Anwendungen für Metall-Kunststoff-Spritzgussteile: Wo Verbundbauteile ihre Stärken ausspielen
Von der hochintegrierten Automotive-Sensorik bis zum sterilisierbaren Medizintechnik-Instrument. Wie Entwickler durch Hybridbauteile Funktionen integrieren und Einkäufer Montagekosten eliminieren.
Fachbeitrag von MGE Metallgeräte Elgersburg GmbH | Zertifiziert nach DIN EN ISO 9001:2015 (TÜV Thüringen) | Systemlieferant aus Geratal, Thüringen
Auf einen Blick (Key Takeaways):
- Automotive & E-Mobilität: Hybridbauteile sind unverzichtbar für Sensorgehäuse, umspritzte Stromschienen (Busbars) und gewichtsreduzierte Strukturbauteile.
- Elektrotechnik & Sensorik: Die Kombination aus elektrisch leitfähigen Buntmetallen und isolierenden Kunststoffen (PBT) bildet die Basis für Steckverbinder und Relais.
- Medizintechnik: Edelstahl-Einleger (1.4404) umspritzt mit sterilisierbaren Hochleistungskunststoffen (PEEK) garantieren Hygiene und absolute Korrosionsbeständigkeit.
- Maschinen- & Anlagenbau: Verschleißfeste Kunststoff-Zahnräder auf massiven Stahlachsen ersetzen teure Ganzmetall-Komponenten und reduzieren die Geräuschentwicklung.
- Der gemeinsame Nenner: In allen Branchen punkten Verbundbauteile durch die Reduktion von Montageschritten (TCO-Vorteil) und die extreme Miniaturisierung von Baugruppen.
Der Sweetspot der Hybridfertigung
Metall-Kunststoff-Verbundteile sind keine Nischenprodukte mehr. Sie sind der konstruktive Problemlöser, wenn ein einzelner Werkstoff an seine physikalischen Grenzen stößt. Für die technische Entwicklungsleitung bieten sie die Möglichkeit, Funktionen auf engstem Raum zu integrieren. Für den strategischen Einkauf sind sie der Schlüssel zur Eliminierung teurer Montageschritte in der Lieferkette.
Doch in welchen konkreten Anwendungen spielt die Insert-Moulding-Technologie ihre Stärken wirklich aus? Ein Blick in die Praxis zeigt, dass vier Schlüsselbranchen die Treiber dieser Technologie sind. Die MGE Metallgeräte Elgersburg GmbH fertigt als Systemlieferant täglich Millionen dieser Hybridbauteile – hier sind die typischen Use Cases.
1. Automotive und E-Mobilität: Leichtbau trifft auf Stromführung
Die Automobilindustrie ist der größte Abnehmer von Metall-Kunststoff-Verbundteilen. Mit dem Wandel zur Elektromobilität haben sich die Anforderungen massiv verschoben. Es geht nicht mehr nur um Gewichtseinsparung, sondern um das Management von Hochvolt-Strömen auf engstem Raum.
Umspritzte Stromschienen (Busbars)
In Batteriepacks von E-Fahrzeugen müssen hohe Ströme sicher geleitet werden. Massive Kupfer- oder Aluminiumschienen werden hierbei als Metalleinleger in Spritzgusswerkzeuge eingelegt und mit flammgeschützten Kunststoffen (z. B. PA66 V0) umspritzt. Der Kunststoff dient als Berührungsschutz und mechanische Fixierung, das Metall leitet den Strom.
Vorteil für die Entwicklung: Absolute Kurzschlusssicherheit und passgenaue Integration in das Batteriegehäuse.
Sensorgehäuse und Steuergeräte
ABS-Sensoren, Raddrehzahlsensoren oder Radar-Gehäuse für das autonome Fahren benötigen oft metallische Befestigungspunkte (Gewindebuchsen) oder integrierte Kontaktstifte. Diese Edelstahl- oder Messing-Inserts werden direkt mit dem Gehäusekunststoff umspritzt. Dies garantiert Dichtigkeit (IP67/IP69K) gegen Spritzwasser und Streusalz.
