Forschung für die Praxis

Durchsatzsteigerung durch neuartiges Kühlverfahren

Schlauchfolienextrusion Auf Grund des zunehmenden Kostendrucks der Kunststoff verarbeitenden Industrie werden auch bei der Herstellung von Schlauchfolien Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung gesucht. Hierbei liegen die Ziele vor allem darin, den Massedurchsatz zu erhöhen bei mindestens gleichbleibenden mechanischen und funktionellen Produkteigenschaften. Ein neuartiges Kühlkonzept zur Steigerung des Massedurchsatzes für Blasfolienanlagen wird daher in einem Forschungsprojekt am IKV untersucht.

Die Kühlleistung wird dadurch verbessert, dass eine temperierte Kühlhülse am Düsenaustritt installiert wird, die durch Kontaktkühlung eine bessere Kühlung des Schmelzeschlauchs ermöglicht. Im Vergleich zur wassergekühlten Blasfolie bietet eine Kontaktkühlung vor der Schlauchbildungszone den großen Vorteil, dass der Blasendurchmesser unabhängig von der Kühlhülsengröße variiert werden kann. Das derzeit untersuchte Konzept ist außerdem mit wenig Aufwand in eine bestehende Blasfolienanlage integrierbar. In diesem Forschungsvorhaben wird auch untersucht, inwieweit sich eine stärkere Kühlung vor der Schlauchbildungszone auf die Folien-eigenschaften auswirkt.

Das Ziel ist dabei, neben der Steigerung des Massedurchsatzes auch eine Verbesserung der mechanischen Folieneigenschaften zu erreichen. Untersucht wird, welchen Einfluss die Geometrie der Kontaktkühlfläche und die Temperatur der Kühlhülse auf die Kühlleistung, die Prozessstabilität und die Folieneigenschaften haben. Erste Ergebnisse des Forschungsprojekts zeigen, dass eine deutliche Verbesserung der Kühlung möglich ist. Als nächster Schritt werden die Untersuchungen zur Verbesserung der Folieneigenschaften folgen. Das Projekt wird vom BMWi über die AiF gefördert.

Kontakt
Marco Hennigs,
hennigs@ikv.rwth-aachen.de

Nebelkühlung bei der Fluidinjektionstechnik

Spritzgießen Die Fluidinjektionstechnik (FIT) ist ein hocheffizientes Verfahren zur Herstellung polymerer Hohlkörper im Spritzgießprozess. Eine neue Verfahrensvariante ist die Nebelkühlung. Die Verwendung eines kühlenden Nebels als treibendes Fluid macht es möglich, verfahrensspezifische Fehlstellen der FIT-Varianten Gas- und Wasserinjektionstechnik, wie zum Beispiel Doppelwandbildungen, zu umgehen. Ziel ist, Bauteilausschuss und Zykluszeiten zu verringern.

Der Wassermassenanteil im Nebel und seine thermischen Eigenschaften werden stufenlos eingestellt. Die Wissenschaftler entwickelten mit diesem zusätzlichen Prozessparameter eine Technologie, die den Fluidinjektionsprozess robuster macht. Zudem führt die im Vergleich zur herkömmlichen FIT größere Variabilität zu erweiterten Prozessfenstern. Somit lässt sich die Bauteilqualität auch nach der Fertigung des Spritzgießwerkzeugs noch gezielt steigern. Unter anderem wird die Anzahl der Iterationen bei der Werkzeugabmusterung reduziert -ein direkter Kostenvorteil. Derzeit existieren noch keine industriellen Serienanwendungen mit Nebelkühlung, da die Möglichkeiten und Grenzen der neuen Technologie noch nicht ausreichend erforscht sind.

Aus diesem Grund werden systematische Untersuchungen zu unterschiedlichen Fragestellungen zur Nebelkühlung durchgeführt und in Gestaltungsrichtlinien zusammengefasst. Dabei wird neben der Weiterentwicklung der Technologie auch die Verarbeitbarkeit von thermoplastischen Kunststoffen überprüft, die nicht speziell für die FIT modifiziert wurden. Die Ergebnisse liefern eine eindeutige Vorgehensweise, die dazu verhilft, eine optimale Formteilqualität zu erreichen sowie den zeitlichen und finanziellen Aufwand zur Einführung und Nutzung der Nebelkühlung bei der FlT zu reduzieren.

