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VON MARC FUCHS, WALDSTATT, SCHWEIZ

Der Begriff Hybrid erinnert zunächst an den Motorenbau und nicht an einen Werk-stoffverbund. In den vergangenen Jahren wurde dieser Begriff jedoch vermehrt auch in der Verfahrenstechnik verwendet, auch wenn im Detail jeweils unterschiedliche Inhalte angesprochen werden.

Bei der Wagner AG, Waldstatt, Schweiz, wird unter Hybrid folgendes verstanden:> Druckgussbauteile, welche mit Kunststoff

um-, hinter- oder angespritzt werden,> durch Wagner entwickelte, spezielle me-

tallische Einlegeteile, welche mit Kunst-stoff umspritzt werden oder

> durch Wagner gegossene und zu einer Baugruppe montierte Druckguss- und Spritzgussteile.

Verfahrensbedingte Vorteile

Die Vorteile von hybriden Komponenten ergeben sich teilweise alleine schon durch die Urformprozesse Druck- und Spritzgie-ßen (Tabelle 1). Hier sind vor allem die The-men Bauteilgestaltungsfreiheit, Prozesssi-cherheit und -stabilität sowie die niedrigen Bauteilkosten zu erwähnen. Das Spritzgie-ßen ist bei der Bauteilgestaltungsfreiheit und Prozesssicherheit dem Druckgießen im allgemeinen etwas überlegen, da die werkzeugbedingten Prozesseinflüsse beim

Spritzgießen nicht einen so großen Einfluss haben wie beim Druckgießen. Ebenso sind die Bauteilkosten beim Spritzgießen im all-gemeinen niedriger, da nachgelagerte Pro-zessschritte wie z. B. Stanzen, Strahlen und die mechanische Bearbeitung oft nicht not-wendig sind. Weitere Veredelungsmöglich-keiten bieten beide Verfahren. Die Farbge-bung ist nur beim Spritzgießen im Urfor-men durch Zugabe von Kunststoffadditiven, sogenannten Masterbatches, möglich. Beim Druckgießen muss die Farbgebung der Tei-le durch eine nachgelagerte Beschichtung realisiert werden. Dafür kann beim Druck-gießprozess Recyclingmaterial besser ge-nutzt werden. Angüsse und Ausschusstei-le können in der Regel inhouse ohne qua-

Vorteile von hybriden Druckguss-Spritzguss-Komponenten

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elektronikgehäuse mit angespritzem stecker.

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litative Einbußen wieder recycelt werden, während beim Spritzgießen nur bedingt re-cyceltes Material verwendet werden darf – und wenn, dann nur in einem definier-ten Verhältnis zu Neumaterial.

Werkstoffbedingte Vorteile

Um weitere Vorteile von hybriden Bautei-len zu evaluieren, müssen die spezifischen Werkstoffeigenschaften genauer unter die Lupe genommen werden. In Tabelle 2 sind diese für die verfahrenstypischen Materi-alien AlSi9Cu3 (226) und Polyamid 66 (PA 66) gegenübergestellt.

Die Dichte ist bei PA66 nur halb so groß wie bei der Aluminiumlegierung 226. Hier wird klar ersichtlich, dass der Kunststoff bei einem hybriden Bauteil zur Gewichts-reduktion beitragen kann. Die Zugfestig-keit von 80-90 N/mm2 bei PA66 beträgt nur ein Drittel der 226er-Legierung und würde ein hybrides Bauteil aus beiden Werkstoffen deutlich schwächen. Eine aus-geprägte Streckgrenze, welche bei Metal-len den Übergang zwischen elastischer und plastischer Verformung angibt, gibt es bei PA66 so nicht. Ist aber ein Vergleichswert nötig, so kann die technische Elastizitäts-grenze im Spannungs-Dehnungs-Diagramm mittels 0,1 % Abweichung der Linearität ermittelt werden, was einem Wert von ca. 35-40 N/mm2 bei einem mittlerem Wasser-gehalt von ca. 2,6 % entspricht.

