Forschung für die Praxis

Innovative Beschichtungen für die Extrusion

Extrusion Spezielle Beschichtungen in der Extrusion haben entscheidenden Einfluss auf den Produktionsprozess und damit auf die Produktqualität und Wirtschaftlichkeit. Der Kontakt der Kunststoffschmelze mit den metallischen Komponenten des Fließkanals führt zu physikalischen und chemischen Interaktionen. Durch die entstehende Wandhaftung hat die Schmelze in diesem Bereich nur noch geringe Fließgeschwindigkeiten. Die Verweilzeiten der Schmelze werden länger und führen zu langen Spülzeiten bei Material- und Farbwechseln. Eine höhere thermische Belastung der Schmelze ist die Folge. Dies führt zu einer verstärkten Ablagerung von Verunreinigungen an den Metalloberflächen sowie am Produkt. Zudem werden Reinigungsintervalle schneller notwendig und die Betriebszeit der Anlage sinkt.

Im Forschungsprojekt des IKV zusammen mit dem Institut für Oberflächentechnik der RWTH Aachen (IOT) werden die Wechselwirkungen zwischen Kunststoffen und Beschichtungen analysiert und quantifiziert. Die Forscher untersuchen dazu unterschiedliche Rauigkeiten, unterschiedliche Vergütungen, wie zum Beispiel das Plasmanitrieren, und unterschiedliche Beschichtungsverfahren sowohl grundlegend als auch anwendungsnah. Die Ergebnisse sollen eine zuverlässige Einschätzung über den lohnenden Einsatz einer speziellen Beschichtung zur Optimierung des Extrusionsprozesses erbringen. Die Reduzierung von Spülzeiten oder die leichtere Verarbeitung hochempfindlicher Materialien sind Ziele des Projekts. Diese Vorteile sollen auch von kleinen und mittleren Unternehmen der Kunststoff- und Beschichtungsindustrie direkt genutzt werden können. Gefördert wird das Projekt vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie über die AiF im Rahmen der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF).

Christopher Höfs,
hoefs@ikv.rwth-aachen.de

Leichtbau durch Sandwichbauteile mit Epoxidharzschäumen

Faserverstärkte Kunststoffe Seit Anfang des Jahres entwickelt das IKV ein Nasspressverfahren weiter, bei dem ein sogenanntes syntaktisches Schaumsystem, basierend auf Epoxidharz (EP), als Matrixwerkstoff und Mikrohohlkugeln als Treibmittel verwendet werden. So können Sandwichbauteile hergestellt werden, bei denen die Imprägnierung der endlosfaserverstärkten Deckschichten mit einem angestrebten Faservolumengehalt von 50 Prozent in die Schaumerzeugung integriert wird. Dabei werden zwei Verfahrenskonzepte untersucht. Das eine basiert auf der Verwendung von EP-Schaumsystemen mit bereits vorexpandierten Mikrohohlkugeln. Die konfektionierten Fasergelege werden mit der EP-Schaummasse in das geöffnete Nasspresswerkzeug eingelegt.

Während des Formgebungsprozesses presst der Werkzeuginnendruck wird ein Teil des Epoxidharzes aus dem Schaumgemisch in die Verstärkungsstrukturen. In einem weiteren Verfahrenskonzept wird die Expansionswirkung der im Prozess expandierenden Mikrohohlkugeln genutzt. Durch die hochintegrierte Fertigung des Polymerschaums bei gleichzeitiger Imprägnierung der tragenden endlosfaserverstärkten Deckschichten in einem einstufigen Prozess könnten vorgeschaltete Schaumkernfertigungsprozesse vollständig entfallen. Ziel ist es, mit einem solchen Nasspressverfahren Fertigungskosten, Personaleinsatz sowie die Zykluszeiten zur Herstellung solcher Bauteile zu reduzieren.

Christos Karatzias,
karatzias@ikv.rwth-aachen.de

Nasswickelbauteile mit Thermoplast-Matrix in situ

Wickelverfahren Gasdruckspeicher und Antriebswellen aus FVK werden üblicherweise im Wickelverfahren gefertigt. Dabei werden duroplastische Matrixmaterialien verwendet, die mit der niedrigen Verarbeitungsviskosität eine gute Imprägnierung der Verstärkungsfasern ermöglichen. Für viele Anwendungen wäre allerdings eine thermoplastische Matrix wünschenswert. Die Vorteile liegen in der höheren Toleranz gegenüber Schlagbeanspruchungen, wie sie beispielsweise durch Steinschlag im Unterbodenbereich von Fahrzeugen auftreten.