Kontakt
Matthias Theunissen,
theunissen@ikv.rwth-aachen.de

Generative Fertigung von RTM-Preforms

Faserverstärkte Kunststoffe Die Serienfertigung von FVK-Bauteilen ist insbesondere abhängig von der Fertigung der Preforms. Komplex geformte Preforms mit integrierten Funktionselementen werden meist mit hohem manuellen Arbeitsaufwand hergestellt. Zudem fallen im Mittel 30 Prozent Verschnitt an. Dadurch entfallen 50 Prozent der Bauteilkosten für monolithische Strukturbauteile auf das Preforming. Ein neues Verfahren soll die seriennahe Fertigung komplexer, funktionsintegrierter Preforms für RTM-Strukturbauteile ermöglichen: Das 3D-Faserspritzverfahren. Hierzu werden Faserrovings von einer Spule abgezogen und in einem Schneidwerk auf eine definierte Länge geschnitten – derzeit 50 mm – künftig kann die Länge im Prozess eingestellt werden.

Die Schnittfasern werden dann mit einer Faserleiteinheit gerichtet auf ein perforiertes Ablagewerkzeug aufgesprüht. So können die Faserorientierungen gezielt eingestellt werden. Zudem sind Dickensprünge, Variationen des Faservolumengehalts, Durchbrüche, Krafteinleitungselemente und Versteifungsstrukturen generativ in die Preforms integrierbar. Darüber hinaus werden neuartige Bindersysteme verarbeitet und analysiert: Ein fadenförmiger Binder von Heinrich Kuper und UV-härtende Bindersysteme von Wellmann Technologies. Daneben werden die Wechselwirkungen zwischen den Prozessparametern des Faserspritzverfahrens und des RTM-Verfahrens analysiert. Momentan können die Preforms in Zykluszeiten von 5 min bei einem maximalen Durchsatz von 1 kg/min gefertigt werden. In ersten Untersuchungen konnten Bauteile mit einem Faservolumengehalt von 37 Prozent in Zykluszeiten von 15 min gefertigt werden. Dabei sind die mechanischen Biegeeigenschaften der Bauteile vergleichbar mit endlosfaserverstärkten Bauteilen.

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Marc Linus Fecher,
fecher@ikv.rwth-aachen.de

Verbesserung der Mischwirkung von Stiftextrudern

Kautschukextrusion In Extrudern mit Stiftzonen für Kautschukmischungen werden meist technische Gummiwaren hergestellt, wobei zur Verbesserung der Bauteileigenschaften Füllstoffe zugegeben werden. Die resultierenden mechanischen und dynamischen Eigenschaften hängen von der Mischungshomogenität ab. In einem übergreifenden Forschungsprojekt sollen bei einem Stiftextruder durch Anpassen der Bestiftung die Mischungshomogenität und -güte gesteigert und somit eine höhere Produktqualität erreicht werden. Geprüft wird die Mischgüte anhand mikroskopischer Aufnahmen, auf denen unerwünschte Rußagglomerate gut erkennbar sind. Zur Verbesserung der Mischgüte werden verschiedene Stiftgeometrien und -anordnungen durch Strömungssimulationen und experimentell untersucht.

Die Ergebnisse werden auf einen Demonstrator produktionsnaher Baugröße skaliert, um die Funktionsfähigkeit unter Praxisbedingungen zu verifizieren. Ziel sind Gestaltungshinweise und Konstruktionsrichtlinien für die Auslegung von Stiftdesigns und Stiftanordnungen, mit deren Hilfe durch kleine Änderungen die Produktqualität zu erhöhen.

Kontakt
Jan Peter Dering,
dering@ikv.rwth-aachen.de

Anisotrope Wärmedehnung in Kunststoff-Metall-Hybridbauteilen

Werkstofftechnik Die Kunststoffkomponente von Hybridbauteilen besteht meist aus kurzglasfaserverstärktem Thermoplast, dessen thermisches und mechanisches Materialverhalten anisotrop, das heißt richtungsabhängig ist. Darüber hinaus weisen die Verbundpartner eine sehr unterschiedliche Wärmedehung auf. Da beide Komponenten durch Kraft- oder Formschluss miteinander verbunden sind, kommt es zu Wärmespannungen. Aufgrund des Temperaturverlaufs im Spritzgießprozess können so trotz Relaxationsvorgängen dennoch Spannungen entstehen, die Einfluss auf das Bauteilversagen haben.

Bei der Auslegung sind daher die thermischen Randbedingungen zu berücksichtigen. Existierende Modelle vernachlässigen oft die viskoelastischen Effekte und führen zu einer nur groben Näherung der Spannungen. Es soll daher ein Berechnungsverfahren entwickelt werden, mit dem das thermo-mechanische Verhalten berechnet werden kann. Ausgangspunkt ist die Spritzguss-Simulation mit Bestimmung von Druck und Temperatur sowie der Berechnung der Faserorientierung. Daraus wird der anisotrope Bauteilverzug bestimmt und mit einem anisotropen thermo-viskoelastischen Materialmodell der Spannungsaufbau berechnet. Die Ergebnisse werden durch Tests an einem praxisnahen Bauteil validiert.

KontaktJens van Haag,
vanhaag@ikv.rwth-aachen.de