Vertikale Effizienz für LSR-Prozesse: Wie die ENGEL insert Zykluszeiten halbiert und Qualität maximiert

Die Wasserstoffmobilität gilt als Schlüsseltechnologie für eine klimaneutrale Zukunft. Besonders die Brennstoffzelle als zentrales Element stellt höchste Anforderungen an die Fertigungstechnik. Ein kritischer Prozess ist das präzise und prozesssichere Aufbringen von Flüssigsilikon-Dichtungen (LSR) auf empfindliche Gasdiffusionsschichten (GDL). ENGEL hat auf der K 2025 gemeinsam mit ACH Solution eine hochautomatisierte Lösung gezeigt, die maximale Präzision mit hoher Wirtschaftlichkeit und hohem Output verbindet.

Die Brennstoffzelle ist ein komplexes System, in dem jede Komponente fehlerfrei und präzise funktionieren muss. Eine zentrale Rolle spielen die Gas-Diffusions-Schichten (GDL-Membranen): Sie sorgen für die gleichmäßige Verteilung von Wasserstoff und Sauerstoff auf der Katalysatorschicht, leiten Elektronen ab und führen das Reaktionswasser gezielt ab. Um diese Aufgaben zuverlässig zu erfüllen, müssen die GDL-Membranen absolut dicht verarbeitet werden – ohne ihre feine, poröse Struktur zu beschädigen. Das Umspritzen dieser empfindlichen Bauteile mit einer dünnen Flüssigsilikon-Dichtung stellt höchste Anforderungen an die Fertigung und erfordert ein präzise abgestimmtes Zusammenspiel von Spritzgießmaschine, Werkzeug und Automatisierung.

Die GDL-Membrane sind äußerst empfindlich und müssen mit größter Sorgfalt gehandhabt werden. Götz Scheibe, Sales Manager bei ACH Solution – einem Spezialisten für Silikon-Spritzgießwerkzeuge und Dosiertechnik – beschreibt die Anforderungen: „Die Herausforderung beginnt bereits beim vereinzelten Entnehmen der Membranfolien, die gestapelt angeliefert werden. Dabei darf exakt ein Stück entnommen werden, ohne benachbarte Membranen zu beschädigen.“ Nach der Entnahme ist eine präzise Positionierung im Werkzeug erforderlich, die typischerweise über eine Vorzentrierstation mit einer Toleranz von ±0,1 mm erfolgt.

Im Werkzeug muss die Dichtfläche so gestaltet sein, dass weder Silikon unter die GDL-Membrane gelangt noch die GDL-Membrane durch Schließdruck beschädigt wird. Die höchste Präzisionsanforderung betrifft jedoch die Wandstärke der Dichtung: „Wir sprechen hier von einer durchgehenden Wandstärke von ±0,01 mm bei einer Bauteillänge von 550 mm,“ erklärt Scheibe. Diese Genauigkeit sei entscheidend, weil in einer Brennstoffzelle bis zu 300 dieser Dichtungselemente übereinandergestapelt werden. „Bereits geringste Toleranzabweichungen würden sich aufaddieren – mit dem Risiko mechanischer Spannungen oder funktionaler Störungen im Brennstoffzellen-Stack.“

Um diesen präzisionskritischen Prozess in die Serienproduktion zu überführen und gleichzeitig wirtschaftlich umzusetzen, hat ENGEL eine hochautomatisierte Produktionslösung auf Basis einer vertikalen Spritzgießmaschine der insert-Baureihe konzipiert. Zentrales Element der auf der K 2025 präsentierten Lösung ist eine ENGEL insert 150 rotary US mit 1.500 kN Schließkraft und integriertem Drehtisch. Das Konzept ermöglicht parallele Abläufe: Während in einer Werkzeugstation die Dichtung gespritzt wird, erfolgt in der zweiten Station gleichzeitig die Entnahme des fertigen Teils und das Einlegen der nächsten GDL-Membrane. Mit einem Zyklus von nur 50 Sekunden lässt sich so der Teileausstoß nahezu verdoppeln.

Wie alle holmlose Spritzgießmaschinen von ENGEL zeichnet sich auch die vertikale insert Baureihe neben der guten Zugänglichkeit des Werkzeugs durch eine sehr gleichmäßige Schließkraftverteilung über die gesamte Aufspannfläche aus. Franz Pressl, Leiter des Produktmanagements für Holmlos- und Vertikalmaschinen, erläutert dies: „Bei den vertikalen insert Spritzgießmaschinen von ENGEL wird die Plattenparallelität durch die bewährte FlexLink – Technik, welche die Rahmendehnung automatisch kompensiert, sichergestellt. Zum anderen tragen die starken Aufspannplatten zu einer sehr gleichmäßigen Kompression des Werkzeugs bei. Dies sorgt bei solch großen und gleichzeitig dünnen Teilen für eine äußerst konstante Wandstärke.“

