Zeitschrift Kunststofftechnik Journal of Plastics Technology · Moritzer, Müller et al....

4Autor Titel (gegebenenfalls gekürzt)

© Carl Hanser Verlag Zeitschrift Kunststofftechnik / Journal of Plastics Technology 14 (2018) 1

14 (2018) 1

eingereicht/handed in: 22.02.2017 angenommen/accepted: 25.10.2017

Prof. Dr.-Ing. Elmar Moritzer; Dr.-Ing. Ellen Müller; Jannik Jilg, M.Sc.; Yannick Martin, M.Sc. Kunststofftechnik Paderborn (KTP), Universität Paderborn

Die effiziente Materialentwicklung mittels Spritzgießdirektcompoundierung (SGDC)

Die Herstellung und Entwicklung von maßgeschneiderten Kunststoffcompounds für produktspezifi-sche Anwendungen ist ein zeitaufwendiges und teures Unterfangen in der herkömmlichen Rezep-turentwicklung. Insbesondere die traditionelle Compoundierung wird nur von spezialisierten Konzer-nen vorgenommen, welche eine hohe Mengenleistung fordern und daher nicht bedarfsgerecht für das einzelne Unternehmen agieren können. Die hier vorgestellten Arbeiten mit der Spritzgießdirektcom-poundierung (SGDC) zeigen, dass eine produktspezifische Materialentwicklung für glasfaserverstärk-te Thermoplaste inline an der Spritzgießmaschine möglich ist. In der vorliegenden Abhandlung wer-den Untersuchungen der SGDC zur Materialentwicklung für glasfaserverstärktes Polypropylen aufge-zeigt. Zum einen wird der Einfluss der Additivierung auf das mechanische Materialverhalten charakte-risiert. Zum anderen wird die Analyse der Anlagentechnik und der Prozessführung dargestellt.

The efficient material development using Inline Injection Molding Compounding (IIMC)

The production and development of tailor-made plastic compounds for product-specific applications is a time-consuming and expensive proposition in the traditional compounding process. In particular, the classic compounding is only carried out by specialized concerns, which demand a high volume output and therefore cannot act for needs of individual companies. The presented work about Inline Injection Molding Compounding shows possibilities for product-specific material development of glass-fiber-reinforced Polypropylene. On the one hand, the influence of additives on the mechanical material be-havior is characterized. Moreover, the analysis of plant engineering and process management is pre-sented.

archivierte, peer-rezensierte Internetzeitschrift archival, peer-reviewed online Journal of the Scientific Alliance of Plastics Technology

Zeitschrift Kunststofftechnik

Journal of Plastics Technology

www.kunststofftech.com · www.plasticseng.com

© 2

018

Car

l Han

ser

Ver

lag,

Mün

chen

w

ww

.kun

stst

offte

ch.c

om

Nic

ht z

ur V

erw

endu

ng in

Intr

anet

- un

d In

tern

et-A

ngeb

oten

sow

ie e

lekt

roni

sche

n V

erte

ilern

.

Moritzer, Müller et al. Spritzgießdirektcompoundierung (SGDC)

Zeitschrift Kunststofftechnik 14 (2018) 1 2

Die effiziente Materialentwicklung mittels Spritz-gießdirektcompoundierung (SGDC)

E. Moritzer, E. Müller, J. Jilg, Y. Martin

1 MOTIVATION UND ZIELSETZUNG

Individuelle Produkte, die lediglich in geringen Stückzahlen gefertigt werden, gewinnen auch in der Kunststoffindustrie zunehmend an Geltung. Um der stei-genden Nachfrage nach kundenorientierten Systemlösungen gerecht zu wer-den, bedarf es einer optimalen Abstimmung zwischen den Anforderungen eines Produktes und der eingesetzten Materialrezeptur. Eine produktspezifische Compoundentwicklung ist mit auf dem Markt befindlichen Systemen jedoch nicht ökonomisch umsetzbar, da diese mit einem hohen zeitlichen und finanziel-len Aufwand verbunden ist. Gründe hierfür liegen u. a. in der Geschichte der Forschung und Entwicklung großer Rohstoffhersteller. Dort stehen seit den Neunzigerjahren prinzipiell zwei strategische Trends im Vordergrund [1].

Der erste Trend betrifft die Verfahrensentwicklung. Hier besteht das Ziel, immer kostengünstiger, immer mehr Volumen in kürzester Zeit zu produzieren, um den Bedarf an etablierten Kunststoffen abdecken zu können. Die logische Konse-quenz spiegelt sich in der zunehmenden Konsolidierung der Rohstoffbranche wider [2]. Der zweite Trend bezieht sich auf die Rohstoffentwicklung selbst. Dieser Trend handelt nicht von der Neuentwicklung von Kunststoffen, sondern von der Entwicklung von Copolymeren und Blends, um die in der Verfahrens-entwicklung erarbeiteten World-Scale-Anlagen auslasten zu können. Dies führt zu einer zunehmenden Standardisierung der etablierten Kunststoffe. Den Kon-strukteuren steht somit bei der Entwicklung neuer Kunststoffprodukte bezüglich der Polymerauswahl nur noch ein geringer Spielraum zur Verfügung. Die Chan-ce, einen Wettbewerbsvorteil über das eingesetzte Material zu erlangen, ist da-her klein [3].

In den vorliegenden Untersuchungen wird die technologische Verfahrensent-wicklung der Spritzgießdirektcompoundierung (SGDC) betrachtet, die eine In-tegration des Compoundierschrittes in den Spritzgießprozess und somit die Substitution des zusätzlichen Prozessschrittes der Aufbereitung vorsieht.

