Sandwich-RIM-Prozess zur einstufigen Herstellung faserverstärkter Sandwich-Bauteile aus PUR-Decklagen und PUR-Schaumkern

Prof. Dr. Christian Hopmann, Daniel Schneider, Arne Böttcher, Kai Fischer, IKV Aachen

Einleitung und Motivation
Sandwich-Bauteile und Integralschäume zeichnen sich durch die über den Querschnitt unterschiedlichen Dichtebereiche aus [1]. Bei Sandwich-Bauteilen ist die zentrale Schicht geschäumt und von zwei kompakten Decklagen umschlossen, sodass auch großvolumige Bauteile mit hohen mechanischen Eigenschaften gewichtssparend ausgeführt werden können [2].

Herkömmlicherweise werden Integralschäume in mechanisch gering beanspruchten Bereichen eingesetzt (z. B. Verkleidungsbauteile von technischen Geräten oder im Transportsektor), bei denen die Material- und Gewichtsersparnis die Motivation für den Einsatz dieser Werkstoffe darstellt [3]. Bei Sandwich-Bauteilen werden anwendungsspezifische Materialien für die Decklagen und den Kern eingesetzt. Bei Bauteilen, die besonders hohe Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften (z. B. bei Dachmodulen im Fahrzeugbau) erfüllen müssen, werden die Decklagen zusätzlich mit Faserhalbzeugen (z. B. Glasfaser- / Kohlenstofffasertextilien) verstärkt [4, 5]. Als Kernmaterialien kommen unterschiedliche Polymerschäume (z. B. Polyurethan (PUR)-Hartschaum oder geschäumtes Polymethacrylimid) und auch Papierwaben zum Einsatz, die je nach Anforderungen der Anwendung sowie des Herstellungsprozesses ausgewählt werden [6].

Die Herstellung von Sandwich-Bauteilen bedingt oft mehrstufige Prozesse (z. B. separate Herstellung der Kerne und anschließendes Aufbringen der Decklagen) wohingegen Integralschäume eingeschränkt bei der Materialauswahl sind, da Kern- und Decklagenmaterial aus einem identischen PUR-System bestehen. Die Motivation zur Entwicklung des in diesem Beitrag vorgestellten einstufigen Verfahrens besteht in der Reduzierung des Aufwands bei der Produktion von Sandwich-Bauteilen.

Zielsetzung
Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung und Analyse eines einstufigen Verfahrens zur Herstellung von Sandwich-Bauteilen mit einer Polyurethan-Decklage und einem PUR-Schaumkern, da PUR aufgrund des hohen Freiheitsgrades bei den erzielbaren Eigenschaften eine Vielzahl an möglichen Materialkombinationen bereithält und somit ideal für die genannten Anwendungsklassen ausgewählt werden kann [7, 8]. In dem sogenannten Sandwich-RIM-Verfahren werden die beiden PUR-Systeme (kompakte Decklage (DL) und schäumender Kern (K)) aufeinanderfolgend in eine Kavität dosiert, sodass bereits im Dosierprozess ein mehrschichtiger Aufbau entsteht. Durch eine darauffolgende Vergrößerung des Kavitätsvolumens wird dem Kernmaterial die Möglichkeit zum Schäumen gegeben, sodass sich der charakteristische Sandwich-Aufbau (kompakt – geschäumt – kompakt) ausbildet. Es erfolgen Untersuchungen zur Integration von Faserhalbzeugen in die Decklagen, um das Eigenschaftsprofil der erzeugten Bauteile hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften zu vergrößern.

Der Fokus der experimentellen Untersuchungen, deren Ergebnisse in diesem Beitrag präsentiert werden, liegt auf den Einflüssen relevanter Prozessparameter auf die Formteilbildung, die im folgenden Abschnitt detailliert erläutert werden.

