Unnötige Fertigungsschritte im Spritzguss vermeiden

Auf der Suche nach Innovationen ist es schwer, die optimale Lösung auf den ersten Blick zu sehen. Zielführender für die Kunststofffertigung ist es daher, von der Idee bis zur Serienfertigung gleich zu Anfang einen Experten in den Entwicklungsprozess einzubeziehen, der nicht nur Bauteilanbieter, sondern Lösungsanbieter ist. Wie etwa die Spritzgussexperten von Pöppelmann K-Tech, sie durchleuchten bereits zu Beginn alle projektrelevanten Meilensteine wie Material, Werkzeugbau, Konstruktion, Serienprozess. Denn: Je stärker die Projektmeilensteine zusammenpassen, desto hochwertiger ist das Ergebnis. Die Experten des Unternehmens bringen ihr Fachwissen aus dem jeweiligen Aufgabenbereich ein. So entfallen langwierige und aufwendige Abstimmungsprozesse, da von Anfang an auf Basis von Ergebnissen Lösungen erarbeitet werden.

Von der Entwicklung bis zur Serie läuft bei Pöppelmann K-Tech alles unter einem Dach ab, was einen großen Kosten- und Zeitvorteil darstellt. Das Unternehmen verfügt über ein eigenes Projektteam, das sich ausschließlich mit FEM-Berechnungen und Bauteilsimulationen beschäftigt. Eigene Materialdatenbanken unterstützen eine zielgerichtete Simulation. Diese Ergebnisse können parallel für die Bearbeitung kunststoffgerechter CAD-Daten verwendet werden. Ein großer Nutzen für die Kunden: Auf diese Weise lassen sich auch kurzfristig konstruktive Anpassungen an geänderte Bauraum- oder Anforderungssituationen erarbeiten.

Im Produktbeispiel, einem Abstandhalter für ein Fahrassistenzsystem, benötigte ein Kunde ein neues Konzept für die passgenaue, nachträgliche Befestigung des Assistenzsystems. Es handelt sich um ein Radar zur Abstandsregelung im Bereich des Frontends eines Fahrzeugs. Kleinste Abweichungen der Radarposition verfälschen die Angaben über den Abstand des Fahrzeugs zu einem Objekt, weil der Sensor nicht weit genug beziehungsweise zu weit reicht. Deshalb war die Passgenauigkeit beziehungsweise das Einhalten der Toleranzen bei dem Halter sehr wichtig. Eine weitere Kundenvorgabe war die Funktionsintegration: Der Halter sollte sich einfach und schnell an Radar und Karosserie montieren lassen. Weiterhin sollte der Halter für unterschiedliche Fahrzeugmodelle einsetzbar sein.

Eine Arbeitsmethode, die Pöppelmann bei Projekten wie diesem bereits vielfach eingesetzt hat, ist der K-Tech-Check. Hierbei handelt es sich um eine strukturierte Vorgehensweise beziehungsweise ein Hilfsmittel, um bereits in einer frühen Projektphase Verbesserungspotenziale in Bezug auf Kosten und Funktionen aufzudecken. Beim K-Tech-Check überprüfen die Ingenieure des Unternehmens, welche der Fertigungsparameter Material, Konstruktion, Prozess und Werkzeugtechnik ausgewählt und angepasst werden können, um die bestmögliche Lösung für den Kunden zu erstellen.

Jedes Bauteil muss von Anfang an kunststoffgerecht in Relation zum Material ausgelegt werden. Denn erst wenn das Material hundertprozentig zur Konstruktion passt, entsteht auch eine wirtschaftliche Lösung. Die Experten von Pöppelmann K-Tech beurteilen dies nach Sichtung der CAD-Daten. Wichtige Faktoren sind dabei zum Beispiel die Materialfestigkeit und Temperaturbelastung, Kosten, Recycling und vor allem das Gewicht.

Im Beispielprojekt des Abstandhalters zeigte sich bei der Bewertung des Bauteillastenheftes und der nachfolgenden FEM-Berechnung, dass ein Polyamid die Festigkeit für das Bauteil lieferte, die nötig ist, damit der Halter und das Radar nicht verrutschen. Zudem hat Pöppelmann viele enge Verbindungen zu Polyamidlieferanten und kann dementsprechend eine sehr gute Verfügbarkeit des Materials vorweisen. Dazu kommen langjährige Erfahrungen in der Verarbeitung des Rohstoffs.