Die vertikale Bauweise bietet für diese Anwendung noch weitere entscheidende Vorteile. Götz Scheibe erklärt: „Die Vertikalbauweise nutzt die Schwerkraft optimal aus. Dadurch entstehen keine seitlichen Drehmomente, das Werkzeug schließt ausschließlich in Fallrichtung. Das schont die Führungen und trägt zur dauerhaften Maßhaltigkeit und Prozessstabilität bei – ein klarer Vorteil gegenüber horizontalen Maschinen." Zudem ist das Maschinenkonzept der ENGEL insert Baureihe besonders kompakt: Der Schaltschrank ist in die Maschine vertikal integriert, wodurch sich der Footprint der Produktionszelle deutlich reduziert – ein wichtiger Aspekt bei der Auslegung begrenzter Fertigungsflächen. Die hier eingesetzte Maschine ist mit einem hydraulischen Spritzaggregat ausgestattet, das von dem energiesparenden Antriebssystem ENGEL ecodrive angetrieben wird. Bei ENGEL verfügen auch die hydraulischen Spritzaggregate bereits standardmäß9g über eine so hohe Genauigkeit, die solche Anwendungen ermöglicht.

Die insert-Baureihe bietet Spritzgießunternehmen maximale Flexibilität: Dank einer Vielzahl an Kombinationsmöglichkeiten aus elektrischen und hydraulischen Antrieben lässt sich jede Maschine individuell und anwendungsspezifisch konfigurieren.

Zum Drehtischkonzept erläutert Scheibe: „Grundsätzlich wäre diese Anwendung auch ohne Drehtisch umsetzbar. Angesichts der geforderten Stückzahlen können wir uns jedoch keine Werkzeugstillstandszeiten leisten. Die Kombination aus vertikaler Spritzgießmaschine und Drehtisch ermöglicht es, die Spritzzeit parallel für die Teilemanipulation zu nutzen – das steigert die Produktivität nahezu um das Doppelte."

Für die exakte Formgebung der filigranen Dichtungsgeometrie sorgt ein innovatives Werkzeug mit zwei Kavitäten von ACH Solution. Ausgestattet mit dem ACH SERVOSHOT 2G, ermöglichen die servomotorischen Nadelverschlussdüsen eine hochpräzise, individuell steuerbare Füllung der Kavitäten. „Wir erreichen eine Verstellgenauigkeit von zwei Tausendstel Millimetern", betont Götz Scheibe. Dieses hohe Maß an Präzision ist entscheidend, um Kavitätenunterfüllung und Gratbildung zu vermeiden. Das gesamte System ist vollständig in die CC300-Steuerung der ENGEL-Maschine integriert. Scheibe sieht darin einen klaren Vorteil: „Die Integration in die ENGEL-Steuerung ist besonders komfortabel. Anpassungen lassen sich parallel zum laufenden Prozess oder extern vornehmen, ohne die Produktion zu unterbrechen."

Die Integration bietet auch eine grafische Visualisierung, auf der sofort ersichtlich ist, wie die einzelnen Düsen feinjustiert sind. Ein weiterer Baustein für die Prozessstabilität ist der thermisch und rheologisch exakt ausbalancierte Kaltkanal. Dies erleichtert dem Anwendungstechniker nach längeren Stillstandszeiten schnell wieder in den Prozess zurückzufinden. Scheibe erklärt: „Unser SERVOSHOT-System ermöglicht eine präzise Optimierung der Bindenähte. Damit stellen wir sicher, dass der Materialzusammenfluss immer exakt an der vorgesehenen Stelle erfolgt – eine Grundvoraussetzung für stabile und wiederholbare Prozesse."

Für die exakte Dosierung des niedrigviskosen LSR-Materials – in diesem Fall ein ELASTOSIL® LR 3003/30 von WACKER – sorgt ein ACH MAXIMIX 3G Pro System. Es ist speziell für kleine Schussgewichte wie in diesem Fall von nur 20,3 Gramm ausgelegt und gewährleistet ein präzises Mischungsverhältnis sowie eine hohe Prozessstabilität. Auch dieses System ist vollständig in die CC300-Steuerung von ENGEL integriert.

Das gesamte Handling der empfindlichen GDL-Membrane und der fertigen Bauteile übernimmt ein vollständig in die Steuerung integrierter ENGEL easix Knickarmroboter. Im ersten Schritt entnimmt er die Membranfolien aus einem Zuführsystem und positioniert sie präzise in der vorderen Werkzeugstation des Drehtisches. Nach der Drehung des Tisches um 180 Grad erfolgt in der hinteren Station der Spritzvorgang. Zeitgleich entnimmt der Roboter vorne die fertigen Bauteile und legt neue Membranfolien ein. Die enge Synchronisation zwischen Spritzgießprozess und Roboterbewegung über die zentrale CC300-Steuerung sorgt für einen stabilen und exakt abgestimmten Ablauf.

Eine besondere Herausforderung ist die Entnahme der umspritzten Membranen aus dem heißen Werkzeug. „Silikon haftet bekanntlich stark, und die Reißfestigkeit ist bei erhöhten Temperaturen kritisch", erklärt Götz Scheibe. „Eine dünne Silikonhaut lässt sich im heißen Zustand sehr leicht beschädigen. Hier sind individuell angepasste Entformstrategien erforderlich." Gezielte Entformhilfen im Werkzeug stellen sicher, dass sich die filigrane Dichtung zuverlässig von der Kavitätenwand löst. Nach der Entnahme werden in einem separaten Arbeitsschritt die Angussübertritte entfernt.

Um eine gleichbleibend hohe Qualität der Bauteile sicherzustellen, kommt das digitale Assistenzsystem iQ weight control von ENGEL zum Einsatz. Es analysiert die Spritzdruckkurve in Echtzeit und kompensiert Schwankungen in der Materialviskosität innerhalb desselben Zyklus. „Das iQ weight control-System erkennt Viskositätsunterschiede in Echtzeit und gleicht sie automatisch aus", sagt Götz Scheibe. „Das erhöht die Prozessstabilität erheblich, auch wenn beim LSR kein Nachdruck gegen die Teileschwindung benötigt wird. Umso wichtiger ist es, dass das Einspritzvolumen immer konstant bleibt." Das Ergebnis des konstanten Einspritzvolumens ist ein gleichbleibendes Bauteilgewicht. Scheibe betont: „Das primäre Ziel ist die Schussgewichtskonstanz. Sie ist ein entscheidender Qualitätsstandard, denn über das Bauteilgewicht lässt sich viel über die Artikelqualität aussagen.

Gerade bei Farbwechseln, die bei Silikon häufig mit teils erheblichen Viskositätsänderungen verbunden sind, spielt das System seine Stärken aus. Scheibe erläutert: „Farbwechsel sind bei Silikon besonders kritisch, da unterschiedliche Pigmentierungen das Viskositätsverhalten teilweise stark beeinflussen. Das Assistenzsystem iQ weight control gleicht diese Schwankungen aus und gewährleistet so eine konstante Bauteilqualität."

Nach der Entnahme durchläuft jedes Bauteil eine integrierte Kameraprüfung. Diese kontrolliert die LSR-Dichtung und stellt sicher, dass die Kavität vollständig gefüllt wurde und die Dichtung keine Fehlstellen oder Grate aufweist. „Die Übertritte werden bei diesem Vorgang zeitgleich mit abgetrennt, ergänzt Scheibe. Die Kombination aus präziser Werkzeugtechnik, intelligenter Prozessregelung und integrierter 100-Prozent-Kontrolle führt zu einer äußerst stabilen und prozesssicheren Fertigung.

Die Wahl von Flüssigsilikon als Dichtungsmaterial ist kein Zufall. Besonders im Bereich der Future Mobility spielt der Werkstoff seine Stärken aus. „Gerade bei Elektrofahrzeugen mit Schnellladefunktion werden zunehmend höhere Temperaturen erreicht. Silikon ist hier aufgrund seiner hohen Temperaturbeständigkeit unverzichtbar", fasst Götz Scheibe zusammen. Zunehmend kommen Silikonmaterialien auch in Kühlsystemen und Batterien zum Einsatz, da sie wärmeabführende Eigenschaften besitzen. Diese Merkmale machen LSR zum idealen Werkstoff für anspruchsvolle Dichtungsanwendungen in der Elektromobilität und der Brennstoffzellentechnik.

Die von ENGEL und seinen Partnern realisierte Produktionszelle ist seriennahe konzipiert und zeigt eindrucksvoll, wie sich höchste Präzision mit kurzen Zykluszeiten kombinieren lässt. Die Anlage ist auf hohe Durchsätze ausgelegt – pro Brennstoffzellen-Stack werden 50 bis 300 Zellen benötigt, für die pro Zelle zwei GDL-Schichten hergestellt werden müssen. Das gesamte Konzept zielt auf maximale Produktionseffizienz und einen möglichst niedrigen Energieverbrauch. Dank kompakter Bauweise und vollständiger Integration aller Komponenten – von der Maschine über die Automatisierung und Werkzeugsteuerung bis hin zur Dosiertechnik – lässt sich die Zelle problemlos in bestehende Fertigungslinien einbinden. ENGEL und ACH liefern eine perfekt abgestimmte Systemlösung und unterstreichen damit ihre Kompetenz für anspruchsvolle Mehrkomponentenprozesse.

Die automatisierte Fertigung von LSR-Dichtungen auf GDL-Membranen zeigt exemplarisch, wie sich die Herausforderungen der Wasserstoffmobilität mit moderner Spritzgießtechnologie bewältigen lassen. Das Zusammenspiel aus hochpräziser Vertikalmaschine, innovativer Werkzeug- und Kaltkanaltechnik sowie einer nahtlos integrierten Automatisierung ermöglicht einen stabilen, wirtschaftlichen und qualitativ hochwertigen Serienprozess. Die vorgestellte Lösung für das Umspritzen von dünnen Membranfolien mit einer exakt platzieren LSR-Dichtung auf begrenztem Raum ist besonders effizient und lässt sich problemlos in bestehende Fertigungslinien integrieren. Solche Lösungen sind der Schlüssel, um der Brennstoffzellentechnologie zum Durchbruch zu verhelfen und die Mobilität der Zukunft nachhaltiger zu gestalten.