Mit dem Projektil ins Ziel – neue Wege zur Fertigung endlosfaserverstärkter Polyurethan-Hohlkörper mittels Projektilinjektionstechnik

Autoren: Prof. Dr.-Ing. Christian Hopmann, Dipl.-Ing. Christian Holz, Florian Kessler, M.Sc., Dipl.-Wirt.-Ing. Arne Böttcher

Bild0-Titelbild-jpgAls Sonderverfahren des Spritzgießens zählt die Fluidinjektionstechnik für das thermoplastische Spritzgießen zu den effektivsten Verfahren zur Herstellung komplexer Kunststoffhohlkörper, welche zum Beispiel als medienführende Leitung im Automobilbereich eingesetzt werden. Die erzielbaren mechanischen Eigenschaften sind mit den eingesetzten kurzfaserverstärkten Thermoplasten jedoch begrenzt. Daher wird das Anwendungsspektrum dieser Technologie nun durch den Einsatz endlosfaserverstärkter Polyurethane erweitert. Die Eigenschaften der Hohlkörper lassen sich bei einer anforderungsgerechten Auswahl der Faserverstärkung und der PUR-Matrix deutlich verbessern, so dass auch hochbelastbare Hohlkörper zum Einsatz als Strukturbauteil realisierbar sind.

Kunststoffhohlkörper aus kurzfaserverstärkten Thermoplasten werden entweder als Strukturbauteile, z.B. Griffe und Streben, oder als medienführende Leitungen in diversen Anwendungsbereichen, wie im Automobilbereich, in der Haushaltstechnik oder in Industrieanlagen eingesetzt. In Abhängigkeit der gestellten technischen und wirtschaftlichen Anforderungen werden verschiedene Materialien und Fertigungstechnologien genutzt, wobei insbesondere die Fluidinjektionstechnik (FIT) als Sonderverfahren des Spritzgießens für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt wird. Die unter diesem Sammelbegriff zusammengefassten Verfahren, wie die Gas- bzw. Wasserinjektionstechnik (GIT bzw. WIT) oder die Projektilinjektionstechnik (PIT) ermöglichen die Herstellung komplexer Hohlkörper mit integrierten Anschlusselementen und bieten darüber hinaus einen hohen Automatisierungsgrad und kurze Zykluszeiten [1]. Nachteilig ist, dass die mit den eingesetzten Thermoplasten erzielbaren Eigenschaften insbesondere für Anwendungen im Hochleistungsbereich nicht ausreichend sind, auch wenn sie durch die Verwendung von Kurzfasern zusätzlich verbessert werden können. Da die Kurzfasern jedoch durch Strömungseffekte orientiert werden, lassen sie sich nicht gezielt ausrichten und dem Lastfall anpassen, so dass die mechanischen Eigenschaften limitiert sind.

Vor diesem Hintergrund wurde am Institut für Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen (IKV) eine neue Kombinationstechnologie entwickelt, welche die PIT mit dem reaktiven Spritzgießen von Polyurethanen (PUR) bzw. dem Resin Transfer Moulding (RTM-Verfahren) kombiniert, um endlosfaserverstärkte und damit hochbelastbare Hohlkörper herzustellen. Dabei wird zunächst ein Geflechtschlauch aus Endlosfasern in das Werkzeug eingelegt und fixiert. Das Werkzeug wird geschlossen und so geschwenkt, dass sich ein Injektor für das Projektil und der Anguss für das PUR am unteren Bauteilende befinden und die Kavität entgegen der Schwerkraft gefüllt wird (Bild 1). Andernfalls kommt es durch den Schwerkrafteinfluss zu einem ungewollten Voreilen oder Zerlaufen des Reaktionsgemischs in der Kavität, so dass eine gleichmäßige Hohlraumausbildung durch das Projektil nicht möglich ist. Nach der Formteilausbildung im sogenannten Aufblas- oder Nebenkavitätsverfahren reagiert das Material aus und kann im Anschluss entformt werden. Mit Hilfe dieser Technologie ist es nun erstmalig möglich, komplex geformte PUR-Hohlkörper mit integrierter Endlosfaserverstärkung und Anschlusselementen in einem großserientauglichen Prozess herzustellen und die mechanischen Eigenschaften von Kunststoffhohlkörpern deutlich zu verbessern.

