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Sonderdruck aus der Fachzeitschrift Kunststoffe 10/2014

© Carl Hanser Verlag, München. 2014. Alle Rechte, auch die des Nachdrucks, der photomechanischen Wiedergabe

dieses Sonderdrucks und der Übersetzung behält sich der Verlag vor.

Franz Rausch und Richard Haslinger

AnspruchsvolleHautgestaltungSind Oberfl ächen aus Folie eine Alternative oder erste Wahl?

10/2014Organ deutscher Kunststoff-Fachverbände

SPRITZGIESSEN

Eine bezahlbare Alternative

zu konventionell

lackierten Bauteilen

Seite 124

THERMOFORMEN

Folien als Dekoroberflächen

eröffnen

vielfältige Vorteile

Seite 204

WERKSTOFFE – VERARBEITUNG – ANWENDUNG

www.kunststoffe.de

TRENDSInnovationen bei Werkstoffen

und Anwendungen

Seite 33

FRIMO Group GmbHHansaring 1D-49504 LotteTel. 05404 / 886-157www.frimo.com

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© Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 10 / 2014

2 THERMOFORMEN Vakuumkaschieren

Anspruchsvolle Hautgestaltung

Sind Oberfl ächen aus Folie eine Alternative oder erste Wahl?

Bei der Gestaltung des Innenraums moderner Automobile spielt die hochwertige Anmutung der Oberfl ächen

eine wichtige Rolle. Hier kommen Materialien in immer neuen Ausführungen und Kombinationen zum Einsatz,

die entsprechend angepasste und weiterentwickelte Verarbeitungsverfahren erforderlich machen.

Für die Herstellung von Dekorober-flächen bieten Folien mit ihren viel-

fältigen Eigenschaften attraktive und zugleich wirtschaftliche Anwendungs-möglichkeiten. Im Bereich der Verarbei-tung gibt es eine ganze Reihe techni-scher Weiterentwicklungen, die das Thermoformen und Vakuumkaschieren auch für anspruchsvolle Bauteilgeome-trien in den Fokus rücken (Titelbild).

Für die Herstellung automobiler In-nenverkleidungsteile kommen neben den klassischen Herstellverfahren, z. B.

Slush- oder PUR-Sprühhaut, auch für komplexere Bauteile zunehmend Folien zum Einsatz. Hierfür bieten Thermofor-men und Vakuumkaschieren eine Reihe interessanter Vorteile. Betrachtet man die Systemkosten zur Herstellung eines folienbasierten Bauteils, so zeigen sich Vorteile von Seiten der Anlagentechnik, der Werkzeuge und auch beim Energie-verbrauch (Bild 1).

Aber nicht nur der Kostendruck nimmt zu. Mit Blick auf kürzer werden-de Modell-Lebenszyklen oder auch

den Trend Richtung Leichtbau, nicht zuletzt im Zuge der Elektromobilität, müssen sich Rohstoff- und Halbzeug-hersteller sowie Anlagen- und Werk-zeugbauer immer neuen Herausforde-rungen stellen.

Anforderungen an Dekoroberfl ächen im Fahrzeuginnenraum

Zu den – im wahrsten Sinne des Wortes – „weichen“ Faktoren gehören in erster Linie eine hohe Wertanmutung, eine

[FAHRZEUGBAU] [MEDIZINTECHNIK] [VERPACKUNG] [ELEKTRO & ELEKTRONIK] [BAU] [KONSUMGÜTER] [FREIZEIT & SPORT] [OPTIK]

Beispiel einer

Inline-Vakuumkaschier-

anlage (Bilder: Frimo)

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te Qualität, Prozesssicherheit und Wirt-schaftlichkeit.

Vielfältige Lösungsansätze

Die vorgenannten Anforderungen an Bauteile und Prozesse im Blick, entwi-ckelt Frimo auf Basis langjähriger Erfah-rung ein breites Spektrum an Prozes-stechnologien und Dienstleistungen rund um das Thermoformen und Vaku-umkaschieren konsequent weiter.