Das Ziel ist die Herstellung unterschiedlicher Rezepturen von glasfaserverstärk-tem Polypropylen mit zusätzlichen Additiven, um die Verfahrensentwicklung der SGDC anschließend bzgl. Mischgüte und Homogenisierung zu bewerten. Dazu werden unterschiedliche Typen des Polypropylens und verschiedene Additive (Haftvermittler, Dispergierhilfsmittel, Glasfasern) innerhalb der SGDC aufberei-tet und anschließend analysiert.

© 2

018

Car

l Han

ser

Ver

lag,

Mün

chen

w

ww

.kun

stst

offte

ch.c

om

Nic

ht z

ur V

erw

endu

ng in

Intr

anet

- un

d In

tern

et-A

ngeb

oten

sow

ie e

lekt

roni

sche

n V

erte

ilern

.



2 GRUNDLAGEN

Zur Einleitung der gesamten Ausarbeitung wird im Folgenden ein Überblick zu der herkömmlichen Rezepturentwicklung mittels Doppelschneckenextrusion und der Rezepturentwicklung der Spritzgießdirektcompoundierung (SGDC) auf-gezeigt. Ferner werden Grundlagen zu den glasfaserverstärkten Thermoplasten erläutert.

2.1 Traditionelle Rezepturentwicklung von Polymercom-pounds

Die herkömmliche Entwicklung einer neuen Kunststoffrezeptur setzt sich aus einem aufwendigen Prozessablauf zusammen, Bild 1:

Bestimmung der Anforderungen an die neue Rezeptur,

Herstellen der Compounds auf dem Doppelschneckenextruder,

Probekörperfertigung auf der Spritzgießmaschine,

Ermittlung von Kennwerten,

Ermittlung des Rezeptur-Eigenschafts-Zusammenhangs,

Rezepturabänderung und Optimierungszyklus bis gewünschte Eigen-schaften erzielt werden.

Bild 1: Traditioneller Rezepturentwicklungsprozess

Bei genauer Analyse des Ablaufs der Rezepturentwicklung zeigt sich, dass ge-rade der etablierte Entwicklungsprozess der Hauptgrund dafür ist, dass eine Neuentwicklung mit einem hohen zeitlichen und finanziellen Aufwand verbun-den ist [5]. An dieser Vorgehensweise hat sich in den letzten Jahrzehnten je-doch wenig geändert, auch wenn durch die Automatisierung und statistische Versuchsplanung der Ablauf erleichtert werden konnte. Der entscheidende Er-folgsfaktor in der herkömmlichen Rezepturentwicklung liegt immer noch in der Erfahrung und dem Fachwissen der an der Entwicklung beteiligten Mitarbeiter [6]. Eine produktspezifische Entwicklung neuer Kunststoffrezepturen ist aus

© 2

018

Car

l Han

ser

Ver

lag,

Mün

chen

w

ww

.kun

stst

offte

ch.c

om

Nic

ht z

ur V

erw

endu

ng in

Intr

anet

- un

d In

tern

et-A

ngeb

oten

sow

ie e

lekt

roni

sche

n V

erte

ilern

.



diesem Grund mit den derzeit auf dem Markt zur Verfügung stehenden Syste-men nur bedingt möglich.

2.2 Die Spritzgießdirektcompoundierung

Zur Beurteilung der sich einstellenden Bauteilqualität muss eine ganzheitliche Betrachtung des Produktentstehungsprozesses erfolgen. Die Qualität des Bau-teils ist von einer Vielzahl an Faktoren abhängig. Unter anderem spielen in der Prozessführung der SGDC die Eigenschaften der eingesetzten Rohmaterialien eine bedeutende Rolle. Diese sind zusammen mit den verfahrenstechnischen Bedingungen maßgeblich für die Werkstoffqualität verantwortlich, die sich wie-derum auf die sich einstellende Bauteilqualität auswirkt. Prozessablauf und eingesetzte Anlagentechnik

Um den Compoundierschritt in den Spritzgießprozess zu integrieren, werden verschiedene Zusatzkomponenten benötigt. Die eingesetzte Anlagentechnik besteht aus einer herkömmlichen Spritzgießmaschine. Beschickt wird die Spritzgießmaschine über eine gravimetrische Dosierung, welche eine prozess-stabile Dosierung von Rohpolymeren und Additiven, in kleinsten Mengen, si-cherstellt. Zwischen der Dosierung und der Spritzgießmaschine erfolgt eine mechanische Vormischung, um eine möglichst homogene und gleichbleibende Konzentrationsverteilung der Materialmischung, welche in das Plastifizieraggre-gat eingezogen wird, zu gewährleisten. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit eine statische Mischdüse in den Prozess zu integrieren, um eine weitere Ho-mogenisierung der Schmelze hervorzurufen. Der Spritzgießprozess kann ferner als konventionell bezeichnet werden, wobei über unterschiedliche Schnecken-konzepte eine Modifikation der Scher- und Mischwirkung während der Plastifi-zierung vorgenommen werden kann. Der verfahrenstechnische Ablauf des neu-en Konzeptes ist schematisch in Bild 2 dargestellt.

Bild 2: Verfahrenstechnischer Ablauf SGDC

Rezeptur-

Optimierungs-

Zyklus

Direktcompoundierung

Warten

Anforderungen?

Startrezeptur?