Die Bruchdehnung oder Reißdehnung (Fachbegriff aus dem Kunststoffbereich) von PA66 ist um etwa den Faktor 60 höher als bei der 226er-Legierung. Eine Eigenschaft, die bei hybriden Bauteilen z. B. als Dämp-fungsfunktion genutzt werden kann. Der E-Modul liegt bei PA66 mit einem Wert von 1,6-2,1 kN/mm2 auf einem sehr niedrigen Wert. Das bedeutet, dass PA66 ohne Ver-stärkung durch z. B. Glasfasern für mecha-nisch belastete Bauteile nur mäßig geeig-net ist. Die Wärmeleitfähigkeit von PA66 liegt um etwa den Faktor 500 niedriger als die der 226er-Legierung und kann somit bei einer Hybridanwendung wärmeisolie-rende Funktionen übernehmen (zum Ver-gleich: Die Wärmeleitfähigkeit der beim Zink- und Leichtmetalldruckgießen ein gesetzten Legierung 1.2343 liegt bei 28-30   W / mK, bei Sonderstählen bis 60 W /mK). Der Formschwund ist bei PA66 deutlich höher als bei der 226er-Legierung und muss beim Hinterspritzen von Einlege-teilen berücksichtigt werden. Bei großen Flächen ist daher der Einsatz von Veranke-rungen oder Haftvermittlern nötig. Beim Vergleich der Dauergebrauchstemperatu-ren wird klar, dass ein hybrides Bauteil aus diesen beiden Werkstoffen z. B. im Pkw-Mo-torraum nicht zur Anwendung kommen darf. Der sehr niedrige Wert bei der elekt-rischen Leitfähigkeit von PA66 zeigt, dass

Tabelle 1: Verfahrensbedingte Vorteile von Druck- und spritzguss.

Eigenschaft Druckguss Spritzguss

Bauteilgestaltungsfreiheit Hoch Sehr hoch

Prozesssicherheit und –stabilität Hoch Sehr hoch

Bauteilkosten Niedrig Sehr niedrig

Möglichkeiten zur Veredlung Gut Gut

Farbgebung Schlecht Sehr gut

Redyclierbarkeit Sehr gut Mäßig

Tabelle 2: Werkstoffeigenschaften von 226 und PA66

Eigenschaft AlSi9Cu3(226) PA 66

Dichte 2,68 g/cm3 1,14 g/cm3

Zugfestigkeit 240-350 N/mm2 80-90 N/mm2

Streckgrenze (techn. Elastizitätsgrenze) 150- 220 N/mm2 (ca. 35-40 N/mm2)

Bruchdehnung (Reißdehnung) 2-5 % 120-220 %

E-Modul 70-72 kN/mm2 1,6-2,1 kN/mm2

Wärmeleitfähigkeit 110-130 W/mK 0,2 W/mK

Formschwund 0,4-0,6 % 1,2-2 %

Dauergebrauchstemperatur bis 400-450 °C 80-100 °C

Elektrische Leitfähigkeit 20 MS/m 1012 S/m

Korrosionsbeständigkeit Mäßig Sehr gut

UV-Beständig keit Sehr gut Mäßig

dieser Werkstoff neben wärmeisolierenden auch elektrisch-isolierende Eigenschaften hat, die in gewissen Hybridanwendungen von Nutzen sein können. PA66 hat gegen-über der 226er-Legierung aber auch den Vorteil, dass es nicht korrodiert, dafür aber nur mäßig gegen UV beständig ist und so-mit bei Anwendungen im Außenbereich nur bedingt optischen Ansprüchen genügt.

Vorteile von hybriden Bauteilen

Abgeleitet von den verfahrens- und werk-stoffspezifischen Vorteilen ergeben sich Vor-teile, die gleichzeitig auch die Treiber der Entwicklung hybrider Komponenten sind:> Funktionsintegration: Eigenschaften, die

dem metallischen Teil fehlen, können durch den Kunststoffteil ergänzt und so-mit die Funktionalität der Baugruppe er-höht werden. So können Kunststoffe z. B. als thermisch oder elektrisch isolie-rende Schicht, als Dämpfmaterial, als Gleitpartner, als Korrosionsschutz oder als dekorativer Anteil in einem Hybrid-bauteil zur Anwendung kommen, um nur einige Anwendungen zu nennen.

