Lieferant erzielt bei SMC-Bauteilen Gewichtsreduzierung von
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Lieferant erzielt bei SMC-Bauteilen Gewichtsreduzierung von
Anwendungsbeispiel Energy and Advanced Material Division 3M™ Glass Bubbles Mikro - Glashohlkugeln Lieferant erzielt bei SMC-Bauteilen Gewichtsreduzierung von mehr als 25 % Die Firma Continental Structural Plastics (CSP), die ihren Sitz in Troy im US-Bundesstaat Michigan hat, vermeldet wichtige neue Fortschritte im Bereich Gewichtsreduzierung von duroplastischen Bauteilen, die für Paneele in Automobil- und anderen Anwendungen, auch im Außenbereich, zum Einsatz kommen. Als Lieferant von Kunststoff-Formteilen für Automobil- und andere industrielle Hersteller setzt sich CSP aktiv für Gewichtsreduzierungen und Produktverbesserungen ein – ganz im Sinne der USamerikanischen Energieeffizienz-Standards CAFE (Corporate Average Fuel Economy) und dem Streben der Branche nach sparsameren Kraftstoffverbrauch. Probir Guha, General Manager des Bereichs Materialentwicklung bei CSP weiß: Ausgangspunkt dieser Innovationen war die Zielsetzung, deutliche Dichtereduzierungen in SMC-Teilen zu erreichen, ohne die Fertigungsprozesse oder die Produktqualität zu beeinträchtigen. „Möglich wurden die jüngsten technischen Fortschritte durch die Beimischung von neuen leistungsstarken 3M™ Glass Bubbles in die Harzmatrix von SMC“, erklärte Guha. „SMC enthält eine mit Glasfaser verstärkte Harzmatrix mit Calciumcarbonat. Die Versuche, die Dichte ohne Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften zu reduzieren, konzentrieren sich hauptsächlich darauf, den Calciumcarbonatanteil zu variieren und ihn durch Füllstoffe mit niedrigerer Dichte zu ersetzen. Zu den alternativen Füllstoffen gehören Carbonfaser, organische Füllstoffe und Nanopartikel. Wir halten die Mikro-Glashohlkugeln von 3M aufgrund ihrer Festigkeit und niedrigeren Dichte generell für leistungsstärker als andere Füllstoffe. Ein weiteres Plus: Die Kugelform dieses Glaswerkstoffs verbessert die Fließeigenschaft (Kugellagereffekt) der Matrix, was zu einer potenziell höheren Füllstoffbeladung führt.“ Mikro-Glashohlkugeln bestehen aus einem chemisch stabilen Borsilikatglas und zeichnen sich durch ein gutes Verhältnis von Festigkeit und Gewicht aus. Im Vergleich zu alternativen Füllstoffen reduzieren diese Glashohlkugeln die Dichte, verbessern die Abriebbeständigkeit, schränken die Wärmeexpansion ein, erhöhen die Oberflächenhärte, verbessern die Formstabilität und tragen dazu bei, Material- und Prozesskosten zu kontrollieren. Nach Aussage von Guha erzielt CSP durch den Einsatz von 3M™ Glass Bubbles K37 als Füllstoff eine Teilchendichte von 1,3 g/cm³ für Bauteile außerhalb der Klasse A - Sichtteile. Das macht sich in einer typischen Gewichtsreduzierung von ca. 32 % gegenüber nicht modifiziertem SMC bemerkbar. Diese Mikro-Glashohlkugeln von 3M haben eine Nenngröße von 40 µm, eine Druckfestigkeit von 21 MPa und eine Dichte von 0,37 g/cm³. Sichtteile der Klasse A Die neuesten technologischen Fortschritte bei leistungsstarken Mikro-Glashohlkugeln haben bei SMC-Bauteilen eine Dichtereduzierung und bei lackierbaren SMC-Teilen Gewichtseinsparungen in ganz neuem Maße ermöglicht. Mike