Neues

Compound

Prüfen

AuswertenSpritzgießen

Gravimetrische

Dosierung

Mechanische

Vormischung

© 2

018

Car

l Han

ser

Ver

lag,

Mün

chen

w

ww

.kun

stst

offte

ch.c

om

Nic

ht z

ur V

erw

endu

ng in

Intr

anet

- un

d In

tern

et-A

ngeb

oten

sow

ie e

lekt

roni

sche

n V

erte

ilern

.



2.3 Glasfaserverstärkte Kunststoffe

Das Prinzip der faserverstärkten Kunststoffe (FVK) ist die Kombination von mindestens zwei unterschiedlichen Werkstoff-Komponenten zu einem Ver-bundwerkstoff. Das Ziel dieses Verbundes ist, die Gebrauchseigenschaft zu verändern oder diese für einen bestimmten Anwendungsfall zu optimieren. Be-sondere Eigenschaften sind ein geringes Gewicht im Verhältnis zur mechani-schen Belastbarkeit sowie eine einstellbare Steifigkeit, Dämpfung und Wär-meausdehnung. Es können unterschiedliche Fasertypen in die Polymermatrix gemischt werden, sodass diese fixiert und von Umgebungseinflüssen abge-schirmt werden. Die resultierenden mechanischen Eigenschaften der Bauteile sind maßgeblich von der Orientierung der eingebrachten Fasern abhängig [7].

2.3.1 Kurzglasfaserverstärkte Kunststoffe

Die Einordnung der Faserlängenbereiche faserverstärkter Kunststoffe wird in drei Klassen vorgenommen – kurzfaserverstärkt (KFT), langfaserverstärkt (LFT) und endlosfaserverstärkt. In der Literatur sind unterschiedliche Definitionen bzgl. der Faserlängenbereiche zu finden, weshalb sich die Längeneinordnung der Glasfasern für die vorliegenden Untersuchungen an den Arbeiten von BRAST, OELGARTH und DITTMANN orientiert [8-11]. Die Einteilung wird in Bild 3 illustriert. Für die Untersuchung der Spritzgießdirektcompoundierung werden nur Glasfasern mit der Länge im KFT-Bereich von max. 4,5 mm Ausgangslänge verwendet.

In der Spritzgießverarbeitung der faserverstärkten Kunststoffe werden meist mit Kurzglasfasern versetze Granulate verwendet. Innerhalb der Plastifizierung wird die Faserlänge der Materialien reduziert. Die sich ergebenden Faserlängen im Bauteil sind daher von der Ausgangsfaserlänge, dem Matrixmaterial, dem Fa-serdurchmesser und den Verarbeitungsbedingungen (bspw. Schneckengeo-metrie) abhängig.

Bild 3: Einteilung der FVK bzgl. der vorliegenden Faserlänge nach [18]

© 2

018

Car

l Han

ser

Ver

lag,

Mün

chen

w

ww

.kun

stst

offte

ch.c

om

Nic

ht z

ur V

erw

endu

ng in

Intr

anet

- un

d In

tern

et-A

ngeb

oten

sow

ie e

lekt

roni

sche

n V

erte

ilern

.



2.3.2 Modellvorstellung bei der Faserverstärkung

Ein Faserverbundkunststoff besteht im Wesentlichen aus der eingesetzten Faser, dem Matrixmaterial und aus derer Grenzschicht. Die Faser dient der Versteifung und Verstärkung. Die Matrix dient der Krafteinleitung in die Fasern durch Schubspannungen und ist darüber hinaus für die Kraftüberleitung von Faser zu Faser von Bedeutung.

Die Verstärkung hängt hierbei von einer Vielzahl an Faktoren ab [12]:

Fasergehalt, Faserlänge und Faserorientierung im Bauteil,

Fasereigenschaften (Eigenfestigkeit, Steifigkeit und Schlichte),

Eigenschaften der Matrix (Viskosität, Molekulargewicht, Kristallinität etc.),

Faser-Matrix-Haftung (Haftvermittlung).

Mögliche Versagensbilder

Durch die Vielzahl der Verstärkungsfaktoren ergeben sich differenzierte Bruch-bilder, welche z.T. aus überlagerten Effekten dieser resultieren. In Bild 4 wer-den die möglichen Versagensfälle innerhalb des Faserverbundkunststoffes dar-gestellt. Um die Theorie hinter dem Faserbruch und dem Pull - Out zu verste-hen wird die kritische Faserlänge als Größe angeführt. Die kritische Faserlänge beschreibt die Faserlänge, bei der ein Brechen der Faser und somit relativ zur Faser eine optimale Festigkeit erreicht wird.

Unterkritische Faserlänge l < lkrit: Die Faser wird aus der Matrix heraus-gerissen. Demnach wird die Festigkeit der Faser nicht vollständig ausge-schöpft (Bild 4, „Faserauszug (Pull-Out)“).

Überkritische Faserlänge l > lkrit: Der Bruch erfolgt innerhalb der Faser (Bild 4, „Faserbruch“). Durch Erhöhung des Krafteinleitungsweges in die Faser erfolgt eine verbesserte Verbundhaftung zwischen Matrix und Fa-ser.

Bild 4: Darstellung von Faserbruch, Faserauszug, Matrixfließen und De-bonding [13, 14]

Rissverlauf

Faserbruch

l > lkrit

Faserauszug (Pull-Out)

l < lkrit

Faser-Matrix-Ablösung

(Debonding)

Matrixbruch bzw.

-verformung

© 2

018

Car

l Han

ser

Ver

lag,

Mün

chen

w

ww

.kun

stst

offte

ch.c

om

Nic

ht z

ur V

erw

endu

ng in

Intr

anet

- un

d In

tern

et-A

ngeb

oten

sow

ie e

lekt

roni

sche

n V

erte

ilern

.



