Voller Durchblick: Transparentes Werkzeug ermöglicht Einsicht in Füllprozesse von Partikelschäumen

Die Füllung einer Form entscheidet über die Qualität des entstehenden Formteils. Doch was ist, wenn der Einblick in den Füllprozess von Partikelschäumen nicht gegeben ist und damit an dieser entscheidenden Stelle im Produktionsablauf die Kontrolle fehlt? Mit einem neuen transparenten Versuchswerkzeug aus Acrylglas, das die Neue Materialien Bayreuth (NMB) entwickelt hat, ist diesem Dilemma ein Ende gesetzt.

Herr Schreier, warum war es an der Zeit, solch ein Versuchswerkzeug zu entwickeln?

Peter Schreier: Partikelschäume sind im Alltag und in vielen Anwendungen insbesondere im Automobil und in nachhaltigen Verpackungslösungen nicht mehr wegzudenken. Es ist ein weit verbreiteter Werkstoff, dessen Lebenszyklus mit dem Füllen eines Bauteils mit Partikelschaum im Formteilautomaten beginnt. Wenn man schon beim Füllen Fehler macht, nimmt das Einfluss auf die Bauteilqualität. Diese Fehler sind im Nachgang nur schwer oder gar nicht mehr zu korrigieren. Das Füllen ist also ein sehr wichtiger Prozessschritt im Hinblick auf Qualität, Reproduzierbarkeit und Zykluszeitoptimierung.

Status quo ist aber, wenn man sich die letzten Jahre anschaut, dass das Auslegen von Partikelschaumwerkzeugen, insbesondere wenn es um das Setzen der Füllpositionen und die Füller geht, primär auf Erfahrungen aus dem Werkzeugbau basiert. Das funktioniert bei Standardformteilen gut, bei komplexeren Werkzeugen nicht immer im ersten Anlauf. Da hat es bei der Inbetriebnahme der neuen Werkzeuge oftmals zur Konsequenz, dass aufwändige Optimierungsschleifen notwendig werden. Dieser Umstand war Teil unserer Motivation, unser neues Versuchswerkzeug zu generieren.

Gibt es noch weitere Faktoren?

Schreier: Ja, die gibt es. Die Werkzeuge zur Formteilherstellung mit Partikelschäumen sind bei der dampfbasierten Verarbeitung aus Metall. Ich kann nicht hineinschauen. Es ist zwar Sensorik darin verbaut, zum Beispiel zum Messen des Innendrucks, trotzdem bleibt es im weitesten Sinn eine Blackbox. Wenn ich Parameter im Füllprozess maschinenseitig variiere, kann ich deren Auswirkungen aufgrund der mangelnden Transparenz und der vielen Folgeschritte (wie etwa dem Bedampfen) schwerlich nachverfolgen, wenn ich nicht schon beim Füllprozess ansetze.

Und dann sind in der Partikelschaumbranche im Gegensatz zu anderen Branchen noch kaum Füllsimulationen etabliert, mit der sich die Füllprozesse verifizieren lassen.

Also haben Sie das transparente Versuchswerkzeug entwickelt. Aber wie?

Johannes Görl: Da komme ich ins Spiel. Wir wollten den realen Prozess des Füllens auf einem klassischen Formteilautomaten darstellen und untersuchen können. Dabei war es uns wichtig, mit dem Werkzeug eine hohe Flexibilität hinsichtlich Füllpositionen, Füllern und Bauteildicke abzubilden. Hintergrund dafür ist, dass jeder unserer Projektpartner verschiedene Anforderungen hat. Der eine möchte horizontal füllen, der andere vertikal, der nächste hat eine bestimmte Geometrie, die er untersuchen möchte. Deshalb haben wir uns dafür entschieden, ein Monoblockwerkzeug herstellen zu lassen, durch das Kunden nicht ein neues, eigenes Werkzeug anschaffen müssen, sondern Einsätze nach ihrem Bedarf herstellen und darin einsetzen können. Aufgebaut ist das Monoblockwerkzeug aus einem Aluminiumrahmen, wobei das Gehäuse aus transparentem Acrylglas besteht.

Letztendlich floss in die Auslegung und Entwicklung des transparenten Werkzeugs unser gesamtes technisches und wissenschaftliches Know-how ein – wir haben 20 Jahre Erfahrung in der Verarbeitung von Partikelschäumen. Stand am Anfang zunächst nur fest, es muss ein transparentes Werkzeug werden, ist am Ende ein sehr komplexes Werkzeug entstanden. Herausforderungen waren dabei neben der hohen Flexibilität, die von diversen Füllpositionen über verschiedene Komprimierungsmöglichkeiten bis hin zu unterschiedlichen Bauteildicken reichen, die hohen Anforderungen an das Werkzeugmaterial. Das Material muss druckstabil – es muss Fülldrücke bis fünf Bar aushalten – und transparent sein, damit wir ein möglichst großes Blickfeld zur Evaluierung des Füllprozesses und somit zur Aufzeichnung des Füllvorgangs mit unserer High-Speed-Kamera haben.

Mit welcher Art von Anfrage kommt ein Kunde nun zu Ihnen?

Kristina Schüllner: Der Kunde kommt zum Beispiel mit einer 3D-Geometrie zu uns, die er untersuchen lassen möchte, weil beim fertigen Bauteil Probleme wie eine nicht homogene Dichteverteilung aufgetreten sind und an manchen Positionen mehr Material verdichtet ist als an anderen Stellen. Um solch ein Problem möglichst zu verhindern, können wir jetzt das Versuchswerkzeug nutzen, präzise Informationen gewinnen und Optimierungen durch beispielsweise andere Füllerpositionen oder Füllparameter vollziehen.

Wer profitiert auf kurze oder lange Sicht von Ihrer Entwicklung?

Schüllner: Im Prinzip profitiert die gesamte Prozesskette, sprich von der Idee bis zum fertigen Bauteil. Der Endanwender von der Qualität des Produkts. Forschung und Entwicklung, weil Lücken in der Literatur gefüllt, mehr Informationen und Daten gesammelt und die Recherchemöglichkeiten erweitert werden können. Indirekt hat auch der Maschinenbauer Vorteile, der die Erkenntnisse als Optimierung in den Füllprozess einbringen kann. Und das angefangen bei Modifizierungen der Silos, in denen das Material gelagert wird, bevor es in den Füllprozess kommt. Der Werkzeugbauer hat Vorteile, indem er sein Werkzeug entsprechend anders konstruieren kann. Der Materialhersteller ebenso, denn ob das Material elliptisch oder rund ist, hat ebenfalls Einfluss auf den Füllprozess. Natürlich auch der Verarbeiter, der an der Maschine steht, indem er die Füllparameter entsprechend anpassen kann.

Was erhoffen Sie sich als NMB davon?

Schreier: Das Erste ist die wissenschaftliche Komponente: Wir möchten die Lücke auf der wissenschaftlichen Landkarte besetzen, ergänzen und ausfüllen, Wirkzusammenhänge zwischen Füllparametern und Auswirkungen aufs Bauteil untersuchen. Das Zweite ist die wirtschaftliche Komponente: Unsere Partner und Kunden bei ihren spezifischen Fragen zu unterstützen, ihnen helfen, wo sie nicht weiterkommen. Und drittens möchten wir unseren Beitrag zur Weiterentwicklung in der Partikelschaum-Technologie leisten und der Branche damit letztendlich auch Wettbewerbsvorteile verschaffen.