IKV: Forschung für die Praxis Neue Impulse für Spritzguss und Pultrusion

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Institut für Kunststoff- verarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen

HSB Normalien GmbH

Das IKV Aachen liefert neue Praxisansätze für Pultrusion und Spritzguss. Forschende messen erstmals Harzverweilzeiten in Injektionsboxen, verlängern Fließwege über erodierte Werkzeuge und automatisieren Kaskaden-Strategien. Das spart teure Versuchsreihen.

Pultrusion: Fließwege in der Injektionsbox identifizieren

Injektionsboxen lösen das offene Harzbad in der Pultrusion zunehmend ab, obwohl es dafür noch keine belastbaren Auslegungsregeln gibt. Ein Verfahren des IKV macht die Harzverweilzeit im geschlossenen Werkzeug erstmals ortsaufgelöst messbar und liefert damit ein bisher fehlendes Auslegungskriterium. Geschlossene Injektionsboxen bringen dem Pultrudeur klare Vorteile: praktisch keine VOC-Emissionen, kein Harzüberschuss und die Möglichkeit, hochreaktive, schnell härtende Systeme zu verarbeiten und somit die Abzugsgeschwindigkeit zu erhöhen. Herausforderung dabei ist die nicht genau definierte Strömung in der Injektionsbox. Totwasserzonen führen zu angelierten Ablagerungen an den Wänden und eine unvollständige Imprägnierung zu Poren im Profil. Beides zeigt sich erst am Bauteil oder beim Werkzeugstillstand. Standardisierte Konstruktionsrichtlinien existieren nicht.

Am IKV wurde die aus der Verfahrenstechnik und Extrusion bekannte Verweilzeitverteilung auf die Injektionsbox übertragen. Im laufenden, quasistationären Prozess wird das Harz schlagartig von einer Einfärbung auf eine zweite umgestellt. Querschliffe des Profils entlang des Farbwechsels werden bildanalytisch ausgewertet. Das Ergebnis ist eine Heatmap, die zeigt, wann welcher Profilbereich vollständig mit dem neuen Harz gefüllt ist. Für die Praxis entscheidend ist, dass dies im realen Prozess mit realem Reaktivharz und realem Faservolumengehalt funktioniert.

Am Injektionspunkt liegt der Faservolumengehalt bei rund 5 %. Die Rovings sind zu diesem Zeitpunkt noch nicht kompaktiert, sodass das Harz sie umströmt (Bild 1). Das Strömungsfeld wird dabei von der Schwerkraft sowie der Schleppströmung der abgezogenen Fasern bestimmt. Deshalb erreicht das neue Harz zuerst die Profilmitte und wird dort mitgezogen. Weiter in Abzugsrichtung, wenn die Boxgeometrie das Faserpaket auf 75 % verdichtet, entstehen Quer- und Rückströmungen, die die Außenbereiche des Querschnitts versorgen. Die Randbereiche benötigen daher etwa das Vier- bis Fünffache der Zeit bis zum vollständigen Farbwechsel; die Differenz zwischen Mitte und Rand beträgt rund 200 s. Die mittlere Verweilzeit des untersuchten Profils (35 x 4 mm², 75 % FVG, 0,3 m/min Abzugsgeschwindigkeit) beträgt 381 s, die reine Faserdurchlaufzeit hingegen nur 46 s. Auffällig ist, dass ausgerechnet in der schnell durchströmten Profilmitte vermehrt Poren und Lufteinschlüsse zu finden sind. Eine Rückströmung ist also kein Störeffekt, der beseitigt werden sollte, sie ist zusammen mit dem Druckanstieg die Voraussetzung dafür, dass Luft entgegen der Produktionsrichtung entweichen kann.

Der Nutzen für die Fertigung:

• Auslegungskriterium ist, dass die lokale Verweilzeit deutlich über der Faserdurchlaufzeit liegen muss. Damit lässt sich erstmals quantitativ prüfen, ob eine I-Boxgeometrie überhaupt imprägnierfähig ist.
• Prozessfenster für schnelle Harze: Die gemessene Verweilzeitverteilung ist direkt gegen die Topfzeit des Harzsystems auswertbar, sodass die Gelierungsgefahr in der Box abschätzbar ist statt erfahrungsbasiert.
• • Simulationsvalidierung: Strömungssimulationen der Injektionsbox konnten bisher mangels Messdaten kaum validiert werden. Die Verweilzeitverteilung schließt diese Lücke.

Die Wiederholgenauigkeit von ±10 s über drei Versuche hinweg zeigt, dass sich das Verfahren für den systematischen Vergleich von Geometrien und Prozessparametern eignet. Offen sind bislang die Übertragbarkeit auf andere Profilquerschnitte und Harzsysteme sowie die Möglichkeit einer quantitativen Porenmessung.

Die Arbeiten werden im Rahmen des IGF-Projekts 23502 N vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) unterstützt.

