Schäumen ohne Trennmittel

Möglichkeiten und Potenziale für die Fertigung von PUR-KomponentenDr.-Ing. Florian Meyer, FRIMO, Lotte, Deutschland

Seit Beginn des industriellen Einsatzes von Polyurethan stellt das Thema „Trennmittel" die Verarbeiter immer wieder vor neue Herausforderungen. Hierfür bietet Frimo nun eine nachhaltige und zukunftsorientierte Lösung. Das serienfähige PURe Liner Konzept ermöglicht den kompletten Verzicht auf die üblichen Trennmittel und bietet gleichzeitig enorme Einsparpotenziale.

Reaktionskunststoffe wie Polyurethane oder auch Epoxidharze und ungesättigte Polyesterharze weisen eine extrem starke Haftung zu metallischen Werkzeugwerkstoffen wie Stahl oder Aluminium auf. Die Verarbeitung solcher Kunststoffe erfordert somit seither geeignete Maßnahmen zur zerstörungsfreien Bauteilentformung. Hierzu gibt es unterschiedliche Ansätze.

Ein klassischer Ansatz sind die sogenannten „Einmaltrennschichten", auch bekannt als „Trennmittel". Hier wird in der Regel ein wachshaltiges Fluid als Schutzfilm auf die Werkzeugoberfläche aufgetragen.

Permanente Trennschichten sind fest mit der Werkzeugoberfläche verbunden und verhindern eine Adhäsion des Reaktionskunststoffes. Solche Trennschichten können beispielsweise aus PTFE (klassische Teflon-Beschichtung) bestehen. Eine jüngere Methode der Antihaft-Beschichtung ist die Aufbringung permanenter Trennschichten mittels Plasmapolymerisation. Hier werden in einem Niederdruckplasma Gradientenschichten aus unterschiedlichen Monomeren auf der Werkzeugoberfläche erzeugt, die auf der einen Seite eine sehr gute Haftung zum Werkzeugmaterial (Siloxane), auf der anderen Seite eine besonders geringe Adhäsionskraft zum Polyurethan aufweisen (Ethylengruppen) [1]. Diese Beschichtung wird beispielsweise auch für die Produktion von Sprühhäuten eingesetzt.

Interne Trennmittel werden den Reaktionskunststoffen als Additiv zugegeben, wandern dann innerhalb der Formmassen an deren Grenzflächen und erzeugen hier die Trennwirkung. Allerdings haben diese internen Zusätze ihr eigenes Eigenschaftsprofil. So ist ein Einfluss auf die Materialeigenschaften des Polyurethan-Systems über die gewünschte Trennwirkung hinaus nicht auszuschließen.

Ein Beispiel für eine semi-permanente Trennschicht ist das „Folien"-Verfahren. Hier wird eine dünne Folie aus Polyethylen auf die Kavitäten-Oberfläche aufgebracht, die den direkten Kontakt zwischen PUR und Werkzeug verhindert. Solche Folien können in der Regel nur ein Mal benutzt werden.

Zu den Nachteilen der Einmaltrennschichten gehören neben den vergleichsweise hohen Investitionskosten auch der erhebliche personelle Aufwand und die laufenden Kosten für den Trennmittelauftrag nach jedem „Schuss". Aufwändige Reinigungsvorgänge am Werkzeug, der Anlage, der gesamten Peripherie und der Umgebung sind notwendig. Absaugeinrichtungen zum Schutz der eigenen Mitarbeiter müssen betrieben und gewartet werden. Zur Einhaltung der TA Luft sind entsprechende Filteranlagen zu installieren. Aufgrund von Trennmittelanhaftungen an den Bauteilen sind vor einer weiteren Verarbeitung Nacharbeiten erforderlich. Reste von Trennmittel bereiten insbesondere Probleme beim anschließenden Kaschieren oder Lackieren von Bauteilen. Bei Galvanowerkzeugen mit einer Narbung neigen Trennmittel dazu, sich mit der Zeit in der Narbung abzusetzen, so dass die Werkzeugoberflächen regelmäßig grundlegend gereinigt werden müssen.
Permanente Trennschichten sind stets werkzeuggebunden. Dies bedeutet, dass bei Beschädigungen der Beschichtung das komplette Werkzeug aus dem Prozess genommen und zur Neubeschichtung bzw. Reparatur gebracht werden muss. Dies führt neben den Reparaturkosten zu längeren Produktionsunterbrechungen und somit zu finanziellen Einbußen.

