Zum Sandwich in einem Schritt – sequentielles Herstellungsverfahren von PUR-Sandwich-Bauteilen mit faserverstärkten Decklagen

Prof. Dr. Christian Hopmann, Daniel Schneider

Motivation
Integral- oder Sandwichbauteile werden in vielfältigen Anwendungen eingesetzt. So werden beispielsweise Lenkräder und Kopfstützen im Fahrzeugbereich oder hochflexible Schuhsohlen mit hervorragenden Dämpfungseigenschaften aus Polyurethan-(PUR)-Weichintegralschaum hergestellt (1, 2). Hartintegralschaumstoffe werden als Verkleidungsteile von medizinischen Geräten oder beispielsweise als Prothesenfüße in der Orthopädietechnik verwendet [1, 3]. Hierbei kommen vor allem ihre guten mechanischen Eigenschaften bei geringem Gewicht und hoher erzielbarer Abriebfestigkeit zur Geltung. Weitere Anwendungsbeispiele sind Armlehnen für Flugzeuge, technische Gehäuse oder Kollektor-Sammelkästen in der Solarthermie [2, 3, 4, 5].

Bei Sandwich-Bauteilen können das Decklagen- und Kernmaterial auch aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. So werden bei Isolierungselementen für den Kraftfahrzeugbau, der Fassadenverkleidung von Industriehallen oder dem Kühlgerätebau ein Verbund aus metallischen oder thermoplastischen Decklagen mit einem isolierenden Hartschaumkern eingesetzt [2]. Bei tragenden Sandwich-Strukturbauteilen wird ein Hartschaumkern mit zwei faserverstärkten Decklagen versehen. Hierbei kommen hauptsächlich Thermoplaste, wie z. B. Polyamid, oder duroplastische Epoxidharze als Matrixmaterialien zum Einsatz [3, 6]. Allerdings ist auch der Einsatz von Polyurethanen als Matrixmaterial möglich.

Zusammenfassend weisen beide Bauteilklassen (Integral- und Sandwichbauteile) eine Vielzahl an Vorteilen auf, wie z. B.:
• Gute mechanische Eigenschaften bei geringem Gewicht
• Einstellbare Steifigkeit
• Hohe Abriebfestigkeit
• Beständig gegen viele Chemikalien
• Geringe Wärmeleitfähigkeit

Als nachteilig sind allerdings noch die Herstellungsverfahren von Sandwich- oder Integralbauteilen zu bewerten. Werden hohe Ansprüche an die Oberflächenqualität der Bauteile gestellt, muss auf ein kostenintensives PUR-System zurückgegriffen werden. Dies führt bei Integralbauteilen zu hohen Rohstoff- und damit auch Bauteilpreisen, da das gesamte Bauteil aus lediglich einem Material hergestellt wird. Werden stattdessen Sandwich-Strukturen angestrebt, ist ein mehrstufiger Prozess nötig, um diese Bauteile herzustellen. Weiterhin können hohe Verschnitte und somit hohe Kosten bei der Herstellung der Kerne entstehen. Diese Nachteile können durch einen einstufigen Prozess umgangen werden, bei dem das Hautmaterial und das Kernmaterial nacheinander in eine Werkzeugform dosiert werden. So können unterschiedliche PUR-Systeme eingesetzt werden, sodass für das Kernmaterial ein kostengünstiges, schäumendes System genutzt wird und das Decklagenmaterial hochwertige Eigenschaften aufweist. Weiterhin sind die Einbringung von Faserhalbzeugen zur Verstärkung der Decklagen und die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften möglich.

 

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Zielsetzung und Lösungsansatz
Das Ziel des am Institut für Kunststoffverarbeitung an der RWTH Aachen in Industrie und Handwerk (IKV) durchgeführten IGF-Forschungsvorhabens „Sandwich-RIM (Reaction Injection Moulding)“ ist die Entwicklung eines Prozesses zur einstufigen Herstellung von Sandwichbauteilen mit geschäumten Kern und kompakter Außenhaut aus Polyurethan, das in einer darauf aufbauenden Versuchsreihe hinsichtlich der Integrierbarkeit eines Faserhalbzeuges (z. B. +/- 45° Glasfasergelege) in die Decklagen analysiert wird. Dabei soll die Imprägnierung der Verstärkungsfasern prozessintegriert durch den Schäumdruck der Kernschicht erfolgen.