 

Bild1-jpgBild 1: Verfahren zur Herstellung der endlosfaserverstärkten PUR-Hohlkörper

 

Der eingesetzte Matrixwerkstoff Polyurethan bietet dabei zwei grundlegende Vorteile gegenüber Thermoplasten: Zum einen ermöglicht er im Hinblick auf die späteren Anwendungen eine gezielte Anpassung der Materialeigenschaften. So eignen sich elastomere PUR zur Produktion von flexiblen Schlauchleitungen, während duroplastische Typen als Matrixmaterial für Strukturbauteile genutzt werden können. Zum anderen ist die Anfangsviskosität des Reaktionsgemischs so niedrig, dass sich Endlosfaserhalbzeuge vollständig imprägnieren lassen, was mittels Spritzgießen von Thermoplasten nicht möglich ist [2].

 

Bild2-jpgBild 2: Verwendete Rundgeflechte mit Endlosfaserverstärkung

 

Bei der Übertragung der FIT auf die Verarbeitung reaktiver Polyurethane sind verschiedene Faktoren zu beachten. Zum einen würde es beim Einsatz der herkömmlichen WIT zu einer unkontrollierbaren Reaktion zwischen dem Wasser und dem Isocyanat kommen, welche die Formteilbildung verhindert. Zum anderen unterscheidet sich das Formbildungsverhalten des PUR grundlegend von Thermoplasten, weil es durch den zeit-, temperatur- und ortsabhängigen Reaktionsumsatz geprägt ist. Da das Reaktionsgemisch nicht wie ein Thermoplast durch Wärmeleitungsvorgänge zuerst an der Werkzeugwand erstarrt, wird die zentrische Ausbreitung eines Gases in der Bauteilmitte, wie beispielsweise bei der GIT, erschwert. Zwar konnte am IKV im Jahr 2002 die Herstellbarkeit von PUR-Hohlkörpern mittels GIT nachgewiesen werden, allerdings wurden dabei langsam reagierende PUR gewählt, die thermoplastähnlich von der Werkzeugwand ausgehend erstarren [3]. Daher wird bei dem neu entwickelten PIT-RTM-Verfahren ein Projektil verwendet, welches sich durch Strömungseffekte in der Bauteilmitte selbst zentriert [1]. Somit können nun erstmals auch bei schnell reagierenden PUR-Systemen, welche eine größere Industrierelevanz besitzen, gleichmäßige Hohlkörperstrukturen ausgeformt werden.

 

Bild3-jpgBild 3: Entwickeltes modulares Versuchswerkzeug

 

Eine Schlüsselrolle nimmt dabei die umsatzabhängige Viskosität des reaktiven PUR ein. Insbesondere bei endlosfaserverstärkten PUR-Hohlkörpern ergibt sich ein Zielkonflikt, da einerseits die Viskosität des Reaktionsgemischs so hoch sein muss, dass es unter Schwerkrafteinfluss nicht mehr fließen kann. Andererseits muss sie noch möglichst niedrigviskos sein, um eine hohe Imprägnierqualität des Endlosfaserhalbzeugs zu ermöglichen. Eine Viskosität von ca. 20-60 Pas stellt während der Projektilinjektion einen guten Kompromiss dar, bei dem beide Anforderungen erfüllt werden können. Da die Anfangsviskosität des Reaktionsgemischs jedoch i.d.R. deutlich niedriger ist, muss vor der Projektilinjektion eine Vorreaktionszeit eingestellt werden, in der die Viskosität auf ein verarbeitungsfähiges Niveau ansteigt.

 

Bild4-PNGBild 4: Vergleich der geometrischen Hohlkörpereigenschaften von geraden PUR- und Thermoplasthohlkörpern

 