Siwajek, Leiter der Abteilung Materialentwicklung der Firma, erläutert, dass sich die Mikro-Glashohlkugeln, die bei dem neuesten SMC-Werkstoff zum Einsatz kommen, von dem früheren 40 µm starkem Material am deutlichsten durch ihre niedrigere Nenngröße und ihre höhere Druckfestigkeit unterscheiden. Die neueren 3M Mikro-Glashohlkugeln des Typs iM30K sind mit einer isostatischen Druckfestigkeit von 200 MPa zehnmal so stark wie die Glashohlkugeln K37. Sie haben einen Nenndurchmesser von nur 17 µm, während die Dichte der kleineren Glass Bubbles 0,60 g/cm³ beträgt (siehe Tabelle 1). ™ „Wir finden, dass sich die Fließeigenschaften der 3M Mikro-Glashohlkugeln sehr gut in die SMC-Produktion einfügen und dass das Verfahren durch den optimierten Harzfluss sogar noch verbessert wird“, so Siwajek. „Der Fließvorteil macht sich besonders bei der Haltbarkeit des SMC-Rohstoffs bemerkbar. Selbst nach monatelanger Lagerung zeichnet sich das Harz, das mit den kleineren Glashohlkugeln formuliert wurde, immer noch durch gutes Fließverhalten und zuverlässige Formfüllung aus. Wir können mit 3M Performance Additive iM30K das Gewicht eines gegebenen Teils um rund 25 Prozent gegenüber Calciumcarbonat reduzieren.” Tabelle 1 – Die Eigenschaften der 3M™ Mikro-Glashohlkugeln K37 und iM30K 3M Mikro-Glashohlkugel Druckfestigkeit Dichte K37 iM30K 3.000 psi/21 MPa 30.000 psi/200 MPa 0,37g/cm³ 0,6 g/cm³ ™ Ungefähre Gewichtsreduktion von SMC bei CSP 32 % 25 % Frühere Maßnahmen zur Senkung der Teilchendichte von SMC in den vorhandenen Werkzeugen mit Ton-Nanopartikeln und anderen Veränderungen der Formel für den Ersatz von Calciumcarbonat haben, so Siwajek, zu Problemen bei der Formstabilität geführt, was mit dem Schrumpf der Teile in der Form verbunden war. Dieses Problem konnte durch den Einsatz von Glashohlkugel-Füllstoffen gelöst werden. Heute beweist CSP, dass es möglich ist, die erforderte Dimensionsstabilität zu erzielen und sogar die äußerst hohen Toleranznormen von Teilen wie Motorhauben zu erfüllen. Oberflächenoptik Eine der größten Herausforderungen bei der Produktion von SMC-Paneelen mit Glashohlkugel-Füllstoff bestehe, so CSP, in der Lackierbarkeit. Zwar lassen sich unter Einsatz der Glass Bubbles K37 eine Dichte von 1,3 g/cm³ und gute physikalische Eigenschaften für SMC-Paneele erreichen. Aber, die in dieser Weise hergestellten Bauteile erfüllen nicht die Standards, die Autohersteller von Oberflächen der Klasse A erwarten. 40 µm große Mikro-Glashohlkugeln an oder in der Nähe der Oberfläche eines SMC-Teils neigen dazu, aus dem Paneel auszubrechen oder beim Schleifen zu brechen. Das hinterlässt Hohlräume und unakzeptable Mängel an der Lackoberfläche. Allerdings sind mit den neuen kleineren, 17 µm großen Performance Additiven iM30K von 3M und einer richtigen Vorbereitung der Oberfläche eine reduzierte Dichte und eine gute Oberflächenqualität möglich. „Mit der geringeren Größe und der höheren Druckfestigkeit der Glashohlkugeln iM30K ist CSP in der Lage, die Klasse-A-Standards der Autohersteller in Bezug auf Paneele mit lackierter Optik zu erfüllen“, sagt Siwajek. „3M hat Mitarbeiter aus den Bereichen Schleifmittel und Oberflächen- und Texturanalyse an diese Aufgabe gesetzt. Sie haben die Informationen zu Werkstoffen und Methoden geliefert, die es uns ermöglichen, die Optikansprüche der Autohersteller an SMC-Paneele mit dem 17 µm großen Glashohlkugel-Füllstoff zu erfüllen.” Beispiel für SMC-Bauteile Eine der bemerkenswertesten Verbesserungen, die sich mit dem neuen niederdichten SMC-Füllstoff erzielen ließ, sei, so Siwajek, eine Gewichtsreduzierung von rund 5 kg bei der Haube einer großen US-amerikanischen Geländelimousine. Bei Standardbauweise beträgt das Gewicht dieser 122 x 165 cm großen Motorhaube rund 18,3 kg, die sich aus rund 9,7 kg für das Außenpaneel und 8,6 kg für das Innenpaneel zusammensetzen. Die leichtgewichtige Version der Haube besteht aus einem rund 7,3 kg schweren Außenpaneel mit einer Dichte von 1,5 g/cm³ mit Performance Additive iM30K (2,4 kg Gewichtseinsparung) und einem rund 5,8 kg schweren, unbearbeitetem Innenpaneel mit größeren Glashohlkugeln K37 mit einer Dichte von 1,3 g/cm³ (weitere 2,8 kg Gewichtseinsparung). Mit den Glass Bubbles konnte das Gesamtgewicht der Haube von rund 18 kg auf 13 kg gesenkt werden. Das entspricht einer Gewichtseinsparung von 28 Prozent, die sich, so Siwajek weiter, mit annehmbaren strukturellen Eigenschaften erzielen ließ. Denn die Festigkeitstests zeigen, dass die Bauteile der geringeren Dichte mit 17 µm großen 3M Mikro-Glashohlkugeln in den Bereich der anstehenden neuen Dimensions- und Sicherheitsvorgaben der Autohersteller fallen. „Diese SMC-Verfahrensentwicklung ergänzt sich gut mit den energieorientierten Veränderungen am Markt und dem damit verbundenen Ruf nach Gewichtseinsparungen und höherer Produktionseffizienz”, lautet das Resümee von Probir Guha. „Unsere bisherige Erfahrung bestätigt, dass sich in den gängigen Herstellungsprozessen mit guter Produzierbarkeit die Dichte mit den Mikro-Glashohlkugeln reduzieren lässt. Dabei gibt es bei der Festigkeit im Vergleich zu nicht modifizierten Werkstoffen nur minimale Unterschiede zu verzeichnen. CSP arbeitet auch in Zukunft weiter mit den Autoherstellern zusammen, um weitere Möglichkeiten für Gewichtseinsparungen bei SMC-Sichtteilen und auch andere Anwendungen wie Lkw, Landwirtschaftsmaschinen und Verteidigung auszuloten.” Continental Structural Plastics (CSP) ist Nordamerikas größter Hersteller von Verbundteilen aus SMC und glasmattenverstärkten Thermoplasten für die Pkw- und Lkw-Herstellung und andere Branchen. CSP stellt in mehreren Werken (Carey, Ohio; Conneaut, Ohio; Van Wert, Ohio; Sarepta, Louisiana und Tijuana, Mexiko) SMC-Rohstoff her und produziert im Pressverfahren glasfaserverstärkte Motorhauben, Schutzbleche, Pickup Boxes, Unterbodenschilde, Ölwannen und andere Bauteile für General Motors, Chrysler, Ford, Toyota, International Truck, John Deere und viele andere Kunden WICHTIGER HINWEIS: Die vorstehenden Angaben stellen unsere gegenwärtigen Erfahrungswerte dar. Es obliegt dem Verwender, vor Verwendung des Produktes selbst zu prüfen, ob es sich, auch im Hinblick auf mögliche anwendungswirksame Einflüsse, für den von ihm vorgesehenen Verwendungszweck eignet. Alle Fragen einer Gewährleistung und Haftung bestimmen sich nach den jeweiligen kaufvertraglichen Regelungen, sofern nicht gesetzliche Vorschriften etwas anderes vorsehen. © 3M 2010. All rights reserved.