Verfahrensentwicklung für das PUR/Thermoplast-Sandwich-Spritzgießen von flächigen Bauteilen

Prof. Dr.-Ing. Christian Hopmann, Leiter des Instituts für Kunststoffverarbeitung (IKV),Dipl.-Ing. Christian Holz, wissenschaftlicher Angestellter im Bereich kompakte Polyurethane,Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen

Abstract
Die Kombination von Reaktions- und Thermoplast-Spritzgießen in einem Sandwich-Verfahren bietet die Möglichkeit, Bauteile mit einem thermoplastischen Kern und einer Polyurethanhaut herzustellen. Dadurch lassen sich die sehr guten Oberflächeneigenschaften des Polyurethans mit der Funktionalität des thermoplastischen Kerns verbinden. Da dieses Verfahren bislang noch nicht zur industriellen Serienreife entwickelt wurde, wird die Herstellung flächiger Sandwich-Bauteile am IKV untersucht. Dabei stellen die unterschiedlichen Verarbeitungs- und Materialeigenschaften, insbesondere die Viskositäten, der eingesetzten Kunststoffe eine Herausforderung dar. Die bisher durchgeführten Versuchsreihen zeigen, dass die Ausbildung einer Sandwichstruktur möglich ist und es gelingt, das Kernmaterial über der gesamten Bauteilfläche zu verteilen. Allerdings entspricht die Haut-Kern-Struktur noch nicht den gewünschten Anforderungen, da sich in der Regel ein keilförmiges Kernprofil ausbildet.

Einleitung und Motivation

Das Sandwich-Spritzgießen ist in der Thermoplastverarbeitung ein weit verbreitetes Verfahren zur Herstellung mehrschichtiger Verbundbauteile, das seit über 30 Jahren in der industriellen Praxis eingesetzt wird [NN99, Sel97, TH99]. Durch die Kombination verschiedener Materialien lassen sich unterschiedliche Funktionen in einem Bauteil vereinen, wobei die Funktionalitäten von Haut- und Kernkomponente getrennt sind. So übernimmt die Kernschicht in der Regel die mechanischen Eigenschaften des Bauteils und kann aus leichten, geschäumten Materialien oder günstigen Recyclaten bestehen. Die Haut besteht aus Thermoplasten, die den gestellten Anforderungen bezüglich Optik und Haptik genügen.


Im Vergleich zu anderen Verfahren wie dem Hinterspritzen von Folien oder dem Umspritzen von Einlegeteilen ermöglicht das Sandwich-Spritzgießen eine integrative Prozesstechnik, da die Sandwich-Bauteile in einem Werkzeug und einem Arbeitsschritt hergestellt werden. Die Reduktion von Arbeitsschritten führt zu einer verkürzten Prozesskette und bietet ein deutliches Kostensenkungspotential. Allerdings ergeben sich neben den steigenden Forderungen nach kostengünstigeren Fertigungsverfahren durch den internationalen Wettbewerb auch steigende Anforderungen an die zu produzierenden Bauteile. Insbesondere im Automotive-Bereich reichen die Eigenschaften thermoplastischer Hautmaterialien bei besonders hohen Ansprüchen nicht aus. Diesbezüglich bieten zweikomponentige reaktive Polyurethan-Systeme eine bessere Alternative. Neben der exzellenten Optik und hochwertigen Haptik bieten PUR-Oberflächen eine gute Abrieb- und UV-Beständigkeit (aliphatische PUR-Systeme) und zusätzlich eine hohe Chemikalien- und Lösungsmittelbeständigkeit.

Die Kombination von Thermoplast-Sandwich-Spritzgießen und Reaktionsgießen (RIM) zum Sandwich-RIM-Verfahren bietet somit die Möglichkeit, die guten Materialeigenschaften des Polyurethans mit den wirtschaftlichen Vorteilen des Sandwich-Spritzgießens zu verbinden. Mit Hilfe dieses Verfahrens lassen sich Bauteile herstellen, die neben einem steifen Kern aus Thermoplast eine Haut aus reaktivem PUR besitzen. Durch die Verwendung elastomerer PUR-Systeme können beispielsweise steife Bauteile hergestellt werden, die vollständig mit einer Softtouch-Oberfläche ummantelt sind.

