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Cool TouchCool TouchProf. Dr.-Ing. Prof.FrankEhrig, Dipl.-Ing. (FH) Mario Studer, Dipl.-Ing. (FH) Matthias Holzinger,Dr.-Ing. Frank Ehrig, Dipl.-Ing. (FH) Mario Studer, Dipl.-Ing. (FH) Matthias Holzinger,Hans-Rudolf Wey,InstitutWey,für ng,RapperswilHans-Rudolffür WerkstofftechnikKunststoffverarbeitung, RapperswilProf. Dr.-Ing. Frank Ehrig, Dipl.-Ing. (FH) Mario Studer, Dipl.-Ing. (FH) Matthias Holzinger,Hans-Rudolf Wey, Institut für Werkstofftechnik und Kunststoffverarbeitung, RapperswilDekorativeBauteiledurch durchdas Hinterspritzenvon MetallfolienDekorativeBauteiledas HinterspritzenDekorative Bauteiledurch das HinterspritzenvonMetallfolienMetallfolienvonAus: VDI-Kunststoffband 4283, Spritzgießen 2007.Hrsg.: VDI Wissensforum IWB GmbH und VDI-Gesellschaft Kunststofftechnik.Düsseldorf: VDI4283,Verlag2007 (Erstveröffentlichung).Aus: VDI-KunststoffbandSpritzgießen2007.Aus: VDI-Kunststoffband B 4283, Spritzgießen 2007Hrsg.: VDI Wissensforum IWB GmbH und VDI-Gesellschaft Kunststofftechnik.Hrsg.: VDI Wissensforum IWB GmbH und VDI-Gesellschaft KunststofftechnikDüsseldorf: VDI Verlag 2007 (Erstveröffentlichung). VDI Verlag, Düsseldorf 2007 (Erstveröffentlichung)EIN INSTITUT DERHSRHOCHSCHULE FÜR TECHNIKRAPPERSWIL
Sonderdruck aus VDI-Tagungsband B 4283 VDI Verlag GmbH, Düsseldorf 2007Dekorative Bauteile durch das Hinterspritzen vonMetallfolienProf. Dr.-Ing. F. Ehrig, Institut für Werkstofftechnik und Kunststoffverarbeitung (IWK),Rapperswil/CHKurzfassungDie Hybrid-Technologie als Verbindungvon Kunststoff-Metall-Komponenten fürstrukturelle Anwendungen ist ein etabliertes Beispiel für die Kombination derVorteile von Metall und Kunststoff ineinem Formteil mittels Verbundkonstruktion. Auch für dekorative Anwendungenbietet sich die Kombination dieser Werkstoffe an, um eine Preis- und Gewichtsreduktion im Vergleich zu klassischenTechnologien zu realisieren.Hierzu werden Metallfolien, z. B. ausEdelstahl oder Aluminium, mit einerDicke bis 0,4 mm mit Kunststoff hinterspritzt. Die Metallfolien bilden dieOberfläche des Bauteils und verleihenden gewünschten Metalllook und denCool Touch-Effekt beim Berühren derTeile. Der Kunststoff bildet den Unterbau. Durch den Spritzgießprozess ist esmöglich, Funktionen und Prozesse zuintegrieren, wie zum Beispiel das Einbringen von Schnapphaken oder Befestigungsdomen. Da die Metallfolien sehrdünn sind, können durch den Spritzdruckgleichzeitig Werkzeugoberflächenstrukturen auf die Formteiloberfläche abgeformt werden. Hierdurch ergeben sichneue Designmöglichkeiten.gesteigerten Anforderungen hinsichtlichHaptik und Optik erfüllt werden.Für die Realisierung hochwertiger Oberflächen werden daher vermehrt Oberflächenveredelungsprozesse angewendetund hochwertige Dekormaterialien eingesetzt. Bekannte Veredelungsverfahrensind z. B. das Bedrucken, Lackieren oderauch Cubic-Printing. Zur Realisierungvon Bauteilen mit Metalloptik werdenzusätzlich das Galvanisieren, das Heißprägen