Darüber hinaus bieten thermoplastische Matrixmaterialien bessere Recyclingeigenschaften sowie die Möglichkeit, nachträglich Funktionselemente anzuschweißen. Am IKV wird daher ein neues Verfahren entwickelt, in dem in-situ („i-si“) polymerisierendes Polyamid-6 (PA-6) zu FVK-Wickelbauteilen verarbeitet werden kann. I-si-PA-6 kann ähnlich einem duroplastischen Reaktionsharz im niedrigviskosen monomeren Ausgangszustand verarbeitet werden und wird anschließend polymerisiert. Daraus ergibt sich ein weiterer energetischer Vorteil, da „in einer Wärme“ gearbeitet wird. Das IKV hat auf der K 2013 mit dem Projekt „Reactive Moulding“ gezeigt, dass die Verarbeitung von i-si-PA-6 auf einer angepassten Anlagentechnik im Spritzgussprozess möglich ist. Nun erfolgt die Übertragung des Prozesswissens auf den Nasswickelprozess. Dazu wird die am IKV vorhandene Wickelanlage modifiziert und erweitert, sodass eine Abschirmung des sensiblen Materials gegen Umgebungseinflüsse gegeben ist. Aufbauend darauf werden Prozesspunkte definiert, die eine gleichbleibende Produktqualität bei wechselnden Prozessbedingungen sicherstellen. Abschließend wird das Potenzial des Prozesses anhand eines Funktionsmusters aufgezeigt. Auch in diesem Projekt arbeitet das IKV mit Partnern aus der Industrie zusammen. Die Versuchsmaterialien werden von Lanxess Deutschland und PPG Industries Fiber Glass zur Verfügung gestellt. Verschiedene potenzielle Nutzer der Technologie begleiten das Projekt, um die Ergebnisse in die industrielle Praxis übernehmen zu können.

Peter Schneider,
schneider@ikv.rwth-aachen.de

IMKS – Prozesseinflüsse und Langzeitverhalten

Spritzgießen Beim Integrierten Metall/Kunststoff-Spritzgießen (IMKS) werden auf einen Kunststoffträger Leiterbahnen aus einer niedrig schmelzenden Metalllegierung aufgespritzt. Hierfür entwickelte das IKV zusammen mit der Krallmann Kunststoffverarbeitung, Hiddenhausen, ein seitlich am Werkzeug angebrachtes Metalldruckgießaggregat. Es ist ein noch junges Verfahren. Um das volle Potenzial nutzen zu können, besteht noch Forschungsbedarf hinsichtlich des Lebensdauerzyklus der Bauteile. Fehlstellen in den Leiterbahnen sowie noch ungeklärte Phänomene unter mechanischer Beanspruchung führen teilweise zum Bruch der Leiterbahn. Um systematisch Prozess- und Gestaltungsrichtlinien zu erarbeiten, muss der Einfluss der verwendbaren Materialkombinationen, Prozessparameter sowie der Bauteil- und Leiterbahngeometrien auf die Leiterbahnqualität und Lebensdauer untersucht werden. Die Wirkzusammenhänge sollen genutzt werden, um optimierte Bauteile mit langzeitbeständigen guten elektrischen Eigenschaften herstellen zu können. Das IMKS stellt dabei eine Alternative zu den aktuellen Fertigungsverfahren für elektrisch leitfähige Kunststoffbauteile dar. So ist die direkte Kontaktierung von elektronischen Komponenten auf einer Trägerplatine ebenso denkbar wie die Substitution metallische Stanz-/Biegeteilen in elektrischen Schaltelementen durch die Metalllegierung.

Philipp Ochotta,
ochotta@ikv.rwth-aachen.de

Thermoplastschäume – Hohe Qualität durch hohe Temperaturen

Spritzgießen Das Thermoplast-Schaumspritzgießen bietet viele Vorteile, wie Materialersparnis, Zykluszeitverkürzung, geringe Verzugsneigung der Bauteile oder geringere Einspritzdrücke. Doch die Oberflächen weisen oft Silberschlieren auf. Untersuchungen zeigen eine fließweg- und somit temperaturabhängige Schaumstruktur im Bauteil, die im Wesentlichen die mechanischen Bauteileigenschaften festlegt. Da höhere Werkzeugwandtemperaturen während der Abformphase zu verbesserten Oberflächen führen und die Schaumstruktur durch eine Homogenisierung der Temperaturverteilung verbessert werden kann, wird der Einfluss der variothermen Temperierung untersucht. Vergleichende Untersuchungen nutzen plattenförmige Probekörper mit unterschiedlichen Oberflächenstrukturierungen, die in einem angepassten Werkzeug hergestellt werden. Diese Werkzeugeinsätze sind an die variotherme Temperierung angepasst, beispielsweise durch die Reduktion der thermischen Masse und eine konturnahe Temperierung. Die Forscher nutzen zur variothermen Temperierung eine Fluid/Fluid-Technik und eine induktive Anlagentechnik. Sie untersuchen übliche Materialien der Automobilbranche, die wegen schlechter Oberflächenqualitäten in geschäumter Form nicht im Sichtbereich eingesetzt werden. Ergänzend vergleichen sie die Wirtschaftlichkeit des Thermoplast-Schaumspritzgießens mit variothermer Temperierung mit dem Thermoplast-Schaumspritzgießen und dem Kompaktspritzgießen.

Nicolai Lammert,
lammert@ikv.rwth-aachen.de