VDI: Fachkonferenz "Kunststoffe in Mechatronik und Polytronik"

Beispiel für eine 3D-gedruckte mechatronische Baugruppe - (Bild: Hahn-Schickard-Gesellschaft).

6.-7. Dezember 2016, Düsseldorf

Die Integration elektronischer, optischer und weiterer Funktionen in Kunststoffe beziehungsweise Kunststoffbauteile eröffnet in zahlreichen Gebieten neue Möglichkeiten. Welche Trends und technischen Entwicklungen es in diesem Bereich gibt und welche Materialien im Fokus stehen, darüber informiert die VDI-Fachkonferenz "Kunststoffe in Mechatronik und Polytronik", die am 6. und 7. Dezember in Düsseldorf stattfindet.

Kunststoffe ermöglichen gegenüber anderen Werkstoffen mit Blick auf die Funktionsintegration eine weit wirtschaftlichere Fertigung. Ob miniaturisierte und gedruckte Sensoren, elektronische und mechatronische Baugruppen, kunststoffgebundene Magnete, Human Machine Interfaces (HMI) oder auch Kunststoffbauteile mit Einlegeteilen – sie haben in zahlreichen industriellen Anwendungen einen festen Platz eingenommen.

Die Vorteile, die der Einsatz von Kunststoffen in diesen Anwendungen mit sich bringt, liegen auf der Hand: "Es sind beispielsweise die Designfreiheit beim 3D-Freiformen und das Miniaturisierungspotential für eine optimale Bauraumnutzung. Aber auch die Vereinfachung des Aufbaus komplexer Baugruppen durch weniger Einzelteile und damit verbunden kürzere Prozessketten, ein geringerer Investitionsbedarf und kürzere Toleranzketten sind ein Punkt. Nicht zuletzt ist es natürlich die Möglichkeit zur Integration von Zusatzfunktionen in vorhandene Produkte", sagt Prof. Dr.-Ing. André Zimmermann von der Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. in Stuttgart und Leiter am Institut für Mikrointegration der Universität Stuttgart. "Entsprechend können konkrete Einsparpotentiale realisiert werden. Die Reduktion der Anzahl an Einzelteilen durch die Funktionsintegration in mechatronischen Baugruppen führt letztendlich auch dazu, dass die Investitionen für Fertigungseinrichtungen gesenkt werden und so eine geringere Anzahl an Assembly-Prozessen nötig ist", so Zimmermann, der als Konferenzleiter durch die Veranstaltung führen wird.

Wärmeleitfähige Gehäuse mit weniger Zusatzstoffen
Über die Herausforderungen bei der Verarbeitung von Compounds mit wärmeleitfähigen Füllstoffen wird Prof. Dr.-Ing. Christian Bonten, Leiter des Instituts für Kunststofftechnik (IKT) der Universität Stuttgart, sprechen. Am IKT ist es in einem aktuellen Forschungsprojekt gelungen, teure Funktions-Zusatzstoffe einzusparen. "Durch gezielt beeinflusste Strömung werden die Zusatzstoffe so orientiert, dass sie sich besser berühren und somit besser wirken können", erklärt Bonten. Am konkreten Beispiel will er auf der Tagung zeigen, dass die Wärmeleitfähigkeit dank intelligenter Orientierung fast verdoppelt werden kann. "Somit kann man mit weniger Einsatz des teuren Zusatzwerkstoffes auskommen und verbessert nicht nur den Preis, sondern sogar die Fließfähigkeit des hochgefüllten Compounds", so Bonten weiter. Vor allem Gehäuse mechatronischer Systeme sind dem Trend der Miniaturisierung der elektronischen Komponenten unterworfen. So sollen beispielsweise LED-Leuchtmittel oder -Scheinwerfer, kompakte elektronische Steuer- und Regelgeräte oder tragbare Elektrowerkzeuge zunehmend kompakter gestaltet werden. Dies führt jedoch zu einem Wärmestau, der die Lebensdauer der Komponenten einschränken kann. Mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit der Gehäuse kann dem entgegengewirkt werden.

"Insgesamt können durch wärmeleitfähige Gehäuse aktive Kühlkomponenten wie beispielsweise Lüfter eingespart werden. Durch den Einsatz von Kunststoff als Gehäusewerkstoff werden die Formgebungsvielfalt und die Funktionsintegration der Kunststofftechnik genutzt und somit werden die Gehäuse zudem weit kostengünstiger als Metallgehäuse. Leider sind Kunststoffe aber Wärmeisolatoren, so dass die Beimengung teurer Zusatzstoffe erforderlich ist. Durch die Vorgehensweise des IKT kann die Beimengung bei gleicher Performance stark reduziert werden", benennt Bonten die möglichen Einsparpotenziale.

Hybridbaugruppenfertigung auf Turnkey-Anlagen

Turnkey-Anlage zur Herstellung eines elektrischen Gaspedals - (Bild: Hehnke GmbH).