Zur Bewältigung aller Anforderun-gen, insbesondere auch in Bezug auf die Kosten, ist eine sehr enge Zusam-menarbeit mit dem OEM oder Tier 1 Kunden bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt der Bauteilentwicklung un-

ansprechende Optik sowie eine ange-nehme Haptik. Dies ist mehr und mehr nicht exklusiv der Premium- oder Ober-klasse vorbehalten, sondern gilt auch für Fahrzeuge vom mittleren bis hin zum unteren Preissegment.

Bauteile und Baugruppen in heuti-gen Fahrzeuginnenräumen werden zu-nehmend komplexer, auch hinsichtlich ihrer Formen und Konturen. Diese an-spruchsvollere -Dimensionalität stellt zwangsweise eine neue Herausforde-rung für das Thermoformen und Vaku-umkaschieren dar. Dazu gehört auch die weiter zunehmende Individualisie-rung durch Farben, Narbung und unter-schiedliche Materialien.

Anforderungen an die Widerstands-fähigkeit von Oberflächen gegen me-chanische, chemische und klimatische Einflüsse, sind in erster Linie Anforde-rungen an die Hersteller der Folienhalb-zeuge, die entsprechende Materialei-genschaften erreichen müssen. Insbe-sondere an den Verarbeitungsprozess werden hier zunehmend hohe Anfor-derungen gestellt, beispielsweise hin-sichtlich der Verklebung zwischen De-kor und Träger.

Dass auch alle anderen heute übli-chen Anforderungen an Automobil-komponenten und deren Herstellpro-zesse erfüllt werden müssen, versteht sich von selbst. Hierzu gehören bei-spielsweise die technische Funktionali-tät der Bauteile inklusive Crashverhal-ten, die Umweltverträglichkeit und Re-zyklierbarkeit, wie auch möglichst hohe Gewichtseinsparungen, konstan-

Bild 1. Vergleich der unterschiedlichen Oberfl ächenvarianten im Hinblick auf Wertigkeit und

Kosten

Kosten

Handkaschierung

Leder – weich kaschiert

PUR-SprühhautTPO2-Kompaktfolie

TPO2-SchaumfolieTPO-Schaumfolie

PVC-Schaumfolie

Thin filmSpritzgießen softlackiert

Spritzgießen blank

PVC/PE-Laminat

IMG-Kompaktfolie

IMG-Schaumfolie

IMC-PVC-SlushPVC- Slushhaut Hinterschäumprozesse

Thermokaschierprozesse

Spritzgießprozesse

Wer

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© Kunststoffe

abdingbar. So können gemeinsam indi-viduelle Problemlösungen erarbeitet werden, welche die im Folgenden vor-gestellten Aspekte und Innovationen berücksichtigen.

Das angebotene Pre-Engineering inklusive Thermoformsimulation hilft si-cherzustellen, dass das Bauteil später auch prozesssicher herstellbar ist. Zu-sätzlich zur reinen Thermoformsimula-tion am Computer hilft ein Folienreck-rahmen, eine errechnete Folienverstre-ckung an realen Folienmustern zu vi-sualisieren. Hier können neben lokalen Narbungsverzerrungen (Narbungsver-streckung) und Wanddickenänderun-gen auch ansatzweise optische Eindrü-cke wie Glanzgrad oder Weißbruch sichtbar gemacht werden.

Alternativen im Folienspektrum

Der Markt der Dekorfolien für das Ther-moformen und Vakuumkaschieren bietet, insbesondere auch mit Blick auf Faktoren wie Gewichtseinsparung und Narbopti-mierung, eine Reihe innovativer Neu- und Weiterentwicklungen.

Die Tepeo-Folien der Benecke-Kaliko AG, Hannover, können ohne optische Ein-bußen der Narbqualität in einem breiten Verarbeitungsfenster stärker verstreckt werden als herkömmliche TPO-Folien.