Anlagentechnik und Prozessführung
Beim herkömmlichen Sandwich-Spritzgießen von Thermoplasten werden Spritzgießmaschinen mit getrennten Plastifiziereinheiten verwendet, um Haut- und Kernmaterial bereit zu stellen. Durch die kombinierte Verarbeitung von reaktivem PUR und Thermoplasten bedarf es jedoch einer Anpassung der bestehenden Anlagentechnik und einer Neuauslegung der Prozessführung.

Das Anlagenschema des Versuchsaufbaus ist in Bild 1 dargestellt. Die gesamte Anlage besteht aus einer Spritzgießmaschine und einer Reaktionsgießmaschine mit Hochdruckmischkopf. Die Schnittstelle für beide Anlagenkomponenten ist das Werkzeug, da hier Haut- und Kernmaterial zusammengeführt werden. Die Reaktionsgießmaschine ist über den Mischkopf mit dem Werkzeug verbunden, so dass das reaktive PUR als Hautkomponente in das Werkzeug eingetragen werden kann. Das thermoplastische Kernmaterial wird vom Aggregat der Spritzgießmaschine plastifiziert und über den gleichen Anschnitt in die bereits vorgelegte PUR-Komponente injiziert.

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Durch die Verwendung von reaktiven PUR-Systemen ergeben sich auch bei der Prozessführung neue Randbedingungen, die das Verfahren vom herkömmlichen Thermoplast-Sandwich-Spritzgießen abgrenzen. Zunächst wird das Werkzeug geschlossen und das Hautmaterial über den Mischkopf in die Kavität vorgelegt. Bevor das Kernmaterial eingespritzt wird, muss jedoch eine Vorreaktionszeit abgewartet werden. Während dieser Phase steigt die Viskosität des PUR-Systems in der Kavität durch die einsetzende Additionsreaktion an. Im Gegensatz zum Thermoplast-Spritzgießen kann somit keine Simultanphase durchgeführt werden, in der beide Komponenten gleichzeitig in die Kavität strömen. Die bisherigen Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass Oberflächenmarkierungen nicht zu erwarten sind [Sch08], da das PUR-Hautmaterial im Gegensatz zu Thermoplasten nicht an der stehenden Fließfront erstarrt. Bei reaktiven PUR-Systemen erstarrt die Randschicht nicht durch Abkühlen an der Werkzeugwand, sondern härtet durch die Vernetzungsreaktion über einen längeren Zeitraum aus. Nach dem Einspritzen des Kernmaterials wird ein Nachdruck durch die Thermoplastkomponente aufgebracht.

Da zunächst die Grundlagen des Verfahrens untersucht werden sollen, wird auf ein abschließendes Versiegeln des Anspritzpunktes mit Hautmaterial verzichtet. Das Material erstarrt in der Kavität, wobei das PUR durch die exotherme Polyadditionsreaktion aushärtet und der Thermoplast durch Abkühlen erstarrt. Die hohe Temperatur der Thermoplastschmelze kann dabei die Vernetzung des Polyurethans beschleunigen. Ist das Bauteil ausgehärtet, wird das Werkzeug geöffnet und das Bauteil ausgeworfen.

Versuchswerkzeug
Da die unterschiedlichen rheologischen Eigenschaften der eingesetzten Materialien und der reaktive Charakter des Polyurethans besondere Anforderungen stellen, muss das Werkzeug auf die Bedürfnisse des Verfahrens abgestimmt werden. Bei der Auslegung werden sowohl die Gestaltungsgrundlagen aus der Thermoplastverarbeitung als auch die Richtlinien für RIM-Werkzeuge berücksichtigt.