> Gewichtsreduktion: Wie Tabelle 2 zeigt, liegt die Dichte der Kunststoffe, auch wenn sie z. B. mit Glasfasern verstärkt sind, deutlich unter der Dichte von Me-tall und kann somit in der Hybridstruk-tur zur Gewichtseinsparnis beitragen.

KUrZFAssUNG:Unter hybriden Komponenten werden bei der Wagner AG speziell gefertigte metallische Einlegeteile verstanden, welche mit Kunststoffteilen kombiniert werden. Neben den allgemeinen Vor-teilen, welche die Verfahren Druckgie-ßen und Spritzgießen mit sich bringen, sind die Funktionsintegration sowie die Gewichts- und Kostenreduktion Haupt-treiber bei der Entwicklung solcher hy-brider Komponenten. Um die Kunst-stoff- und Metallkomponenten zu ver-binden, werden bei Wagner die Prozesse Montage und Hinterspritzen ausgeführt. Beim Hinterspritzen wird dabei zwischen einem formschlüssigen und stoffschlüssigen Verbund unter-schieden. Während beim formschlüs-sigen Verbund der Zusammenhalt der Komponenten durch hinterschnittige Bereiche erzielt wird, müssen hierzu beim stoffschlüssigen Verbund Haft-vermittler (Primer) eingesetzt werden.

> Kostenreduktion: Oft kann durch die Ver-lagerung von zusätzlichen Funktionen ins Bauteil der Aufwand in einem späte-ren Wertschöpfungsschritt, zum Beispiel durch vereinfachte Montageprozesse, re-

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mit das Werkzeug prozesssicher am Einle-geteil abdichtet und der Kunststoff nicht undefiniert hinterspritzt.

Da in einem Vielfach-Druckgießwerk-zeug keine Kavität maßlich wie die ande-re ist, gibt es folgende Möglichkeiten, um eine prozesssichere Herstellung zu gewähr-leisten:> den Einsatz von flexiblen Dichtelemen-

ten im Spritzgießwerkzeug, > den Einsatz eines Einfach-Druckgießwerk-

zeuges anstelle eines Vielfach-Werkzeuges,> die mechanische Bearbeitung des Einle-

geteils.

Metall-Kunststoff- Verbundmöglichkeiten

Unabdingbar bei der Entwicklung von hy-briden Komponenten ist das Abschätzen der Grenzen und Grenzwerte dieser Ver-bindungen. Beim Hinterspritzen variieren diese Grenzen sehr stark, ob man einen Formschluss, also eine Verbindung über ein Verbindungsteil, oder einen Stoff-schluss, also eine Verbindung über atoma-re oder molekulare Kräfte, realisiert. Sinn-voll ist auch, über alternative Verbundmög-lichkeiten nachzudenken (Bild 1).

Um einen Hybriden herzustellen, gibt es mehrere Möglichkeiten. Da sind zum einen

duziert werden. Damit können die Kos-ten für den Kunden gesenkt werden.

Leider lassen sich nicht alle Metalle mit allen Kunststoffen zu einem nutzbringen-den hybriden Bauteil verbinden. Bei des-sen Entwicklung müssen die Einsatzbedin-gungen ganz genau bekannt sein und die mechanischen, elektrischen und thermi-

schen Eigenschaften der beiden Werkstoff-partner müssen für die spezifische Anwen-dung abgestimmt sein. Des Weiteren muss sehr genau bedacht werden, wie die Hyb-ridkomponente am wirtschaftlichsten her-gestellt werden kann.

Einer der wichtigsten Punkte z. B. beim Umspritzen von metallischen Einlegetei-len ist die Genauigkeit der Einlegeteile, da-

Bild 1: Metall-Kunststoff-Verbundmöglichkeiten.