Zur Herstellung der Bauteile im Sandwich-RIM-Prozess werden nacheinander zunächst das Decklagen- und daraufhin das Kernmaterial in eine Kavität injiziert (Bild 1). Die Dosierung erfolgt vertikal, sodass das Decklagenmaterial zu einer Teilfüllung führt. Durch das anschließend injizierte Kernmaterial wird das Decklagenmaterial gleichmäßig über die Kavitätsseitenflächen verteilt, bis die Kavität vollständig gefüllt ist. Daraufhin wird das Werkzeug mittels eines schwenkbaren Formenträgers in eine horizontale Lage bewegt und mithilfe eines Stempels das Kavitätsvolumen vergrößert, um dem Kernmaterial das Aufschäumen zu ermöglichen. Der Herstellungsprozess erfolgt dabei in einem den Anforderungen der Prozessführung angepasstem Werkzeugkonzept, das im Rahmen des Forschungsprojektes konzipiert wurde. Zu diesen Anforderungen zählen:

• Dosiermöglichkeit zweier unterschiedlicher PUR-Systeme
• Flächige Verteilung des Dosierstroms über die Bauteilbreite
• „Atmen“ der Kavität
• Fixierung von Faserhalbzeugen bei geschlossenem Werkzeug
• Herstellung von unterschiedlich dicken Bauteilen

Weiterhin sind die Anforderungen verschiedener Sandwich-Bauteile maßgeblich für die Auswahl und die Eigenschaften der eingesetzten PUR-Systeme. Ist z. B. ein Bauteil mit hohen haptischen Eigenschaften erwünscht, wird ein elastisches PUR-Decklagenmaterial gewählt. Werden besonders hohe Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften gestellt, werden duroplastische faserverstärkte Decklagen und Hartschäume als Kernmaterial eingesetzt.

 

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Analyse der Prozessbefähigung
In grundlegenden Untersuchungen wurden zunächst zwei Aspekte der neu entwickelten Prozesskette separat voneinander betrachtet. In einer Versuchsreihe wurden Analysen zur Prozessführung der aufeinanderfolgenden Dosierung unterschiedlicher Materialsysteme durchgeführt, um Kenntnisse über die Strömungsverhältnisse bei der Dosierung zu erhalten. In einem hiervon abweichenden Versuchsaufbau wurde daraufhin die Integration von Faserhalbzeugen in die Decklagen von Sandwichbauteilen und deren Imprägnierung mittels des Schäumdrucks des Kernmaterials untersucht.

