Unter Strom – Elektrisch leitfähige Kunststoffcompounds

Spritzgießen Elektrisch leitfähige Kunststoffcompounds aus mikro- und nanoskaligen Füllstoffen in einer polymeren Matrix ermöglichen sehr hohe Leitfähigkeiten. Diese entstehen durch die Ausnutzung von Synergieeffekten zwischen den Füllstoffen. Bei der Kombination von Kupferfasern und niedrig schmelzenden Metalllegierungen können bis zu 106 S/m erreicht werden. Es ist daher möglich, diese Materialien für die integrierte Fertigung von Leiterbahnen mit hoher Formfreiheit zu nutzen.

Die Kontaktierung elektrischer oder elektronischer Bauteile wie Widerstände, LEDs oder Steckverbinder lässt sich somit im Spritzgießprozess herstellen. Um das Potenzial dieser Materialien zu nutzen, die zusammen mit der A. Schulmann, Kerpen, entwickelt wurden, ermittelt das IKV Kennwerte, die dem Entwickler eine Auslegung der Kontaktierung ermöglichen. Die Analyse des Metall-Kunststoffcompound-Verbunds zeigt, dass bei zunehmender Kontaktfläche der Übergangswiderstand sinkt, bis nahezu die volle Leitfähigkeit des Compounds erreicht wird. In Versuchen zur Stromtragfähigkeit des Verbunds konnten zudem hohe Ströme ( größer 25 A bei 20 x 4 mm² und 26 mm² Kontaktfläche) übertragen werden. Gleichzeitig zeigen Thermografie-Aufnahmen, dass bei Überlast das Versagen von der Grenzfläche zwischen Einleger und Compound ausgeht. Auch für die Verbundfestigkeit ist die Größe dieser Kontaktfläche entscheidend. Es zeigt sich dabei ein proportionales Verhalten.

Abhängig von der Kombination aus Compound- und Einlegermaterial werden maximale Verbundfestigkeiten von 1 bis 2 N/mm2 erreicht. Diese lassen sich durch gezieltes Verformen der Einleger während des Umspritzens oder durch das Verwenden strukturierter Einleger signifikant erhöhen. Untersuchungen des Einflusses einer physikalischen oder chemischen Vorbehandlung der Einleger auf die elektrische Leitfähigkeit und die Verbundfestigkeit stehen noch aus.

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Stefan Haase,
haase@ikv.rwth-aachen.de

 

Restmonomerentgasung bei der reaktiven Extrusion von Polyamid 6

Extrusion Die kontinuierliche Herstellung von PA 6 im Doppelschneckenextruder bietet eine Reihe von Vorteilen und ist bereits seit vielen Jahren Gegenstand der Forschung am IKV, Aachen. Aufgrund des Restmonomergehalts in Höhe von etwa 10 Gew.-%, der nach der Polymerisation im Produkt verbleibt, wird das Verfahren industriell bislang nicht eingesetzt. Für eine direkte Weiterverarbeitung des im Extruder polymerisierten Materials muss der Restmonomergehalt auf unter 1 Gew.-% abgesenkt werden.

Reduziert werden kann er durch eine in den Prozess integrierte Vakuumentgasung. In einem Forschungsprojekt der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) wird am IKV daher erstmals eine mehrstufige Vakuumentgasung bei der reaktiven Extrusion von PA 6 untersucht. Ziel ist es, in einem Verarbeitungsschritt direkt weiterverarbeitungsfähiges PA 6 unterschiedlichen Molekulargewichts im Doppelschneckenextruder zu polymerisieren und den Restmonomergehalt auf unter 1 Gew.-% abzusenken.

Es ist dann mit einer Direktcompoundierung zusätzlich möglich, Verstärkungsstoffe wie zum Beispiel Glasfasern in das Polymer einzuarbeiten oder durch Direktextrusion PA-6-Halbzeuge wie zum Beispiel Folien direkt aus erster Wärme herzustellen. Das Forschungsprojekt wird unterstützt von Brüggemann Chemical, Heilbronn, welche die benötigten Reaktionschemikalien, sowie von Coperion, Stuttgart, die einen Doppelschneckenextruder vom Typ ZSK 26Mc auf Leihbasis zur Verfügung stellt. Die reaktive Extrusion von PA 6 ist insbesondere für kleine und mittlere Betriebe interessant, die mit diesem Verfahren flexibel, schnell und wirtschaftlich Spezialprodukte in kleinen bis mittleren Chargengrößen auf den Markt bringen wollen.

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Eike Klünker,
kluenker@ikv.rwth-aachen.de

 

Lebensdauerberechnung von FVK – Mikroschädigungen und ihre Auswirkungen

Faserverstärkte Kunststoffe Durch die Anforderungen an technische Produkte beispielsweise in der Windenergie oder der Elektromobilität haben sich FVK zu einem nachgefragten Konstruktionswerkstoff entwickelt. Um das Potenzial voll ausschöpfen zu können, ist ein tiefes Werkstoffverständnis notwendig. Doch noch ist das Verständnis des Schädigungsverhaltens insbesondere unter praxisrelevanter zyklischer Beanspruchung gering.

