9/2009Organ deutscher Kunststoff-Fachverbände www.kunststoffe.de 99. Jahrgang

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Kunststoffe·

99. Jahrgang·

Heft 9/2009

Vollautomatisiert Auto-Innenteile spritzgießen Seite 52

Automation

Hochwertige und kratz-feste Oberflächen erzeugenSeite 99

Additive

Werkstoffe ■ Verarbeitung ■ Anwendung

SPECIAL

ab Seite 113

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56 © Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 9/2009

INÈS A. MELAMIES

Ressourcenschonung und Energie-effizienz gehören heute zu denwichtigsten Zukunftsstrategien.

Diese Ziele zu erreichen bedarf es neuerLösungen, deren Vorbilder sich häufig inder Natur finden.Pflanzenhalme und Bie-nenwaben beispielsweise verfügen übereine spezielle Struktur, die hinsichtlichMaterialbedarf und Festigkeit, bei gleich-zeitig minimalem Gewicht, einzigartig ist.Was liegt näher, als sich die „Patente derNatur“ für industrielle Anwendungennutzbar zu machen?

Die Natur als Vorbild

Bei der Herstellung von Kunststoff-paneelen stand die Bionik bereits bei derEntwicklung Pate: Honigwaben (Honey-combs) dienten als Vorbild aus der Bio-logie (Titelbild), die Chemie lieferte dieErgänzung durch den Werkstoff Poly-propylen (PP). Honeycomb-Platten wer-den immer öfter bei Leichtgewicht-Sand-wichpaneelen als Kernschicht eingesetzt,

denn sie sind wasserresistent und besit-zen eine hohe Steifigkeit. Die wichtigsteEigenschaft jedoch ist zweifellos ihr ge-ringes Gewicht.

Besonders für den Lastkraftfahrzeug-bau ist die Gewichtsminderung von

großer Bedeutung, reduziert sie dochdurch Kraftstoffeinsparung den CO2-Ausstoß über die gesamte Lebensdauer ei-nes Lkws. Gleichzeitig reduziert sie denVerschleiß des Fahrzeugs und sorgt fürhöhere Zuladungskapazitäten.Auch nachEnde der Lebensdauer eines Lastwagensbietet dieses Material noch Vorteile auf-grund der Recyclingfähigkeit der Platten.

Die Plasmatechnologie bedient sich ei-nes anderen Naturphänomens, indem sietechnische Plasmen nach dem Vorbildnatürlicher Entladungen in der Atmos-phäre erzeugt. Mit der Erfindung der po-tenzialfreien atmosphärischen Plasma-technologie Openair im Jahr 1995 gelanges dem westfälischen Unternehmen Plas-matreat durch den Einsatz von Plasma-düsen, den bis dahin industriell kaum ge-nutzten Aggregatzustand in Produk-tionsprozessen inline unter Atmosphäre,also bei normalen Luftbedingungen, ein-zusetzen. Das heute weltweit genutzteVerfahren ist durch eine dreifache Wir-kung gekennzeichnet: Es aktiviert Ober-flächen durch gezielte Oxidationsprozes-se, entlädt sie gleichzeitig und bewirkt ei-ne umweltfreundliche Feinstreinigung,die chemische Vorreinigungsverfahrenmeist komplett ersetzt. Die typischen Er-

Kaltes Plasma erobert

neue DimensionenLeichtbau. Weltpremiere feierte ein thüringischer Hersteller von Paneelen.

Ein neues Verfahren hat die Vorbehandlung von großflächigen Leichtbau-

Verbundpaneelen mit potenzialfreiem Atmosphärendruckplasma bei hoher

Geschwindigkeit im kontinuierlichen Prozess ermöglicht.

ARTIKEL ALS PDF unter www.kunststoffe.deDokumenten-Nummer KU110188

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Die natürliche und meisterhafteStruktur der Honigwabe dient derIndustrie als Vorbild für Kern-schichten von Sandwichpaneelen(Foto: Plasmatreat)

Bild 1. Vergleich MonoPan Paneel unlackiert(links) und lackiert (rechts). Zur erhöhten Haftung des Lacks auf der glasfaserverstärktenPolypropylen-Deckschicht wird diese mitOpenair-Plasma vorbehandelt, wodurch ihreOberflächenenergie um ein Vielfaches ansteigt (Foto: Wihag Composites)

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wärmungen der Kunststoffoberflächenwährend der Behandlung betragenT < 20°C.