Für die grundlegenden Untersuchungen zur Analyse der Strömungsverhältnisse bei einer aufeinanderfolgenden Dosierung unterschiedlicher PUR-Systeme, wie es der entwickelte Prozess vorsieht, wurde ein elastisches Decklagenmaterial der Firma Bayer Material­Science (Covestro) eingesetzt. Die Ausgangskomponenten sind Baytech PU30BV08 (Polyol) und Desmodur PU0309 (Isocyanat). Das Kernlagenmaterial ist ein halbharter wassergetriebener Schaum von Bayer Material­Science mit den Komponenten BayFill UP.PU53FF40 (Polyol) und Desmodur UP.PU58F07 (Isocyanat). Es wurde besonderes Augenmerk auf die Vorreaktionszeit des Decklagenmaterials gelegt und auf das sich daraus ergebende Fließbild der beiden Komponenten, sodass die Bauteile in einem herkömmlichen RIM-Werkzeug hergestellt wurden, das eine Kavitätsvolumenzunahme noch nicht vorsieht. Die Vorreaktionszeit ist definiert durch den Zeitraum von Dosierende des Decklagenmaterials bis zum Dosierstart des Kernmaterials. In Bild 2 sind Bauteile in der Reihenfolge zunehmender Vorreaktionszeit dargestellt. Es zeigt sich, dass bei einer zu geringen Vorreaktionszeit (tvor = 2 s) die Viskosität des Decklagenmaterials zu niedrig ist, sodass dieses teilweise zurückströmt und in dessen Folge eine inhomogene Schichtdickenverteilung auftritt, sodass an den Bauteilrändern Gebiete entstehen, in denen nur Decklagenmaterial vorliegt. Bei einer zu langen Vorreaktionszeit (tvor = 18 s) ist das Decklagenmaterial bereits zu hochviskos und die Ausbildung einer gleichmäßigen 2-Komponenten-Strömung nicht mehr möglich. So entstehen in diesem Fall in der Bauteilmitte Bereiche, in denen kein Kernmaterial vorzufinden ist. Eine optimal gewählte Vorreaktionszeit (tvor = 6–12 s) führt zu einer gleichmäßigen Verteilung des Kernlagenmaterials und einer guten Ausbildung des gewünschten Sandwich-Aufbaus im gesamten Bauteil. Somit kann der Nachweis erbracht werden, dass der entwickelte Prozess geeignet ist, homogen ausgebildete Sandwich-Strukturen zu erzeugen. Aus diesen Versuchen leitet sich weiterhin der Bedarf an eine Bestimmung der Viskositätsverläufe beider PUR-Systeme ab, um ein tiefgreifendes Verständnis der Abläufe bei der Dosierung zu erhalten. Auch wäre somit eine Möglichkeit gegeben, prozessrelevante Parameter durch die Analyse der eingesetzten Materialien schon im Vorfeld zu bestimmen, sodass eine aufwendige Bestimmung dieser Parameter bei einer Veränderung der Materialkombination im Herstellungsprozess entfällt.

In einer zweiten Versuchsreihe erfolgte die Analyse zur Imprägnierung eines Faserhalbzeuges in den Decklagen. Aufgrund eines abweichenden Versuchsaufbaus (Tauchkantenwerkzeug mit rechteckiger Kavität und keine Möglichkeit zur Montage eines Mischkopfes), wurden PUR-Systeme eingesetzt, die eine manuelle Dosierung ermöglichen. Für das Decklagenmaterial wurde ein PUR-System für RIM-Anwendungen der Firma Rühl Puromer GmbH, Friedrichsdorf, mit den Komponenten Purorim 185IT (Polyol) und Puronate 900 (Isocyanat) eingesetzt. Das Kernlagenmaterial war ein PUR-Hartschaumsystem, ebenfalls von der Firma Rühl Puromer GmbH, mit den Komponenten Purotherm 448LF (Polyol) und Puronate 900 (Isocyanat). Als Faserhalbzeug wurde beispielhaft ein Glasfasergewebe mit einer Faserorientierung von +/- 45° ausgewählt. In Bild 3 sind Mikroskopieaufnahmen von einem Querschnitt eines hergestellten Bauteils dargestellt. In den mikroskopischen Analysen zeigen sich eine deutliche Trennung zwischen Kern und Decklage sowie die weitestgehend gute Imprägnierungsqualität (geringe Lufteinschlüsse in den Decklagen und hohe Durchdringung der Glasfaserfilamente) des Faserhalbzeuges. Diese Qualität konnte allerdings nicht über das gesamte Bauteil erzielt werden. Zum einen sind die benötigte Vorreaktionszeit und eine konstante Dosierleistung aufgrund der manuellen Dosierung nicht zu realisieren. Somit wird erwartet, dass weitergehende Untersuchungen mit einem den Anforderungen angepassten Versuchswerkzeug und einer Hochdruckdosierung der PUR-Systeme deutlich homogenere Bauteilqualitäten erzielt werden können.


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Das Werkzeugkonzept für das Sandwich-RIM-Verfahren
Das Werkzeugkonzept wird entsprechend den zu Beginn gestellten Anforderungen und den erzielten Ergebnissen aus den Grundlagenstudien konzipiert. Eine Übersicht über das entwickelte Konzept bietet Bild 4.