sowie das Hinterspritzen vonKunststofffolien eingesetzt. Bei diesenVerfahren können Oberflächen mit metallischer Optik hergestellt werden, dievon den Metallbauteilen kaum unterschieden werden können. Allerdings istes nicht möglich, das Empfinden einermetallischen Haptik, den sogenanntenCool-Touch-Effekt zu realisieren.Unter dem Cool Touch Effekt verstehtman die bei der Berührung von Körpernempfundene Kältewirkung. Die Ursachedieses Effekts liegt in der Berührung(Kontakt) und die Wirkungsweise im Kälteempfinden (psychologisch). Physika-Bild 1: Modelldiskretisierung undStarttemperaturenlisch betrachtet, lässt sich dieser Effektdurch die bei der Berührung von zweiKörpern vorliegende Kontakttemperaturbegründen. Zur Erzielung eines metallisch kalten Gefühls, muss die Wärmeüber das Oberflächendekor schnell abgeführt werden. Die entscheidendenEinflussfaktoren sind hierbei die thermischen Eigenschaften des Dekors, dieDekordicke sowie der Wärmeübergangvom Menschen zur Bauteiloberfläche.Kunststoffe weisen in der Regel eineniedrige Wärmeleitfähigkeit auf, so dassVeredelungsverfahren, wie das Hinterspritzen von Kunststofffolien, das Bedrucken oder Lackieren ausgeschlossen1. EinleitungZur Steigerung der Marktattraktivität vonProdukten zum Beispiel aus der Elektro-,Haushalts- und Automobilindustrie gehtder Trend zunehmend zu individuellemDesign und mehr Exklusivität. Kunststoffe bieten aufgrund ihrer Verarbeitunggroße Gestaltungsfreiheiten und durchdie Möglichkeit der Massenproduktionsowie durch die Integration von Funktionen und Prozessen wirtschaftlicheVorteile. Diese Vorteile eröffnen immerneue Anwendungsbereiche und ermöglichen teilweise die Substitution andererWerkstoffe, allerdings müssen auch dieBildKontakttemperaturin Abhängigkeitvon Dekorartund –dickeBild2:2: Kontakttemperaturin Abhängigkeitvon Dekorartund -dicke
werden können. Näher betrachtet wurde daher der Einfluss einer metallischenOberfläche. Im Rahmen einer einfachenFEM-Betrachtung wurden der Einflussder thermischen Eigenschaften sowiedie Dekordicke analysiert (Bild 1).Es wurden folgende Annahmen getroffen:Kunststoffplatte: Durchmesser 50 mm,Dicke 3 mmAbmaße des Kontaktpartners („Finger“):Durchmesser 10 mm, Länge 10 mmDicke der Metallisierung: 0,05 mm,0,1 mm, 0,2 mm und 0,4 mmThermische Eigenschaften:Aluminium: ρ 2‘700 kg/m3,λ 238 W/m/K, cp 945 J/kg/KStahl: ρ 8‘000 kg/m3,λ 15 W/m/K, cp 477 J/kg/KKunststoff: ρ 1‘000 kg/m3,λ 0.2 W/m/K, cp 1‘400 J/kg/KDie Ergebnisse gemäß Bild 2 zeigen,dass zur Erzielung des Cool TouchEffektes eine bestimmte Metallschicht dicke erforderlich ist. Der Kunststoffwirkt als Isolator. Die vom Finger in dasDekor einfließende Wärmemenge kannbei einem dickeren Dekor besser abgeführt werden, was zu einem kälterenEmpfinden führt. Die Kontakttemperaturen von ganz dünnen Stahlschichtenliegen nur knapp unter derjenigen homogener Kunststoffbauteile. Die Kontakttemperatur bei Aluminiumoberflächenliegt deutlich unter derjenigen aus Stahl.Die Ergebnisse