Am IKV werden daher mikroskopische Schädigungsprozesse und deren Auswirkung auf die Festigkeitsgrenzen von Einzelschichten untersucht. Das Projekt „Unendliche Lebensdauer für zyklisch beanspruchte Hochleistungswerkstoffe“ wird von  der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Schwerpunktprogramm (SPP) 1466 gefördert. Der Fokus liegt auf der numerischen und experimentellen Untersuchung der Einflussgrößen und der Auswirkungen der Mikroschädigungsakkumulation auf die Festigkeitsgrenzen unter der Berücksichtigung mehrachsiger Schichtspannungszustände, wie sie in realen Bauteilen meist vorherrschen.

Nur wenn diese richtig verstanden werden, kann eine realitätsnahe Vorhersage des Festigkeitsverhaltens auch bei stochastisch verteilten Beanspruchungszuständen erwartet werden. In der ersten Förderphase des SPP konnte gezeigt werden, dass die entkoppelt modellierten Quer- und Längsbeanspruchungen unter zyklischen Beanspruchungen interagieren. Das bedeutet, dass Schädigungsbeiträge für eine Lebensdauerberechnung gekoppelt werden müssen. Diese Erkenntnisse werden in der zweiten Phase vertieft sowie in einem praxisnahen Modell anwendbar gemacht.

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Johannes Marder,
marder@ikv.rwth-aachen.de

 

Sphäro Sim – Beschreibung der Kristallisation im Spritzgießprozess

Werkstofftechnik Das Gefüge spritzgegossener Bauteile aus teilkristallinen Thermoplasten hängt stark von den lokal variierenden Randbedingungen des Verarbeitungsprozesses ab. Die Auswirkungen auf die Eigenschaften des Bauteils sind für eine präzise Simulation nicht zu vernachlässigen. Um neue Simulationsmethoden für das Verhalten von Kunststoffbauteilen zu entwickeln ist es notwendig, das Gefüge präzise vorherzusagen. Am IKV wird bereits seit mehreren Jahren die Software Sphäro Sim entwickelt.

Diese berechnet mit der Methode des zellulären Automaten die zeitaufgelöste Gefügeentstehung. Als ein Programm der Aix Vip Map-Plattform werden die Eingabe- und Ergebnisdaten über standardisierte Schnittstellen eingelesen und abgespeichert. Die Simulationssoftware kann daher in skalenübergreifenden Simulationsketten verwendet werden, um beispielsweise Berechnungsergebnisse einer Füllsimulation als Randbedingungen für die Gefügesimulation zu verwenden.

Auf einem hochaufgelösten Netz wird mittels verschiedener Modelle zur Keimbildung und zum Kristallwachstum der Entstehungsprozess der kristallinen Überstrukturen abgebildet. Dafür stehen unterschiedliche Algorithmen zur Verfügung, die sich im Berechnungsaufwand und der Genauigkeit unterscheiden. Aktuell wird die Software um neue Modelle zur Beschreibung der strömungsinduzierten Kristallisation erweitert. Die Forschungen werden im Rahmen des Exzellenzclusters „Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“ betrieben. Die Finanzierung durch die Deutsche Forschungsgesellschaft (DFG) läuft noch bis ins Jahr 2017.

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Marcel Spekowius,
spekowius@ikv.rwth-aachen.de

 

Neuartige Anlagentechnologie für die FVK-Serienproduktion

FVK Für die automatisierte Fertigung von Hochleistungsbauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) in kurzen Zykluszeiten wurde am IKV das Spaltimprägnierverfahren entwickelt. Auf Basis der wissenschaftlichen Arbeiten konnte in Zusammenarbeit mit den Industriepartnern Breyer Maschinenfabrik, Singen, und Hille Engineering, Roetgen, eine seriennahe Spaltimprägnieranlagen- und Werkzeugtechnik zur Herstellung einer CFK-Motorhaube in Integralbauweise entwickelt werden. Die Anlagen- und Werkzeugtechnik ermöglicht es erstmals, großflächige und 3D-geformte Sandwichbauteile in einem Schuss und in kurzen Zykluszeiten herzustellen.

Kombinierte Fixier- und Auswerfereinheiten sorgen für eine beidseitige Imprägnierung des Preforms und für die Bauteilentformung nach der Aushärtung. Die Neuentwicklung des Anguss- und Steigersystems ermöglicht eine wartungsarme Bauteilherstellung. Durch die Optimierung der Werkzeugoberflächenqualität und der Prozessparameter konnte eine direkt lackierfähige Oberflächenstruktur bei der CFK-Motorhaube geschaffen werden, die einer Class-A-Oberfläche und den hohen automobilen Anforderungen bezüglich Serienzulassung entspricht. Dies ist ein wesentlicher Schritt in Richtung effiziente Produktion, denn so entfällt die Nachbearbeitung vor der Lackierung. Die Injektions- und Kompressionsphase beim Herstellungsprozess konnte auf 45 s reduziert werden. Prozessbedingt  ist eine maximale Nachdruckhöhe von lediglich 7,5 bar notwendig.

Die Zykluszeit für den Herstellungsprozess liegt, begrenzt durch die Aushärtereaktion des Harzsystems, bei 15 Minuten. Bei vergleichbaren mechanischen Eigenschaften gegenüber der Referenz-Motorhaube aus Stahl konnte durch die CFK-Motorhaube das Gewicht um etwa 60 Prozent auf lediglich 5 kg reduziert werden.

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Robert Bastian,
bastian@ikv.rwth-aachen.de

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Stefan Haase, Eike Klünker, Johannes Marder, Robert Bastian, Marcel Spekowius