Das verwendete Versuchswerkzeug ist in Bild 2 dargestellt. Es hat eine flächige Kavität mit den Maßen 100 mm x 200 mm, wobei die Bauteildicke durch direkttemperierte Einlegeplatten zwischen 4 mm und 10 mm variiert werden kann. Der Einsatz strukturierter Einlegeplatten ermöglicht zudem die Untersuchung der Abformgenauigkeit von Oberflächenstrukturen. Eine hohe Abformgenauigkeit ist besonders für den Einsatz von Sandwich-RIM-Bauteilen im Interieurbereich von Kraftfahrzeugen von großem Interesse. Denkbar sind Einlegeplatten mit einer lederähnlichen Narbung oder Mikrostrukturen. Durch ein Austauschen der Einlegeplatten lassen sich neben den ebenen Versuchsbauteilen auch anwendungsnahe, gekrümmte Geometrien erzeugen.

Das Anguss-System hat die Aufgabe, die Materialströme, die vom Mischkopf und Aggregat der Spritzgießmaschine bereitgestellt werden, zur Kavität zu leiten. Um zu verhindern, dass die niedrigviskose PUR-Hautkomponente nach dem Einspritzvorgang unkontrolliert in die Kavität fließt, wird die Kavität von unten entgegen der Schwerkraft gefüllt. Dadurch bildet sich im unteren Teil der Kavität ein Massepolster mit dem Hautmaterial, in dem sich das Kernmaterial gleichmäßig ausbreiten kann. Die Angusskanäle von Haut- und Kernmaterial werden, wie in Bild 3 zu sehen, im Werkzeug zusammengeführt, so dass beide Komponenten über den gleichen Vorverteiler und Anschnitt in die Kavität fließen. Die Thermoplastschmelze wird dabei durch einen Heißkanalverteiler mit Nadelverschlussdüse bis zum gemeinsamen Angusskanal geführt. Die eingesetzten Vorverteiler haben die Aufgabe, das Material schon vor dem Eintritt in die Kavität gleichmäßig über der Bauteilbreite zu verteilen, so dass insbesondere das Kernmaterial mit einer geraden Fließfront in das Hautmaterial strömt und sich über der gesamten Bauteilfläche verteilen kann.

Einflussfaktoren auf den Formteilbildungsprozess
Die Qualität der Haut-Kern-Struktur hängt hauptsächlich von der 2-Komponenten-Strömung (2K-Strömung) ab, die sich beim Einspritzen des Kernmaterials in das Hautmaterial einstellt. Die Haupteinflussfaktoren der 2K-Stömung werden im Folgenden kurz vorgestellt.

Materialkombination

Die Verarbeitungskompatibilität der Materialkombination wird größtenteils vom rheologischen Verhalten der eingesetzten Materialien geprägt. Um den Einfluss auf die 2K-Strömung zu beschreiben, werden die Viskositäten von Haut- und Kernmaterial zu einer Kennzahl zusammengefasst. Das Viskositätsverhältnis Kη ist dabei definiert als das Verhältnis der Viskosität des Kernmaterials ηK zur Viskosität des Hautmaterials ηH.

formelDas Viskositätsverhältnis hat im Idealfall den Wert Kη=1, da bei diesem Wert von einer stabilen 2K-Strömung ausgegangen wird [Zip92]. Eine Verarbeitungskompatibilität ist gegeben, wenn das Viskositätsverhältnis zwischen ca. 0,5 und 5 liegt [Sel97, Sel00, Zip92]. Darüber hin­aus sollten Haut- und Kernkomponente eine gute Haftung zu einander aufweisen und eine Eigenschaftskompatibilität besitzen. Denn unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten können beispielsweise zu einem Ablösen von Haut- und Kernschicht aufgrund von Delamination führen.

  • Prozessparameter

Die Formteilbildung ist von verschiedenen Prozessparametern wie dem Vorfüllgrad, der Vorreaktionszeit, der Einspritzgeschwindigkeit oder der Werkzeugwandtemperatur abhängig. Sie müssen aufgrund der gewählten Materialkombination und der komplexen Verarbeitungseigenschaften reaktiver PUR-Systeme genauestens aufeinander abgestimmt werden.

