Der Prototyp der Inline-Compoundierung mit Faservorbehandlung und Extruder in Sattelanordnung (hier von der Seite) wird im Technikum der Kunststofftechnik Paderborn für Untersuchungen eingesetzt. (Bildquelle: KTP)

Der Prototyp der Inline-Compoundierung mit Faservorbehandlung und Extruder in Sattelanordnung (hier von der Seite) wird im Technikum der Kunststofftechnik Paderborn für Untersuchungen eingesetzt. (Bildquelle: KTP)

Die Kunststofftechnik Paderborn (KTP) hat gemeinsam mit dem Hersteller von Schnecken und Zylindern Arenz aus Meckenheim ein System zur Compoundierung im Spritzgießprozess entwickelt, dass Bauteileigenschaften langfaserverstärkter Thermoplasten zu Materialkosten unterhalb des Matrixmaterials erreicht.

Spritzgegossene, faserverstärkte Thermoplaste verzeichnen seit Jahren ein überdurchschnittliches Marktwachstum, weil sie in den mechanischen Eigenschaften unverstärkten Thermoplasten deutlich überlegen sind [1]. Als Matrixwerkstoffe kommen hauptsächlich PP und PA zum Einsatz. Nachteilig ist, dass es während der Plastifizierung zu einer Faserverkürzung kommt, die das theoretische Werkstoffpotential erheblich reduziert. Insbesondere zur Verbesserung der Festigkeit sind Faserlängen über 1 mm im Bauteil erforderlich [2].

Faserverkürzung reduzieren

Anlagenkonzept mit Einschneckenextruder und zwei Kolbenspritzeinheiten. (Bildquelle: KTP)

Anlagenkonzept mit Einschneckenextruder und zwei Kolbenspritzeinheiten. (Bildquelle: KTP)

Die neuartige Inline-Compoundierung leistet einen wesentlichen Beitrag, um eine Faserverkürzung im Spritzgießprozess zu reduzieren und senkt dabei die Materialkosten erheblich. Hierfür ist ein kontinuierlich arbeitender Einschneckenextruder (siehe [3]) mit zwei sequentiell arbeitenden Kolbenspritzeinheiten über eine Heißkanaltechnik der A & E Produktionstechnik, Dresden, verbunden. Die Fasern werden dem aufgeschmolzenen Matrixmaterial über eine gravimetrische Dosierung unmittelbar hinzugefügt.

Die Inline-Compoundierung führt für den Verarbeiter zu folgenden Vorteilen:

  • Maximierung der erreichbaren Faserlänge im Bauteil mit einhergehender Verbesserung der mechanischen Eigenschaften durch Vermeiden der in die Fasern eingetragene Energie beim Plastifizieren.
  • Reduzieren der Materialkosten: Da die Fasern unmittelbar der Schmelze im Extruder zugeführt werden, werden sie betriebswirtschaftlich betrachtet zum kostensenkenden Füllstoff. Je höher der Faseranteil, desto geringer die resultierenden Materialkosten der Rezeptur.
  • Verbesserung der Produktivität: Durch die sequentiell arbeitenden Kolbenspritzeinheiten steigt der Durchsatz, da die Dosierzeit zyklusneutral abläuft. Während eine Kolbenspritzeinheit dosiert wird, spritzt die andere zeitgleich ein.
  • Der Verarbeiter wird zum Compoundeur. Damit können gewünschte Rezepturen unabhängig von der Verfügbarkeit selbst aus den Ausgangsmaterialien hergestellt werden.

Verarbeiter für Materialqualität verantwortlich

Durch die Inline-Compoundierung übernimmt der Verarbeiter jedoch auch die Verantwortung für die Materialqualität. Neben der Faserlänge wird damit eine ausreichende Verteilung der Fasern in der Schmelze zu einem entscheidenden Qualitätsmerkmal und Erfolgsfaktor.

Zielkonflikt aus Homogenität und Faserlänge. Bildquelle: KTP)

Zielkonflikt aus Homogenität und Faserlänge. (Bildquelle: KTP)

Üblicherweise werden Fasern durch einen geeignet hohen Gegendruck des Extruders in der Schmelze verteilt. Die als Chopped Strands oder Rovings zugeführten Fasern müssen dafür zunächst aus ihrer Bündelform vereinzelt und dann gleichmäßig in der Schmelze verteilt werden. Eine inhomogene Verteilung der Fasern oder schlimmstenfalls eine Anhäufung einzelner Bündel im Bauteil (sogenannte Faseragglomerate) führen zu lokalen Versprödungen oder Entfestigungen des Bauteils und damit zu inakzeptablen Schwankungen der mechanischen Eigenschaften.

Stark streuende Homogenität und Agglomeratanteil im diskontinuierlichen Compoundierbetrieb. Bildquelle: KTP)

Stark streuende Homogenität und Agglomeratanteil im diskontinuierlichen Compoundierbetrieb. (Bildquelle: KTP)

Untersuchungen am KTP belegen, dass tatsächlich nicht allein die Faserlänge den Ausschlag für die Festigkeit gibt. Nur in Kombination mit einer ausreichenden Homogenität wird das maximale Potential des Werkstoffs erreicht. Hierfür wurden Spritzgießproben mit zunehmenden Gegendruck hergestellt und Faserverkürzung, Zugfestigkeit und die Homogenität nach [4] für einen vollfaktoriellen Versuchsplan verschiedener Prozessparameter und PP Rezepturen gemessen. Die maximale Festigkeit wird nicht bei den längsten Fasern, sondern bei der Faserlänge erzielt, bei der eine ausreichende Homogenität  erreicht ist. Erst ab diesem optimalen Punkt reduziert eine weitere Faserverkürzung auch tatsächlich die mechanischen Eigenschaften.