PP-Leichtbaupaneele im Fahrzeugbau

Das thüringische Unternehmen WihagComposites, Rottenbach, ist spezialisiertauf die Herstellung von Sandwich-Ho-neycomb PP-Paneelen für Spezialbehäl-ter und Kofferaufbauten im Fahrzeugbau.Im Rahmen einer kontinuierlichen Pro-duktion werden die neu entwickeltenPaneele namens MonoPan bis zu einerGröße von 13,60 m × 2,75 m in unter-schiedlichen Stärken gefertigt und ansch-ließend im Durchlaufprozess optionallackiert (Bild 1). Sie bestehen vollständigaus Polypropylen und haben – bei glei-cher Stabilität – nur noch einen Bruchteildes Gewichts herkömmlicher Sandwich-paneele. Der Clou: Die MonoPan Honig-waben-PP-Kernschicht wird in einem ei-genen Verfahren mit den glasfaserver-stärkten PP-Deckschichten verschweißt.Eine Delamination ist damit ausge-schlossen.

Die Anforderung

Der volle Nutzen einer neuen Paneel-technik kann jedoch erst zur Geltungkommen, wenn Bauteile auch gleicher-maßen effektiv wie umweltfreundlichund kostensparend hergestellt werdenkönnen. Wihag Composites plante 2007den Bau einer neuen Beschichtungsanla-ge und Produktionshalle. Da bei den ver-wendeten unpolaren Kunststoffen einegute Vorbehandlung für eine langfristige

Lackhaftung zwingend erforderlich ist,musste ein Vorbehandlungskonzept vonAnfang an bei der Planung berücksichtigtwerden. Um die Kosten in der Anfangs-phase des Unternehmens gering zu hal-ten, hatte man die Paneele bislang mit ei-nem Primer, also nass-chemisch, vorbe-handelt. Doch mit den neuen Investiti-onsplanungen sollte bei aller gefordertenEffektivität auch eine umweltfreundlicheLösung geschaffen werden.Aufgrund derGeometrie des Bauteils und der erforder-lichen Produktionsgeschwindigkeit fielenverschiedene andere Vorbehandlungsver-

fahren von vornherein aus, dagegen wur-de die Plasmatechnik Openair von Be-ginn an in die Evaluierung einbezogen.„Bekannt war uns die Technologie schonseit 2002. Im Jahre 2007 befassten wir unserneut mit diesem Verfahren,“ berichtetDr. Stefan Maier, Geschäftsführer bei Wi-hag Composites.Bereits in den ersten Ver-suchen erwies sich die Plasmabehandlungals effektive Methode, um die Ober-flächenenergie des unpolaren Kunststoffsfür die nachfolgenden Lackierschritte zuerhöhen und dadurch eine optimaleLackhaftung zu gewährleisten. Die La-

Bild 2. Die neu ent-wickelte Plasma-Rotationsdüsenanla-ge von Plasmatreatkann in der kontinu-ierlichen ProduktionSandwichpaneele biszu ca. 3 m Breite miteiner Geschwindig-keit von 25 m/mininline vorbehandeln (Foto: Plasmatreat)

Bild 3. Die Plasma-Großpaneelanlage besteht aus drei Hauptelementen: den Generatoren (links), derVorbehandlungsanlage (Mitte) und einer höhenverstellbaren Wartungsbühne (rechts). Aufgrund der großflächigen Plasmabehandlung wird es zukünftig auch möglich, das Kernmaterial von Panee-len durch weit günstigeren Materialien, wie recycelte Kunststoffe, zu ersetzen (Grafik: Plasmatreat)

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bortests mit atmosphärischem Plasmadauerten etwa ein Jahr, dann fiel die Ent-scheidung zugunsten der Plasmatechno-logie aufgrund der positiven Ergebnisse.Dr. Maier: „Hinzu kommt, dass diesePlasmatechnik eine Inline-Anwendungvereinfacht und dabei eine sehr hohe Pro-zesssicherheit bietet.“

Die Lösung

Verlangt wurden die Vorbehandlungkomplizierter Geometrien, eine sehr ho-he Produktionsgeschwindigkeit undnatürlich eine zuverlässige Haftung derBeschichtung – diese Eigenschaften ver-sprach Plasmatreat mit dem Bau einesneuen Plasmasystems zu erfüllen.