Verbund

Hinterspritzen Kleben Montieren

Einsatz vonHaftvermittlern

Formschlüssig Stoffschlüssig

Metall auf Kunststoff(integrierter Prozess)

Kunststoff auf Metall(integrierter Prozess)

Kunststoff auf Metall(Einlagen)

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das Kleben und die Montage – hier sind bei-de Werkstoffpartner in festem Zustand – und zum anderen das Hinterspritzen, bei dem ein Werkstoff in festem und einer in flüssi-gem Aggregatszustand ist. Hierbei kann zwi-schen einem integrierten Prozess und kon-ventionellem Hinterspritzen von Einlegtei-len unterschieden werden.

Am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Aachen ist ein integrierter Hyb-ridprozess entwickelt worden, der es, ähn-lich wie beim sogenannten 2K-Spritzgieß-prozess, erlaubt, niedrigschmelzende Me-talle wie Zinn-Zink-Wismut-Legierungen direkt an einer Spritzgießmaschine in Kombination mit Kunststoff zu verarbei-ten. So können z. B. metallische Leiterbah-nen auf eine Kunststoffplatte gespritzt wer-den und dies in einem Werkzeug auf nur einer Maschine.

Ein ähnlicher Ansatz wird derzeit von einem Forscherteam der RWTH Aachen verfolgt: Was im Bereich Zinkwarmkam-merdruckgießen bereits in der Serie im Einsatz ist, soll nun auch für das Alumini-umdruckgießen umgesetzt werden. Neben der Ermittlung der optimalen Prozesspa-rameter für die Herstellung eines inte-grierten Aluminium-Kunststoff-Hybriden, sollen auch die Möglichkeiten der Nach-behandlung, die Ermittlung der Festigkeit

Walzen, Pinseln und Drucken appliziert werden. Kommt der Haftvermittler als Fo-lie zum Einsatz, können verschiedene Ka-schiertechniken wie z. B. Kalandrieren oder Heißluftpressen angewendet werden.

Ein Kalander ist ein System aus mehre-ren aufeinander angeordneten beheizten und polierten Walzen aus Schalenhartguss oder Stahl, durch deren Spalten eine Schmelze oder andere Materialien hin-durchgeführt werden.

Eine Heißluftpresse verfügt über zwei relativ zueinander verfahrbar angeord-nete Presskörper mit Austrittsdüsen, die während des Pressvorgangs Heißluft über das Pressgut blasen. Innerhalb der Press-körper ist ein Rohrleitungssystem ange-ordnet, über das die Heißluft gleichmä-ßig auf die Austrittsdüsen verteilt wird.

Beispiele von Hybriden und deren Vorteile

Das Bild auf S. 78 zeigt eine von der Kol-benschmidt Pierburg AG, Neckarsulm, ent-wickelte Kühlmittelpumpe, die den Motor elektrisch kühlt – und nicht mechanisch über einen drehzahlgebunden Keilriemen. Diese Pumpe kommt bei einigen 4- und al-len 6-Zylinder Reihenmotoren von BMW zum Einsatz.

des stoffschlüssigen Verbunds und die Wirtschaftlichkeit evaluiert werden.

Der etablierteste Prozess auf dem Markt ist jedoch das Hinterspritzen eines einge-legten metallischen Körpers. Es ist ein formschlüssiger Verbund anzustreben, da bei stoffschlüssigen Verbünden meist Haft-vermittler zur Steigerung der Festigkeit nö-tig sind. Die Wahl des richtigen Haftver-mittlers ist wieder sehr stark von den zu verbindenden Werkstoffpartnern abhän-gig. Hierbei ist primär die Chemie des Kunststoffes wichtig, denn diese bildet meistens auch die Basis des Haftvermitt-lers. Bei der Applikation des Haftvermitt-lers auf den metallischen Einleger kann prinzipiell zwischen der Bandbeschichtung (Coil Coating) und alternativen Verfahren unterschieden werden. Beim Coil Coating wird ein metallisches Blech zunächst durch ein Tauchbad mit Haftvermittler geführt oder lackiert, anschließend ausgehärtet und danach zum gewünschten Einlegeteil umgeformt (z. B. Stanzen und Tiefziehen). Alternative Verfahren kommen dann zum Einsatz, wenn etwas komplexere Geome-trien oder Bauteile, deren Oberfläche nur partiell mit sogenannten Primern beschich-tet werden, zum Einsatz kommen.