verdeutlichen auch, warum metallpigmentierte Schichten oderselbst verchromte Schichten mit Dickenvon 15-40 µ m keinen Cool Touch-Effektliefern können.Allerdings spielt das persönliche Empfinden, welches eher subjektiv ist undsich daher physikalisch nicht beschreiben lässt, ebenfalls eine wichtige Rolle. In einem nicht repräsentativen, aberinteressanten Versuch wurden 30 Personen bezüglich ihres Kälteempfindensbei fünf Aluminiumstreifen der Dickenvon 20 –100 µ m befragt [1]. Lediglichbeim Aluminiumstreifen mit einer Dickevon 100 µ m schätzen insgesamt 70 %der Befragten diesen als metallisch bismittelkalt ein. Auch diese einfache Abschätzung zeigt zumindest auf, dass eineMindestdicke für eine metallische Haptikvorhanden sein muss.Bild 3: Dekoration mit Aluminium und Edelstahl [Fotos: Miele AG, AudiAG, Nokia AG, Geberit AG, Internet]2. Kunststoff-Metall-Verbund fürdekorative BauteileZur Erzeugung einer metallischen Haptik werden derzeit Bauteile oft aus Vollmetall eingesetzt bzw. Metallbänder imDickenbereich von 400 – 700 µ m umeinen thermoplastisches, spritzgegossenes Träger bauteil gebördelt. Dies istallerdings mit einem hohen Energieeinsatz und Fertigungskosten verbunden.Die Hybrid-Technologie als Verbindungvon Kunststoff-Metall-Komponenten fürstrukturelle Anwendungen ist ein etabliertes Beispiel für die Kombination derVorteile von Metall und Kunststoff ineinem Formteil mittels Verbundkonstruktion. Auch für dekorative Anwendungenbietet sich die Kombination dieser Werkstoffe an, um eine Preis- und Gewichtsreduktion im Vergleich zu klassischenTechnologien zu realisieren.Das Hinterspritzen von Metallfolien bietet hier neue Möglichkeiten mit den bekannten Vorteilen, die bereits vom Hinterspritzen von Kunststofffolien bekanntsind [2, 3]. Hierzu werden Metallfolien,z. B. aus Edelstahl oder Aluminium, miteiner Dicke bis 0,4 mm mit Kunststoffhinterspritzt. Die Metallfolien bilden dieOberfläche des Bauteils und verleihenden gewünschten Metalllook und denCool Touch-Effekt beim Berühren derTeile. Der Kunststoff bildet den Unterbau. Durch den Spritzgießprozess ist esmöglich, Funktionen und Prozesse zuintegrieren, wie zum Beispiel das Einbringen von Schnapphaken oder Befestigungsdomen. Bei Metallfolien geringerer Dicke bis 0,3 mm können durchden Spritzdruck gleichzeitig Werkzeug oberflächenstrukturen auf die Formteil oberfläche abgeformt werden. Hierdurchergeben sich neue Designmöglichkeiten.Es lassen sich somit dekorative Bauteilemit einem hohen Automatisierungsgradund Integrationspotenzial herstellen.3. Hinterspritzen von MetallfolienDie Anforderungen an Dekorbauteile sindsehr unterschiedlich. Je nach Anwendungmüssen entsprechende spezifische Temperatur- und Klimawechseltests, splitterfreies Bruchverhalten, UV- und Chemikalienbeständigkeit, u. a. m. erfüllt werden.Allen Anwendungen gemeinsam ist dieForderung nach optisch und haptisch einwandfreien Bauteilen, eine gute Haftungzwischen Metallfolie und Kunststoff sowie ein verzugfreies Bauteil.