Spritzgießen: Funkenerodierte Werkzeugoberflächen für längere Fließwege

Bei dünnwandigen Spritzgießformteilen mit hohen Aspektverhältnissen sind die erreichbare Fließweglänge und der benötigte Einspritzdruck kritische Faktoren. Untersuchungen am IKV haben gezeigt, dass sich im Vergleich zu gefrästen und polierten Werkzeugoberflächen mit erodierten Werkzeugoberflächen eine Fließwegverlängerung erzielen lässt (Bild 2). Dies wird auf die unvollständige Abformung der erodierten, kraterförmigen Werkzeugoberfläche zurückgeführt, aufgrund derer Mikroluftpolster zwischen Schmelze und Werkzeugoberfläche entstehen. Die Luftpolster wirken in der Grenzfläche isolierend und hemmen die Wärmeabfuhr von der Schmelze an das Werkzeug.

In einem DFG-Projekt soll daher der Einfluss von erodierten Werkzeugoberflächen auf das Fließverhalten von thermoplastischen Kunststoffen weiter analysiert werden. Das Ziel ist es, die Oberflächenabformung und damit den Wärmeübergang in Abhängigkeit vom Material, dem Fließweg sowie den lokalen Schmelzeeigenschaften, wie Druck und Temperatur, genauer vorherzusagen und grundlegend zu beschreiben. Diese Erkenntnisse können anschließend in Simulationen zum verbesserten Verständnis des Fließverhaltens von Kunststoffen in strukturierten Spritzgießwerkzeugen genutzt werden.

Zunächst soll eine Erweiterung des bestehenden Modells der Strukturabformung erfolgen. Dazu werden die bisherigen Ergebnisse auf amorphe Formmassen übertragen, da diese ein anderes Fließ- und Abkühlverhalten als die bisher untersuchten teilkristallinen Thermoplaste zeigen. Zudem wird die Formteildicke im Bereich von üblichen Werten aus der Verpackungsindustrie variiert, da ein deutlicher Einfluss der Wandstärke auf den erzielbaren Fließweg festgestellt wurde. Außerdem sollen die Einflüsse einer aktiven Entlüftung sowie einer variothermen Temperierung auf die Oberflächenabformung untersucht werden, um den Einfluss der Mikroluftpolster auf die Strukturabformung quantifizieren zu können.

Erkenntnisse aus diesen Untersuchungen werden anschließend für die Entwicklung eines Simulationsmodells genutzt, das zum Verständnis des Zusammenhangs zwischen Wärmeübergang und Strukturabformung beitragen soll.

Die Arbeiten werden im Rahmen des Projekts HO 4776/63-2 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt.

Kaskadenspritzgießen: Methodik zur Ableitung einer Einspritzstrategie

Das Kaskadenspritzgießen ist bei Bauteilen mit hohen Anforderungen an die Oberflächenqualität und großen Fließweg-Wanddicken-Verhältnissen das Verfahren der Wahl. Wegen der komplexen Zusammenhänge, insbesondere zwischen dem maschinenseitig eingestellten Einspritzvolumenstromprofil und der Wechselwirkung der individuellen Nadelführungen, ist die Prozesseinrichtung sehr aufwendig und mit einer Vielzahl von experimentellen Versuchen verbunden.

In einem von der DFG geförderten Forschungsprojekt soll eine Methodik zur Ableitung einer Einspritzstrategie für das Kaskadenspritzgießen entwickelt werden, die unabhängig vom Erfahrungswissen des Maschinenbedieners und ohne umfangreiche Versuche gute Bauteilqualitäten bewirkt. Um eine gleichmäßig hohe Oberflächenqualität entlang des gesamten Fließwegs zu erzielen, soll in der Kavität eine konstante Fließfrontgeschwindigkeit erzielt werden.

Im ersten Schritt werden dafür mittels automatisierter iterativer Simulationen, unter Berücksichtigung der Kaskade, die düsenspezifischen Solleinspritzvolumenstromprofile ermittelt, um eine konstante Zielfließfrontgeschwindigkeit in der Kavität zu realisieren und den Einspritzdruck zu minimieren. Auf dieser Basis werden mithilfe eines Prozessmodells die individuellen Öffnungshubprofile sowie das maschinenseitige Einspritzvolumenstromprofil berechnet. Das Prozessmodell berücksichtigt insbesondere die Wechselwirkung zwischen den Volumenströmen der einzelnen Heißkanaldüsen. In experimentellen Versuchen wird die entwickelte Einspritzstrategie sowohl für unterschiedliche Geometrien als auch Materialtypen sowie Prozesseinstellungen validiert und optimiert. Zudem wird der Effekt der Einspritzstrategie auf die Oberflächenqualität, wie Glanz, Rauheit und Molekülorientierung in der Randschicht, untersucht.

Zum Abschluss des Projekts wird die Robustheit des Prozesses gegenüber Prozessschwankungen analysiert, um daraus Kennzahlen zur Prozessüberwachung der Füllphase des Kaskadenspritzgießens abzuleiten. Ferner wird der Effekt einer möglichen adaptiven Regelungsstrategie anhand der Versuche beurteilt.

Die Arbeiten werden im Rahmen des Projekts HO 4776/102-1 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt.