Spritzgieß-Direktverarbeitung

Lange Fasern direkt im Spritzguss verarbeiten

Verstärkungsfasern ermöglichen die Herstellung von Bauteilen aus thermoplastischen Matrix-Materialien mit guten mechanischen und thermischen Eigenschaften bei niedrigem Gewicht. Für die Fertigung faserverstärkter Produkte im Spritzgieß- oder Extrusionsverfahren kommen heute überwiegend compoundierte Faser- oder pultrudierte Stäbchengranulate zum Einsatz. Mit "Direkt"-Verfahren ist die Verarbeitung von Verstärkungsfasern und Matrixmaterial zu einem Bauteil in einem Fertigungsschritt möglich. Ein vom SKZ entwickelter Prozess soll lange Fasern auf einer modifizierten Standard-Spritzgießmaschine direkt einarbeiten.

Prinzipdarstellung des SKZ Direkt-Spritzgießsystems

Spritzgieß-Direktverarbeitung
Direktverarbeitung bezeichnet die Möglichkeit, Kunststoffe mit Additiven und/oder Füllstoffen in einem Fertigungsschritt miteinander zu kombinieren und Bauteile herzustellen. Der üblicherweise dazwischen stattfindende Compoundier- oder Pultrusionsprozess entfällt damit. Daraus ergeben sich Vorteile hinsichtlich Materialeigenschaften, Flexibilität, Gesamt-Energieeinsatzes und Kosten. Am Beispiel von faserverstärkten Materialien soll das deutlich werden. Der Verarbeiter kann die Ausgangsmaterialien Matrixpolymer, Fasern und Additive anforderungsoptimiert auswählen und, wenn notwendig, einzelne Komponenten eigenständig substituieren. Somit können auch Materialien mit Fasergehalten erzeugt werden, die nicht marktüblich sind, um die Bauteilspezifikationen zu erfüllen. Bei entsprechender Gestaltung des Werkzeugs bleiben längere Fasern bis ins Formteil erhalten. Zusätzlich ist das Einstellen der Faser-Matrix-Haftung und der resultierenden mechanischen Eigenschaften einfach durch Zugabe von Haftvermittlern möglich. Diese werden wie ein Masterbatch in Anteilen zwischen 1 und 4 Prozent dem Matrixpolymer zudosiert.

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Der Aufbau eines entsprechenden Material- und Verarbeitungs-Know-hows steigert nicht nur die Anwendungsmöglichkeiten, es soll vor allem deutliche Materialkostenreduzierungen im Vergleich zu vorgefertigten Granulaten ermöglichen. Im SKZ wurde im Rahmen eines Kooperationsprojektes mit Arburg ein Anlagenkonzept erarbeitet, um faserverstärkte Produkte mit einem neuen Direkt-Spritzgießverfahren herzustellen. Die Kombination einer neuen, zweiwelligen Seitenbeschickung mit einem Faserschneidwerk ermöglicht die Nutzung einer geringfügig modifizierten Standard-Spritzgießmaschine um beliebige Fasern in frei wählbarem Anteil dem Prozess zuzuführen. Zudem ist die Maschine auch nach den Modifikationen noch für Standard-Spritzgießaufgaben verwendbar. Nach Schneiden der Roving-Fasern auf Längen zwischen 2 und 100 Millimeter werden diese direkt an eine Schneckeneinheit übergeben, die sie definiert der Spritzgießmaschine zuführt. Schnittfaserlänge und Faser-Volumenstrom sind dem Folgeprozess anpassbar.

Schwierigkeiten bereitete laut SKZ zunächst die Handhabung der langen Schnittfasern, da diese nach dem Schneiden gewölleartige und nicht mehr rieselfähige Strukturen bildeten. Modifikationen ermöglichen es heute, auch diese Faserform zu handhaben, so dass keine Einschränkungen bei der Wahl des Faser-Matrix-Systems aufgrund des Schneidverhaltens der Glas- oder Carbonfasern bestehen. Generell könne diese Methode verwendet werden, um beliebige Schnittfasern zu erzeugen und einer Kunststoffaufbereitungs- oder -verarbeitungsmaschine direkt zuzuführen.

Long Fiber-Direct-Injection Molding (LF-D-IM)
Die erste Umsetzung des vom SKZ entwickelten Konzepts war bereits während der Fakuma 2012 am Beispiel eines Airbag-Gehäuses zu sehen. Im modifizierten Spritzgießaggregat wurden die Fasern eingearbeitet, nachdem das Matrixpolymer bereits aufgeschmolzen war. Eine vollständige Integration der Peripheriegeräte in die Maschinensteuerung ermöglichte eine zentrale Zusammenfassung aller Parametereingaben, Überwachungen und Dokumentationen. Am Messeaufbau konnte demonstriert werden, dass der Glasfasergehalt, ebenso wie die mechanischen Eigenschaften, beispielsweise durch unterschiedliche Haftvermittler-Anteile im laufenden Prozess veränderbar sind.

Die Kombination des neuen Spritzgieß-Direktverfahrens mit einer Organoblech-Anwendung in einem Werkzeug von Georg Kaufmann Formenbau war während der K2013 zu sehen. Dort wurden in einem serienreifen Prozess unterschiedliche Organobleche in einem Werkzeug miteinander verbunden, die Organbleche durchspritzt und Durchbrüche eingeformt ohne das Fasergewebe zu beschädigen. Die Dokumentation der über Messsysteme erfassten, zugeführten Fasermenge je Zyklus übernahm die Maschinensteuerung. Im SKZ entwickelte Maßnahmen zu Inline-Qualitätsüberwachung dokumentierten zudem die Prozesskonstanz und Teilequalität. Dabei wurden beide Organobleche nach der Vorwärmung und jeder Hebel unmittelbar nach der Entformung durch ein Inline-Thermografie System geprüft. Die zugehörige Software dokumentiert und visualisiert dadurch die Temperaturverteilung der vorgewärmten Organobleche und des fertigen Hebels. Überwacht wird auch, ob beispielsweise unter- oder überspritzte Bereiche vorhanden sind. Mit einer Rückkopplung zum Handhabungsgerät lassen sich somit fehlerhafte Teile automatisch erkennen und aussortieren. Abschließend erfolgte eine Inline-Biegeprüfung des Hebels um die strukturellen Eigenschaften sicher zu stellen.

Veranstaltungshinweis
Unterschiedliche Konzepte des Direkt-Spritzgießverfahrens präsentiert das SKZ im Rahmen der Fachtagung "Direktcompoundieren beim Spritzgießen2 am 12. und 13. November 2014 in Würzburg. Die Teilnehmer sind eingeladen, neben zahlreichen Fachvorträgen das Technikum des SKZ zu besuchen und entsprechende Technologien hautnah zu erleben.

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