Steht der Haftvermittler als Lack zur Verfügung, kann er durch Sprühen, Rakeln,

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Bild 2 zeigt ein von der Webasto-Ed-scha Cabrio GmbH, Hengersberg, entwi-ckeltes Dach system für den Smart 4 two. Dieses System kann mechanisch verstellt werden.

Der Dachspitzenhalter soll bei Verstel-lung das System führen und mit der ange-spritzten Feder aus Polyoxymethylen (POM) ein mögliches Klappergeräusch ver-hindern.

einsatzbedingungen:> Temperaturbeständigkeit von -40 bis

+40 °C> Gehäusedruckdichtheit: 3 Bar Prüfdruck> Spritzwasserfestigkeit Stecker: 0,4 Bar

Prüfdruck, zulässige Leckage < 1 ml/min

Besonderheit:Formschlüssige Hybrid- statt einer Schraub-verbindung zwischen Stecker und Gehäuse.

Wagner AG: Zulieferer für Bauteile aus Leichtmetall und HybridwerkstoffenDie 1945 gegründete Wagner AG hat ihren Hauptsitz in Waldstatt, Schweiz. Als Zulieferer unter anderem auch für die Automobilindustrie entwickelt, konstruiert und produziert das Fami­lienunternehmen mit seinen rund 170 Mitarbeitern rohe, bearbeitete, vormontierte und einbaufertige Bau teile und Komponenten aus Alu­miniumguss, Zinkdruckguss, Ther­moplastsp ritzguss sowie hybriden Kompo n enten.

Im Druckgussbereich verarbeitet Wagner im Kaltkammerverfahren die Aluminiumlegierungen 231, 226, 239 und Magsimal59, im Warmkammer­verfahren die Zinklegierung Za­mak410. Im Thermoplast­Spitzguss­bereich ist Wagner etwas flexibler in der Verarbeitung der Werkstoffe, da diese als Pellets angeliefert und di­rekt an der Spritzgießmaschine er­schmolzen werden. Typische Kunst­stoffe, welche bei Wagner am häu­figsten zum Einsatz kommen, sind Polyamide (PA) und Polyoxymethylen (POM) (Bild 3).

Bild 2: Dachspitzenhalter mit angespritzter Feder aus POM.

Bild 3: Werkstoff-Portfolio bei Wagner AG.

einsatzbedingungen:> Temperaturbeständigkeit -40°C bis 100°C> Sehr gute Korrosionsbeständigkeit> Salzsprühtest> Dehnung vom Grundwerkstoff > 5 %> Gute Gleiteigenschaft der Feder

Besonderheit:Aluminiumdruckgussformteil mit hoher Dehnung (Magsimal59). Die Beschichtung des Bauteils erfolgt mit der sogenannten Kathodischen Tauchlackierung (KTL), so wird es unter anderem vor Korrosion ge-schützt. Anschließend wird das Bauteil formschlüssig mit POM angespritzt.

Fazit und Ausblick

Hybride Bauteile ermöglichen es, Funkti-onen ins Bauteil zu integrieren und die Kosten und das Gewicht zu reduzieren.

Der anhaltende Leichtbautrend im Au-tomobilbau wird auch in den nächsten Jah-ren einer der wichtigsten Treiber für die Entwicklung von hybriden Bauteilen sein.

www.wagner-waldstatt.ch

Dipl.-Ing. ETH Marc Fuchs, Leitung Verkauf & Engineering Wagner AG, Waldstatt, Schweiz

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