 

Abbildung_01Abbildung 1: Der Ablauf des Sandwich-RIM-Prozesses

 

Abbildung_02Abbildung 2: Prozesszeiten und Verlauf der Kavitätshöhe beim Sandwich-RIM-Verfahren

 

Abbildung_03Abbildung 3: Das Sandwich-RIM-Versuchswerkzeug

 

Prozessbeschreibung
Der Herstellungsprozess der Sandwich-Bauteile gliedert sich in drei aufeinander folgende Sequenzen. Abbildung 1 stellt den Ablauf des Prozesses schematisch dar und in Abbildung 2 sind die charakteristischen Prozesszeiten (Dosierzeiten, Vorreaktionszeit und die Hebezeit) sowie der Verlauf der Kavitätshöhe über einen Herstellungszyklus wiedergegeben. Zu Beginn wird das kompakte Decklagensystem entgegen der Schwerkraft in die Kavität dosiert. Die Dosiermenge wird hierbei an die gewünschte Dicke der Decklage angepasst. Nach der Vorreaktionszeit und der damit einhergehenden Viskositätserhöhung des Decklagenmaterials wird das schäumende Kernsystem bis zur vollständigen Füllung der Kavität dosiert. Durch die angepasste Positionierung eines beweglichen Werkzeugstempels auf einer Kavitätsseite wird gewährleistet, dass das Kernmaterial auf Höhe der mittleren Bauteilebene dosiert wird und sich somit ein gleichmäßiger Aufbau der Sandwich-Struktur über die Bauteildicke im Dosierprozess ausbildet. Während der Dosierung des Kernmaterials wird das Decklagenmaterial aus der mittleren Bauteilebene verdrängt und an die angussfernen Kavitätswände verteilt. Eine alternative Prozessführung stellt die zweistufige Vergrößerung des Kavitätsvolumens dar (Abbildung 2, rot gestrichelt). Angepasst an die Dosiermenge und die Dosierzeiten der Materialien wird mit dem Decklagenmaterial die Kavität vollständig gefüllt und während der Dosierung des Kernmaterials das Kavitätsvolumen erhöht. Im Anschluss an die Dosierung erfolgt für beide Varianten eine dem Reaktionsverhalten des Decklagenmaterials angepasste Volumenvergrößerung der Kavität, um sowohl die Zieldicke des Sandwich-Bauteils einzustellen als auch das Kernmaterial aufzuschäumen. 

Zur Realisierung dieses Prozesses wurde am IKV ein für die PUR-Formteilherstellung neuartiges Werkzeugkonzept (Abbildung 3) entwickelt und umgesetzt. Neben der Möglichkeit zwei Hochdruck-Mischköpfe (zur Injektion der unterschiedlichen PUR-Systeme) an die Form anzuschließen, wird die über die Dosierfläche gleichmäßige Dosierung des Kernmaterials mittels eines Kleiderbügelverteilers realisiert. Weiterhin wird die Verfahrbewegung des Werkzeugstempels zur Volumenvergrößerung der Kavität mittels eines elektrogetriebenen Keilmechanismus umgesetzt. Da PUR-Gemische eine sehr geringe Viskosität aufweisen, sind im Bereich der Stempelführung kavitätsnahe Dichtungsnuten (Abstand zur Kavität: 10 mm) eingebracht, um mittels zweier O-Ring-Dichtungen das Eindringen vom PUR beim Dosierprozess in diesen Bereich zu vermeiden. Zur Erfassung der Prozessgrößen sind zwei Drucksensoren (angussnah und angussfern) sowie ein Temperatursensor in die obere Werkzeugform integriert. Um die Bauteildicke zu variieren, kann die obere Werkzeughälfte mit verschiedenen Werkzeugplatten ausgestattet werden. Hierbei variiert die Vertiefung der Kavität zwischen 2-20 mm. Die Tiefe der gegenüberliegenden Kavitätsseite wird mittels des beweglichen Stempels an die verwendete Werkzeugplatte angepasst, um eine zentrale Dosierung des Kernmaterials zu gewährleisten. Zur Integration von Faserhalbzeugen sind im angussnahen und fernen Bereich der Kavitätswände jeweils vier Stabmagnete in die Oberflächen integriert. Hierdurch können die Faserhalbzeuge mit Hilfe eines im finalen Sandwich-Bauteil verbleibenden Metallstreifens an den Kavitätswänden fixiert werden.

Aus dem einstufigen Sandwich-Spritzgießen mit Thermoplasten ist bekannt, dass das Viskositätsverhältnis zwischen Decklagen- und Kernmaterial (kη) einen großen Einfluss auf die homogene Ausbreitung des Kernmaterials nimmt [9]. Zu den Parametern zur Beeinflussung des Viskositätsverhältnisses beim Sandwich-RIM-Verfahren zählen die Prozesstemperaturen (Komponenten- und Werkzeug (Wkz)-Temperaturen; TDL, TK, TWkz) sowie die Vorreaktionszeit tVor (der zeitliche Abstand zwischen den Starts der Dosiervorgänge beider PUR-Systeme). Durch die Variation der Dauer bis zur Erhöhung des Kavitätsvolumens (Hebezeit; tHebe) kann darüber hinaus der sich bildende Schaum beeinflusst werden.