Zur Realisierung der Dosierung von zwei unterschiedlichen PUR-Systemen werden zwei Angüsse mit jeweils einer Aufnahmemöglichkeit für einen Hochdruck-Dosierkopf vorgesehen. Die Dosierung erfolgt jeweils in einen kreisförmigen Angusskanal. Beide Angusskanäle münden in einen Kleiderbügelverteiler, der das Dosiervolumen über die Bauteilbreite flächig verteilt. Die Dosierebene liegt immer auf der mittleren, durch die feste Werkzeughälfte definierte, Kavitätshöhe, sodass ein symmetrischer Sandwichaufbau erreicht werden kann. Aus Untersuchungen vorheriger Forschungsprojekte [6] ist ein Bereich des Viskositätsverhältnisses (kη) zweier unterschiedlicher Materialien bekannt, der zu einer gleichmäßigen Schichtausbildung führt. Eine genauere Betrachtung des Einflusses der Viskositätsbedingungen erfolgt im nächsten Kapitel.

Mittels eines Keilmechanismus wird das Kavitätsvolumen nach Erreichen der horizontalen Lage erhöht („Atmen“ der Kavität), um dem Kernmaterial Raum zur Expansion bereitzustellen. Dies erfolgt angepasst an die Reaktionskinematik der Schaumsysteme mit je nach PUR-System unterschiedlichen Öffnungsgeschwindigkeiten. Weiterhin ist hierdurch eine direkt Beeinflussung der Schaumdichte und somit der Bauteildicke möglich. Es können bei gleichen Dosiervolumina und bei konstanter Decklagendicke unterschiedlich dichte Kernschichten erzeugt werden.

Zur Untersuchung der Imprägnierung von Faserhalbzeugen im Decklagenbereich durch den Schäumdruck sind sowohl in der unteren als auch in der oberen Kavitätswand Stabmagnete eingebracht, die der Positionierung der Faserhalbzeuge dienen. Die Faserhalbzeuge werden zu Prozessbeginn bei offenem Werkzeug in das Werkzeug eingelegt und mittels dünner metallischer Plättchen im Bereich der Stabmagnete an den Kavitätswänden fixiert, sodass die Faserhalbzeuge am Ende des Herstellungsprozesses in den Schichten des Decklagenmaterials vorliegen. Findet keine Fixierung statt, können die Faserhalbzeuge bei der Dosierung oder dem Atmen des Stempels verrutschen und tragen nicht mehr zur gewünschten Steifigkeitserhöhung der Decklagen bei. Die metallischen Plättchen zur Fixierung verbleiben in der Folge im Bauteil.

Um darüber hinaus verschiedene, vor allem höhere, Bauteildicken (> 20 mm) zu realisieren und gleichzeitig eine Dosierung des Kernmaterials in der Mitte der Kavitätshöhe beizubehalten, werden Werkzeugeinsätze mit unterschiedlicher Kavitätshöhe für die obere Werkzeughälfte gefertigt, wie in Bild 5 dargestellt. Somit ist gewährleistet, dass bei Prozessbeginn die Dosierung des Schaumsystems immer in der Mitte der Kavitätshöhe erfolgt und das Hautmaterial symmetrisch auf beiden Seiten an die Kavitätswände verteilt. Auf Seiten des Stempels kann die anfängliche Kavitätshöhe über den Keilmechanismus an die gewünschte Bauteildicke angepasst werden. Somit können Bauteile mit Dicken von 4-80 mm hergestellt werden.

Weiterhin sind in der Kavitätsfläche der oberen Werkzeughälfte verschiedene Sensoren integriert. Ein Temperatursensor dient der Erfassung der kavitätsnahen Werkzeugtemperatur. Zwei Drucksensoren (angussnah und angussfern) dienen zur Überprüfung der Druckverhältnisse an den beiden Stellen. Somit kann beispielhaft mittels dieser beiden Messpunkte untersucht werden, ob eine ungleichmäßige Verteilung der beiden Materialsysteme nach Dosierende (vgl. Bild 2) zu einer Druckabweichung beim Aufschäumvorgang führt. Ist dies der Fall, kann bereits prozessintegriert die Formteilausbildung bewertet werden. Weiterhin kann überprüft werden, welchen Einfluss der Schäumdruck auf die Imprägnierung der Faserhalbzeuge hat.