Die optimale Trennschicht

Die Anforderungen an eine optimale Trennschicht können, wie folgt, zusammengefasst werden:

 

Niedrige Entformungskräfte erlauben eine beschädigungsfreie Entnahme des Bauteils aus dem Werkzeug. Um die Bauteile über einen längeren Zeitraum komfortabel entnehmen zu können, soll die Trennwirkung möglichst lange anhalten. Das Trennsystem muss einfach in der Handhabung sein, so dass es auch ohne den Einsatz von Robotern (z. B. beim Auftragen von Trennmittel) reproduzierbare Ergebnisse liefert. Einflüsse auf nachgeschaltete Prozesse, wie sie durch Trennmittelreste beispielsweise beim anschließenden Lackieren oder Kaschieren mit Kleber auftreten können, sollen vermieden werden. Wenn Oberflächenstrukturen durch die Werkzeugoberfläche auf das Bauteil übertragen werden sollen, müssen Strukturen wie z. B. Narbungen über die gesamte Produktionszeit reproduzierbar exakt abgebildet werden. Sämtliche zusätzliche Reinigungsschritte am Bauteil sowie am Werkzeug, der Anlage und der Umgebung sollen vermieden werden. Neben der Einhaltung von Gesundheits- und Arbeitsschutz-Richtlinien für die Mitarbeiter ist auch auf die Einhaltung von Umweltschutz-Vorschriften (z. B. TA Luft) zu achten. Insofern ist eine Trenn-Technologie ohne Sprühnebel, Lösungsmittel etc. anzustreben. Nicht zuletzt soll der Prozess robust und stabil sein.

Der PURe Liner erfüllt diese Forderungen und bietet erstmals die Möglichkeit, vollständig auf Trennmittel zu verzichten. Darüber hinaus wurde der Gesamtprozess so ausgelegt, dass sich zusätzlich ein erhebliches Potenzial für weitere Einsparungen ergibt.

Das PURe Liner Prinzip


Der PURe Liner ist ein semi-permanenter Werkzeuginliner aus einem selbsttrennenden Kunststoff-Compound. Dieses von der Firma Kunststofftechnik Wiesmayer GmbH in Neustadt patentierte Verfahren wurde von Frimo hinsichtlich des Frontschäumens (partielles Hinterschäumen von eingelegten Trägern) von Polyurethanen weiterentwickelt. Der neuartige PURe Liner erlaubt aufgrund der speziellen Materialzusammensetzung niedrige Entformungskräfte und verbleibt nach Entformung in der Kavität.

Bild_1_links_UnterteilBild_1_rechts_PUReLiner_01PURe Liner

 

Der im Spritzgießverfahren ausgeführte PURe Liner ist so dimensioniert, dass er (Bild 1) vollflächig in die Werkzeugkavität eingelegt und in Position gehalten wird.
Durch den Einsatz dieses innovativen Konzeptes kann neben einer Trennmittelstation noch erheblich an Zykluszeit, Personalaufwendungen und weiteren Investitionen eingespart werden. So können je nach Projekt ein oder mehrere Werkzeuge entfallen. Der gesamte Prozess zur Abstimmung eines Trägers und des Trennmittels auf das eingesetzte PUR-System sowie die weiteren Verarbeitungsschritte werden minimiert.

Das System ist bereits erprobt und erzielt beispielsweise beim Frontschäumen Standzeiten von mehr als 500 Zyklen. Grundsätzlich ist der Prozess außerordentlich robust. Auch wenn der Liner einmal durch unsachgemäße Behandlung beschädigt werden sollte, ist die Trennwirkung nach wie vor vorhanden. Der PURe Liner ist dann schnell und unkompliziert in rund 15 Sekunden austauschbar.