2.3.3 Wichtige Additive für faserverstärkte Thermoplaste

Um die Eigenschaften an die Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab-stimmen zu können, ist der Einsatz von speziellen Additiven notwendig. Durch die Additive wird das Polymer verarbeitungs- und anwendungsgerecht modifi-ziert. Neben der Zugabe eines Dispergiermittels sind bei der SGDC faserver-stärkter Thermoplaste eine ausreichende Faserbündelaufspleißung, eine mög-lichst homogenen Verteilung in der umgebenden Matrix und die Versetzung mit geeigneten Haftvermittlern von Bedeutung.

Haftvermittler

Um ein optimales Verbundsystem von Fasern und Matrix zu generieren, muss eine gute Einleitung der auftretenden Kräfte von der Matrix in die Fasern reali-siert werden. Dafür ist eine bestmögliche Haftung zwischen den Komponenten anzustreben. Die Faser-Matrix-Haftung wird durch eine geringe chemische Ähn-lichkeit zwischen den Polymeren und Verstärkungsfasern erschwert, welches bspw. bei der Einarbeitung von Glasfasern in eine PP-Matrix der Fall ist [15]. Durch Zugabe spezieller Haftvermittler (HV), die eine Verbesserung der Faser-Matrix-Haftung hervorrufen, kann diesem Problem entgegen gewirkt werden.

Dispergierhilfsmittel

Damit die Zerteilung von Agglomeraten in kleinere Partikel (-anhäufungen) ver-bessert und gleichzeitig der Bildung von Agglomeraten entgegengewirkt wird, werden Dispergierhilfsmittel verwendet. Ein vollständiges Verhindern von Ag-glomerationsbildung kann auch bei Zugabe eines Dispergierhilfsmittels im All-gemeinen nicht ausgeschlossen werden, dennoch senkt es den Agglomerati-onsgrad weiter ab. Die Funktionsweise des Dispergiermittels beruht auf einer Veränderung der physikalisch-chemischen Wechselwirkungen zwischen den Partikeln und dem umgebenden Fluid. Dabei werden die Haftkräfte reduziert und/oder Abstoßungskräfte erhöht.

3 AUSGANGSMATERIALIEN

Der Fokus innerhalb der Untersuchungen liegt auf der Glasfaserverstärkung von thermoplastischen Grundmaterialien. Im Folgenden werden die untersuch-ten Matrixmaterialien und die Additive (Haftvermittler, Verarbeitungshilfsmittel, Glasfasern) genauer erläutert.

3.1 Matrixmaterial

Das eingesetzte Matrixmaterial bei faserverstärkten Thermoplasten wirkt sich auf die zu erzielenden Eigenschaften des Faserverbundsystems aus. Hierbei kommt den beiden teilkristallinen Thermoplasten Polypropylen (PP) und Poly-

© 2

018

Car

l Han

ser

Ver

lag,

Mün

chen

w

ww

.kun

stst

offte

ch.c

om

Nic

ht z

ur V

erw

endu

ng in

Intr

anet

- un

d In

tern

et-A

ngeb

oten

sow

ie e

lekt

roni

sche

n V

erte

ilern

.



amid (PA) die derzeit größte Bedeutung als Matrixmaterial für glasfaserverstärk-te Verbunde zu [16]. In dieser Abhandlung wird nur auf die Untersuchungen von PP eingegangen. PP besticht zum einen durch eine mittlere Steifigkeit und Fes-tigkeit bei geringer Dichte, zum anderen weist PP eine sehr gute thermische Stabilität sowie chemische Beständigkeit bei einem vergleichsweise niedrigen Preis im Vergleich zu den Polyamiden auf [17].

Bei der Versetzung von PP mit Glasfasern ist die Unpolarität dagegen negativ zu bewerten, da eine ausreichende Haftung der Verbundpartner erschwert wird. Dies setzt die Zugabe spezieller Haftvermittlersysteme sowie definierter Glasfa-serschlichten voraus [18,19].

Für die experimentellen Untersuchungen und die Erzeugung der Rezepturdaten werden insgesamt vier verschiedene PP-Typen des Herstellers Saudi Basic Industries Corporation eingesetzt. Diese unterscheiden sich insbesondere in ihren Matrixviskositäten bzw. den MFR-Werten (2,16 kg bei 230 °C), Tabelle 1.

PP

MFR η0 (TM=220°C) σM ac,N Et

[g/10 Min.] 2,16kg/230°C

[Pa·s] [MPa] [kJ/m2] [MPa]

SABIC

PP 500P 3,1 3900 41 - 1550

PP 575P 10,5 1000 43 1,5 1800

PP578N 25 510 42 2,1 2100

PP 579S 47 280 41 2,0 1900

Tabelle 1: Eigenschaften der eingesetzten Polymere

3.2 Eingesetzte Glasfasern

Aufgrund der guten mechanischen Eigenschaften sowie der guten thermischen und chemischen Beständigkeit bei einem geringen Preis, werden aus Alumini-um-Borosilikaten hergestellte Glasfasern eingesetzt [20]. Die Schnittglasfaser-bündel bestehen aus 150-300 Filamenten pro Bündel, die von einer Schlichte umschlossen sind. Die Schlichte hat zum einen die Aufgabe, innerhalb des Plastifizierprozesses die empfindlichen Fasern zu schützen und die vorliegende Reibung zu reduzieren. Zum anderen sorgt die Schlichte für eine bessere Fa-ser-Matrix-Anbindung und Benetzung der Fasern. Die verwendeten Fasern stammen von der Firma PPG Industries, Inc. und sind vom Typ HP3299 (Fa-serausgangslänge: 4,5 mm, Faserdurchmesser: 14 μm).

