Transforming Particles into Performance

Partikel­schäume werden aus Kunststoff­granulat herge­stellt, das in Form kleiner Perlen vorliegt. Grund­sätzlich lassen sich dabei zwei Typen unter­scheiden:

  • Expan­dierte Partikel­schäume (z. B. EPP) werden in Form bereits aufge­schäumter Partikel­schaum­perlen geliefert und können direkt zu Form­teilen verar­beitet oder auch nochmal beim Verar­beiter nachge­schäumt werden.
  • Expandier­bare Partikel­schäume (z. B. EPS) werden als kompaktes, mit Treib­mittel (z. B. Pentan oder CO₂) beladenes Mikro­granulat ange­liefert und werden erst kurz vor der Form­teil­herstellung auf die gewünschte Dichte vorge­schäumt.

In der Form­teil­herstellung verbinden sich die einzel­nen Schaum­perlen im Werk­zeug zu stabilen, leichten und funktio­nalen Bau­teilen. Neben dem bewährten dampf­basierten Form­schäumen existieren moderne dampf­freie Form­schäum­techno­logien, welche insbe­sondere für Hoch­leistungs­partikel­schäume mit sehr hoher Erweichungs­temperatur und für wasser­empfindliche Materialien interessant sind.

Partikelschaum­herstellung

Vom Granulat zur Partikel­schaum­perle

Beim Autoklav­schäumen werden kompakte Polymer­partikel in einem Druck­behälter mit Gasen wie CO₂ beauf­schlagt. Unter erhöhten Tempera­turen und Drücken diffundiert das Treib­mittel in das Polymer, bis ein thermo­dynamisches Gleich­gewicht erreicht ist. Durch eine anschließende schnelle und kontrollierte Druck­entlastung expandiert das Treib­mittel im Inneren der erweich­ten Polymer­granulate abrupt und führt zur Aus­bildung einer geschlossenen Zell­struktur.

Ein weiteres Herstellungs­­verfahren ist die Schaum­­extrusion von Partikel­­schäumen. Dabei wird das Polymer in einem Extruder aufge­schmolzen und das Treib­mittel unter Druck in die Polymer­­schmelze einge­bracht, sodass sich eine homo­gene Verteilung ein­stellt. Anschließend wird die treib­­mittel­­haltige Schmelze konti­­nuierlich durch eine Düse extru­diert. Beim Austritt fällt der Druck schlag­­artig ab, wodurch das Treib­­mittel expan­diert und die Schmelze auf­schäumt. Durch die gezielte Aus­legung der Düse sowie geeignete Abschlag- und Trenn­­verfahren können unterschied­­liche Partikel­formen erzeugt werden. Je nach Prozess­­führung lassen sich mit diesem Verfahren sowohl bereits aufge­schäumte Schaum­­perlen als auch treib­mittel­­haltige Granulate her­stellen.

Vorschäumen

Beim Vorschäumen werden expandier­bare Partikel­schäume wie EPS von ihrer kompakten Ausgangs­form zu leichten Schaum­perlen verarbeitet. Der nötige Energie­eintrag erfolgt entweder dampf­basiert oder strahlungs­basiert.

Beim konventio­nellen dampf­basierten Vorschäum­prozess werden die treib­mittel­beladenen Polymer­partikel mit Sattdampf oberhalb der Glas­übergangs­temperatur des Polymers beauf­schlagt. Dadurch erweicht das Polymer, und das im Material ent­haltene Treib­mittel verdampft. Infolge des steigenden Innen­drucks der Partikel kommt es zu einer Volumen­expansion. Direkt nach dem Vorschäumen erfolgt die Stabili­sierung der Schaum­perlen auf einem Fließ­bett.

Beim strahlungs­basierten Vorschäum­prozess werden die expandier­baren Partikel auf ein Förder­band dosiert. Der Energie­eintrag erfolgt durch Infrarot­strahlung (IR). Ein wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass das Material keiner Feuchtig­keit ausgesetzt wird, wodurch es sich besonders für wasser­empfindliche Partikel­schäume eignet. Darüber hinaus können beim strahlungs­basierten Verfahren höhere Prozess­temperaturen erreicht werden, wodurch die Verar­beitung von Hoch­leistungs-Partikel­schäumen mit erhöhten Erweichungs­temperaturen möglich wird.

Formteil­herstellung

Von der Partikel­­schaumperle zum Formteil

Im Formteil­prozess werden die einzelnen Schaum­perlen zu einem form­stabilen Bauteil verschweißt.

Dampf­basiertes Form­schäumen

Die klassische Technologie ist das dampf­basierte Form­schäumen. Dabei wird das form­gebende Werk­zeug zunächst geschlossen und anschließend mit losen Partikel­schaumperlen befüllt. Die Partikel im Werkzeug werden mittels Wasser­dampf erhitzt. Dadurch erweichen die Ober­flächen der einzelnen Partikel und verbinden sich miteinander zu einem Bauteil. Im nächsten Prozess­schritt muss das Bauteil stabili­siert werden, um die erforder­liche Form- und Maß­haltigkeit sicherzu­stellen. Abschließend kann das Werkzeug geöffnet und das fertige Bauteil ent­nommen werden.

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Dampf­loses Form­schäumen

Neben diesem klassischen Dampfverfahren gibt es inzwischen auch moderne, dampffreie Formschäumtechnologien. Diese sind besonders interessant für Hochleistungsschaumstoffe mit hoher Erweichungstemperatur sowie für Materialien, die empfindlich auf Feuchtigkeit reagieren.

Beim radiowellen­basierten Form­schäumen wird die Energie direkt über elektro­magnetische Felder in die Partikel einge­tragen, wodurch sie von innen heraus erwärmt werden. Dies kann zu sehr kurzen Zyklus­zeiten und reduziertem Energie­verbrauch führen.

Eine weitere Variante ist das trocken­variotherme Form­schäumen, bei dem lediglich das Werkzeug auf hohe Tempera­turen aufgeheizt und anschlie­ßend wieder abgekühlt wird. Hierbei wird die Partikel­schüttung im Inneren aus­schließlich durch Wärme­leitung von der Werkzeug­wand in die Schüttung erwärmt. Auf diese Weise lassen sich auch empfind­liche Komponenten, wie beispiels­weise Elektronik, direkt in den Partikel­schaum integrieren.

Ein ergänzendes Ver­fahren kombiniert beschich­tete Partikel mit einem vario­thermen Prozess, um eine Verschweißung ohne Dampf­einsatz und bei niedrigeren Tempera­turen zu ermöglichen. Dadurch lassen sich selbst anspruchs­volle Hybrid­bauteile, wie beispiels­weise Metall‑Decklagen auf Partikel­schaum, zuverlässig her­stellen.

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Einsatz­gebiete

Schaum in seiner ganzen Vielfalt

Partikelschaum findet in zahl­reichen Bereichen Verwen­dung, von leichten und energie­absorbierenden Bauteilen im Auto­mobil über schützende Verpackungen bis hin zu technischen Kompo­nenten für Elektronik und Sport­geräte.
Alle Einsatzbereiche