 

Bild_2_Inliner Bild 2: Einfacher Austausch des Inliners

Wird im Laufe eines Projektes die Geometrie eines Trägerteils geringfügig geändert, erlaubt das PURe-Liner-Konzept unter Umständen kostengünstige Anpassungen der entsprechenden Geometrie auf der Werkzeugseite. Hier müssen ggf. nicht mehr alle Schäumwerkzeuge geändert werden, sondern lediglich das Spritzgießwerkzeug für den Liner. Änderungen sind so auch vergleichsweise einfach wieder rückgängig zu machen. Es ist sogar eine Variantenfertigung denkbar (kleinere Durchbrüche etc.), die sich nur auf die Geometrie des PURe Liner  auswirkt.

Ein herausragender Vorteil des PURe Liner besteht darin, direkt im Spritzgießprozess eine Oberflächenstruktur aufzubringen, die sich dann auf das Polyurethanbauteil überträgt. Dies kann zum Beispiel eine sogenannte Kaschiernarbung oder auch eine technische oder lederartige Narbung sein.

Der PURe Liner ersetzt jedoch nicht nur Trennmittel oder permanente Trennschichten, sondern wirkt auch als Werkzeugdichtung. So treten in der Praxis wesentlich weniger Leckagen und weniger Überschäumungen auf, was sonst übliche Nacharbeiten reduziert.

Sauber und dazu noch kostengünstiger


Jeder PURe Liner wird projektbezogen individuell entwickelt. Diese Entwicklung beinhaltet je nach Anforderungen des zu fertigenden Bauteils

  • Härte / Elastizität / Steifigkeit des PURe-Liner- Werkstoffs
  • Fließvermögen / Setzverhalten
  • Temperaturresistenz, -dehnung
  • Schwindung / Verzug
  • Wanddicken
  • Dichtflächen, Entlüftung
  • Oberflächenstruktur
  • Geforderte Bauteiltoleranzen


Das Gesamt-Einsparpotenzial ergibt sich unter anderem aus dem Entfall von trennmittelbedingten Betriebskosten und umfangreichen Nacharbeiten.
Für den Kunden fällt einmalig der Aufwand für die Entwicklung und das Ausrüsten der Werkzeuge an. Der Nachschub an PURe Linern für die laufende Produktion wird über eine Servicepauschale sichergestellt.

Das folgende Beispiel einer groben und vereinfachten Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zeigt das enorme Einsparpotenzial durch den Einsatz eines PURe Liner: Eine beispielhafte Armlehne wird mit 6.000 Stück pro Tag an 220 Tagen im Jahr produziert. Das Projekt läuft 7 Jahre. Es werden 34 Kavitäten eingesetzt.

Allein durch Wegfall der trennmittelbedingten Betriebskosten (laufende Kosten) ergibt sich ein Einsparpotenzial bei den angepassten Betriebskosten über die gesamte Laufzeit in Höhe von ca. 2 Mio Euro. Die entfallenden trennmittelbedingten Investitionskosten summieren sich zu rund einer Viertelmillion Euro. Dem gegenüber stehen die Kosten für das PURe Liner System von ca. 200.000 bis 500.000 Euro. Daraus ergibt sich ein Kostenvorteil für den Kunden über die Laufzeit des Projektes von rund 1,7 bis 2 Mio Euro.

Frimo ermittelt gemeinsam mit dem Kunden das Gesamt-Einsparpotenzial im Rahmen eines projektspezifischen Kostenszenarios. Dieses ergibt sich unter anderem aus dem Entfall von trennmittelbedingten Betriebskosten sowie umfangreichen Nacharbeiten. Die bisherigen Referenzen zeigen, dass Einsparungen von bis zu 20 % der Projektkosten gegenüber dem herkömmlichen Prozess möglich sind.

Anwendungsbeispiele zeigen die Benefits


Die folgenden Beispiele zeigen einige der prozessbedingten Vorteile des PURe-Liner-Systems.
Bei der frontgeschäumten Armlehne in Bild 3 ist der Nutzen der hervorragenden Dichtwirkung zwischen Träger und Kavität zu erkennen. Es können sowohl dekorative Oberflächenstrukturen als auch beispielsweise eine Kaschiernarbe eingebracht werden.