3.3 Eingesetzte Additive

In der vorliegenden Untersuchung wird ein Haftvermittler eines mit Maleinsäu-reanhydrid modifizierten PP namens PRIEX 20097 (Propfgehalt 0,45 %) der Firma Addcomp Holland BV eingesetzt. Zur Dispergierung der Glasfasern in einer PP-Matrix wird zusätzlich ein pulverförmiges Additiv namens Plastaid-T von der Firma Fine Organics Industries Pvt. Ltd. verwendet.

© 2

018

Car

l Han

ser

Ver

lag,

Mün

chen

w

ww

.kun

stst

offte

ch.c

om

Nic

ht z

ur V

erw

endu

ng in

Intr

anet

- un

d In

tern

et-A

ngeb

oten

sow

ie e

lekt

roni

sche

n V

erte

ilern

.



3.4 Definition der Standardrezeptur

Um die eingesetzte Anlagentechnik und Prozessführung bei konstanten Rezep-turen beurteilen zu können, wird auf Basis allgemeiner Erkenntnisse [11] eine PP - Standardrezeptur festgelegt (Tabelle 2). Wenn keine anderen Angaben zu dem Material getätigt werden, handelt es sich um die Standardrezeptur.

Matrix Fasergehalt (Faser-typ_Ausgangslänge)

Dispergierhilfe (DH)

Haftvermittler (HV)

PP-Standardre-

zeptur PP 579S

30 Gew.-% HP3299_4,5 mm

3 Gew.-% Plastaid-T

3 Gew.-% Priex 20097

Tabelle 2: Definition der Standardrezeptur

4 VERSUCHSDURCHFÜHRUNG

In der vorliegenden Arbeit werden Materialrezepturen definiert und Compoun-dieruntersuchungen mit der Doppelschneckenextrusion und der Spritzgießdi-rektcompoundierung durchgeführt. Anschließend werden die hergestellten Compounds in Form von Normprobekörpern mechanisch und optisch analy-siert. Die durchgeführten Untersuchungen und Analyseverfahren werden im Folgenden dargestellt.

4.1 Kenngrößen und Methoden zur Beurteilung der SGDC

Um den Prozess und die Rezeptureigenschaften der SGDC zu beurteilen, werden differenzierte Untersuchungen durchgeführt. Als Standardgeometrie wird der Vielzweckprobekörper vom Typ 1A gewählt (vgl. Bild 5). Dieser Vielzweckprobekörper erfüllt die Anforderungen der DIN EN ISO 3167 und kann für mehrere Analysen eingesetzt werden.

Bild 5: Vielzweckprobekörper vom Typ 1A mit Abmessungen nach [11]

© 2

018

Car

l Han

ser

Ver

lag,

Mün

chen

w

ww

.kun

stst

offte

ch.c

om

Nic

ht z

ur V

erw

endu

ng in

Intr

anet

- un

d In

tern

et-A

ngeb

oten

sow

ie e

lekt

roni

sche

n V

erte

ilern

.



Mechanische Eigenschaften

Für die Ermittlung der mechanischen Eigenschaften der Probekörper wird der Zug- (DIN EN ISO 527-1) bzw. Schlagversuch (DIN EN ISO 179, ungekerbt) an jeweils 10 Proben durchgeführt. An diesen Proben werden zusätzlich die Analysen bzgl. der Glasfasern vollzogen.

Glasfasergewichtsanteil ψF

Zur Bestimmung des Glasfasergewichtsanteils ψF von faserverstärkten Kunststoffen wird nach DIN EN ISO 1172 ein standardisiertes Verfahren verwendet. Hierfür ist zunächst die Masse mges der zu untersuchenden Probe zu ermitteln. Anschließend wird der Probekörper unter einer definierten Temperatur kalziniert. Nach der Kalzinierung ist die Masse mF des Rückstandes zu bestimmen. Die Massedifferenz zwischen Ausgangsgewicht und Rückstand ergibt in Relation zueinander den prozentualen Glasfasergewichtsanteil ψF.

Mit:

ρF Dichte der Faser,

ρM Dichte der Matrix,

φF Faservolumenanteil,

φM Matrixvolumenanteil.

Die Probekörperentnahmestelle ist, wenn nicht anders angegeben, die Mitte des Vielzweckprobekörpers (vgl. Bild 5).

Faservolumenanteil φF

Der Faservolumenanteil φF kann direkt aus dem Fasergewichtsanteil ψF über folgenden Zusammenhang bestimmt werden:

𝜑𝐹 = 𝜓𝐹 ∙𝜌𝑀

𝜌𝐹 ∙ 𝜓𝑀 + 𝜌𝑀 ∙ 𝜓𝐹

(2)

Faserlängenverteilung

Zur Ermittlung der Längenverteilung der Glasfasern im Probekörper werden diese zunächst von der Grundmaterialmatrix getrennt. Die Proben werden dazu im Muffelofen bei 650 °C verascht. Anschließend werden die Glasfaserproben in destillierten Wasser gelöst und in eine Petrischale gegeben. Danach werden die Glasfasern in der Petrischale mit Hilfe eines Scanners (2600 dpi Auflösung) digitalisiert.