müssen ggf. Vorversuche durchgeführtwerden.Der Kunststoffträger muss eine ausreichende Härte aufweisen, um eineplastische Verformung des Dekors beipunktueller mechanischer Belastungzu verhindern. Die unterschiedlichenWärme ausdehnungskoeffizienten vonAluminium und Kunststoff sowie ein erhöhtes Schwindungspotenzial des Kunststoffes beeinflussen den Verzug von mitMetallfolien dekorierten Bauteilen. ZurMinimierung der Verzugneigung werdendaher in der Regel faserver stärkte Kunststoffe eingesetzt.Bild 4: Aufbau der Metallfoliend 4: Aufbau der MetallfolienversuchAnforderungen an Metallfolien undKunststoffträgerBild 4 zeigt den typischen Aufbau derMetallfolien aus Aluminium und Edelstahl.Der Schutzlack bzw. die Eloxalschichtschützen die Aluminiumfolie vor Korro sion, Chemikalien, UV-Bestrahlung underhöhen die Kratzfestigkeit der Oberfläche. Bei Edelstahl wird in der Regel aufeinen Schutzlack verzichtet. Zur Vermeidung des bekannten Finger-Print-Effektswäre eine Beschichtung notwendig.Edelstahl wird vielfach mit Schutzfolie geliefert, um Oberflächenbeschädigungenwährend des Verarbeitungsprozessesund des Transports zu vermeiden. In derRegel sind die Metallfolien mit verschiedenen Oberflächenstrukturen erhältlich,von glänzend bis strukturiert. Da dieseüber den Walzprozess eingebracht werden, steht nur eine bestimmte Auswahlzur Verfügung. Zu beachten ist die erhöhte Empfindlichkeit der Metallfolienhinsichtlich Abzeichnungen auf der Oberfläche durch Staubpartikel, Handling undPositionierung im Werkzeug im Vergleichzu Kunststofffolien.Allen Halbzeugen gemeinsam ist dieHaftvermittlerschicht auf der Kontaktseite zum Kunststoff. Diese Haftvermittlerschicht muss vor dem Hinterspritzenauf die Metallfolie aufgebracht werden.Hierbei kann es sich zum einen um einen Lacksystem handeln, welches direkt beim Metallfolienlieferanten aufgetragen wird, zum anderen können aberauch Klebefilme aufkaschiert werden. Jenach hinterspritztem Kunststofftyp mussdie entsprechende Haftvermittlerschichtausgewählt werden. Von Seitender Prozesstechnik spielen Werkzeug- und Massetemperatur einegroße Rolle, da die Ansprechtemperatur des Haftvermittlersystems erreicht werden muss.Hier ist eine enge Zusammenarbeit zwischen Halbzeugherstellerund Verarbeiter notwendig und esBild 5: Prüfung der Haftung im RollenschälversuchIn Untersuchungen am IWK wurden Metallfolien aus Edelstahl und Aluminiummit unterschiedlichen Haftvermittlernmit verschiedenen Kunststoffen hinterspritzt [4]. Hierbei wurden sowohl dieProzessparameter beim Spritzgießen alsauch beim Aufkaschieren von Klebefolien variiert. Als Kunststoffträger wurdeein ABS/PC und ein PA 6.6 verwendet.Die Prüfung der Haftung zwischen derMetallfolie und dem Kunststoffträgerwurde in einem Rollenschälversuch inAnlehnung an die DIN 53289 bzw. DIN53530 durchgeführt (Bild 5) [5, 6].Bild 6 zeigt den Verlauf des Trennwiderstands für ein Haftvermittlersystem überdie Abzugslänge. In diesem Beispiel istebenfalls deutlich sichtbar, dass im Angussbereich der Trennwiderstand starkabfällt, was auf Auswaschungen beidiesem Haftvermittlersystem zurückzuführen ist. Es gibt auch Haftvermittlersysteme, bei denen der Effekt gerade entgegen gesetzte, d. h. Trennwiderstandsteigernde, Wirkung besitzt. Dies kannauf die erhöhte Temperatur im Angussbereich zurückgeführt werden.In Bild 7 sind einige Ergebnisse der Untersuchungen zusammenfassend darge-Bild 6: Trennwiderstand in Abhängigkeit derAbzugslänge