Laminatfolien, die von manchen Kun-den und OEMs besonders geschätzt wer-den, verbinden die einzigartige Haptik einer PVC-Deckschicht mit den besonderen Elas-tizitäts-Eigenschaften und der Festigkeit ei-

Vakuumkaschieren THERMOFORMEN 3

Bild 2. Genarbte Formschale für den In-Mold-Graining (IMG)-Prozess

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4 THERMOFORMEN Vakuumkaschieren

sieren, ist das „Skalieren“ von Narben im Prägeprozess. Derartige skalierte Narben erscheinen nach dem Verstrecken weni-ger stark verzerrt, da die beim Thermofor-men auftretenden Verstreckungen durch die „Skalierung“ kompensiert werden.

In-Mold-Graining (IMG)

Beim In-Mold-Graining (IMG) oder Nar-bungsprägen wird die Narbung erst wäh-rend der Formgebung einer Folie im Ther-moformprozess von der genarbten Form-schale (Bild 2) auf die Folie übertragen. Hier-für eignen sich insbesondere TPO-Folien, da beim Erhitzen keine korrosiven Substan-zen emittiert werden und TPO ein ausge-zeichnetes Abformungsverhalten aufweist. Das IMG-Verfahren ermöglicht so eine gro-

nes Polyolefi n-Schaums. Gleichzeitig ist da-bei auch ein erhebliches Gewichtseinspar-potenzial gegeben.

Eine neue Generation polyolefi ni-scher Dekoroberfl ächenmaterialien sind die PGF-Folien von Benecke-Kaliko. Es handelt sich hier um eine angeschäumte oder sogenannte partiell geschäumte Kompaktfolie, mit der Gewichtseinspa-rungen bei gleichzeitig verbesserter Hap-tik und der Möglichkeit der Darstellung engerer Radien gegeben sind. Damit sind sie zur Herstellung geometrisch an-spruchsvoller Bauteile, wie zum Beispiel Instrumententafeln, besonders geeignet.

Eine besonders pfi ffi ge Maßnahme, um hohe Folienverstreckungen zumin-dest in den optisch kritischen Sichtberei-chen von Bauteilen teilweise zu kompen-

ße Designvielfalt, wobei selbst in engen Radien ein Narbungsverzug oder -verlust verhindert wird.

Im IMG-Verfahren sind unterschiedli-che Narbungen innerhalb eines Bauteils darstellbar. Dies beinhaltet auch die Mög-lichkeit, Schriftzüge oder gar Ziernähte in das Oberfl ächendesign zu integrieren. Auch das Einlegen und Hinterformen von Folien, Emblemen (Bild 3) oder Pads (Bild 4) ist im IMG-Verfahren möglich. Auch soge-nannte Zweiglanz-Eff ekte lassen sich er-zielen. IMG-Folien, welche im Anschluss hinterspritzt werden, befi nden sich eben-so im Serieneinsatz.

Optimierte Prozesse für komplexe D-Geometrien

Gerade bei Thermoformteilen mit stark dreidimensionalen Konturen kommt es oft zu hohen Verstreckungsgraden mit starkem Narbungsverzug.

Die von Frimo entwickelte und zum Patent angemeldete Knick-Kettenschie-ne stellt eine innovative Lösung für schnell laufende Inline-Anlagen bei der-artig konturierten Formteilen dar. Dazu wird die Folie (Rollenware) nach der Auf-heizung durch einen Knickvorgang der Kettenschiene in der Formstation kon-turfolgend an die formgebende Kavität herangebracht. So kann bei gleichzeiti-ger Qualitätsverbesserung der Folien-verbrauch reduziert werden. Die Folie wird weniger stark verstreckt, was sich auf Auszugsgrad und Narbverstreckung positiv auswirkt. Durch die Verringerung der benötigten (und aufzuheizenden) Folienfl äche wird auch der Energiebe-darf verringert (Bild 5).