 

Tabelle_01Tabelle 1: Verwendete Materialien

 

 

Abbildung_04Abbildung 4: Ermittlung des Viskositätsverhältnisses mittels Rotationsrheometer und Reaktionsviskosimeter

 

Tabelle_02Tabelle 2: Resultierende Viskositätsverhältnisse bei variierender Vorreaktionszeit

 

Eingesetzte Materialien
Aufgrund der unterschiedlichen Anwendungsfelder von Integralschäumen und (faserverstärkten) Sandwich-Bauteilen, wurden für die Kombination aus weichem Schaumkern und elastischer Decklage (als Ersatz von weichen und halbharten Integralschäumen) beispielhafte PUR-Systeme in Absprache mit den projektbegleitenden Unternehmen ausgewählt. Auf Basis der Ergebnisse der Untersuchungen mit dieser ersten Materialkombination (siehe Bauteilherstellung im Sandwich-RIM-Verfahren) wurden für strukturelle Anwendungen im Transportwesen oder auch für Verkleidungselemente technischer Geräte repräsentative PUR-Systeme (Hartschaum und duroplastische Decklage mit geringer Reaktivität) sowie zwei Glasfasergelege mit unterschiedlichen Flächengewichten identifiziert. Tabelle 1 gibt einen Überblick über die eingesetzten Materialien. Auch die Kombination aus elastischer Decklage und Hartschaumkern ist für einzelne Anwendungsbereiche denkbar, vor allem dort wo eine hohe haptische Oberflächenqualität bei gleichzeitig guter Formstabilität gewährleistet sein muss (z. B. Mittelkonsolenabdeckung im Automobil). Bei der Herstellung der Sandwich-Bauteile zeigte sich allerdings, dass das Werkzeugkonzept, trotz der Einbringung der O-Ring-Dichtungen im Bereich der Stempelführung und einer hohen Genauigkeit der ausgeführten Passung, nicht für die Verarbeitung von duroplastischen PUR-Systemen geeignet ist. Durch die geringe Viskosität des PUR-Systems dringt Material in die Stempelführung bis zu den Dichtungen ein und es lagern sich bei dem duroplastischen System spröde Rückstände ab, wodurch ein Verklemmen des Stempels nach jedem Bauteilzyklus verursacht wird. Für elastische PUR-Systeme stellt dies ein geringeres Problem dar, da die hohe Elastizität zu keiner Verklemmung führt. Stattdessen wird dieses Material deformiert und kann im Anschluss an den Produktionsprozess entfernt werden. In weiteren Untersuchungen in einem Tauchkantenwerkzeug konnte hingegen gezeigt werden, dass es generell möglich ist auch duroplastische PUR-Systeme für das Verfahren einzusetzen, sodass ein Tauchkantenwerkzeug für diesen Anwendungsbereich bevorzugt einzusetzen ist.
 

Abbildung_05Abbildung 5: Effekte bei Füllstudien unter Variation des Viskositätsverhältnisses

 

Abbildung_06Abbildung 6: Einfluss der Komponententemperatur des Kernmaterials auf die Schichtdickenverteilung der Decklage

 

Abbildung_07Abbildung 7: Einfluss der Zeit bis zur Volumenvergrößerung der Kavität auf die Formteil- und Schaummorphologie

 

Abbildung_08Abbildung 8: Einfluss des eingesetzten Faserhalbzeuges auf die Formteileigenschaften

 

