Spritzgießen

Das Spritzgießen von kurz- und langfaserverstärkten Kunststoffen ermöglicht es Bauteile mit guten gewichtsspezifischen Eigenschaften in hohen Stückzahlen herzustellen. Da für die Verarbeitung von fasergefüllten Compounds Standard-Spritzgießmaschinen verwendet werden können, ist es ein in der Industrie weit verbreitetes Herstellungsverfahren. Im Verarbeitungsprozess kommt es jedoch insbesondere während des Plastifiziervorgangs zu einem hohen Schereintrag, der zu Faserbrüchen und zur Abnahme der Faserlängen führt. Die Problematik besteht darin, dass die mechanischen Eigenschaften von faserverstärkten Kunststoffen, wie Steifigkeit, Festigkeit und Schlagzähigkeit, stark von der vorliegenden Faserlänge abhängig sind. Der Grund hierfür ist die mit einer Erhöhung der Faserlänge verbesserte Kraftübertragung zwischen Faser und Matrixwerkstoff. Im Spritzgießprozess wird daher eine möglichst faserschonende Verarbeitung angestrebt, um den Faserlängenabbau zu minimieren. Die im Einzelfall im Spitzgießprozess auftretende Faserschädigung ist aufgrund der vielfältigen Einflussfaktoren nur schwer abschätzbar, wodurch eine genaue Vorhersage der Bauteileigenschaften und die Durchführung einer Bauteilauslegung nur begrenzt möglich sind.

Das Ziel des Forschungsprojekts ist, ein Faserbruchmodell zu entwickeln, das die im Plastifizieraggregat auftretende Faserlängenabnahme in Abhängigkeit der Maschinen-, Prozess- und Materialparameter beschreibt. Die Grundlage dafür bilden umfangreiche experimentelle Untersuchungen, mit denen die Faserlängenabnahme entlang des Schneckenkanals für verschiedene Materialien und Maschinengrößen ermittelt wird. Die Ergebnisse liefern Erkenntnisse inwieweit Prozessparameter wie beispielsweise der Staudruck oder die Dosiergeschwindigkeit die Faserschädigung beeinflussen. Anhand von Dead-Stop-Untersuchungen kann zusätzlich der Einfluss des Aufschmelzverhaltens auf die Faserschädigung untersucht werden. Durch die Betrachtung verschiedener Schneckengeometrien und Materialien kann ein Vergleich der Ergebnisse wichtige Erkenntnisse zu den auftretenden Schädigungsmechanismen liefern. Auf Grundlage der experimentellen Erkenntnisse wird ein analytisches Modell zur Beschreibung der Faserlängenabnahme entlang des Plastifizierwegs entwickelt.

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Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist es, durch die Weiterentwicklung bestehender Pulverlacksysteme in Kombination mit einer innovativen Verfahrenstechnik des Direktlackierens im Spritzgießwerkzeug, verbesserte und kostengünstige, neue Materialoberflächen zu generieren. Dadurch wird eine kostengünstige und ökologische Beschichtung von Kunststoffspritzgießbauteilen ermöglicht. Um eine Direktlackierung zu ermöglichen, wird an der Kunststofftechnik Paderborn ein in-situ Beschichtungsverfahren für den Spritzgießprozess entwickelt, bei dem der duroplastische Pulverlack im Werkzeug bei der Formgebung appliziert wird. Hierdurch wird ein Zeit- bzw. Kostenvorteil gegenüber der externen Beschichtung erzielt. Über eine in das geöffnete Werkzeug einfahrende Corona- Pulverpistole wird das Pulver in die bereits erhitze Kavität appliziert. Anschließend wird die Pulverpistole über einen Linearroboter aus der Trennebene gefahren und das Werkzeug fährt zu. Der Pulverlack schmilzt auf, beginnt sich zu vernetzen und eine durchgängige, an der Werkzeugwand der Kavität haftende Lackschicht bildet sich aus. Nach einer Handlingzeit wird die Kunststoffschmelze in die Kavität eingeleitet und die Lackschicht unterspritzt. Nach der Restkühlzeit wird das fertig lackierte Bauteil ausgeworfen.

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Ein häufig eingesetztes Verfahren zur Verbesserung der Haftfestigkeit mehrkomponentiger, inkompatibler Systeme ist die Oberflächenvorbehandlung durch Plasmatechnologie. Anwendungsgebiete für den Einsatz von Plasma in der Weiterverarbeitung von Kunststoffen sind das Kleben, das Bedrucken, die Lackierung und das 2K-Spritzgießen.

Innerhalb des Forschungsprojektes soll das InMould-Plasma-Verfahren für die Oberflächenvorbehandlung großflächiger Kunststoffbauteile im 2-Komponenten-Spritzgießverfahren entwickelt werden. Ziel dabei ist die homogene Oberflächenaktivierung des Vorspritzlings im Spritzgießprozess. Die Plasmabehandlung wird in einem Mehrkomponentenspritzgießwerkzeug integriert. In der ersten Spritzgießstation wird eine quadratische Platte abgeformt und verbleibt in der Düsenseite. Durch einen Schiebetisch wird die zweite Station, die Plasmastation, vor die zuvor gespritzte Platte verfahren. Die Oberflächenaktivierung findet nun partiell in den frei gestellten Bereichen in Form einer Schlangengeometrie statt. Nach erneuter Werkzeugöffnung wird in der dritten Station die zweite Komponente auf die funktionalisierten Kontaktflächen der Grundplatte gespritzt.

Weitere Ziele des Forschungsprojektes sind die Erweiterung der Materialkombinationen, insbesondere im Bereich Hart/Weich, die homogene Behandlung von 3D- Oberflächen und Bauteilen von Mehrfach-Werkzeugen.

