Gemeinsam mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie haben Forscher der inpro im FOREL-Projekt SamPa eine Fahrzeugseitentür entwickelt, an der die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von Partikelschäumen im Verbundsystem demonstriert werden. Dabei wurde eine neue Prozesskette zur kombinierten Verarbeitung von Kunststoff im Partikelschäumen und Spritzgießen entwickelt und umgesetzt.

Die großen Einsatzpotenziale, die sich u.a. aus den guten thermischen Eigenschaften und dem hohen Energieaufnahmevermögen von Partikelschäumen ergeben, auch für den Automobilbau aufzuzeigen, war Ziel des Verbundforschungsprojektes SamPa. Gerade um die hohen Anforderungen im Automobilbau zu erfüllen, ist eine umfassende Kenntnis der Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen erforderlich. Dies zu erforschen, widmeten sich die Projektpartner verschiedenen Forschungsschwerpunkten von der Werkstoffcharakterisierung, der durchgängigen Prozess- und Struktursimulation, der Prozessführung über den Werkzeugbau und die Qualitätssicherung bis hin zur werkstoffgerechten Fügetechnik.

Die Entwickler des SamPa-Konsortiums haben dazu expandiertes Polypropylen (EPP) mittels vielfältiger Analysemethoden ausführlich charakterisiert. Dabei wurde z.B. unter Verwendung der Computertomographie die Schaumzellstruktur umfangreich analysiert und in der Struktursimulation in Form von repräsentativen Volumenelementen abgebildet. Auf diese Weise konnte eine einzigartige virtuelle Prüfmethode entwickelt werden, die es erlaubt, dichteabhängige, mechanische Materialkennwerte simulativ zu ermitteln. Darüber hinaus konnten die Forscher eine neuartige Berechnungsmethodik erfolgreich erproben, die den Formfüllvorgang des Partikelschäumens virtuell abbildet. Hierdurch wird zukünftig die Optimierung der Positionen zur Befüllung der Kavität und damit die Qualität der Bauteile und die Reproduzierbarkeit des Prozesses möglich.

Anhand von insgesamt sieben Formwerkzeugen für die Verarbeitung im Partikelschäumen und Spritzgießen konnten die Werkzeugbauer erfolgreich neuartige Konzepte zur Funktionalisierung von Partikelschäumen umsetzen. Dazu wurden unter anderem neue Laserstrukturierungen der Werkzeugoberfläche zur Erhöhung der Kratzfestigkeit des Partikelschaums entwickelt. Zudem konnte die flächige Funktionalisierung des EPP mittels Spritzgießen erfolgreich an einem Türdemonstrator im Griffbereich umgesetzt werden. Dazu bedarf es neben einer prozessangepassten Temperierung des Spritzgießwerkzeugs einer speziell angepassten Prozessführung, um eine gute Verbindung zwischen Partikelschaum und Spritzgießmasse zu realisieren.

Zur Erhöhung des Prozessverständnisses wurden Qualitätssicherungsmethoden erarbeitet und umgesetzt, die unter anderem den Partikeltransport beim Formfüllen überwachen und etwaige Prozessschwankungen frühzeitig detektieren können.

Die Ergebnisse des Vorhabens werden im SamPa-Technologiedemonstrator „Fahrzeug-Seitentür“ (siehe Bild) präsentiert. Dieses mehrteilig ausgeführte Konzept demonstriert die enorme Funktionalisierbarkeit von Partikelschaum. Zur Montage der Komponenten sind an die Belastung angepasste Inserts in die Schaumkomponenten eingeschäumt worden. Dabei handelt es sich sowohl um Kunststoffinserts zur Montage als auch um metallische Inserts, die eine werkstoffgerechte Lastaufnahme vom Griff direkt in den Türquerträger ermöglichen. Dieser ist hier in Form einer bionisch inspirierten und einschäumbaren Aluminium-Tragstruktur umgesetzt worden, die es unter Maximierung des Leichtbaugrads erlaubt, die Lasten an die Fahrzeugkarosserie abzuleiten. Darüber hinaus wird die Flexibilität hinsichtlich der Integration von elektronischen Elementen in Partikelschaumstrukturen aufgezeigt. So finden Display, Mini-PC, Beleuchtung und Kabel ausreichend Platz im EPP-Grundkörper der Tür. Auch die großflächige Überflutung mit Polyurethan konnte an einem Konzept für die Tür-Außenseite erfolgreich umgesetzt werden.

Partner im SamPa-Verbundforschungsprojekt waren neben der inpro die Unternehmen Arburg, Krallmann Pilot-Werkzeug, Michel-Formenbau, Ruch Novaplast, das Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik (LWF) an der Universität Paderborn sowie das Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) an der TU Dresden.

Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung im Rahmenkonzept „Innovationen für die Produktion, Dienstleistung und Arbeit von morgen“ (Förderkennzeichen 02P15Z000 – 02P15Z006) und aus Mitteln aus dem Energie- und Klimafonds gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut.

Weitere Informationen sowie den Abschlussbericht des öffentlich geförderten Projektes erhalten Sie auf dem diesjährigen FOREL-Kolloquium am 28. und 29. August in Dresden. Des Weiteren wird der SamPa-Demonstrator auf der Kunststoffmesse im Oktober 2019 in Düsseldorf einem breiten Publikum präsentiert.