K10: Kunststoffe Verarbeitung

Die geforderten Eigenschaften entstehen durch die Aufbereitung

• Aufbereiten (Compoundieren) besteht aus Dosieren und Homogenisieren (Mischen)

• Polymer + Zusatzstoff = Kunststoff

• Aufbereitung meist im schmelzförmigen Zustand

Zusatzstoffe sind erforderlich für Verarbeitung (Spritzguss, Scherung) und Produkteigenschaften (Festigkeit, Farbe)

1) Lösliche Zusatzstoffe

• weich machende Zusatzstoffe

• färbende Zusatzstoffe

• Verarbeitungshilfen

2) Unlösliche Feststoffe

• verstärkende Zusatzstoffe (Zugfestigkeit)

• versteifende und verhärtende Zusatzstoffe (E-Modul)

Wofür?

-> Mischen (Homogenisieren)

-> Verarbeitung (Viskositätserniedrigung)

-> Fertigteileigenschaften (Glanz, Transparenz)

Interne Wirkungsweise:

Innere Schmierung der Polymerketten -> reduziert Viskosität -> bessere Fließeigenschaften -> verbesserte Formfüllung, geringere innere Reibung

Externe Gleitmittelwirkung:

Einfache Entformung (Gleitmittel migriert während des Prozesses an die Oberfläche des Formteils) -> Schmierfilm an der Oberfläche -> Verminderung von Reibung (-> aber auch schlechteres Schweißen oder Bedrucken)

Wofür?

-> Kunststoffe + Füllstoffe = maßgeschneiderte, thermische Eigenschaften

Wärmeleitfähigkeit:

• in Abhängigkeit der Füllstoffgeometrie: Fasern > Plättchen > Kugeln

• Kupfer > Aluminium >> Kunststoffe

Zum kontinuierlichen Compoundieren werden Schneckenkneter verwendet

• intensiver Stoff- und Wärmeaustausch durch permanente Übergabe der Schmelze von Schnecke zu Schnecke

• Nahezu vollständige Selbstreinigung durch dichtkämmende Schneckengeometrie

• gleiche Drehrichtung

• In einer Einzelschicht liegen die Fasern in einheitlicher Anordnung vor

• Charakterisiert durch Faser, Matrix, Volumenanteil Fasern und Richtung der Fasern

• Faserorientierung -> Anisotrope Materialeigenschaften (in Faserrichtung ist die Verstärkungsrichtung am größten, senkrecht liegend schwächt den Verbund)

• Erst ab ca. 4 Gew.-% Verstärkungswirkung

• Je länger die Faser, desto größer die Verstärkungswirkung (ab einer kritischen Länge möglicherweise keine Zunahme mehr)

• Kohlenstofffasern erreichen die höchsten spezifischen Festigkeiten und Steifigkeiten

• Faser-Matrix-Haftung ist maßgeblich für die Qualität des Faserverbundes

1) SMC (Sheet Molding Compound):

vorimprägnierte langfaserverstärkte Harzmatten, Faserlänge 12-75mm

2) BMC (Bulk Molding Compound):

vorimprägnierte “Sauerkrautartige” formlose Masse, Faserlänge 6-25mm

3) Prepregs:

vorimprägnierte textile Gewebe, Gelege, etc.

• Heißpressen (von SMC)

• Spritzgießen von BMC

SMC wird in die Pressform eingelegt (30-70% der Bauteilfläche) -> Fasern und Harz fließen in Formkontur -> schnelle Aushärtung (135°-160°C)

Vorteile:

• großserientauglich

• kurze Zykluszeiten

• niedrige Bauteilkosten

Nachteile:

• geringer Faservolumenanteil

• kann in Flockenform auch im Spritzgießverfahren verarbeitet werden

• muss zwangsgefördert werden, z.B. Kolbenstopfaggregat

Ablauf:

Dosieren (Formmasse wird temperiert) -> Einspritzen -> Nachdrücken -> Härten

Vorteile:

• großserientauglich

• kurze Zykluszeiten

• niedrige Bauteilkosten

• hohe Formvielfalt realisierbar

Nachteile:

• geringer Faservolumenanteil

• Faserbeschädigung und -verkürzung beim Verarbeiten

• begrenzte Bauteilgröße

Drapierprozesse = Prozesse bei denen flexible Materialien über ein Werkzeug gelegt werden um eine bestimmte Form zu erhalten.

• Wickelverfahren

• Nasspressen

• Handlaminieren

• Faserspritzen

• Vakuumsack- und Drucksack-Verfahren

• Autoklav-Verfahren

Kontinuierliches maschinelles Ablegen vorimprägnierter Rovings auf einen Wickelkern

Vorteile:

• reproduzierbar

• automatisierbar

• kleine und mittlere Serien

• große Bauteile herstellbar

• hoher Fasergehalt (bis zu 60%)

Nachteile:

• nur rotationsfähige Bauteile

• lange Zykluszeiten

• mäßige Oberflächenqualität

Verfahren:

• Fasern trocken in Form eingelegt und mit Harz aufgegossen

• durch Schließen werden die Fasern getränkt und das Bauteil ausgeformt (Warmpressen 80-150°C, Kaltpressen 30-60°C)

Vorteile:

• kleine und mittlere Serien

• große Bauteile möglich

Nachteile:

• hohe Investitionskosten für Presse

• aufwändige Reinigung der Formen

• nur für einfache Geometrien

Verfahren:

1) Gelcoat in Negativ-Form auftragen

2) Verstärkungsstruktur (Matte/Gewebe) einlegen

3) Laminierharz verteilen

4) aushärten lassen

5) Nachbearbeiten

Vorteile:

• geringe Anlagen- und Werkzeugkosten

• kleine Serien und Prototypfertigung

Nachteile:

• Abhängig von Handlaminierer

• lange Zykluszeiten

• geringe Reproduzierbarkeit

Faserspritzen = Harz und Fasern mittels Druckluft auf die Negativform gespritzt

Vorteile:

• kleine Serien und Prototypen

• aufspritzen der Fasern automatisierbar

Nachteile:

• lange Zykluszeiten

• geringer Fasergehalt

• Faserausrichtung nicht beeinflussbar

Verfahren:

Vakuum ziehen -> Verdichtung und Entgasung des Laminates -> Herausdrücken des überschüssigen Harzes

Vorteile:

• nur eine feste Formhälfte nötig

• Formhälfte muss keinem Verformungsdruck standhalten

• hoher Fasergehalt

Nachteile:

• maximal 1 bar Druckgradient möglich

• lange Zykluszeiten

Verfahren:

Formhälfte wird mit Deckel verschlossen, im Hohlraum Überdruck -> Verdichtung und Entfasung des Laminates -> Herausdrücken des überschüssigen Harzes

Vorteile:

• hoher Druckgradient realisierbar

• hoher Faservolumengehalt möglich

Nachteile:

• sehr steife, stabile Formhälfte notwendig

• lange Zykluszeiten

Verfahren:

Kombination aus Vakuumsack- und Drucksack-Verfahren -> Laminat aufgebaut und mit Vakuum beaufschlagt -> Aufbau kommt zum Aushärten in den Autoklav (Heiz-Druckkessel)

Vorteile:

• Prototypen und Kleinserien

• konstante hohe Laminatqualität

• geringe Werkzeugkosten

Nachteile:

• hohe Investitionskosten

• lange Zykluszeiten (mehrere Stunden)

Zusammengefasst kombiniert das Autoklav-Verfahren die Vorteile des Vakuumsack-Verfahrens (Harzdurchdringung, Entfernung von Lufteinschlüssen) mit denen des Drucksack-Verfahrens (kontrollierter Druck) und fügt eine präzise Temperaturkontrolle hinzu.

Verfahren:

• Herstellung von Profilen und Platten

• Fasern in Form von Rovings, Matten und Spulen zugeführt

• Durch Tränkbad gezogen und anschließend in Werkzeug, Aushärtung am Profil

Vorteile:

• Großserientauglich

• komplett automatisierbar

• sehr hohe Fasergehalte

Nachteile:

• geringe Variationsmöglichkeit des Faserorientierung und der Bauteilgeometrie

• große Stellfläche der Anlage benötigt

Verfahren:

• Trockene textile Halbzeuge in Negativ-Form, darüber Trenngewebe (zur Entfernung des Verteilermediums nach Aushärtung), Verteilermedium für Harzverteilung und Vakuumfolie zur Abdichtung

• Infusion des Harzes mit Hilfe von Vakuum

Vorteile:

• sehr große Bauteile realisierbar

• nur eine Formhälfte erforderlich

• geringe Werkzeug- und Anlagekosten

• hohe Laminatqualität

Nachteile:

• lange Zykluszeit

• hoher Verbrauchsmittelbedarf

• maximal 1 bar Druckgradient

Verfahren:

• Formteil wird trocken vorgeformt und erst anschließend in Werkzeug eingelegt

• Harz-Härter-Gemisch wird mit Druck injiziert

Vorteile:

• konstant gute Laminatqualität

• exakte Wanddicke

• hohe Stückzahlen möglich

Nachteile:

• hohe Werkzeugkosten

• massiges, zweiteiliges Werkzeug notwendig

Verfahren:

• Compound und Verstärkungsfasern (Rovings) in Doppelschneckenextruder zugeführt

• Fasern mit thermoplastischen Matrixmaterial vermischt

• mit Presse zugeführt und verpresst

Vorteile:

• Höhere Schlagzähigkeit als Kurzfaserthermoplaste

• semistrukturelle Bauteile möglich

Nachteile:

• hohe Maschinenkosten

• geringe Oberflächenqualität

• Pressgrat

• Stempelumformverfahren

• nicht isothermes Diaphragmaverfahren

• Tapelegeverfahren

Vorteile:

• hohe Automatisierbarkeit

• hohe Reproduzierbarkeit

• kurze Zykluszeiten -> mittlere und große Serien

Nachteile:

• Niederhalter gegen Faltenbildung erforderlich

• kein Pressdruck senkrecht zur Pressrichtung

• hohe Werkzeugkosten

• Variation der Laminatdicke erschwert

Verfahren:

• Halbzeug zwischen zwei flexible Membrane gelegt und Vakuum angelegt, anschließend aufgeheizt

• Druckglocke wird geschlossen, Überdruck in Oberkammer und Unterdruck in Unterkammer -> Auf Werkzeug gedrückt und umgeformt

• Entformen nach Abkühlung

Vorteile:

• leichte Hinterschneidung möglich

• geringe Faltenbildung

• unterschiedliche Laminatdicken möglich

• geringe Investitionskosten

• hohe Komplexität möglich

Nachteile:

• lange Zykluszeiten

• hoher Wartungsaufwand und Kosten

• ungleichmäßiges Abkühlen

Verfahren:

• lokales Aufheizen/-schmelzen des Halbzeugs mit fokussierter Wärmequelle (Laser, Infrarot)

• Anpressen und konsolidieren des aufgeschmolzenen Halbzeugs an der gewünschten Kontur mit Hilfe einer Rolle

• Abkühlung in einem nachgeschalteten Kühlsystems unter Druck

Vorteile:

• Faserorientierung beliebig einstellbar

• variierende Wandstärke möglich

• automatisierbar

• minimaler Materialverschnitt

Nachteile:

• hohe Anlagen- und Investitionskosten

• hoher Zeit- und Handlingsaufwand