Bild 7: Trenn widerstände fürverschiedeneVerbundsystemestellt. Die Ergebnisse zeigen unterschiedliche Trennwiderstände in Abhängigkeitvom Haftvermittlersystem, Metallfolien- und Kunststofftyp. Es liegen bislangnoch keine Erkenntnisse vor, welcherTrennwiderstand für eine ausreichendeHaftung über die Gebrauchsdauer mindestens erreicht werden muss. Dies istwahrscheinlich abhängig vom Einsatzgebiet und daher in Zusammenarbeit mitden Industriepartnern anhand der jeweiligen Pflichtenhefte zu untersu-chen.Realisierung von OberflächenstrukturenWie bereits erwähnt, bietet der Einsatzdünner Metallfolien bis ca. 300 µ m dieMöglichkeit, durch den Spritzdruck Werkzeugstrukturen direkt im Spritzgießprozess abzuformen. Hierdurch könnenkostengünstig Schriftzüge und Design-elemente im Bauteil ohne zusätzlicheNachfolgeprozesse, wie Ätzen oder Prägen, realisiert werden. Bild 8 zeigt beispielhaft einfache Demobauteile des IWKmit verschiedenen Oberflächen designs.Bei der Entwicklung der Designstrukturen ist zu beachten, dass der Einspritzdruck vom Anguss bis zur Fliessfrontstetig abnimmt. Dies kann je nach Strukturtiefe und -breite zu ungleichmäßigerAbformung führen, da in angussfernenBereichen der Spritzdruck zur Ausformung nicht mehr ausreicht. Daher ist beider Werkzeugauslegung das FließwegWanddicken-Verhältnis des verwendeten Kunststoffs zu berücksichtigen. Aufder anderen Seite dürfen die Strukturennicht zu scharfkantig bzw. zu hoch oderzu tief sein, da sonst der Schutzlackoder sogar die Metallfolie reißen könnte.Die se teilweise nicht sichtbaren RisseBild 8:8: IWK-Demobauteilemit lemit verschiedenenOberflächendesignssind potenzielle Schwachstellen für einen Korrosionsangriff. Aktuelle Untersuchungen am IWK sollen dazu dienen,Auslegungsrichtlinien für erhabene undvertiefte Strukturen zu erarbeiten. Hierzudient das in Bild 9 dargestellte Versuchsbauteil mit dem Logo der HochschuleRapperswil.Erste Untersuchungen wurden mit einer0,2 mm dicken Aluminiumfolie durchgeführt. Es zeigte sich, dass im Bauteilvertiefte Strukturen weniger kritisch sindals erhabene Strukturen. Bild 10 zeigt fürden Ausschnitt im Bereich der Buchstaben „SR“ eine Rissbildung bei 0,4 mmStrukturhöhe. Weitere Untersuchungenmit Metallfolien unterschiedlicher Dickensollen Informationen über maximale Höhen/Tiefen sowie die notwendigen Radien liefern.Bild 9: Versuchsbauteil mit erhabenen und vertieften StrukturenBild 9: Versuchsbauteil mit erhabenen und vertieften Strukturen
Realisierung von Bauteilen mitUmbugBild 10: Strukturabformung bei einer 0,2 mm dicken AluminiumfoliePlakette zur InstitutseröffnungCharakteristische Größender ProblemzonenBild 11: Radienabschluss an Metallfolien hinterspritzen BauteilenBild 11: Radienabschluss an Metallfolien hinterspritzen BauteilenDekorbauteile grenzen meist an andereBauteile an. Daher ist es wichtig, dassdie Metallfolie nicht eben ausläuft, sondern einen schönen Radienabschlussan der Seite besitzt. Metallfolien habenein anderes Tiefziehverhalten im Vergleich zu Kunststofffolien. Sie besitzeneine geringere Bruchdehnung und sinddaher im Umformgrad wesentlich eingeschränkter. Wichtige Einflussfaktorensind der minimale Oberflächen- undEckradius in Abhängigkeit der Umbugtiefe. Die Metallfolien können in einemvorgelagerten Prozess vorgeformt undanschließend hinterspritzt werden. Füreinfachere Geo metrien kann allerdingsauch der Spritzdruck zur Ausformungdes Umbugs genutzt werden. Anschließend muss das Bauteil entweder imSpritzgießprozess direkt oder in einemnachgelagerten Prozess von dem umlaufenden Metallrand z. B. durch Stanzen befreit werden (Bild 11). Wichtig beider Umformung von Aluminiumfolienist, dass hierbei der Schutzlack oder dieEloxalschicht nicht zerstört wird, da hierdann Schwachstellen hinsichtlich der Korrosion entstehen. Dies steht natürlich imWiderspruch zur Forderung eines hartenSchutzlackes zur Erzielung einer hohenKratzfestigkeit. Entwick lungen am Marktversuchen hier einen vernünftigen Kompromiss zu erzielen.Aktuelle Anwendungsbeispiele undAusblickDas Metallfolienhinterspritzen ist einejunge Technologie. Erste Serienanwendungen gibt es zwar schon seit mehreren Jahren, aber fast ausschließlich inder Automobilindustrie sowohl mit Aluminium- als auch mit Edelstahloberfläche (Bild 12) [8, 9].Ein großes Potenzial liegt überall dort,wo zusätzliche Funktionen und Prozesseintegriert werden können. Daher wirdzunehmend der Ersatz von Metallblenden diskutiert, die zur Befestigung speziell umgeformt oder an die Zusatzteileangeschweißt werden müssen. Ebenfalls interessant ist die Substitution desVerchromens der Kunststoffbauteile,wodurch ein zumeist ausgelagerter VerBild 12: Serienbauteile aus der Automobilindustrie: Links Kofferraumverkleiedelungsprozessdurch das rechtsEinstiegsleisteneinlegerBild 12: Serienbauteile aus der Automobilindustrie: Links Kofferraumverkleidungdes Porschehinterspritzen in die eigene Produktionaus Aluminium im Porsche Carrera [Fotos: Scherer & Trier]Cayman S in Edelstahlfolie, rechts Einstiegsleisteneinleger aus Aluminium imPorsche Carrera [Fotos: Scherer & Trier]
integriert werden kann. Anwendungs gebiete finden sich überall dort, wo Blenden im Metalldesign realisiert werdenmüssen, wie z. B. im Bereich der Elektro- und Kleinelektrogeräte, Weiße Wareoder auch im Sanitärbereich. Die Anwendung des Metallfolienhinterspritzens istinsbesondere dann interessant, wennes sich um hohe Stückzahlen handelt,da doch einige Investitionen für Vorformwerkzeuge, Vorformpresse und Handlinggetätigt werden müssen.4. Literatur[1]B utzek, J.: Untersuchung zur Herstellung dekorierter Formteile fürdie Automobilindustrie durch Hinterspritzen von dünnen Aluminiumbändern, Diplomarbeit am IKV ander RWTH-Aachen, 2001[2] W ielpütz, M.: Sonderanwendungen.WEKA – Praxishandbuch Plus –Kunststoffpraxis: Konstruktion Teil10, Kapitel 2.7, 5. Aktualisierung,Kissing: WEKA Media, 2001[3] W ielpütz, M.: In-mould film decoration – Process and new application opportunities. In: Proceedingsof the 2nd International EuropeanConference Injection Moulding,2001 of the Society of Plastic Engineers, Scandinavia, Copenhagen,Denmark, 2001[4] Caduff, C.: Untersuchung des Einsatzes von Haftvermittlern beimMetallfolienhinterspritzen, Studienarbeit am IWK an der HSR, Rapperswil, 2006[5] N.N.: Trennversuch an haftendverbundenen Gewebelagen, DIN53530, Beuth-Verlag GmbH, Berlin,1981[6] N.N.: Rollenschälversuch DIN 53289,Beuth-Verlag GmbH, Berlin, 1979[7] Zollinger, M.: Analyse der Haftungund Verformung der Metallfolien beimetallfoliendekorierten Bauteilen,Laufende Studienarbeit am IWK ander HSR, Rapperswil, 2007[8] Ehrig, F.: Aktuelle Produkte und effiziente Verfahrenstechniken beimSpritzgießen. Vortrag auf dem Kunststoff-Symposium Schweiz 2002,Perspektive Kunststoff, 6. Juni 2002am KATZ, Aarau[9] Ehrig, F, Butzek J.: Neue Möglichkeiten der Metalldekoration durchFolienhinterspritzen, Beitrag zur IIRFachkonferenz „Oberflächen im KfzInterieur“ am 30. 6. und 1. 7. 2003 inStuttgart
Institut für Werkstofftechnik und Kunststoffverarbeitung (IWK)Oberseestr. 10CH-8640 RapperswilSchweizTel.: 0041 55 222 4905Fax: 0041 55 222 4769www.iwk.hsr.ch
Hans-Rudolf Wey, Institut für Werkstofftechnik und Kunststoffverarbeitung, Rapperswil Dekorative Bauteile durch das Hinterspritzen von Metallfolien Aus: VDI-Kunststoffband 4283, Spritzgießen 2007. Hrsg.: VDI Wissensforum IWB GmbH und VDI-Gesellschaft Kunststofftechnik. Düsseldorf: VDI Ve