Da Dekorfolien, insbesondere PVC, nach dem Aufheizprozess zum Durch-hängen neigen, wurde die Kettenschie-ne so optimiert, dass die Folie nicht nur in Querrichtung sondern auch in Längsrichtung gestreckt werden kann. Zwischen Heiz- und Formstation wird der Abstand der beiden Nadel-Ketten-schienen, welche die Folie an ihren Rändern erfassen und transportieren, vergrößert und somit wird die erwärm-te Folie in Querrichtung gespreizt. Zur Spreizung in Längsrichtung ist das Ket-tenschienensystem an einer Stelle un-terbrochen. Unterschiedliche Vor-schubgeschwindigkeiten der beiden Teilsysteme erlauben es nun, die Folie nach der Querspreizung an der Über-

Bild 3. IMG ermöglicht das Einbringen von individuellen Emblemen in die Oberfl äche

Bild 4. Integration sogenannter Pads beim IMG-Verfahren

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Vakuumkaschieren THERMOFORMEN 5

gangsstelle zusätzlich auch in Längs-richtung zu dehnen. Durch diese bei-den Maßnahmen bekommt die Folie mehr Spannung, womit gleichzeitig das Risiko der Faltenbildung reduziert wird. Zur Optimierung der Wanddi-ckenverteilung ist auch eine unter-schiedlich starke Vorstreckung in ver-schiedenen Bereichen über die Länge des Folienabschnitts möglich. Diese prozessoptimierten Kettenschienen sind auch an vorhandenen Anlagen nachrüstbar.

Eine andere Entwicklung zur Har-monisierung der Folien-Dickenvertei-lung und zur Reduzierung des Narbaus-zugs beim Kaschieren von komplexen D-Bauteilgeome trien mit Folienzu-schnitten wird beim D-Gleitspannrah-men (Bild 6) durch die Kombination aus Nachgleiten und Vorformen der Folie realisiert. Dazu werden die beiden Foli-enhalter an den Längsseiten synchron mit dem Einfahren des Trägerteils aufei-nander zu bewegt. Speziell für hohe Hutzenbereiche von Instrumententa-

feln erlaubt diese Entwicklung durch das definierte Nachgleiten die Folien-ausdünnung und Verbesserungen des Narbauszugs um 1%–0% gegenüber konventionellen Verfahren.

Einen ähnlichen Eff ekt erzielen Foli-enschaufl er beim Kaschieren von Bau-teilgeometrien mit steilen und hohen Flanken, die zu hohen Folienverstre-ckungen führen. Durch den gezielten Einsatz von konsequent weiterentwi-ckelten und optimierten Folienschauf-lern wird Folie aus dem Auslaufbereich zum Bauteil „geschaufelt“ und somit die Folienverstreckung an den Bauteilfl an-ken minimiert.

Effi zienz gesteigert

Beim Kaschieren mit integrierter Umbug-verklebung kann insbesondere bei kleine-ren Stückzahlen ein separater Verfahrens-schritt eingespart werden. Das sogenann-

Bild 6. Der D-Gleitspannrahmen ermöglicht eine eff ektive Kombination aus Nachgleiten und

Vorformen der Folie

Bild 5. Funktionsprinzip der Knick-Kettenschiene für minimierten Folienverbrauch

Die AutorenIng. Franz Rausch ist Leiter Prozessent-wicklung bei Frimo in Freilassing.Ing. Richard Haslinger ist im Pre- Engineering bei Frimo tätig.

PraxisnutzenThermoformen und Vakuumkaschieren bieten gegenüber den klassischen Verfah-ren zur Herstellung hochwertiger Oberfl ä-chen, wie Slush- oder Sprühhaut, nicht nur Kostenvorteile. Innovative Entwicklungen ermöglichen optimale Narbungsbilder so-wie die Kombination unterschiedlicher Narbungen oder Dekoreff ekte in einem Bauteil und in einem Arbeitsschritt. Darü-ber hinaus bieten die dargestellten Pro-duktionslösungen umfassende Möglich-keiten, Gewicht am Bauteil und Energie im Verarbeitungsprozess einzusparen.