Angusssystem

Zur Geometrie des Angusses und der Lage des Anschnitts existieren allgemeine Richtlinien. Zur Erzeugung eines optimalen Formfüllvorgangs müssen diese auf die zu erzeugende Bauteilgeometrie abgestimmt werden.

Formteilgeometrie

Auch die Geometrie der zu produzierenden Bauteile beeinflusst den Formbildungsprozess. So kann das Kernmaterial beispielsweise nicht in Kavitätsbereiche vordringen, die bereits vollständig mit Hautmaterial gefüllt sind.
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Problemstellung
Die größte Herausforderung beim Sandwich-RIM-Verfahren ist auf das rheologische Verhalten der eingesetzten Kunststoffe zurückzuführen. In Bild 4 sind die Viskositätsbereiche (ηA), die Masse- (ν0) und Werkzeugtemperaturen (νWZ) von Thermoplastschmelzen und PUR-Systemen dargestellt. Ein Vergleich zeigt, dass insbesondere das Viskositätsverhältnis für die verwendeten Materialien um zwei bis drei Zehnerpotenzen vom Idealwert (Kη=1) abweicht. Eine Verarbeitungskompatibilität von PUR mit thermoplastischen Kernmaterialien ist deshalb unmittelbar nach dem Einspritzen des Hautmaterials nicht gegeben.

Zwar steigt die Viskosität mit Fortschreiten der Reaktion auf ein verarbeitungsfähiges Niveau, das Aushärtungsverhalten von PUR stellt dabei jedoch eine weitere Herausforderung dar. Um dies zu verdeutlichen, werden in Bild 4 die Viskositätsverläufe von Thermoplasten und PUR über dem Bauteilquerschnitt und zu unterschiedlichen Zeiten miteinander verglichen.

Zunächst wird das idealisierte Erstarrungsverhalten von Thermoplasten vorgestellt. Unmittelbar nach dem Einspritzen (t0) ist die Viskosität über der Formteilbreite auf einem einheitlichen Niveau. Mit fortschreitender Zeit zeigt sich, dass das Abkühlen der heißen Thermoplastschmelze durch die kühlere Werkzeugwand für den Erstarrungsvorgang maßgeblich ist. Das Material erstarrt zunächst im Randbereich, was durch den entsprechenden Viskositätsanstieg gekennzeichnet ist. Im weiteren Verlauf kühlt der Thermoplast durch Wärmeleitvorgänge von außen nach innen ab, so dass mit fortschreitender Abkühlung die Randschicht stetig zunimmt. Während des Erstarrungsvorgangs verbleibt in der Bauteilmitte eine plastische Seele (t4), welche die Ausbreitung eines weiteren Fluids in der Bauteilmitte aus energetischer Sicht begünstigt [Kle02].
Wird das Vernetzungsverhalten von PUR betrachtet, zeigen sich einige charakteristische Unterschiede, da die Viskosität vom Reaktionsumsatz abhängig ist. Ausgehend von einem ebenfalls einheitlichen Viskositätsniveau mit wesentlich niedrigerer Ausgangsviskosität (t0) steigt auch hier die Viskosität zunächst in der Randschicht an. Die im Vergleich zur Materialtemperatur höhere Werkzeugwandtemperatur katalysiert die PUR-Vernetzung im Randbereich. Im Unterschied zu Thermoplasten kommt es mit fortschreitendem Reaktionsumsatz jedoch zu einem Viskositätsanstieg in der Bauteilmitte. Da die PUR-Vernetzung exotherm voranschreitet, entstehen während der Polyadditionsreaktion hohe Temperaturen im PUR-Gemisch, so dass die Materialtemperatur die Werkzeugwandtemperatur im Reaktionsverlauf überschreitet. Folglich stellt sich im Bauteilinneren ein höheres Temperaturniveau als in der Randschicht ein, weil die Reaktionswärme im Inneren nur langsam abgeleitet werden kann. Die hohe Temperatur beschleunigt die Vernetzung, so dass die Reaktion autokatalytisch abläuft. Das hohe Viskositätsniveau in der Bauteilmitte (t5) wirkt dabei der Ausbreitung eines weiteren Fluids in der Mittelschicht entgegen.