Materialcharakterisierung

Wie bereits beschrieben, ist das Viskositätsverhältnis als der wesentliche Einflussfaktor bei einstufigen Sandwich-Prozessen identifiziert worden. Aus vorangegangen Untersuchungen ist bekannt, dass die Vorreaktionszeit im Bereich von maximal 30 Sekunden liegt. Zur Bestimmung der Viskosität von Decklagen- und Kernmaterial in diesem Zeitbereich steht aktuell keine Analysemethode zur Verfügung. Daher wurde im Rahmen dieses Forschungsvorhabens eine geeignete Messmethodik und Messzelle zur Bestimmung des Viskositätsverhältnisses entwickelt (Abbildung 4). Zu Beginn wird die Viskosität aller eingesetzten Materialkomponenten (Polyole und Isocyanate) in Abhängigkeit der Temperatur für drei Stützstellen (25, 50 und 75 °C) in einem Platte-Platte-Rheometer ermittelt. Mit Hilfe der Mischungsregel für reaktive Systeme nach Grunberg-Nissan [10] wurde anschließend die Mischungsviskosität für die jeweiligen Stützstellen berechnet. Auf Basis der drei Stützstellen wird mittels des Arrhenius-Andrade-Ansatzes [11] der Viskositätsverlauf für den gesamten Temperaturbereich (25-75 °C) bestimmt. Die Ergebnisse wurden zur Bestimmung der Startviskosität des Kernmaterials als auch zur Kalibrierung einer am IKV entwickelten Analysemethode, dem Reaktionsviskosimeter, eingesetzt. Dieses ermöglicht die Dosierung des zu analysierenden PUR-Systems auf drei unterschiedlichen Arten: manuell, mittels Niederdruck-Anlage sowie mittels Hochdruck-Anlage. Schon während der Dosierung erfolgt der Start der Messwerterfassung. Durch eine Temperierung der Messzelle kann weiterhin die Prozessumgebung nahezu vollständig abgebildet werden [12]. Als Ergebnis steht der Verlauf der Viskosität in Abhängigkeit der Zeit zur Verfügung und wird im Falle des Decklagenmaterials zur Ermittlung des Viskositätsverhältnisses genutzt.
Mit Hilfe der Ergebnisse der Viskositätsuntersuchungen kann das Viskositätsverhältnis zwischen dem Decklagen- und dem Kernmaterial beim Dosierprozess in Abhängigkeit der genannten Prozessparameter (z. B. Vorreaktionszeit, Komponenten- und Werkzeugtemperatur) bestimmt werden. Tabelle 2 gibt eine beispielhafte Übersicht über die Viskositätsverhältnisse für die Materialkombination aus elastischer Decklage und Hartschaumkern in Abhängigkeit der Vorreaktionszeit.

Prozessanalyse des am IKV entwickelten Sandwich-RIM-Verfahrens
Zur Analyse des Formteilbildungsprozesses beim Sandwich-RIM-Verfahren wurden zu Beginn Füllstudien (vollständige Unterdrückung vom Schäumvorgang des Kernmaterials) in Abhängigkeit des Viskositätsverhältnisses durchgeführt, um Aussagen bezüglich der Strömungsausbildung beim Dosieren zu generieren. Anschließend wurden, mit den in den Füllstudien identifizierten Prozessparametern, Sandwich-Bauteile mit variierenden Bauteil- und Decklagendicken hergestellt. In diesem Rahmen wurden gezielt die relevanten Prozessparameter variiert, um deren Einfluss auf die Formteilherstellung im Allgemeinen und im Speziellen auf die Homogenität der erzielbaren Eigenschaften zu ermitteln. Zu den wesentlichen Größen zur Bewertung der Homogenität des Formteils zählen die resultierende Schichtdicke des Decklagenmaterials sowie die Morphologie (Zellgröße und -homogenität) des ausgebildeten Schaumkerns entlang des Fließweges. Weiterhin wurde im Rahmen einer Machbarkeitsstudie die Integration von Faserhalbzeugen in die Decklagen untersucht und eine optimierte Prozessführung zur Steigerung der Imprägnierqualität getestet. Alle genannten Untersuchungen wurden mit dem elastischen Decklagenmaterial in Kombination mit dem Weich- bzw. Hartschaum durchgeführt. Aus anwendungstechnischer Sicht ist für faserverstärkte Sandwich-Bauteile der Einsatz von duroplastischen PUR-Systemen sinnvoll. Dies konnte allerdings, aufgrund der genannten werkzeugtechnischen Einschränkungen, im Rahmen des Forschungsvorhabens nicht umgesetzt werden.  

