oder lackiert, anschließend ausgehärtet und danach zum gewünschten Einlegeteil umgeformt (z. B. Stanzen und Tiefziehen). Alternative Verfahren kommen dann zum Einsatz, wenn etwas komplexere Geome­ trien oder Bauteile, deren Oberfläche nur partiell mit sogenannten Primern beschichtet werden, zum Einsatz kommen. Steht der Haftvermittler als Lack zur Verfügung, kann er durch Sprühen, Rakeln,

Walzen, Pinseln und Drucken appliziert werden. Kommt der Haftvermittler als Folie zum Einsatz, können verschiedene Kaschiertechniken wie z. B. Kalandrieren oder Heißluftpressen angewendet werden. Ein Kalander ist ein System aus mehreren aufeinander angeordneten beheizten und polierten Walzen aus Schalenhartguss oder Stahl, durch deren Spalten eine Schmelze oder andere Materialien hindurchgeführt werden. Eine Heißluftpresse verfügt über zwei relativ zueinander verfahrbar angeordnete Presskörper mit Austrittsdüsen, die während des Pressvorgangs Heißluft über das Pressgut blasen. Innerhalb der Presskörper ist ein Rohrleitungssystem angeordnet, über das die Heißluft gleichmäßig auf die Austrittsdüsen verteilt wird.

Beispiele von Hybriden und deren Vorteile Das Bild auf S. 78 zeigt eine von der Kolbenschmidt Pierburg AG, Neckarsulm, entwickelte Kühlmittelpumpe, die den Motor elektrisch kühlt – und nicht mechanisch über einen drehzahlgebunden Keilriemen. Diese Pumpe kommt bei einigen 4- und allen 6-Zylinder Reihenmotoren von BMW zum Einsatz.

GIFA Düsseldorf

2 8 . 0 6 - 0 2 . 0 7. 11

H a l l e 16 • S ta n d C 3 5

we are already thinking about their “super finishing“

Gleitschlifftechnik • Strahltechnik

innovative lösungen vom weltmarktführer für oberflächenbearbeitung www.rosler.com UM_05_02.indd 81 Anz_210x148_4c.indd 1

Rösler Oberflächentechnik GmbH • 96190 Untermerzbach • Germany Tel.: +49 / 9533 924-0 • Fax: +49 / 9533 924-300 • [email protected] 28.04.11 14:34 21.01.2011 12:47:05

UNTERNEHMEN & MÄRKTE

Wagner AG: Zulieferer für Bauteile aus Leichtmetall und Hybridwerkstoffen

Bild 2: Dachspitzenhalter mit angespritzter Feder aus POM.

Die 1945 gegründete Wagner AG hat ihren Hauptsitz in Waldstatt, Schweiz. Als Zulieferer unter anderem auch für die Automobilindustrie entwickelt, konstruiert und produziert das Fami­ lienunternehmen mit seinen rund 170 Mitarbeitern rohe, bearbeitete, vormontierte und einbaufertige ­ ­Bau­teile und Komponenten aus Alu­ miniumguss, Zinkdruckguss, Ther­ moplastsp­ritzguss sowie hybriden Kompo­n­enten. Im Druckgussbereich verarbeitet Wagner im Kaltkammerverfahren die Aluminiumlegierungen 231, 226, 239 und Magsimal59, im Warmkammer­ verfahren die Zinklegierung Za­ mak410. Im Thermoplast-Spitzguss­ bereich ist Wagner etwas flexibler in der Verarbeitung der Werkstoffe, da diese als Pellets angeliefert und di­ rekt an der Spritzgießmaschine er­ schmolzen werden. Typische Kunst­ stoffe, welche bei Wagner am häu­ figsten zum Einsatz kommen, sind Polyamide (PA) und Polyoxymethylen (POM) (Bild 3).

Einsatzbedingungen: > Temperaturbeständigkeit -40°C bis 100°C > Sehr gute Korrosionsbeständigkeit > Salzsprühtest > Dehnung vom Grundwerkstoff > 5 % > Gute Gleiteigenschaft der Feder Besonderheit: Aluminiumdruckgussformteil mit hoher Dehnung (Magsimal59). Die Beschichtung des Bauteils erfolgt mit der sogenannten Kathodischen Tauchlackierung (KTL), so wird es unter anderem vor Korrosion geschützt. Anschließend wird das Bauteil formschlüssig mit POM angespritzt.

Fazit und Ausblick Bild 3: Werkstoff-Portfolio bei Wagner AG.

Einsatzbedingungen: > Temperaturbeständigkeit von -40 bis +40 °C > Gehäusedruckdichtheit: 3 Bar Prüfdruck > Spritzwasserfestigkeit Stecker: 0,4 Bar Prüfdruck, zulässige Leckage < 1 ml/min Besonderheit: Formschlüssige Hybrid- statt einer Schraubverbindung zwischen Stecker und Gehäuse.

82

UM_05_02.indd 82

Bild 2 zeigt ein von der Webasto-Edscha Cabrio GmbH, Hengersberg, entwickeltes Dach­system für den Smart 4 two. Dieses System kann mechanisch verstellt werden. Der Dachspitzenhalter soll bei Verstellung das System führen und mit der angespritzten Feder aus Polyoxymethylen (POM) ein mögliches Klappergeräusch verhindern.

Hybride Bauteile ermöglichen es, Funktionen ins Bauteil zu integrieren und die Kosten und das Gewicht zu reduzieren. Der anhaltende Leichtbautrend im Automobilbau wird auch in den nächsten Jahren einer der wichtigsten Treiber für die Entwicklung von hybriden Bauteilen sein. www.wagner-waldstatt.ch Dipl.-Ing. ETH Marc Fuchs, Leitung Verkauf & Engineering Wagner AG, Waldstatt, Schweiz

Giesserei 98 05/2011

02.05.11 12:15