Auch Hybridbauteile, insbesondere Kunststoff-Metallkombinationen, erlangen im Hinblick auf Leichtbau und Funktionsintegration immer mehr Bedeutung. Wichtige Funktionselemente in Fahrzeugen sind dabei Sensoren, die Zustände erfassen und blitzschnell auswerten. Die Kunststoffgehäuse für diese Sensoren besitzen meist Metallteile, die in Form von Stanzkontakten in vielen Varianten oder Drehteilen funktionale Aufgaben übernehmen, beispielsweise Befestigungsfunktionen ausführen. "Die Kundenanforderungen an die Bauteilqualität, sowie an temperaturbeständige Hightech-Kunststoffe sind hoch. Entsprechend muss eine hohe Prozesssicherheit gewährleistet werden. Zudem können manuelle Einlegeprozesse am Produktionsstandort Deutschland wirtschaftlich nicht mehr realisiert werden", beschreibt Torsten Herrmann, technischer Geschäftsführer der Hehnke GmbH & Co KG GmbH in Steinbach-Hallenberg, die Situation.

In Düsseldorf wird Herrmann eine vollautomatische Turnkey-Anlage vorstellen, auf der im Spritzgießprozess mit integriertem Stanzprozess Hybridbauteile prozesssicher hergestellt werden. Die Teile durchlaufen zudem eine 100-Prozent-Messung mittels optischer Prüfverfahren sowie einen vollautomatischen Verpackungsprozess.

"Die Vernetzung der Prozesse, sowie die Überwachung und Auswertung der integrierten Managementsysteme stellen dabei eine wesentliche Grundlage zur Prozessstabilität und Rückverfolgbarkeit dar – auch mit Blick auf Industrie 4.0", benennt Herrmann eine wichtige Schlüsselfunktion.

Industrielle Anwendungen für die vernetzte Technik gibt es viele, angefangen beim Spritzgießen auf vollelektrischen Spritzgussmaschinen über die Prozessüberwachung im Spritzgusswerkzeug, das Stanzen von Metallkontakten mit Einpresszonen und 6-Achs-Roboteranwendungen über optisch messende Kamerasysteme bis hin zu vollautomatischen Verpackungssystemen. "Neben einer 100-Prozent-Onlinekontrolle produktspezifischer Merkmale, gehört ein Verkürzen der Zykluszeiten durch die intelligente Verknüpfung der verschiedenen Prozesse sowie die Prozessüberwachung und Rückverfolgbarkeit durch Integration und Vernetzung der Managementsysteme zu den wichtigsten Vorteilen", so Herrmann.

Gemischtzellige Schaumdichtungen für den Miniaturbereich herstellen
In vielen Branchen hat sich die FIP-Dosiertechnologie zum automatischen Auftrag von flüssig bis pastösem Material direkt auf die Bauteile für das Dichtungsschäumen, Verkleben und Vergießen etabliert. Angewendet wird sie beispielsweise im Automobilbereich, bei Beleuchtungen, Verpackungen, Filtern und Haushaltsgeräten sowie in der Klimatechnik und für Photovoltaikmodule. Doch gerade durch das zunehmende Downsizing von Bauteilen wird es immer schwieriger, eine Schaumstruktur stabil zu halten oder überhaupt zu realisieren.

Sonderhoff entwickelte eine Mischkopftechnologie für die Herstellung von Mikrodichtungen - (Bild: Sonderhoff)

Jan-René Klöver ist Anwendungstechniker bei der Sonderhoff Chemicals GmbH in Köln. Er wird über die Entwicklung der Mischkopftechnologie für die Formed In-Place Foam Gasketing Dosierung von Schaumdichtungen aus Polyurethan oder Silikon sprechen. Diese kann für die Abdichtung von größeren Bauteilen wie Schaltschranktüren genutzt werden und ebenso für sehr schmale Schaumdichtungen für kleinformatige Bauteile aus der Mikroelektronik sowie der Telekommunikations- und Medizintechnik. "Ziel ist es, hochsensible Elektronik vor widrigen Umwelteinflüssen zu schützen und einen möglichst langen und störungsfreien Betrieb zu gewährleisten", sagt Klöver.

"Vordergründig erscheint das Dichtungsschäumen mit der Formed In-Place Foam Gasketing Dosiertechnologie einfach zu sein, da es sich weltweit in vielen Industrien für unzählige Anwendungen durchgesetzt hat. Der Schaumbildungsprozesse besteht jedoch aus hockomplexen chemisch-physikalischen Vorgängen. Tieferes Wissen um die Schaumentstehung ist daher notwendig, um auf entscheidende Prozessgrößen wie Gasgehalt, Luftbeladung und Nukleierung, Mischungsverhältnis sowie Stabilisierung der Schaumstruktur besser Einfluss nehmen zu können", erklärt er. Fest steht: Reproduzierbar gleichbleibende Qualitäten können nur bei sicherer Steuerung der Prozessparameter und der darauf abgestimmten Einstellungen an der Zwei- beziehungsweise Mehrkomponenten-Misch- und Dosieranlage erreicht werden.

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