Die digitalisierten Fasern werden mit der Software FiVer der Fördergemeinschaft für das Süddeutsche Kunststoff–Zentrum (FSKZ e.V.), die

𝜓𝐹 =𝑚𝐹

𝑚𝑔𝑒𝑠

= 𝜌𝐹 ∙𝜌𝐹

𝜌𝐹 ∙ 𝜑𝐹 + 𝜌𝑀 ∙ 𝜑𝑀 (1)

© 2

018

Car

l Han

ser

Ver

lag,

Mün

chen

w

ww

.kun

stst

offte

ch.c

om

Nic

ht z

ur V

erw

endu

ng in

Intr

anet

- un

d In

tern

et-A

ngeb

oten

sow

ie e

lekt

roni

sche

n V

erte

ilern

.



speziell für die Vermessung von Langfasern entwickelt wurde, vermessen. Die Software bietet die Möglichkeit überkreuzende und gebogene Fasern mit in die Messung aufzunehmen.

Diese Daten werden als Grundlage für die weiteren Auswertungen verwendet. Von den vorhandenen Werten werden im nächsten Schritt charakteristische Kenngrößen abgeleitet. Zunächst werden die Einzelwerte in n Häufigkeits-klassen zusammengefasst. Jeder Klasse wird dabei ein Längenbereich li zugeteilt. Die relative Häufigkeit jeder Klasse wird aus dem prozentualen Anteil der Fasern, die in dem jeweiligen Längenintervall liegen, berechnet. Hierbei wird zwischen anzahlgemittelter Häufigkeit hni

ℎ𝑛𝑖 =𝑛𝑖

∑ 𝑛𝑖𝑛𝑖=0

(3)

und die volumengewichtete Häufigkeit hvi [21]

ℎ𝑉𝑖 =𝑛𝑖 ∙ 𝑙𝑖

∑ (𝑛𝑖 ∙ 𝑙𝑖)𝑛𝑖=0

(4)

differenziert. Um eine quantitative Vergleichbarkeit zu gewährleisten, werden die relativen Häufigkeiten auf einen skalaren Wert bezogen [18]. Hieraus resultieren die anzahlgemittelte Faserlänge ln und die volumengewichtete Faserlänge lv:

𝑙𝑛 =∑ (𝑛𝑖 ∙ 𝑙𝑖)𝑛𝑖=0

∑ 𝑛𝑖𝑛𝑖=0

=∑(ℎ𝑛𝑖 ∙ 𝑙𝑖)

𝑛

𝑖=0

(5)

𝑙𝑉 =∑ (𝑛𝑖 ∙ 𝑙𝑖

2)𝑛𝑖=0

∑ (𝑛𝑖 ∙ 𝑙𝑖)𝑛𝑖=0

=∑(ℎ𝑉𝑖 ∙ 𝑙𝑖)

𝑛

𝑖=0

(6)

Optische Untersuchung

Die optische Beurteilung der Faser-Matrix-Haftung wird anhand von Raster-Elektronen-Mikroskop-Aufnahmen (kurz: REM, NEON® 40, Carl Zeiss AG) vorgenommen. Das REM ermöglicht eine 24 bis 24 000-fache Vergrößerung und eine Auflösung von bis zu 30 nm. Für die Probenvorbehandlung kam ein Gold-Palladium-Gemisch im Verhältnis von 80 : 20 als Sputtermaterial mit einer Schichtdicke von 3 nm zum Einsatz. Zur Beurteilung der Faserdispergierung kommt die μ-Computertomographie (CT) zur Verwendung (phoenix nanotom® s, GE Sensing & Inspection Technologies). Das CT erreicht eine Voxelgröße von 500 nm bei einem maximalen Probendurchmesser von 120 mm. Für weitere optische Beurteilungen wird das digitale Lichtmikroskop VHX 600 der KEYENCE Deutschland GmbH verwendet.

© 2

018

Car

l Han

ser

Ver

lag,

Mün

chen

w

ww

.kun

stst

offte

ch.c

om

Nic

ht z

ur V

erw

endu

ng in

Intr

anet

- un

d In

tern

et-A

ngeb

oten

sow

ie e

lekt

roni

sche

n V

erte

ilern

.



4.2 Compoundieruntersuchungen

4.2.1 Untersuchungen mit der Spritzgießdirektcompoundierung

Die eingesetzte Anlagentechnik besteht aus einer vollelektrischen, holmlosen Spritzgießmaschine der ENGEL AUSTRIA GmbH (e-motion 200/100). Be-schickt wird die Spritzgießmaschine über vier gravimetrische Dosierdifferential-waagen von der Brabender Technologie GmbH & Co. KG. Die rein mechani-sche Vormischung (keine Temperatur- und Schereinwirkung) wird durch den Mischer MX4 der Firma digicolor Gesellschaft für Kunststoffmaschinentechnik mbH vorgenommen. Das Konzept wird schematisch in Bild 6 aufgezeigt. Es wird die 3-Zonen-Standardmischschnecke des Maschinenherstellers ohne Scher- und Mischteile eingesetzt, Tabelle 3.