Es muss jedoch hinzugefügt werden, dass den dargestellten Grafiken eine vereinfachte Modellvorstellung zugrunde gelegt wird. So sinkt bei Thermoplasten beispielsweise die Viskosität im Randbereich beim Einspritzen des Kernmaterials durch die induzierte Scherbelastung [Kle02]. Die Aussagen für PUR gelten vornehmlich für dickwandige Bauteile.

Forschungsziel
Untersuchungen am IKV haben bewiesen, dass die Herstellung von stabförmigen Sandwich-Bauteilen mit einer Haut aus PUR und einem Kern aus Thermoplast möglich ist [Sch08]. Sie zeigen aber auch, dass die Eigenschaften der eingesetzten Materialien, insbesondere die Viskosität, einen erkennbaren Einfluss auf die Bauteilqualität, die Prozessstabilität und die Reproduzierbarkeit haben. Auch die eingesetzte Werkzeugtechnik, insbesondere das Angusssystem, hat einen deutlichen Einfluss auf die Bauteilqualität.

Ausgehend von diesen Untersuchungen wird das Verfahren nun auf flächige Bauteile übertragen. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Herstellung flächiger Sandwich-Bauteile mit einer Haut aus PUR und einem Kern aus Thermoplast. Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt dabei auf der Ausbildung einer gleichmäßigen Haut-Kern-Struktur und der Erprobung verschiedener Materialkombinationen. Diesbezüglich sollen die vorhandenen Erkenntnisse erweitert und neues Prozesswissen erarbeitet werden.

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Materialauswahl
Bild 5 veranschaulicht die Problemstellung, die sich bei der Verwendung herkömmlicher PUR-Systeme im Sandwich-RIM-Verfahren ergibt. Die Anfangsviskosität des PUR-Gemischs ist zunächst so niedrig, dass eine Verarbeitungskompatibilität nicht gegeben ist. Erst mit fortschreitender Zeit steigt die Viskosität auf ein verarbeitungsfähiges Niveau. Beim Erreichen des Gelpunkts ist die Additionsreaktion so weit fortgeschritten, dass das Material durch die hohe Zahl der Vernetzungsstellen seine Fließfähigkeit verliert [CM80]. Aufgrund des progressiven Viskositätsverlaufs ist das Verarbeitungsfenster für den Sandwich-RIM-Prozess für herkömmliche PUR-Systeme sehr klein. Deshalb wird für diese Anwendung ein modifiziertes PUR-System der Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, verwendet, welches ein wesentlich größeres Verarbeitungsfenster bietet. Als Ausgangskomponenten dienen Baytech® PU30BV08 (Polyol) und Desmodur® PU0309 (Isocyanat). Unmittelbar nach der Vermischung der Ausgangskomponenten kommt es zu einer ersten Vorreaktion, die einen deutlichen Viskositätsanstieg verursacht. Im weiteren Verlauf der Reaktion bildet sich ein Viskositätsplateau aus. Dabei ist die Viskosität bereits so stark angestiegen, dass der Thermoplast eingespritzt werden kann. Das Material ist transparent, um den Fließfrontverlauf der Kernkomponente erkennen zu können. Darüber hinaus ist es elastisch, um in Kombination mit dem steifen thermoplastischen Kern einen Soft-Touch-Effekt zu erzeugen.