Entwicklung eines Reaktions-Viskosimeters zur Materialcharakterisierung
Wie bereits erläutert, ist das Viskositätsverhältnis kη der beiden Materialsysteme bei der Dosierung entscheidend für die sich ausbildenden Schichten des Sandwich-Aufbaus. Hierbei werden für das Viskositätsverhältnis Werte von 0,5 < kη < 5 angestrebt [7], um die Ausbildung einer 2-Komponenten-Strömung zu erreichen. Zur Bestimmung des Viskositätsverhältnisses bei der Dosierung der beiden unterschiedlichen PUR-Systeme ist die Kenntnis der rheologischen Eigenschaften beider Materialien notwendig. Die rheologische Untersuchung kompakter Reaktivsysteme wird z. B. mittels eines Platte-Platte-Rheometers durchgeführt. Die Analyse schäumender Systeme hingegen ist mit den für Kompaktsysteme gängigen Methoden nicht möglich. Das aufschäumende System tritt im Messverlauf aus dem Messvolumen aus und macht eine weitergehende Untersuchung nicht möglich. Daher wurde im Rahmen dieses Forschungsprojektes ein Reaktions-Viskosimeter entwickelt (Bild 6). Dieses basiert auf einem elektrischen Rührwerk, angetrieben von einem Schrittmotor, dessen Drehmoment die Messgröße für die Ermittlung der Viskosität des Probematerials darstellt. Besondere Eigenschaften der Messzelle sind die Möglichkeit der Dosierung des Probematerials in die zylindrische Messzelle mittels herkömmlicher Hochdruck- und Niederdruckdosieranlagen, aber auch eine manuelle Zugabe der Reaktionspartner ist möglich (für kompakte als auch schäumende reaktive Polymerwerkstoffe). Die variabel anpassbare Steuerung des Rührwerks ermöglicht eine zeitliche Beeinflussung der Rührerdrehzahl, sodass bei manueller Dosierung zu Beginn eine hohe Drehzahl zur Vermischung vorgegeben werden kann, die dann im Laufe der Messung reduziert wird, um die Schaumbildung möglichst nicht zu beeinflussen. Weiterhin ist eine Temperierung und Druckbeaufschlagung der Messzelle möglich, um die Prozessbedingungen abbilden zu können.

In Bild 7 ist ein mit dem entwickelten Reaktionsviskosimeter gemessener Viskositätsverlauf im Vergleich zum Ergebnis einer Analyse mittels Platte-Platte-Rheometer dargestellt. Bei gleichen Versuchsbedingungen (kompaktes PUR-System; Komponententemperatur und Messzellentemperatur) lassen sich deutliche Abweichungen erkennen. Aufgrund des nicht adiabaten Messablaufs und der eingebrachten Energie durch den Rührer verläuft der Viskositätsanstieg bei dem Reaktions-Viskosimeter deutlich schneller. Aus diesen Gründen wird das gemessene Drehmoment unter Kenntnis der Strömungsverhältnisse in eine Scheinviskosität (ηsch) umgerechnet und dient hauptsächlich als qualitative Vergleichsgröße unterschiedlicher PUR-Systeme (kompakt und schäumend), um dadurch einen ersten Anhaltspunkt für die geeignete Wahl der Prozessparameter (Zeit zwischen dem Dosieren der beiden PUR-Systeme, Werkzeug- und Komponententemperaturen) zu erhalten.

Somit bietet das entwickelte Reaktionsviskosimeter die Möglichkeit, eine schnelle quantitative Analyse der rheologischen Eigenschaften von kompakten und schäumenden PUR-Systemen unter Verarbeitungsbedingungen durchzuführen. Mittels der Ergebnisse aus diesen Analysen lassen sich Rückschlüsse auf das Viskositätsverhältnis bei der Dosierung des schäumenden PUR-Systems ziehen. Die ermittelten Ergebnisse unterstützen somit bei der Prozessparameterbestimmung und der Analyse der beobachteten Effekte während der Formteilausbildung.