Nachdem die Eignung elastomerer PUR bereits in vergangenen Untersuchungen gezeigt wurde [4] wird für die Herstellung struktureller PUR-Hohlkörper mit Endlosfaserverstärkung das duroplastische PUR-System Purorim 185IT (Hersteller: Rühl Puromer GmbH, Friedrichsdorf) eingesetzt, das herkömmlicherweise für RTM-Anwendungen genutzt wird. Als Endlosfaserverstärkung werden biaxiale Rundgeflechte der Firma Siltex Flecht- u. Isoliertechnologie Holzmüller GmbH & Co. KG, Julbach, verwendet, die eine zweidimensionale Faserarchitektur aufweisen (Bild 2). Zur Untersuchung der verfahrenstechnischen Grundlagen und Erfassung der geometrischen Eigenschaften wird primär das Glasfaserrundgeflecht Typ 2503 (GF) eingesetzt, welches einen Flechtwinkel von 45° aufweist. Im Hinblick auf die möglichen Einsatzgebiete werden darüber hinaus zwei weitere Rundgeflechte gewählt, welche typische anwendungsspezifische Vorteile aufweisen. Für den Einsatz in hoch belastbaren Strukturbauteilen wird das Kohlenstofffaserrundgeflecht Typ 3403 (CF) ausgewählt. Im Vergleich zum GF weist es bei einem Durchmesser von 30 mm einen Flechtwinkel von ca. 30° auf, der bei einer Biegebelastung ein vorteilhaftes Festigkeitsverhalten aufweist. Zudem besitzt dieses Rundgeflecht durch die Verwendung breiterer Rovings eine deutlich höhere Wanddicke und somit ein höheres Flächengewicht. Dies resultiert in einem höheren Faservolumengehalt im Bauteil, da der Außen- und Innendurchmesser des PUR-Hohlkörpers durch die Kavität bzw. das Projektil festgelegt sind. Da mit der neuen Technologie auch medienführende Formschläuche hergestellt werden können, wird als zusätzliche Alternative das Aramidfaserrundgeflecht Typ 2450 (AF) genutzt. Gegenüber Glas- oder Kohlenstofffasern eignet sich dieses Material besonders zur Fertigung von Schlauchleitungen, da es eine hohe Dehnfähigkeit, ein gutes Energieabsorptionsvermögen sowie eine hohe Schlagzähigkeit aufweist [5]. Da entsprechende Bauteile vor allem eine hohe Berstdruckfestigkeit aufweisen müssen, wird neben dem Material auch die Faserarchitektur der angestrebten Anwendung angepasst. Dementsprechend beträgt der Flechtwinkel ca. 55°, was dem optimalen Faserwinkel für einen innendruckbeanspruchten Schlauch entspricht [6].

 

Bild5-PNGBild 5: Vergleich der Kraft-Weg-Kurven beim Biegeversuch

 

Zur Probekörperherstellung werden die PUR-Ausgangskomponenten mit einer Hochdruckdosieranlage Typ „BaseLine 65/130 R/MX“ (Hersteller: Hennecke GmbH, St. Augustin) verarbeitet, wobei das Prozessgas durch die Gasdosierstation PME cube N2 S der Firma PME fluidtec GmbH, Ettenheim, dosiert wird. Im Vergleich zu handelsüblichen Geräten kann diese die notwendigen geringen Injektions- bzw. Nachdrücke von 3–5 bar bzw. 10–30 bar prozesssicher dosieren. Das speziell am IKV entwickelte Versuchswerkzeug ist modular aufgebaut. Es kann bei der Verwendung verschiedener Faser-Matrix-Kombinationen oder Verfahrensvarianten zur Fertigung unterschiedlicher Anwendungsgeometrien (z. B. mit unterschiedlichen Biegeradien) genutzt werden (Bild 3). Für die Montage des Rundgeflechts wird dieses zwischen zwei konischen Ringen fixiert und in eine entsprechende Aufnahme am unteren Ende der Kavität eingelegt. Zur Einleitung des Prozessgases in die Kavität wird ein Injektor mit Nadelverschlussdüse verwendet, um ein Eindringen des Reaktionsgemischs in den Injektor zu verhindern.

 

Bild6-PNGBild 6: Vergleich der Biegefestigkeit und des Biegemoduls

 

Da die Eigenschaften mit thermoplastischen Bauteilen verglichen werden sollen, werden aus PA6.6 GF30 Typ „Durethan Tp 424-006“ (Hersteller: Lanxess AG, Köln) auf einer Spritzgießmaschine vom Typ „K TEC 200 2F-S“ (Hersteller: Ferromatik Milacron GmbH, Malterdingen) thermoplastische Probekörper in identischen Formeinsätzen hergestellt. Die geometrischen und mechanischen Eigenschaften der Bauteile werden jeweils anhand einer zylindrischen Geometrie mit einem Außendurchmesser von 30 mm und einer Länge von 280 mm ermittelt.