Als Kernmaterialien für diese Anwendung sind unterschiedliche Thermoplaste ausgewählt worden (Tabelle 1), die im Hinblick auf Verarbeitungskompatibilität, Haftungskompatibilität und Wirtschaftlichkeit die besten Alternativen darstellen. Zum einen werden je ein PC, Typ Makrolon 2205, Bayer MaterialScience AG, ein PC-ABS-Blend, Typ Bayblend T50XF, Bayer MaterialScience AG, und ein PA 6, Typ Durethan B 30S, Lanxess AG, Leverkusen, verwendet, da sie aufgrund ihrer Polarität eine gute Haftung zu PUR aufweisen und für Anwendungen im Automotive-Bereich eingesetzt werden. Zum anderen wird ein PP, Typ Moplen EP 500 V, LyondellBasell Industries AF S.C.A., Rotterdam, Niederlande, verwendet, das aus wirtschaftlichen Gründen besonders interessant erscheint, da es als Massenkunststoff eine preisgünstige Alternative darstellt. Die genannten Thermoplaste haben eine möglichst niedrige Schmelzeviskosität, um eine Verarbeitungskompatibilität durch ein angepasstes Viskositätsverhältnis zu gewährleisten.

Typ

Handelsname

MVR

Testparameter

PP

Moplen EP 500 V

135 cm³/10 min

230 °C / 2,16 kg

PA 6

Durethan B 30S

110 cm³/10 min

260 °C / 5 kg

PC/ABS

Bayblend T50XF

19 cm³/10 min

260 °C / 5 kg

PC

Makrolon 2205

36 cm³/10 min

300 °C / 1,2 kg

Tabelle 1: Ausgewählte thermoplastische Kernmaterialien

Ergebnisse
Unabhängig von den verwendeten Kernmaterialien ist es gelungen, die Thermoplaste mittig in dem Hautmaterial zu verteilen und eine Sandwich-Struktur zu erzeugen. In Abhängigkeit von den eingestellten Maschinenparametern können dabei die Thermoplaste über der gesamten Bauteilfläche verteilt werden (Bild 6). Allerdings hat sich bei den Versuchsreihen gezeigt, dass insbesondere im Bereich unmittelbar nach dem Anschnitt die PUR-Haut sehr dünn ist und eine Dicke von weniger als 0,5 mm aufweist. Vermutlich wird das PUR dort durch die Schleppströmung der Kernkomponente abgetragen, weil es im Unterschied zu Thermoplasten nicht direkt an der Werkzeugwand erstarrt. Darüber hinaus ist in Bild 6 zu sehen, dass sich teilweise Blasen zwischen Haut- und Kernschicht bilden, die vermutlich auf unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten zurückzuführen sind.

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Wie die Bilder 7-10 zeigen, ist die Ausbreitung der unterschiedlichen Thermoplaste in der PUR-Haut stark von Vorreaktionszeit (tvor) und dem damit einhergehenden Viskositätsverhältnis abhängig. Lässt sich der Thermoplast bei einer Vorreaktionszeit von 21 s noch recht gleichmäßig verteilen, so wird mit steigender Zeit die Fließfront immer ungleichmäßiger. Bei 27 s lässt sich bei PP in Bild 7 sogar ein deutliches Voreilen der Schmelze in den Randbereichen erkennen. Es ist davon auszugehen, dass die Viskosität des PUR zu diesem Zeitpunkt bereits so stark angestiegen ist, dass das niedrigviskose PP dem Weg des geringsten Fließwiederstands folgt und die „Fingerbildung" induziert. Ähnliche Tendenzen lassen sich beim PA 6 (Bild 8) und PC (Bild 9) erkennen, wobei die Ungleichmäßigkeit der Fließfront nicht so stark ausgebildet ist. Beim eingesetzten PC/ABS-Blend (Bild 10) ist keine eindeutige Abhängigkeit der Verteilung von der Vorreaktionszeit zu sehen. Es ist davon auszugehen, dass die Viskositäten der PC/ABS-Blend-Type zu hoch ist, um ein ähnliches Verhalten zu zeigen.