Bild_3_ArmlehneBild 3: Armlehne mit Narbung
Neben unterschiedlichen Möglichkeiten der Oberflächennarbung erlaubt der PURe Liner auch gezielt matte Oberflächen darzustellen. In Bild 4 ist darüber hinaus die Möglichkeit dargestellt, Durchbrüche zu realisieren.

Bild_4a_frontgeschaeumt_mit_DurchbruchBild_4b_frontgeschaeum_mit_DurchbruchBild 4: Frontgeschäumtes Bauteil mit Durchbruch

Mit dem PURe Liner können auch großflächige Bauteile wie Sprühhäute produziert werden. Bild 5 zeigt oben den PURe Liner und unten die Sprühhaut. Da sich keine Trennmittelreste in der Narbe ablagern, bleibt das im Bauteil erzeugte Narbbild über die gesamte Lebensdauer des PURe Liner präzise erhalten.

 

Bild_5_PURe_Liner
Bild_5_Spruehhaut Bild 5: PURe Liner(oben) für die Herstellung einer Sprühhaut(unten)

PURe Liner punktet vor klassischen Methoden
Verglichen mit den eingangs dargestellten „klassischen" Trennmethoden bietet der PURe Liner eine Reihe von Vorteilen:

  • Kein Einsatz von Trennmitteln
  • Niedrige Entformungskräfte
  • Dauerhafte / langanhaltende Trennwirkung
  • Keine Trennmittelreste auf Träger- und Bauteiloberfläche
  • Schneller und einfacher Austausch des PURe Liner während des Prozesses
  • Minimierter Reinigungsaufwand am Bauteil und am Werkzeug
  • Einbringen von Oberflächenstrukturen möglich
  • Kaum Einfluss von Beschädigungen des PURe Liner auf Trennwirkung
  • Keine Maßnahmen zum Schutz der Mitarbeiter notwendig
  • Keine Maßnahmen zum Umweltschutz erforderlich


Der Einsatz des PURe Liner ermöglicht einen robusten und großserientauglichen Prozess, der eine hohe Produktivität bei verbesserter Teilequalität bietet. Aufgrund der geringen laufenden Kosten und einem reduzierten Investitionsaufwand für die Produktionslinie ergibt sich ein sehr hohes Einsparpotenzial. Dies führt zu geringeren Herstellkosten für jedes einzelne Bauteil über die gesamte Projektlaufzeit.
Das PURe-Liner-System wird bereits von mehreren Systemlieferanten in der Automobilindustrie in der Serienfertigung eingesetzt und übertrifft die Erwartungen hinsichtlich der gestellten technischen und wirtschaftlichen Anforderungen.
Ein nachträgliches Umrüsten vorhandener Anlagen ist möglich und wirtschaftlich umsetzbar.

Die Entwicklung geht weiter

Das PURe-Liner-Verfahren ist nicht nur für das Frontschäumen von eingelegten Trägern geeignet, sondern bietet sich auch für diverse andere Anwendungen aus Weichschaum wie Sitzpolster oder Kopfstützen, aus Integralschaum, wie Lenkräder und Schaltknäufe oder auch energieabsorbierende Bauteile wie Stoßfänger, Dämpfer, Puffer, etc. an.

Frimo entwickelt das PURe-Liner-Konzept zusammen mit der Kunststofftechnik Wiesmayer GmbH intensiv weiter und nutzt hierzu auch die Möglichkeiten des Frimo TechCenters. Ein spezielles Erprobungs-Werkzeug, das mit den unterschiedlichsten Rohstoffsystemen beaufschlagt werden kann, steht für kundenspezifische Prozessuntersuchungen im TechCenter zur Verfügung.

 

Bild_6_Versuchswerkzeug Bild 6: PURe-Liner-Versuchswerkzeug im Frimo TechCenter

 

Literatur
[1] Vissing, K.; Plasmapolymere Trennschichten für die PUR-Verarbeitung, PUR Forum 2011, KUZ Leipzig