Bild 4 zeigt den Vergleich gerader Hohlkörpergeometrien hinsichtlich der über dem Umfang gemittelten Wanddicke und der Exzentrizität, die bei den Bauteilen in einem Abstand von je 50 mm ermittelt werden. Bei den geraden Versuchsbauteilen zeigen sich dabei kaum Unterschiede zwischen PUR- und Thermoplasthohlkörpern. Da bei der PIT die Hohlkörpergeometrie unter Formzwang durch das Projektil vorgegeben wird und sich das Projektil in der Bauteilmitte selbst zentriert, lässt sich trotz des umsatzabhängigen Erstarrungsverhaltens des PUR eine sehr gleichmäßige Wanddickenverteilung erzielen. Die Exzentrizität der PUR-Hohlkörper ist aufgrund der fehlenden erstarrten Randschicht zwar etwas höher, da sie jedoch deutlich unter 10 % des Durchmessers liegt, kann dennoch von einer sehr gleichmäßigen Formteilbildung gesprochen werden [7].

Bild7-PNGBild 7: Vergleich der Berstdruckfestigkeit

 

Die Bestimmung der Biegefestigkeit der duroplastischen Hohlkörper erfolgt an fünf Bauteilen je Versuchspunkt nach DIN 51902. Es wird eine eigens konstruierte Prüfvorrichtung eingesetzt, in die die zugeschnittenen Hohlkörper eingespannt werden können. Die Stützweite beträgt 150 mm und die Probenlänge 180 mm. Zur Beurteilung der Biegeeigenschaften sind in Bild 5 die Kraft-Weg-Diagramme der unterschiedlichen Probekörper exemplarisch dargestellt. In Bild 6 sind zudem die Biegefestigkeit und der Biegemodul dargestellt. Dass die verwendeten Rundgeflechte die Biegeeigenschaften des Verbundbauteils in erheblichem Maße beeinflussen, wird bei einer Betrachtung des entsprechenden Kraft-Weg-Diagramms deutlich. Während die unverstärkten PUR-Hohlkörper, ähnlich wie die thermoplastischen Bauteile, eine maximale Kraft von lediglich ca. 2.500 N ertragen, können die Eigenschaften durch die passende Auswahl des Rundgeflechts deutlich gesteigert und den Anforderungen entsprechend angepasst werden (Bild 5). So steigt bei der Verwendung des Rundgeflechts GF die maximal ertragbare Kraft auf ca. 3.500 N an, die bei einer Verformung von ca. 8 mm erreicht wird. Das volle Potenzial dieser Technologie wird bei der Verwendung des anwendungsoptimierten Rundgeflechts CF ersichtlich. Im Vergleich zu den thermoplastischen Proben kann die maximal ertragbare Kraft mehr als verdoppelt werden (ca. 5.500 N), wobei eine deutlich geringe Verformung gemessen wird. Da bei der Ermittlung der Biegefestigkeit auch die etwas höhere Wanddicke der endlosfaserverstärkten PUR-Bauteile berücksichtigt wird, nähern sich diese Werte etwas an (Bild 6). Die Biegefestigkeit kann im Vergleich zu den unverstärkten und thermoplastischen Proben (σdB=84 N/mm²) durch den Einsatz des Rundgeflechts CF nahezu verdoppelt werden (σdB=154 N/mm²). Auch hinsichtlich des Biegemoduls sind die thermoplastischen Bauteile den endlosfaserverstärkten PUR-Bauteilen deutlich unterlegen. So haben die Bauteile aus PA6.6 GF30 einen Biegemodul von ca. 2.200 N/mm², der über dem der unverstärkten PUR-Hohlkörper (ca. 1.500 N/mm²) liegt. Wie zuvor lässt sich durch die Integration der Rundgeflechte auch der Biegemodul deutlich steigern. Insbesondere das Rundgeflecht CF führt, wie erwartet, zu einem sehr hohen Modul, der mit fast 6.650 N/mm² den Modul der Thermoplaste weit übersteigt.

Gegenüber den thermoplastischen Bauteilen besitzen die endlosfaserverstärkten Bauteile mit PUR auch weitere anwendungsspezifische Vorteile, welche sie für den Einsatz als medienführende Leitung prädestinieren. Neben einer höheren chemischen Beständigkeit sowie einer einstellbaren Elastizität und Schlagfestigkeit, die über einen breiten Temperaturbereich erhalten bleibt, lassen sich durch die integrierte Endlosfaserverstärkung auch höhere Berstdruckfestigkeiten erzielen. In Bild 7 sind die gemittelten Berstdrücke unterschiedlicher endlosfaserverstärkter PUR-Bauteile und der Thermoplastbauteile aufgezeigt. Es fällt auf, dass sich hinsichtlich der erreichbaren Berstdruckfestigkeiten deutliche Unterschiede bei der Verwendung der Rundgeflechte aus den verschiedenen Fasermaterialien einstellen. Während die unverstärkten Bauteile aus PUR einen Innendruck von lediglich ca. 70 bar ertragen, besitzen die Bauteile aus PA6.6 GF30, wie sie in der Industrie für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden, eine Berstdruckfestigkeit von ca. 95 bar. Die Bauteile, welche mit dem Rundgeflecht GF verstärkt werden, bieten etwas höhere Berstdruckfestigkeiten als die Bauteile aus PA6.6 GF30. Der Einsatz der Aramidfaserverstärkung führt dagegen zu einer deutlichen Verbesserung. Hierbei ist zu beachten, dass der Maximaldruck der genutzten Prüfeinheit auf 210 bar begrenzt ist und die Schläuche bei der Prüfung nicht bersten. Mit einer Berstdruckfestigkeit von mindestens 210 bar überschreiten sie die Festigkeit der Bauteile aus PA6.6 GF30 jedoch bereits um mehr als das Doppelte.