Um einen gleichmäßigen Soft-Touch-Effekt der Oberfläche zu ermöglichen, muss neben der großflächigen Verteilung des Kernmaterials über dem Bauteil auch eine gleichmäßige Haut-Kern-Struktur mit definierten Schichtdicken erzeugt werden. Bei einer Bauteildicke von 10 mm soll dazu eine Kernschichtdicke von 6 mm eingestellt werden, so dass die Wanddicke auf jeder Seite 2 mm beträgt. Um den Einfluss der Prozessparameter auf die Haut-Kern-Struktur zu untersuchen, wird die Kernschichtdicke an verschiedenen Stellen über der Bauteillänge gemessen. Bild 11 zeigt zunächst den Einfluss der Vorreaktionszeit auf die Haut-Kern-Struktur. In den Diagrammen ist dazu die Kernschichtdicke der unterschiedlichen thermoplastischen Kernmaterialien über der Bauteillänge abgebildet, die jeweils an drei Messstellen über der Bauteilbreite ermittelt wird. Die Diagramme zeigen deutlich, dass sich unabhängig von den verwendeten Thermoplasten ein keilförmiges Kernprofil einstellt, das zu einer sinkenden Kernschichtdicke über der Bauteillänge führt. Die Einflüsse sind für die unterschiedlichen Materialien teilweise leicht gegenläufig. So sinkt die Kernschichtdicke am Bauteilanfang (40 mm) bei PP und PC mit steigender Vorreaktionszeit und steigt bei der Verwendung von PA 6 leicht an. Bei allen Materialien zeigt sich jedoch, dass eine hohe Vorreaktionszeit zu einer steigenden Kernschichtdicke am Bauteilende führt. Dadurch stellt sich insbesondere bei PC und PA 6 ein gleichmäßigeres Kernprofil ein, das nah am vorgegebenen Richtwert von 6 mm liegt. Die hohe Standardabweichung bei PC/ABS (27 s) lässt sich darauf zurückführen, dass die Kernkomponente die Messstelle bei 160 mm Bauteillänge teilweise kaum erreicht.

Im Gegensatz dazu lässt eine Veränderung des Einspritzvolumenstroms der thermoplastischen Kernkomponente keine eindeutigen Einflüsse auf die Haut-Kern-Struktur erkennen, obwohl dieser in einem weiten Bereich zwischen 150 cm³/s und 250 cm³/s variiert wird. Bild 12 zeigt wie zuvor die Kernschichtdicke über der Bauteillänge. Bei allen Versuchsmaterialien liegen die Werte bei den unterschiedlichen Einspritzgeschwindigkeiten so nah beieinander, dass sie keine Aussage über den Einfluss der Einspritzgeschwindigkeit zulassen. Allerdings lässt sich auch hier erkennen, dass sich bei der Verwendung von PA 6 und PC das gleichmäßigste Kernprofil einstellt.

Zusätzlich wird die Werkzeugtemperatur variiert, um bei hohen Temperaturen die PUR-Vernetzung im Randbereich zu beschleunigen. Dadurch soll die Viskosität in der Randschicht angehoben werden, um zu verhindern, dass die Hautkomponente durch die Schleppströmung übermäßig stark abgetragen wird. Bild 13 zeigt dazu den Einfluss der Werkzeugtemperatur auf die Haut-Kern-Struktur. Die Dicke der PUR-Haut steigt mit höheren Werkzeugtemperaturen im Angussbereich leicht an und führt zu einer Verbesserung der Bauteilqualität. Allerdings beschränkt sich dieser Effekt nur auf den angussnahen Bereich und ist nach 40 mm Bauteillänge kaum noch nachweisbar. Ein Einfluss auf die angussfernen Bereiche kann nicht festgestellt werden.