Bild 6: Schematische Darstellung der Spritzgießdirektcompoundierung

Einzugszone Kompressionszone Meteringzone

Länge L/D [-] 9,17 6,33 5

Gangtiefe h_E [mm] 4,90 4,90 – 2,05 2,05

Gangsteigung t/D[-] 30 30 30

Stegbreite e [mm] 3,43 3,43 3,43

Tabelle 3: Geometriedaten der 3-Zonen-Standardmischschnecke

4.2.2 Untersuchungen mit dem Doppelschneckenextruder

Um die Qualität der SGDC beurteilen zu können, wird diese mit der konventio-nellen Vorgehensweise verglichen (Compoundierung auf der Doppelschnecke mit anschließender Spritzgießverarbeitung: DSE und SG). Hierzu werden die gleichen Rezepturen zum einen auf einem Doppelschneckenextruder (Typ: ZSK 25, Hersteller: Coperion GmbH) compoundiert und anschließend spritzge-gossen. Die anschließende Verarbeitung, der im Doppelschneckenprozess her-

2. Mechanische Vormischung

4. Düsenkonzept

3. Schneckenkonzept

1. Gravimetrische Dosierung

© 2

018

Car

l Han

ser

Ver

lag,

Mün

chen

w

ww

.kun

stst

offte

ch.c

om

Nic

ht z

ur V

erw

endu

ng in

Intr

anet

- un

d In

tern

et-A

ngeb

oten

sow

ie e

lekt

roni

sche

n V

erte

ilern

.



gestellten Materialien, findet auf der schon für die SGDC eingesetzten Spritz-gießmaschine der Firma ENGEL AUSTRIA GmbH (e-motion 200/100) unter konstanten Prozessbedingungen statt. Somit werden aus den hergestellten Compounds vergleichbare Probekörper produziert.

Schneckenkonfiguration

Zylinderkonfiguration

Bild 7: Schneckenkonfiguration im Doppelschneckenextruder

© 2

018

Car

l Han

ser

Ver

lag,

Mün

chen

w

ww

.kun

stst

offte

ch.c

om

Nic

ht z

ur V

erw

endu

ng in

Intr

anet

- un

d In

tern

et-A

ngeb

oten

sow

ie e

lekt

roni

sche

n V

erte

ilern

.



4.3 Einfluss der Matrixviskosität

Es werden vier verschiedene PP-Materialien mit unterschiedlichen MFR-Werten bzw. Viskositäten eingesetzt, um den Einfluss der Viskosität des Matrixmateri-als auf die resultierenden Eigenschaften bei der Direktcompoundierung zu un-tersuchen. Die vier untersuchten Kunststoffe liegen in ihren Grundmaterialei-genschaften in einem vergleichbaren Eigenschaftsbereich (vgl. Tabelle 1).

4.4 Einfluss der Additivierung

Innerhalb der SGDC-Verarbeitung einer faserverstärkten Thermoplast-Matrix bedarf es der Zugabe von speziellen Additiven. Der Einfluss der Additivierung wird für das PP 579 S mit einem konstanten Zusatz von 30% Glasfasern unter-sucht.

Neben der notwendigen Additivierung mit Hilfe eines Haftvermittlers (HV) der PP-Matrix, ist die Zugabe einer Dispergierhilfe (DH) im SGDC-Prozess vorteil-haft, um eine ausreichende Bündelaufspleißung der Glasfasern zu gewährleis-ten. Um den Einfluss der beiden Additive bei einer faserverstärkten PP-Matrix zu analysieren, wird der Gewichtsanteil in den Grenzen von 0 Gew.-% bis 3 Gew.-% in einer Schrittweite von 1 Gew.-% variiert. Die Auswirkungen auf die Dispergiergüte und die sich ergebenden mechanischen Eigenschaften wurden daraufhin in Kombination untersucht (10 Probekörper je Versuchskonfiguration).

4.5 Analyse der Anlagentechnik und Prozessführung

Für einen geeigneten Prozessablauf der SGDC müssen die einzelnen Anlagen-komponenten detailliert untersucht und hinsichtlich ihres Einflusses auf den Ge-samtprozess beurteilt werden. Neben einer ausreichenden Mischgüte im Pro-zess und der Auswirkungen spezieller Maschinenkonfigurationen ist der Ein-fluss der einzelnen Prozessparameter und die Kenntnis des Plastifizierverlaufs sowie der Fasereinarbeitung entscheidend. Darüber hinaus muss für eine kor-rekte Einordnung der SGDC ein Vergleich zur konventionellen Compoundierung erfolgen. Zusätzlich soll die Möglichkeit die SGDC für die Produktion realer Bauteile einzusetzen bewertet werden.

Analyse zur Mischgüte innerhalb der SGDC

An verschiedenen Positionen im SGDC-Prozess erfolgt eine Probenentnahme, um die Mischgüte (Additivgehalt, Glasfasergehalt) und die Glasfaserlängenre-duktion während des gesamten Prozessverlaufs beurteilen zu können, Bild 8:

Position 1: Probenentnahme im Einzugsbereich

Position 2: Probenentnahme entlang der Schnecke mit Hilfe von Dead-Stop-Experimenten

© 2

018

Car

l Han

ser

Ver

lag,

Mün

chen

w

ww

.kun

stst

offte

ch.c

om

Nic

ht z

ur V

erw

endu

ng in

Intr

anet

- un

d In

tern

et-A

ngeb

oten

sow

ie e

lekt

roni

sche

n V

erte

ilern

.



Position 3: Probenentnahme entlang des Probekörpers.

Bild 8: Probenentnahme zur Bewertung der Mischgüte der SGDC

Die Mischgüte an Prozessposition 1 (nach der Vormischung, vor dem Einzug ins Aggregat) wird nach folgendem Vorgehen bestimmt: Im laufenden Prozess erfolgt mit Hilfe von geeigneten Bechergläsern im Einzug des Plastifizieraggre-gates die Entnahme von insgesamt sechs Proben. Diese werden daraufhin mit Hilfe einer Siebanalyse separiert, um die Anteile der einzelnen Komponenten zu ermitteln. Bei Vorhandensein eines pulverförmigen Additivs, z.B. Dispergier-hilfsmittel (DH), müssen die in dem Auffangbehälter zurückgebliebenen Glasfa-sern zusammen mit dem vorhandenen Pulver und den Glasfasern auf dem Sieb mit 1,0 mm Maschenweite verascht werden, um auch diese beiden Komponen-ten voneinander zu trennen. Der Grund hierfür ist, dass einzelne Glasfasern auch in den Auffangbehälter gelangen.