Gezielt für die Feinstreinigungund Aktivierung der Oberflächengroßer Leichtbau-Verbundpanee-le entwickelte Plasmatreat eineneue Rotationsdüsentechnik imindustriellen Maßstab, die in derLage ist, Vorbehandlungen auf ei-ner Breite von ca. 3 m und mit ei-ner Bearbeitungsgeschwindigkeitvon 25 m/min inline bei kontinu-ierliche Produktion vorzunehmen(Bilder 2+3).

Bei der Vorbehandlung vonKunststoffoberflächen geht es inerster Linie um deren Aktivie-rung, d.h. um die Erhöhung derOberflächenenergie. Sie ist daswichtigste Maß für die Beurtei-lung der voraussichtlichen Haf-tung einer Klebschicht oder Be-schichtung. Im Allgemeinen ha-ben Kunststoffe eine geringeOberflächenenergie, meist zwi-schen 28 mJ/m2 und 40 mJ/m2.Aber erst ab 38–42 mJ/m2 bildensich erfahrungsgemäß gute Haf-

tungsvoraussetzungen. Durch eine Plas-mabehandlung, d.h. durch eine starkeAktivierung der Materialoberfläche, kannjedoch noch eine deutliche Steigerung derOberflächenenergie erreicht werden.Ver-suche bei Plasmatreat ergaben, dass beiden meisten Kunststoffen Werte bis über72 mJ/m2 möglich werden (Bild 4). DieFolge: Es können nicht nur bislang in-kompatible Substrate verbunden werden,auch die Haftung von wasserbasierendenKlebstoff- oder Lacksystemen auf sehrklebstoffunfreundlichen Oberflächen,wie unpolarem Kunststoff, wird in denmeisten Fällen möglich.

Die Plasma-Großpaneelanlage wurdeso konzipiert, dass durch die nebenein-ander in zwei Reihen angeordneten Plas-

Plasmatreat GmbHTel. +49 5204 9960-0 mail@plasmatreat.dewww.plasmatreat.de

Wihag Composites GmbH & Co. KG Tel. +49 36739 31-5 zentrale@wihag-composites.de www.wihag-composites.de

Elytra NV Tel. +32 14 28 20 90info@elytra.be www.elytra.be

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PP im Ausgangszustand

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Oberflächenenergie

Bild 4. Dargestellt ist eine Kunststoffoberfläche, die in Abhängigkeit von Abstand und Geschwindigkeit mitPlasma vorbehandelt wurde. Die Oberfläche wird nach der Behandlung polar und die Oberflächenenergiesteigt auf >72 mJ/m2 bei großem Prozessfenster (Foto: Plasmatreat)

Bild 5. Für große Behandlungsbreiten und einen hohen Durchsatz wurdedie neue Inline-Plasma-Paneelanlage von Plasmatreat konzipiert. 28 Rota-tionsdüsen sorgen für die hohe Aktivierung der Kunststoffoberfläche (Foto: Plasmatreat)

Bild 6. Die von Elytra gefertigten Wabenstruktur-Verbundpaneele (Mitte) werden vom Forschungsinstitut OCAS derzeit auf den Einsatz vonOpenair-Plasma zur Vorbehandlung des PP-Kunststoffs getestet (Foto: Elytra)

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madüsen die Platten in der maximalenBreite vorbehandelt werden (Bild 5). DasGesamtsystem wird dabei vorab auf dievorzubehandelnde Höhe eingestellt. DiePaneele werden auf einem Vakuum-För-derband durch das Vorbehandlungssys-tem transportiert, wobei in der Plasma-anlage Höhenunterschiede von 1 mmpräzise eingestellt werden können. DasSystem erkennt dabei automatisch, inwelcher Breite Paneele vorbehandelt wer-den sollen und schaltet nur die entspre-chenden Plasmadüsen für den aktuellenBedarf in der Vorbehandlung frei. Ser-vicefreundlich wurde das Gesamtsystemso ausgelegt, dass die Plasmadüsen auf ei-ne gewünschte Wartungsarbeitshöhe ge-fahren und über zwei begehbare Brückenerreicht werden können.