Fazit und Ausblick
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass es möglich ist, flächige Sandwich-Bauteile herzustellen, die neben einem thermoplastischen Kern eine Haut aus reaktivem Polyurethan besitzen. Nachdem die reaktive Hautkomponente in die Kavität vorgelegt wird, muss jedoch eine Vorreaktionszeit abgewartet werden, in der die Viskosität des Reaktionsgemischs auf ein verarbeitungsfähiges Niveau ansteigt. Im Anschluss wird der Thermoplast eingespritzt und breitet sich je nach Material und Prozessparametern mittig über der gesamten Bauteilfläche aus. Die bisher erreichte Sandwichstruktur entspricht dabei jedoch noch nicht den industriellen Anforderungen, da die Haut-Kern-Struktur zu ungleichmäßig ist und die Kernschichtdicke mit der Fließweglänge abnimmt. Insbesondere im angussnahen Bereich wird das Hautmaterial durch die Schleppströmung der Kernkomponente abgetragen, so dass die elastomere Haut in diesem Bereich sehr dünn ist und ein Soft-Touch-Effekt kaum erreicht werden kann. Darüber hinaus bilden sich teilweise Blasen zwischen Haut- und Kernschicht, welche besonders bei PA 6 und PC die Bauteilqualität mindern.

Um die bisher erlangten Erkenntnisse weiter ausbauen zu können, werden zusätzliche Versuchsreihen durchgeführt. Zunächst wird die Geometrie des Vorverteilers verändert, um ein gleichmäßigeres Füllverhalten zu erzielen. Da Vorversuche gezeigt haben, dass ein Gasgegendruck in der Kavität ebenfalls zu einem gleichmäßigeren Füllverhalten führt, wird dieser in entsprechenden Versuchsreihen ebenfalls untersucht. Im Anschluss wird die Bauteildicke verändert, so dass dünnwandigere Bauteile hergestellt werden können, die einen näheren Praxisbezug haben. Nachdem diese Testreihen abgeschlossen sind, folgen Machbarkeitsstudien, bei denen neben einer reaktiven PUR-Hautkomponente auch die Kernkomponente aus reaktivem geschäumten PUR besteht.

Dank
Das IGF-Vorhaben 16396 N der Forschungsvereinigung Kunststoffverarbeitung wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Allen Institutionen gilt unser Dank.

Darüber hinaus bedanken wir uns bei der Bayer MaterialScience AG, der Lanxess AG und LyondellBasell Industries AF S.C.A., die dieses Projekt durch die Bereitstellung von Versuchsmaterialien unterstützen.


Literaturverzeichnis
[CM80]    CASTRO, J.M.; MACOSKO, C.W.: Kinetics and rheology of typical polyurethane reaction injection moulding. Proceedings of the Annual Technical Conference (ANTEC) of the Society of Plastic Engineers. USA, 1980, S.434-438
[Kle02]    KLEBA, I.: Entwicklung von Sequenzverfahren zur Herstellung von Hohlkörpern und Sandwichformteilen aus Polyurethan. RWTH Aachen, Dissertation, 2002 - ISBN: 3-89653-963-9
[N.N.99]    N.N.: Ein Vierteljahrhundert Battenfeld Mehrkomponenten-Spritzgießtechnik. Gummi Fasern Kunststoffe (GAK) 52 (1999) 4, S.272-274
[Sch08]    SCHÖLDGEN, R.: Untersuchungen zur Fertigung von mehrkomponentigen Bauteilen mit thermoplastischem Kern und einer Außenhaut aus Polyurethan in Sandwichbauweise. Institut für Kunststoffverarbeitung, RWTH-Aachen, unveröffentlichte Diplomarbeit, 2008. - Betreuer: A. Pauling, A. Neuß, F. Meyer

[Sel97]    SELDEN, R.: Sandwich injection moulding of thermoplastics - A literature survey. Journal of Injection Moulding Technology, (1997) 4, S.935-944
[Sel00]    SELDEN, R.: Co-injection molding: Effect of processing on material distribution and mechanical properties of a sandwich molded part. Polymer Engineering and Science 40 (2000) 5, S. 1165-1176
[TH99]    TOENSMEIER, P.A.; HILPOLD, L.: New coinjection designs add applications potential. Modern Plastics International 29 (1999) 7, S. 77-78
[Zip92]    ZIPP, T.: Fließverhalten beim 2-Komponenten-Spritzgießen. RWTH-Aachen, Dissertation, 1992 - ISBN: 3-86073-071-1