 

Abbildung_09

 

Abbildung 9: Verringerte Imprägnierqualität im angussfernen Bereich

 

Abbildung_10-DEU

Abbildung 10: Erhöhung der Imprägnierqualität durch eine optimierte Prozessführung

 

Abbildung_11Abbildung 11: Exemplarische Bauteilbilder 

 

Füllstudien
In Abbildung 5 sind die resultierenden Bauteile der Füllstudien unter Variation des Viskositätsverhältnisses dargestellt. Es wurde die Vorreaktionszeit bei ansonsten konstanten Prozessbedingungen zwischen 8,5 und 12,5 s variiert. Wie zu erkennen ist, hat das Viskositätsverhältnis maßgeblichen Einfluss auf die Ausbreitung des Kernmaterials im Dosiervorgang. Durch die Reduktion des Viskositätsverhältnisses auf 3,69 kann sich das Kernmaterial in ca. 80 % des Bauteilbereiches gleichmäßig ausbreiten. Generell erkennt man, dass die Fließfront des Kernmaterials fingerförmige Auswüchse bildet, bis es zu einem Durchbruch durch das Decklagenmaterials kommt. Am Fließwegende sammelt sich Kernmaterial an und schäumt die übrige Kavität aus. Eine weitere Reduktion des Viskositätsverhältnisses kann aufgrund der Prozessführung nicht umgesetzt werden, sodass eine großflächigere Ausbreitung des Kernmaterials nur durch eine prozessangepasste Materialauswahl (z. B. geringere Reaktivität des Decklagenmaterials) oder einer Werkzeugoptimierung (z. B. durch die Integration einer Nebenkavität) erreicht werden kann. Beim Einsatz einer solchen Nebenkavität muss detailliert untersucht werden wie groß die Menge des überschüssigen Materials ist, um wirtschaftliche Nachteile durch einen zu hohen Materialverlust zu vermeiden.


Analyse der Bauteilherstellung beim Sandwich-RIM-Prozess


Schichtdickenverteilung
In einem ersten Schritt wurden an vier definierten Positionen (im Abstand von 25, 100, 200 und 275 mm vom Anguss) Probenquerschnitte aus den hergestellten Bauteilen entnommen. Für die Kombination aus Weichschaum und elastischer Decklage wurden manuelle Messungen der Decklagendicke an jeweils 3 Stellen eines Querschnittes durchgeführt und gemittelt. Prinzipiell ist eine möglichst homogene Verteilung der Decklagendicke sowohl in als auch quer zur Injektionsrichtung gefordert, so dass homogene haptische Eigenschaften der Bauteile gewährleistet werden können.

In Abbildung 6 ist das Ergebnis der Schichtdickenanalyse für die Variation der Komponententemperatur des Kernmaterials dargestellt. Zu erkennen ist, dass der angussnahe Bereich der Bauteile generell eine geringere Decklagendicke aufweist und diese entlang des Fließweges zunimmt. Die Variation der Temperatur des Kernlagenmaterials beeinflusst dabei diesen Effekt nur bedingt. Auch deutet die hohe Standardabweichung an den einzelnen Querschnitten darauf hin, dass an diesen Stellen keine homogene Decklagendicke quer zur Strömungsrichtung vorliegt. Zusammenfassend lässt sich für die hier eingesetzte Materialkombination feststellen, dass eine möglichst hohe Kernmaterialtemperatur (TK = 60 °C) eingestellt werden sollte. Dadurch sinken die Viskosität des Kernmaterials und somit auch das Viskositätsverhältnis, was sich mit den Aussagen der Füllstudien deckt.

Schaummorphologie

Vor allem die Hebezeit tHebe, also die Dauer bis zum Beginn der Volumenerhöhung der Kavität, beeinflusst maßgeblich die resultierende Formteilausbildung (Abbildung 7). Zur Darstellung der Effekte werden zwei repräsentative Querschnittsbereiche (angussnah und fern) der Sandwich-Bauteile miteinander verglichen. Wird das Kavitätsvolumen zu spät erhöht (tHebe = 8 s) kommt es in einigen Bauteilbereichen zu unerwünschten Strömungseffekten, sodass sich die Decklagen miteinander verbinden. Dies beruht auf einer Druckerhöhung in der Kavität durch das reagierende Schaummaterial, sodass Decklagenmaterial ungleichmäßig verdrängt wird. Bei einer geringer eingestellten Hebezeit von 4 s wird dem Kernmaterial frühzeitig Volumen zur Schaumbildung bereitgestellt, sodass eine druckinduzierte Umverteilung des Decklagenmaterials nicht stattfindet. Weiterhin lässt sich erkennen, dass die Schaummorphologie für beide Versuchspunkte entlang des Fließweges gering variiert. Im angussnahen Bauteilbereich bildet sich für beide Hebezeiten eine im Vergleich zum angussfernen Bereich grobzelligere Schaumstruktur aus. Die Unterschiede über den Querschnitt sind als gering zu bezeichnen, es zeigt sich hierbei ein sehr einheitliches Schaumbild. Somit lässt sich zusammenfassen, dass die Hebezeit keinen großen Einfluss auf die Schaummorphologie hat, sehr wohl aber auf die Formteilausbildung, sodass die Hebezeit so gering wie möglich (tHebe = 4 s) eingestellt werden sollte.