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THERMOFORMEN Vakuumkaschieren

te Schnapphub-Verfahren verfügt über eine bewegliche Bau-teilaufnahme. Diese wird während des Kaschiervorgangs ge-genüber dem Werkzeug abgesenkt, sodass das entstehende Folienüberangebot durch das Vakuum in den Umbugbereich hinter das Bauteil gebracht und in einem Arbeitsschritt ver-klebt werden kann.

Ein Trend, nicht nur im Hinblick auf Nachhaltigkeit und den Einsatz nachwachsender Rohstoffe, ist der Einsatz von naturfa-serverstärktem Polypropylen (NFPP) als Trägermaterial. Neben weiteren Vorteilen, wie geringer Dichte und optimiertem Cras-hverhalten, bietet NFPP die Möglichkeit des klebstofffreien Ka-schierens. Dazu wird die Oberfläche des NFPP-Trägers per Inf-rarot-Strahler über Schmelztemperatur erwärmt. Beim an-schließenden Kaschieren mittels Stempel-Verfahren verbindet sich die PP-Dekorfolie, die ihrerseits durch den Kontakt zum Trägerteil an der Oberfläche anschmilzt, ohne zusätzlichen Klebstoff mit dem Träger. Im Rahmen der Entwicklung einer Lösung für Türverkleidungen konnte das klebstofffreie Ka-schieren inzwischen auch in Kombination mit dem In-Mold-Graining verifiziert werden.

Mit dem Ziel, die Taktzeiten beim Vakuumkaschieren zu re-duzieren, wurde das Frimo Advanced Cooling System (FACS) entwickelt. Dabei wird das Bauteil nach dem Kaschieren mit ge-kühlter Luft mit hoher Geschwindigkeit angeblasen. Je nach Be-schaffenheit von Dekorfolien und Klebstoffsystem kann so ent-weder die Kühlzeit reduziert oder bei gleicher Kühlzeit die Ent-formtemperatur um bis zu 10 °C gesenkt werden. Letzteres kann erforderlich sein, um eine sichere Verklebung zu gewährleisten. FACS lässt sich auch an existierenden Anlagen nachrüsten.

Die große Modellvielfalt mit Ausstattungsvarianten erfor-dert immer häufigere Folienwechsel. Über eine Folienschnitt-optimierung wird der Folientrennschnitt bei Rollen- oder Farbwechsel so gesetzt, dass der dabei entstehende Folien-abfall minimiert und ein Ausschussbauteil vermieden wird. Die Folienenden werden dabei manuell geschnitten und au-tomatisch per Ultraschall miteinander verschweißt. Eine intel-ligente Maschinensteuerung erfasst die Anzahl der Takte so-wie die Vorschublänge und kann so die optimale Lage der Folienverbindungslinie unmittelbar vor oder hinter dem Spannrahmen festlegen.

Zukunft des Thermoformens

Folien werden auch zukünftig für viele Anwendungsfälle die optimale Lösung bieten.

Eine weitere Erhöhung der heute gewünschten Varian-tenvielfalt ist über zweifarbige Folien mit zwei unterschiedli-chen Narbungen möglich.

Mit Blick auf Gewichtreduzierung bieten Produkte wie PGF-Folien neue Möglichkeiten bei gleichzeitiger Verbesse-rung des Oberflächenerscheinungsbilds.

Ein wesentlicher Vorteil der Thermoform- und Kaschier-technologien ist die globale Verfügbarkeit von Folien und deren Verarbeitungstechnologie.

Die hier vorgestellten Innovationen in der Anlagen- und Prozess-Technik erlauben nachhaltige Effizienzsteigerungen in der Folienverarbeitung bei weiterhin herausragender und zunehmend verbesserter Wertanmutung der erzeugten Oberflächen. W

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