Vorteil für den Einkauf: Wegfall von Klebe- oder Dichtprozessen, Reduktion der Lieferantenanzahl durch Systembeschaffung.
2. Elektrotechnik, Sensorik und Automation
Ohne Metall-Kunststoff-Verbundteile würde die moderne Industrie 4.0 stillstehen. Hier steht die Isolation von elektrischen Signalen im Vordergrund.
Steckverbinder und Kontaktträger
Ob in der Industriesteuerung oder im Schaltschrank: Umspritzte Kontaktstifte (Pins) aus verzinntem Messing oder Bronze sind der Standard. Die Pins werden im Reel-to-Reel-Verfahren (Bandumspritzen) oder als Einzelteile im Insert Moulding mit formstabilen Kunststoffen (z. B. PBT) umspritzt. Der Kunststoff hält die Pins im exakten Rastermaß und isoliert sie gegeneinander.
Umspritzte Spulen und Relais
Bei elektromagnetischen Baugruppen wird der weichmagnetische Kern (Eisen) direkt mit einem Kunststoff-Spulenkörper umspritzt. Anschließend kann die Spule bewickelt werden. Die Umspritzung verhindert Kurzschlüsse zwischen dem Draht und dem Eisenkern.
3. Medizintechnik: Sterilität und Präzision
In der Medizintechnik gelten die höchsten Anforderungen an Material und Dokumentation. Verbundbauteile müssen hier nicht nur präzise sein, sondern oft auch hunderte von Autoklavier-Zyklen (Dampfsterilisation bei 134 °C) unbeschadet überstehen.
Chirurgische Instrumente und Endoskopie
Skalpellgriffe, Zangen oder Endoskop-Spitzen bestehen oft aus hochlegiertem Edelstahl (z. B. 1.4404), der im Griffbereich mit biokompatiblen Hochleistungskunststoffen (wie PEEK oder speziellen Polyamiden) umspritzt wird. Der Kunststoff sorgt für Ergonomie und thermische Isolation für den Operateur, während der Edelstahl die mechanische Schneid- oder Greiffunktion übernimmt.
Die Herausforderung: Der Übergang zwischen Metall und Kunststoff muss absolut spaltfrei sein (Totraumfreiheit), damit sich keine Bakterien absetzen können.
4. Maschinenbau und Feinmechanik: Verschleißschutz
Im klassischen Maschinenbau ersetzen Verbundbauteile zunehmend teure Fräs- oder Drehteile aus Vollmetall, um Kosten zu senken und tribologische Eigenschaften (Reibung) zu verbessern.
Zahnräder und Laufrollen
Ein Zahnrad aus Vollstahl ist schwer, teuer in der Zerspanung und im Betrieb oft laut. Ein Zahnrad aus reinem Kunststoff ist zwar leise, kann aber über die Achse nicht genug Drehmoment übertragen. Die Lösung: Ein Metalleinleger (z. B. ein Sechskant-Drehteil oder ein Stanzteil mit Rändelung) dient als Nabe zur Kraftübertragung, während der Zahnkranz aus verschleißfestem Kunststoff (z. B. POM) aufgespritzt wird.
Vorteil: Hohe Drehmomentübertragung bei gleichzeitiger Geräuschdämpfung und Eigenschmierung der Zähne.
Branchen-Übersicht: Anforderungen und Materialien
| Branche / Anwendung | Typischer Metalleinleger | Typischer Kunststoff | Hauptgrund für das Verbundteil |
|---|---|---|---|
| Automotive (Sensorik) | Edelstahl, Messing | PA66 GF30, PBT | Dichtigkeit (IP-Schutz), Vibrationsresistenz, Funktionsintegration. |
| E-Mobilität (Busbars) | Kupfer, Aluminium | PA66 V0 (Flammschutz) | Elektrische Isolation, Kurzschlusssicherheit, Formstabilität. |
| Elektrotechnik (Stecker) | Bronze, Messing (verzinnt) | PBT GF30 | Exakte Positionierung der Pins, Feuchtigkeitsresistenz. |
| Medizintechnik (Instrumente) | Edelstahl (1.4404) | PEEK | Spaltfreiheit (Hygiene), Autoklavierbarkeit, Ergonomie. |
| Feinmechanik (Zahnräder) | Automatenstahl, Messing | POM | Geräuschreduktion, Drehmomentübertragung, Kostenreduktion. |
Fazit: Wann sollten Sie auf Verbundteile setzen?
Für die Entwicklung ist ein Metall-Kunststoff-Verbundteil immer dann die richtige Wahl, wenn Miniaturisierung gefordert ist, Dichtigkeit ohne zusätzliche O-Ringe erreicht werden muss oder elektrische Ströme isoliert geführt werden müssen.
Für den Einkauf rechnet sich der Wechsel auf ein Verbundbauteil, sobald die manuellen oder automatisierten Montagekosten von zwei Einzelteilen die etwas höheren Werkzeugkosten des Insert Mouldings übersteigen. Da das Hybridbauteil fertig aus der Maschine fällt, sinkt die Total Cost of Ownership (TCO) drastisch.
Prüfen Sie das Potenzial für Ihre Anwendung
Sie haben eine Baugruppe, die derzeit noch aufwendig aus Metall- und Kunststoffteilen montiert wird? Senden Sie uns Ihre CAD-Daten. Die Experten von MGE prüfen kostenlos, ob sich Ihre Anwendung für die wirtschaftliche Lohnfertigung im Insert Moulding eignet – vom Prototyp bis zur Großserie.
Kontakt für Machbarkeitsprüfungen: mge@mge-gmbh.de | ☎ +49 (0) 3677 7946-0 | www.mge-gmbh.de
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
- Können Verbundbauteile absolut wasserdicht (IP67) gefertigt werden?
- Ja. Um Kapillarwirkung zwischen Metall und Kunststoff zu verhindern, werden spezielle Labyrinth-Dichtungen (Rillen) in den Metalleinleger konstruiert. Für absolute Dichtigkeit in der Sensorik können zudem Haftvermittler eingesetzt werden, die eine chemische Bindung erzeugen.
- Eignen sich Hybridbauteile für den Hochtemperaturbereich?
- Absolut. Durch die Verwendung von Hochleistungskunststoffen wie PEEK oder speziellen Polyamiden (PA) in Kombination mit Edelstahl-Einlegern können Verbundteile Dauergebrauchstemperaturen von über 150 °C (kurzzeitig auch deutlich mehr) standhalten, z. B. im Motorraum.
- Warum verwendet man POM für umspritzte Zahnräder?
- POM (Polyacetal) hat hervorragende Gleiteigenschaften und eine sehr hohe Verschleißfestigkeit. Es „schmiert“ sich praktisch selbst. In Kombination mit einer Metallnabe für die Drehmomentübertragung ist es der ideale Werkstoff für langlebige, leise Getriebe.
- Was ist die Herausforderung bei umspritzten Stromschienen (Busbars)?
- Massives Kupfer kühlt den eingespritzten Kunststoff extrem schnell ab. Zudem dehnen sich Kupfer und Kunststoff bei Erwärmung im Batteriepack unterschiedlich aus. Das Design muss diese Spannungen aufnehmen, ohne dass der flammgeschützte Kunststoff reißt.
- Ab welcher Stückzahl lohnt sich der Wechsel von der Montage zum Verbundteil?
- Das hängt von den aktuellen Montagekosten ab. Oft rechnet sich das Insert Moulding bereits ab mittleren fünfstelligen Stückzahlen (ca. 50.000 Stück/Jahr), da die Baugruppenmontage und das Handling von zwei separaten Artikelnummern im ERP-System komplett entfallen.