Effekte bei der Herstellung endlosfaserverstärkter Sandwich-Bauteile
Im Herstellungsprozess konnten nur mit dem Glasfasergelege mit einem geringen Flächengewicht (631 kg/m²) faserverstärkte Sandwich-Bauteile hergestellt werden, die eine gleichmäßige Sandwich-Struktur (Decklage – Kern – Decklage) aufweisen. Beim Einsatz des Fasergeleges mit einem höheren Flächengewicht (1.212 kg/m²) ist der Fließwiderstand für das Decklagenmaterial während des Dosierens des Kernmaterials zu groß, sodass sich das Fasergelege von den Kavitätswänden in die Bauteilmitte verschiebt (Abbildung 8). Hierdurch resultiert eine nicht vollständige und inhomogene Formteilausbildung. Generell zeigt sich für das Fasergelege mit dem geringeren Flächengewicht eine homogene Formteilausbildung, allerdings weisen die angussfernen Bauteilbereiche eine schlechtere Imprägnierung auf (Abbildung 9), wodurch einzelne Fasern frei an der Bauteiloberfläche vorliegen. Dies lässt sich auf die höhere Viskosität des Decklagenmaterials zurückführen, wenn es, verdrängt durch das Kernmaterial, die angussfernen Bereiche des Faserhalbzeuges erreicht.

Zur Verringerung der beschriebenen Effekte wurde eine Anpassung der Prozessführung durchgeführt, sodass das Kavitätsvolumen zu Prozessbeginn dem Dosiervolumen des Decklagenmaterials entspricht und erst erhöht wird, wenn das Kernmaterial dosiert wird (vergleiche Abbildung 2). Durch diese Prozessanpassung wird die geringe Startviskosität des Decklagenmaterials genutzt, um das gesamte Faserhalbzeug zu imprägnieren anstatt die Vorreaktionszeit abzuwarten, bevor die angussfernen Bereiche imprägniert werden. Abbildung 10 stellt zwei repräsentative Mikroskopieaufnahmen der angussfernen Bereiche der Decklage dar. Für die nicht angepasste Prozessführung sind die an der Bauteiloberfläche liegenden Fasern zu erkennen, wohingegen die optimierte Prozessführung eine bessere Durchdringung des Glasfasergeleges durch das Decklagenmaterial ermöglicht.

In Abbildung 11 sind Sandwich-Bauteile mit den zwei realisierbaren Materialkombinationen (elastische Decklage mit Weich- bzw. Hartschaumkern) und verschiedenen Bauteil- und Decklagendicken sowie mit faserverstärkten Decklagen beispielhaft dargestellt. Somit konnte unter anderem die Prozessfähigkeit dieser PUR-Systeme und deren Kombination für das Sandwich-RIM-Verfahren validiert werden.

Fazit und Ausblick
Anhand der Untersuchungen zum vorgestellten Sandwich-RIM-Prozess kann gezeigt werden, dass ebene Sandwich-Bauteile mit einer eingeschränkten Kombinationsmöglichkeit aus Decklagen- und Kernmaterial hergestellt werden können. Es besteht weiterhin die Option der Faserintegration in die Decklagen, um eine Steigerung der mechanischen Eigenschaften zu ermöglichen. Durch eine optimierte Prozessführung kann die Imprägnierqualität beim Einsatz von unterschiedlichen Glasfaserhalbzeugen entlang des Fließweges optimiert werden. In den Versuchen konnte nachgewiesen werden, dass vor allem das resultierende Viskositätsverhältnis, aber auch die Dauer bis zur Volumenerhöhung der Kavität maßgeblich die Formteilausbildung beeinflussen. Als weiterer wichtiger Einflussfaktor bei der Herstellung faserverstärkter Sandwich-Bauteile konnte das eingesetzte Faserhalbzeug identifiziert werden. Die komplexen Wirkzusammenhänge zwischen der Reaktionskinetik der PUR-Systeme, den Druckverhältnissen in der Kavität und dem daraus resultierenden Einfluss auf die Formteilausbildung führen zu einem hohen experimentellen Aufwand zur Identifikation geeigneter Prozessparameter. Die entwickelten systematischen Ansätze zur Bestimmung des Viskositätsverhältnisses und zur Analyse der Formteilprozesses (Füllstudien, Bauteilherstellung, Parameteranalyse) können dazu beitragen, den Prozess effizienter einzustellen.  