Neue Haftung bei Honeycomb-Verbunden

Was in Thüringen bereits Realität ist,könnte auch bei Elytra, Hersteller vonSandwich-Leichtbaukern-Paneelen inGeel, Belgien, in Zukunft Wirklichkeitwerden. Das Unternehmen ist eine Toch-ter des Forschungsinstituts OCAS, einemJoint-Venture-Projekt der flämischenRegion und des Stahlgiganten Arcelor-Mittal. Ständig auf der Suche nach inno-vativen Anwendungen und Lösungen fürdie Metallindustrie, testet OCAS fürElytra das Haftungsverhalten vongroßflächigen Honeycomb-PP-Verbund-paneelen nach einer Behandlung desKunststoffkerns mit Atmosphärendruck-plasma (Bild 6). Die Versuche erfolgenauch bei OCAS mit dem Openair-Ver-

fahren. Hier geht es allerdings nicht umDeckschichten, sondern um die Vorbe-handlung der Honigwaben-Kernschichtan sich – genauer gesagt um die schma-len Stege der Kunststoffwaben (Bild 7).Entscheidend ist auch hier, die geringeOberflächenenergie des unpolarenKunststoffs zu erhöhen, diesmal aller-dings mit dem Ziel, eine noch stärkereund langzeitstabilere Haftung des Kleb-stoffs und damit der aufzubringendenDeckschicht zu erhalten.

Die Sandwichpaneel-Fertigung erfolgtbei Elytra vollautomatisch (Bild 8). In-novativ ist der Verbund der Honeycomb-PP-Kernschicht mit ganz unterschiedli-chen Deckschichten. Aufgebracht wirdvor allem Stahl, ein weiterer Teil der Pro-duktion umfasst Deckschichten aus SRPP(Self-Reinforced Polypropylen) oder glas-faserverstärktem Polypropylen. Für dieunter- wie oberhalb der Waben aufge-klebten Deckschichten ist die optimaleHaftung auf den feinen Stegen der Ho-nigwabenstruktur von höchster Bedeu-tung. Die bei OCAS durchgeführten Test-reihen haben ergeben, dass es zur An-wendung eines in die Linie integriertenPlasmasystems im Grunde keine Alter-native gibt. Andere Systeme wie Primer,Flamme oder Corona scheiden aus. Haft-grund aufgrund seiner schlechten Um-weltverträglichkeit, eine Bestrahlung mitFlamme wäre zu gefährlich und eineCoronabehandlung zu schwierig.„Für dieAktivierung der PP-Kernschicht in unse-rer vollautomatisierten Produktionsliniewäre der Inline-Einsatz von potenzial-freiem Atmosphärendruckplasma sehrpassend,“ sagt Hans Maenhout, Ge-

schäftsführer von Elytra. „Das Verfahrenist nicht nur schneller als andere, auch dieHaftungsresultate sind sonstigen Vorbe-handlungsmethoden deutlich überle-gen.“

Fazit

Der weltweit erste Einsatz einer Inline-Plasmaanlage der hier beschriebenen Artund Dimension gilt gleichzeitig alsDurchbruch für eine zukünftig kosten-günstige Herstellung von Verbundpanee-len.Und mehr: Neben dem hohen Durch-satz wird es in Zukunft aufgrund dergroßflächigen Plasmabehandlung nunauch möglich, das Kernmaterial vonPaneelen mit weit günstigeren Materiali-en, wie z.B. recycelten Kunststoffen, zuvariieren. Recycelte Kunststoffe undHolz-Kunststoff-Compounds besitzenüberwiegend schwer zu verklebendeOberflächen, was ihre Nutzung vor allemfür industrielle Prozesse mit hoher Ge-schwindigkeit bislang kaum möglichmachte. ■

DIE AUTORININÈS A. MELAMIES arbeitet als Fachjournalistin

für die Unternehmensberatung Blue Rondo Internatio-nal e.K., Bad Honnef

SUMMARY KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL

Cold Plasma OpensUp New DimensionsLIGHTWEIGHT CONSTRUCTION. In Thueringen,Germany,a manufacturer of sandwich panels cel-ebrated a world premier. A new technique makesit possible to treat large lightweight sandwichpanels with potential-free atmospheric plasmain a continuous process.

NOTE: You can read the complete article in ourmagazine Kunststoffe international and on ourwebsite by entering the document number PE110188at www.kunststoffe-international.com

Patente: Fahrzeugbau/Mobilität

Aktuelle Patent- und Offenlegungsschrif-ten zum Thema „Fahrzeugbau/Mobilität“finden Sie auf unserer Homepage unter:

www.kunststoffe.de/ls208

Bild 7. Die Plasmabehandlung der feinen Stegeder PP- Honigwaben gewährleistet die optimale Verklebung von Stahl- und Kunststoff-Deckschichten (Foto: Plasmatreat)

Bild 8. In einem vollautomatischen Produktions-prozess werden die stahlbeschichteten Honeycomb-PP-Paneele bei Elytra gefertigt (Foto: Elytra)

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