Fazit
Die Ergebnisse zeigen, dass sich mit dem am IKV entwickelten PIT-RTM-Verfahren endlosfaserverstärkte PUR-Hohlkörper unter industrienahen Verarbeitungsbedingungen herstellen lassen. Je nach Matrixmaterial können sie sowohl als Strukturbauteile oder als medienführende Leitung eingesetzt werden. Durch die anwendungsgerechte Auswahl der Endlosfaserverstärkung, die in Form von Rundgeflechten in das Bauteil integriert wird, können im Vergleich zu herkömmlichen Thermoplastmaterialien deutlich höhere Biegefestigkeiten, Biegesteifigkeiten und Berstdrücke erreicht werden. Da somit das Eigenschaftsspektrum bisheriger Hohlkörper deutlich erweitert wird, lässt sich diese Technologie zukünftig auch für anspruchsvollere Anwendungen nutzen.

Dank
Das IGF-Vorhaben 18044 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 und den beteiligten Unternehmen gilt unser Dank.

Die Autoren
Foto-Florian-Kessler-jpgProf. Dr.-Ing. Christian Hopmann, geb. 1968, ist Leiter des Instituts für Kunststoffverarbeitung (IKV) und Inhaber des Lehrstuhls für Kunststoffverarbeitung an der RWTH Aachen.
Dipl.-Ing. Christian Holz, geb. 1984, ist seit 2011 wissenschaftlicher Mitarbeiter des IKV und leitet dort die Arbeitsgruppe „PUR-Technologie/Kompakte Systeme/Sonderverfahren“.
Florian Kessler, geb. 1990, ist seit 2015 wissenschaftlicher Mitarbeiter des IKV und übernimmt dort die Forschungsaktivitäten von Herrn Holz.
Dipl.-Wirt.-Ing Arne Böttcher, geb. 1984, ist Leiter der Abteilung Faserverstärkte Kunststoffe und Polyurethane am IKV.

Literaturverzeichnis

[1] Gründler, M.: Verfahrensuntersuchung der Projektilinjektionstechnik (PIT). Dissertation RWTH Aachen 2013
[2] Hopmann, Ch.; Wunderle, J.: Verfahrensentwicklung zur Herstellung endlosfaserverstärkter Kunststoff-Hohlkörper mittels Gas- oder Wasserinjektionstechnik, Institut für Kunststoffverarbeitung, RWTH-Aachen, Abschlussbericht zum IGF-Vorhaben Nr. 16802 N, 2014
[3] Kleba, I.: Entwicklung von Sequenzverfahren zur Herstellung von Hohlkörpern und Sandwichformteilen aus Polyurethan. Dissertation RWTH Aachen 2002
[4] Hopmann, Ch.; Holz, C.: Verfahrensentwicklung zur Herstellung endlosfaserverstärkter Hohlkörper aus Polyurethan mit Hilfe der Gasinjektionstechnik. Institut für Kunststoffverarbeitung, RWTH-Aachen, Abschlussbericht zum IGF-Vorhaben Nr. 17428 N, 2014
[5] Sommer, F.: Kautschuktechnologie: Gummiverbundkörper.
München, Wien: Carl Hanser Verlag, 2013
[6] Wehr, H.: Fluidinjektionstechnik im Elastomerspritzgießprozess. RWTH Aachen, Dissertation, 2002 – ISBN: 3-89653-964-7
[7] Brunswick, A.: Neue GIT-Varianten für medienführende Bauteile. Tagungshandbuch zum 2. Kunststoff Motorteile Forum, 1998

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