Reduzierte mechanische Eigenschaften im diskontinuierlichen Betrieb als Resultat der schwankenden Homogenität im Vergleich zum kontinuierlichen Compoundierbetrieb. Bildquelle: KTP)

Reduzierte mechanische Eigenschaften im diskontinuierlichen Betrieb als Resultat der schwankenden Homogenität im Vergleich zum kontinuierlichen Compoundierbetrieb. (Bildquelle: KTP)

Weitere Untersuchungen zeigen, dass zum Direktcompoundieren ein kontinuierlicher Prozess vorteilhaft ist. Das grundsätzliche diskontinuierliche Spritzgießen kann anstelle der hier vorgestellten zwei Kolbeneinheiten auch mit einer Kolbeneinheit und diskontinuierlich arbeitendem Extruder betrieben werden. Jedoch verhält es sich so, dass nur der kontinuierliche Betrieb ausreichend konstante Homogenitäten und damit die besseren mechanischen Eigenschaften ermöglicht.

Glasfasern wattieren

Wie lässt sich der grundsätzlichere Zielkonflikt der Inline-Compoundierung lösen, dass für eine ausreichende Homogenität der Fasern eine Faserverkürzung in Kauf genommen werden muss?

Reduzierte Faserverkürzung bei gleicher Homogenität durch Reduzierung des notwendigen Energieeintrags in die Schmelze. Bildquelle: KTP)

Reduzierte Faserverkürzung bei gleicher Homogenität durch Reduzierung des notwendigen Energieeintrags in die Schmelze. (Bildquelle: KTP)

Der Schlüssel hierzu liegt in einer Vorbehandlung der Glasfasern, die bei der Inline-Compoundierung durchgeführt wird. Dieser als Wattierung bezeichnete Prozess ist kürzlich zum Patent angemeldet worden und ermöglicht, dass eine gleichbleibende Homogenität bei geringeren Gegendrücken in der Schmelze, also einem geringeren Energieeintrag, möglich wird. Im Ergebnis werden längere Fasern im Bauteil erreicht, was die mechanischen Eigenschaften verbessert.

Die Vorteilhaftigkeit der Faserbehandlung ist eindeutig: Ein Vergleich mit dem üblicherweise eingesetzten vorcompoundierten Granulaten ist gar nicht erst sinnvoll, da hier schon vor der Plastifizierung nur Faserlängen bis 500 µm vorliegen. Trotzdem sind diese Werkstoffe übrigens kostenintensiver als die Materialkosten beim Direktcompoundieren. Vorcompoundierte Materialien müssen teurer als das Matrixmaterial sein, um den Prozessschritt der konventionellen Compoundierung auf dem Doppelschneckenextruder zu finanzieren.

Ein Vergleich der erreichbaren Kennwerte ist nur mit langfaserverstärkten Thermoplasten sinnvoll (sogenannte LFT), die wegen ihrer aufwendigeren Herstellung jedoch teurer als konventionelles GFK Granulat sind. Zudem, rieselt das Material schlecht und kann daher nur auf entsprechend großen Spritzgießmaschinen verarbeitet werden.

Per Wattierung und Inline-Compoundierung hergestellte Probekörper erreichen mit 30 Ma-% Faseranteil Faserlängen von bis zu 2 mm und Zugfestigkeiten von bis zu 120 MPa. Im Vergleich: LFT PP GF30 erreicht je nach Hersteller 100 bis 105 MPa zu Preisen über 3 EUR/kg, konventionelles GFK Granulat liegt bei 70 bis 90 MPa [5].

Herstellkosten geringer

Die Ergebnisse zeigen, dass die Eigenschaften von LFT Bauteilen zu Materialkosten unterhalb des reinen Matrixmaterials greifbar werden. Hierdurch lassen sich neue Anwendungen im Spritzgießen erschließen. Neben den reduzierten Materialkosten kommt hinzu, dass das Verbessern der mechanischen Eigenschaften reduzierte Wanddicken ermöglicht, was die Herstellkosten weiter senkt.

Das Verfahren wird derzeit mit einer optimierten Schnecke für die Inline-Compoundierung von Polyamid weiterentwickelt und soll mit Partnern industrialisiert werden.

 

Literatur

[1]                    Witten, E.; Mathes, V: Der Markt für Glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) 2019, AVK.

[2]                    Thieltges, H.-P.: Faserschädigung beim Spritzgießen verstärkter Kunststoffe, Dissertation, RWTH Aachen, 1991.

[3]                    Moritzer, E., Altendorf, F., Wittke, M.: Synergien aus der Schnecke, Kunststoffe, 108. Jg. Heft 12, 2018, ISSN: 0023-5563.

[4]                    Schadhauser, M., Martin, J., Würtele, M., Karlinger, P., Modler, N.: Schadhauer Artikel: Homogenität ist der Schlüssel, Kunststoffe, 09/17.

[5]                    Online: Plasticker.de/preise [abgerufen am 19.05.2020].

Über die Autoren

Prof. Dr.-Ing. Elmar Moritzer

ist Professor für Kunststofftechnologie am KTP der Universität Paderborn.

Frank Altendorf

ist geschäftsführender Gesellschafter von Arenz in Meckenheim.

Marius Wittke

ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Kunststofftechnologie der Fakultät für Maschinenbau an der Universität Paderborn.