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Aufgrund der fortschreitenden Entwicklung im Bereich alternativer Antriebskonzepte (Hybridkonzepte, E-Mobilität) für Kraftfahrzeuge und den damit verbundenen hohen Anforderungen an die eingesetzten Materialien (speziell für Bauteile im Motorraum), ist der Einsatz von 2K-Verbundwerkstoffen aus Duroplast und Elastomer die bessere Alternative gegenüber Thermoplast-, bzw. Metall-Elastomer-Verbindungen.

Ziel dieses Forschungsvorhabens, welches in Kooperation mit dem Deutschen Institut für Kautschuktechnologie e.V. in Hannover durchgeführt wurde, ist es, die Herstellung von 2-Komponenten-Verbundprüfkörpern aus Duroplast und Elastomer auf Basis unterschiedlicher Materialkombination zu untersuchen und eine für den Anwendungsfall ausreichende Verbundhaftung unter Einhaltung geforderter Spezifikationen zu erzielen. Durch rezeptur- und prozessseitige Optimierungen bei der Herstellung der 2K-Verbundprüfkörper ist die Verbundhaftung signifikant verbessert worden.

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Bei der Herstellung von Kunststoffformteilen in Extrusions- und Spritzgießprozessen ist die Qualität der Bauteile von wesentlicher Bedeutung. Dies gilt in besonderer Weise für Bauteile aus technischen Kunststoffen wie beispielsweise Polycarbonat (PC). Bei diesem Werkstoff muss die Reinheit des hergestellten Produktes sichergestellt werden. Jedoch ergibt sich bei der Verarbeitung von Polycarbonat bei langen Kontaktzeiten mit metallischen Oberflächen eine wechselseitige, oberflächennahe Degradation. Die daraus resultierenden Beschädigungen können neben einer Reduzierung der Standzeiten von Werkzeugen und Schnecken auch zu einer Erhöhung der produzierten Ausschussteile führen. Weiterhin kann durch Degradation der eingesetzten Kunststoffe in Form eines molekularen Abbaus die Beschaffenheit der produzierten Bauteile hinsichtlich optischer Reinheit und mechanischer Eigenschaften beeinträchtig werden.

Bei der Degradation von Kunststoffen wird allgemein zwischen chemischer und physikalischer Alterung unterschieden. Speziell für das Material PC kommt es während der Verarbeitung zu einer chemischen Alterung und damit verbunden zu einem chemischen Abbau. Ein Faktor für den chemischen Abbau ist der Wassergehalt bzw. das Wasseraufnahmevermögen des Kunststoffes. Im Falle von PC ist der Sättigungszustand bei einer rel. Luftfeuchte von 100% und Raumtemperatur (23°C) bei ca. 0,3 Gew.-% erreicht. Wird das enthaltende Wasser vor der Verarbeitung nicht entfernt, so führt dies bei den erhöhten Temperaturen und Drücken während der Plastifizierung zu einer Degradation der Molekülketten.

Folglich ist das vorrangige Ziel in diesem Forschungsprojekt das Erlangen von Verständnis über die Degradationsprozesse bei der Verarbeitung von Polycarbonat unter besonderer Fokussierung auf den wechselseitigen Einfluss zwischen dem Polymer und dem Werkzeugmaterial. Es werden dabei der Wassergehalt des verarbeiteten Polymers und dessen Einfluss auf die Degradation besonders berücksichtigt. Dies geschieht sowohl auf einer molekularen Ebene auf Basis von Grundlagenuntersuchungen als auch auf der makroskopischen Ebene im Verarbeitungsprozess.

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Kunststoffe spielen bei der Substitution metallischer Werkstoffe eine immer größere Rolle. Durch die geringen Materialkosten der BMC im Vergleich zu Hochleistungsthermoplasten sowie der Verarbeitung im Spritzgießverfahren lassen sich hochfeste und schwindungsfreie Bauteile mit geringem Gewicht in nahezu beliebiger Geometrie kostengünstig herstellen.

Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist es, ein Faserschädigungsmodell zu entwickeln, das die werkstoffspezifischen Einflüsse im Spritzgießverfahren der BMC-Formmassen (Materialzusammensetzung, Prozessparameter und Schneckengeometrie) auf die Faserlängenreduktion abbildet. Bei der Verarbeitung der BMC-Formmassen im Spritzgießverfahren werden die zugesetzten Langglasfasern mit einer Ausgangslänge von 3 mm bis 12 mm aufgrund des dissipativen Eintrags im Verarbeitungsprozess signifikant verkürzt, was zu einer verminderten Ausschöpfung des Werkstoffpotentials führt.

Zur Validierung des Modelles werden die berechneten Faserlängen aus dem entwickelten BMC-Faserschädigungsmodell mit den in tatsächlich ermittelten Faserlängen verglichen. Zu diesem Zweck werden mittels Dead-Stop-Untersuchungen die Faserschädigungen über die Schneckenförderung der Suspension ermittelt. Zur Überprüfung der Faserlängenreduktion werden an definierten Stellen in der Schneckenförderung Proben entnommen und mittels Faserlängenscans untersucht.

Unter Berücksichtigung der im Modell dargestellten Haupteinflussfaktoren auf die Faserschädigung wird eine faserschonende Verfahrenstechnik entwickelt und in Betrieb genommen. Abschließend wird die reale Faserschädigung untersucht und mit den berechneten Ergebnissen des Modells verglichen.

Bei der Entwicklung der neuartigen Verfahrenstechnik ist die Kompatibilität mit gängigen BMC-Spritzgießmaschinen zu gewährleisten, um den BMC-Verarbeitern Zugang zu der neuen Technologie der Zwei-Kolben-Spritzgießeinheit zu ermöglichen.

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