Zum Transfer der Ergebnisse müssen die Optimierung des Werkzeugs, die Anpassung der Materialien und die Herstellung komplexer Geometrien (gekrümmte Oberflächen oder Versteifungsstrukturen) analysiert werden. Hinsichtlich des Werkzeugs ist die Integration einer Überlaufkavität eine Möglichkeit, die Fließfront des Kernmaterials über das gesamte Bauteil gleichmäßiger einzustellen. Zur Verarbeitung duroplastischer PUR-Systeme ist die Verwendung eines Tauchkantenwerkzeugs in einem weggeregelten Formträger ein vielversprechender Ansatz, sodass die Funktionsweise des Werkzeugs geringer eingeschränkt wird. Neben den werkzeugtechnischen Aspekten können die Weiterentwicklung, der Einsatz und die Auswahl der PUR-Systeme ein Schwerpunkt künftiger Forschungsaktivitäten darstellen. Neben dem bereits angesprochen Einsatz duroplastischer PUR-Systeme für die Decklage kann auch die Integration von Kohlenstoff- oder Aramidfasern zur Erzielung hoher mechanischer Eigenschaften und Übertragung auf weitere Anwendungsbereiche angestrebt werden. So könnte das hohe Potenzial dieser Technologie für den Einsatz in einem breiten Anwendungsspektrum (haptisch hochwertige Komponenten, Verkleidungselemente und strukturelle Bauteile) durch die Vielzahl an theoretischen Kombinationsmöglichkeiten (elastische oder duroplastische Decklage; Weich- oder Hartschaumkern; unterschiedliche Faserhalbzeuge) ausgeschöpft werden. 

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 Bundes-ministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Allen Institutionen gilt unser Dank.

Literatur
[1] Schreier, P.; Mühlbacher, M.; Fafara, M.; Neumeyer, T.; Altstädt, V.: Sandwich mit thermoplastischen Partikelschäumen. Plastverarbeiter 02 (2016), S. 34-38
[2] Wolfsberger, G.; Kleba, I.: PU-Nasspressverfahren zur Herstellung von Faserverbund-Sichtbauteilen mit werkzeugfallender Class-A-Oberfläche. PU Magazin 15 (2015) 1, S. 38-41
[3] Bauernfeind, C.; Wintereder, C.; Eisen, N.; Schwemmer, M.; Döring, M.: Leichte Masse mit Klasse. Kunststoffe 03/2016, S. 38-40
[4] N. N.: Bienenwabe auf dem Autodach. FAPU 90 (2015), S. 6
[5] Sattel, M.: Leichtbau zu unseren Füßen. Kunststoffe 06/2016, S. 44-46
[6] Bürkle, E.: Bauteile mit einem Schaumkern und Faserverbunddeckschichten. URL: https://www.kunststoffe.de/specials/faserverbundwerkstoffe/bauteile-mit-einem-schaumkern-und-faserverbunddeckschichten, 20.11.2014
[7] Leppkes, R.: Polyurethane – Werkstoff mit vielen Gesichtern. Landsberg/Lech: Verlag Moderne Industrie, 2003
[8] Liman, U.: Polyurethane (PUR) – Maßgeschneiderte Alleskönner für zahlreiche innovative Anwendungen. Kunststoffe 10/2014, S. 108-117
[9] Zipp, T.: Fließverhalten beim 2-Komponenten-Spritzgießen. RWTH Aachen, Dissertation, 1992 – ISBN: 3-86073-071-1
[10] Grunberg, L.; Nissan, A.H.: Mixture Law For Viscosity. Nature 164 (1949), p. 799
[11] Fu, Z.: Group Contribution Modeling Of Physical Properties during Urethane Reaction. Master Thesis at the University of Missouri-Columbia, 2014
[12] Hopmann, Ch.; Schneider, D.: Zum Sandwich in einem Schritt – sequentielles Herstellungsverfahren von PUR-Sandwich-Bauteilen mit faserverstärkten Decklagen. FAPU 90 (2015), S. 35-38
 

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