 

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Fazit und Ausblick
Zusammenfassend zeigen die ersten grundlegenden Untersuchungen das hohe Potenzial der entwickelten Prozesskette. Es konnte sowohl gezeigt werden, dass mittels angepasster Prozessführung die Ausbildung einer 2-Komponenten-Strömung realisiert werden kann, was maßgeblich für die Schichtdickenverteilung der Decklage ist, als auch dass mittels des Schäumdrucks des Kernmaterials eine Imprägnierung der Faserhalbzeuge durch das Decklagenmaterial möglich ist. Dabei können mit Hilfe des neuentwickelten Reaktionsviskosimeters geeignete Prozessparameter schnell identifiziert werden und Aussagen über die Ursachen von auftretenden Bauteildefekten getroffen werden.

In den aktuell laufenden systematischen Untersuchungen erfolgt die Analyse unterschiedlicher Einflüsse (Werkzeug- und Materialtemperaturen, Öffnungsgeschwindigkeit des Stempels, Öffnungsweg, …) auf den Formteilbildungsprozess im konzipierten Versuchswerkzeug. Im weiteren Projektverlauf werden daraufhin eine abweichende Materialkombination (z. B. ein Hartschaumkern mit duroplastischer Decklage) zum Einsatz der Sandwich-RIM-Technologie in weiteren Einsatzbereichen eingesetzt sowie Sandwich-Bauteile mit höheren Dicken unter Variation der oberen Werkzeughälfte hergestellt. Hierbei werden sowohl der Einfluss der Schichtdicke des Kerns als auch der Decklage betrachtet. Zum Abschluss der systematischen Untersuchungen wird eine detaillierte Machbarkeitsstudie zur Imprägnierung von unterschiedlichen Faserhalbzeugen in der Decklage erfolgen.

Dank
Das IGF-Forschungsvorhaben 18046 N der Forschungsvereinigung Kunststoffverarbeitung wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Allen Institutionen gilt unser Dank.

Literatur
[1] Gansen, P.; Richter, H.-J.; Hagel, G.: Emissionsarmer, Kohlendioxid-getriebener PUR-Integralschaum für Automobilanwendungen. FAPU 20 (2003) 5, S. 34–39
[2] Leppkes, R.: Polyurethane – Werkstoff mit vielen Gesichtern. Landsberg/Lech: Verlag Moderne Industrie, 2003
[3] Liman, U.: Polyurethane (PUR) – Maßgeschneiderte Alleskönner für zahlreiche innovative Anwendungen. Kunststoffe 10/2014, S. 108-117
[4] Becker, K.; Gansen, P.; Hagel, G.: Anwendungen von Polyurethanen in der Orthopädie. FAPU 48 (2008) 3, S. 34-30
[5] Ruthmann, H.: PUR Anwendungen im Bereich der Solarthermie. PUR 2009. Nürnberg, 2009
[6] Horn, K.; Schneiders, F.; Pophusen, D.: Polycarbonat (PC) – Wachstumschancen mit innovativer Beleuchtung und leichten, hochwertigen Autos. Kunststoffe 10/2014, S. 78–84
[7] Hopmann, Ch.: Reaktives Mehrkomponenten-Spritzgießen von flächigen Bauteilen mit einer Polyurethan-Außenhaut. Institut für Kunststoffverarbeitung, RWTH Aachen, Abschlussbericht zum IGF-Forschungsvorhaben 16396N, 2012

Autorenangaben
Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Industrie und Handwerk der RWTH-Aachen, Pontstraße 49, 52062 Aachen
Prof. Dr.-Ing. Christian Hopmann
Leiter des Instituts für Kunststoffverarbeitung
Daniel Schneider, M.Sc.
Leiter der Arbeitsgruppe PUR-Technologie/Schäumen
Tel: 0241/80 93673
Daniel.schneider@ikv.rwth-aachen.de

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