Hinsichtlich der Konstruktion stellt das Team so früh wie möglich die Weichen in Bezug auf die Funktionalität. Beim Abstandhalter war gleich zu Beginn klar, dass die schnellste und kostengünstigste Variante in einem Halter aus zwei Bauteilen bestehen würde: einem gleichbleibenden Adapterrahmen für das Radar und einem variablen Stützwinkel, der je nach Modell angepasst werden kann. Die Herausforderung bestand darin, die beiden Bauteile immer exakt im gleichen Winkel miteinander montieren zu müssen.

Um dieses Problem zu lösen, integrierten die Ingenieure eine Schraube, die den gewünschten Winkel fixiert. Zur Montage wurde an beiden Bauteilen eine Clip- beziehungsweise Rastfunktion vorgesehen. Für eine sichere und dauerhafte Positionierung verstärkten die Konstrukteure die Befestigungsbereiche mit Metallbuchsen. Resultierend aus FEM-Berechnungen und Füllsimulationen integrierten sie zudem eine belastungsorientierte Verrippung.

Prozess: Für jedes Projekt die geeignete Technologie

Zudem beschäftigen sich die Ingenieure mit der Frage, mit welcher Technologie und nach welchen Vorgaben am sinnvollsten zu produzieren sei. Dabei gilt es, wirtschaftliche Werkzeugkonzepte für die Serienproduktion zu realisieren. Für die Produktion des Adapterhalters wird die Metallbuchse, die später die Schraube umgibt, von einem Greifer ins Werkzeug eingelegt und umspritzt. Kurz danach wird ein Rastclip mittels eines Handlings in die Metallbuchse eingelegt, um der Schraube darin festen Halt zu geben. Auch für die Herstellung des Stützwinkels werden mittels eines Greifers die zwei unterschiedlich großen Metallbuchsen eingelegt und anschließend umspritzt. Das Bauteil wird mit einem Handling entnommen und die Schraube, die später den Winkel des Radars bestimmt, mit einer bestimmten Newtonmeteranzahl und Tiefe eingedreht.

Damit die Bauteile hundertprozentig den Anwendungsanforderungen entsprechen, prüft Pöppelmann K-Tech serienmäßig alle fertigungsbegleitenden Parameter und erfasst sie in einem CAQ-System. Bei der Kontrolle werden beispielsweise Drehmomente der Winkelschraube sowie die korrekte Positionierung der verschieden großen Buchsen an den vorgesehenen Stellen überprüft. Die Kunststoffexperten überlassen nichts dem Zufall; zeitraubende und kostenintensive Überprüfungen im Nachgang entfallen komplett. So bleibt der vollautomatische Herstellungsprozess jederzeit reproduzierbar.

Auch die Werkzeuganforderung ist ein Punkt, den die Experten im Rahmen des Checks untersuchen. Dabei wird analysiert, was das Werkzeug leisten muss und wie es sich am effektivsten auslasten lässt. Die Herausforderung bei dem Werkzeug für den Abstandhalter stellte die Kühlung dar, da die geforderten Zykluszeiten eingehalten werden mussten und eine schnelle Entformung erwünscht war. Pöppelmann K-Tech setzte für das Werkzeug auf einen wärmeleitfähigen Stahl, der es erlaubt, die Wärme schnell aus dem kunststoffgespritzten Artikel zu ziehen. Dieser Stahl hat allerdings einen Nachteil: Seine Anfälligkeit für Korrosion. Um dem vorzubeugen, verwendete Pöppelmann für die Kühlung eine spezielle Beschichtung. Die Kühlung setzt an den Bereichen an, an denen häufig Hotspots entstehen, in denen sich die Hitze sammelt und der Artikel nicht erkalten und ausgeworfen werden kann.

Bei der Entwicklung des Abstandhalters für das Fahrassistenzsystem hat sich der K-Tech-Check gelohnt. Durch Verzugs- und Füllsimulation konnte auf das Prototypenwerkzeug komplett verzichtet werden. So ließen sich nicht nur Zeit, sondern auch Kosten einsparen. Dank der zweiteiligen Bauweise des Halters sind nur wenige Iterationsschleifen im Werkzeug nötig, um eine passende Lösung für eine andere Schnittstelle zu liefern. eh