CT-Aufnahme einer spritzgegossenen Platte mit Gittereinleger. (Bildquelle: Frimo Group)

CT-Aufnahme einer spritzgegossenen Platte mit Gittereinleger. (Bildquelle: Frimo Group)

Die Idee hinter der innovativen Compositeverstärkung der Frimo Group, Lotte, ist, die Eigenschaften der Fasern bestmöglich auszuschöpfen. Das bedeutet, dass mit minimalem Fasereinsatz eine größtmögliche Verstärkungswirkung erzielt wird. Hierzu dient die Gitterstruktur, die ein Durchströmen und Umfließen der Fasern zulässt und so für mechanische Verkrallung sorgt. Weiterhin werden die Kett- und Schussfäden im Webprozess mit einer Polymerlösung infusioniert, die neben der Verkrallung für eine adhäsive Bindung zwischen Faser und Spritzgussmatrix sorgt. Die Bindungsarten und die Gitterlochbreiten der Gittergewebe können je nach Anforderung an die Drapierbarkeit variieren. Die Auslegung sollte so gewählt werden, dass ein Verarbeiten mit kurzfaserverstärkten Polymeren ohne Bildung von Staueffekten möglich ist. Durch den Einsatz einer Dreherbindung können Faltenbildungen bei kritischen Radien minimiert werden.

Schlichte muss kompatibel sein

Schema einer Spritzgussplatte mit Filmanguss (A ≙ Anguss) (Bildquelle: Frimo Group)

Schema einer Spritzgussplatte mit Filmanguss (A ≙ Anguss) (Bildquelle: Frimo Group)

Für eine Beispielanwendung im Spritzguss wird ein Glasfasergitter mit einer Gitterlochbreite von 3 x 3 mm (PP-3×3) in einer eindimensionalen Plattengeometrie eingesetzt. Als Matrixmaterial ist ein handelsübliches PP-GF30 (30 % Kurzglasfaserfüllung). Die Endlosglasfaser ist mit einer thermoplastkompatiblen Schlichte versehen, sodass die Haftung zur Polymerinfusion und dem Spritzgussmaterial begünstigt wird. Selbst bei erhöhter Massetemperatur und Einspritzgeschwindigkeit lässt sich die Gitterstruktur gut verarbeiten. Das Vorheizen des Gittereinlegers ist nicht notwendig. Die Positionierung im Werkzeug kann je nach Anspritzkonzept über gefederte Stifte oder Nadeln realisiert werden.

Mikroskopaufnahme der Grenzfläche zwischen Roving und Spritzgussmatrix (Bildquelle: Frimo Group)

Mikroskopaufnahme der Grenzfläche zwischen Roving und Spritzgussmatrix (Bildquelle: Frimo Group)

Die Veraschungsmethode zeigt, dass der Glasfaseranteil im Composite Bauteil ~6 Gewichts % ausmacht. Mit diesem Fasereinsatz treten relative Kennwertsteigerungen zum reinen Spritzgussmaterial von bis zu ~38 % im Bereich der Biegefestigkeit auf. Je nach Bauteilanforderungen können zusätzliche Kett- und Schussfäden eingebracht oder verstärkt werden, um die Materialeigenschaften zu erhöhen. Ebenfalls variiert werden kann die Faserart bestimmter Trägerpfade, um stark belastete Bereiche zu verstärken.

Spinnennetzdiagramm der mechanischen Kennwerte (normiert) von Matrix und PP-3x3 Verstärkung (Bildquell: Frimo Group)

Spinnennetzdiagramm der mechanischen Kennwerte (normiert) von Matrix und PP-3×3 Verstärkung (Bildquell: Frimo Group)

Das Verwenden von Gitterstrukturen als Compositeverstärkung ist eine wirtschaftliche und leichte Alternative für Bauteilbereiche, die einer flächigen Belastung mit partiellen Belastungsspitzen ausgesetzt sind. Die Verarbeitung kann in einen normalen Spritzgussprozess implementiert werden. Potentielle Anwendungsfelder sind Sitzschalen, Rückenlehnen und Montageträgerverstärkungen.

Über den Autor

M. Sc. Sonja Krömer

ist Leiterin Forschung und Entwicklung bei der Frimo Group in Lotte.