Um die Mischgüte im weiteren Prozess beurteilen zu können, werden Dead-Stop-Experimente durchgeführt und unterschiedliche Proben entlang der Schnecke (Prozessposition 2) entnommen. Die erste Probenentnahme erfolgt bei einem L/D-Verhältnis von 8,1 am Ende der Einzugszone, da die einzelnen Rezepturbestandteile in den ersten Schneckengängen noch in einem vereinzel-ten und nicht konsolidierten Zustand vorliegen. Daher ist keine zusammenhän-gende Entnahme in diesem Bereich möglich, Bild 9. Zur besseren Unterschei-dung zwischen Faser und Matrix wurden 2 Gew.-% Farbmasterbatch einge-setzt.

3 2

1

Mechanische Vormischung

Plastifizierung

Gravimetrische Dosierung

© 2

018

Car

l Han

ser

Ver

lag,

Mün

chen

w

ww

.kun

stst

offte

ch.c

om

Nic

ht z

ur V

erw

endu

ng in

Intr

anet

- un

d In

tern

et-A

ngeb

oten

sow

ie e

lekt

roni

sche

n V

erte

ilern

.



Bild 9: Dead – Stop – Experiment, L/D – Verhältnis = 8,1 [11]

Der Verlauf der Fasergehalte über dem Probekörper ist nur dann aussagekräf-tig, wenn diese auch innerhalb des Prozesses lediglich geringen Schwankun-gen unterliegen (Prozessposition 3). Hierzu werden die Fasergehalte an mehre-ren Bauteilen innerhalb eines quasistationären Prozesses bei unterschiedlichen Dosiergeschwindigkeiten untersucht.

Analysen des Plastifizierverlaufs der SGDC

Mit Hilfe der Dead-Stop-Experimente werden weitere Proben entlang der Schneckenlänge entnommen, um den Plastifizierverlauf bei der SGDC mit den Besonderheiten der Faserbündeleinarbeitung zu untersuchen, vgl. Bild 9.

4.5.1 Verlauf der Faserschädigung

Der Verlauf der Faserlängen über die Schneckenlänge und im Bauteil selbst gibt Aufschluss über die Einarbeitung der Glasfaserbündel und die eintretende Faserschädigung. Es bietet sich neben der Analyse des Faserlängenverlaufs auch die Untersuchung der Faserlängenverteilung an. BAILEY und KRAFT emp-fehlen für die Auswertung von Faserlängenverteilungen mit großer Spannweite die Anwendung des sogenannten dreimodalen Modells [22]. Dabei wird eine Einteilung in drei charakteristische Faserlängenbereiche ausgehend von der Faserausgangslänge vorgenommen:

Bereich A: Bereich der Kurzglasfasern mit ausgeprägtem Maximum,

Bereich B: Fasern mittlerer Länge mit gleichmäßiger Klassenbelegung ohne eindeutiges Maximum,

Bereich C: Fasern im Bereich der Ausgangsfaserlänge und nur geringfügig verkürzte Fasern repräsentieren den Langfaserbereich.

4.5.2 Verlauf der Homogenisierung und Fasereinarbeitung

Für die Untersuchung der fortschreitenden Homogenisierung und Fasereinar-beitung im Plastifizierverlauf werden Schliffbilder und CT-Aufnahmen unter-schiedlicher Proben der Kanäle entlang der Schnecke angefertigt, Bild 10.

© 2

018

Car

l Han

ser

Ver

lag,

Mün

chen

w

ww

.kun

stst

offte

ch.c

om

Nic

ht z

ur V

erw

endu

ng in

Intr

anet

- un

d In

tern

et-A

ngeb

oten

sow

ie e

lekt

roni

sche

n V

erte

ilern

.



Bild 10: Probenentnahme der Dead – Stop – Untersuchungen zur Analyse des Plastifizierverlaufs [11]

Die CT-Aufnahmen dienen aufgrund des Dichteunterschiedes zwischen Glasfa-sern und Polymer zur Analyse der zunehmenden Aufspleißung der Faserbündel und Einarbeitung derselben. Die Schliffbilder geben Auskunft über die Lage der einzelnen Rezepturbestandteile, die zunehmende Homogenisierung sowie die Lage des Feststoffbettes, vgl. Bild 11. In den Dead-Stop-Untersuchungen wer-den 2 Gew.-% rotes Masterbatch zur Verbesserung des Kontrastes für die Schliffbilder hinzugegeben.

Für die Erzeugung der Schliffbilder erfolgt zunächst eine Kalteinbettung der Proben sowie ein Schleifen, Polieren und Reinigen der zu betrachtenden Ober-fläche. Daraufhin können die Schliffbilder unter einem Mikroskop digitalisiert und ausgewertet werden.

Bild 11: 3 – Zonen – Standardschnecke, Schliffbilderübersicht [11]

© 2

018

Car

l Han

ser

Ver

lag,

Mün

chen

w

ww

.kun

stst

offte

ch.c

om

Nic

ht z

ur V

erw

endu

ng in

Intr

anet

- un

d In

tern

et-A

ngeb

oten

sow

ie e

lekt

roni

sche

n V

erte

ilern

.



5 ERGEBNISSE

5.1 Analysen zum Einfluss der Matrixviskosität

Bei der Analyse der Ergebnisse wird deutlich, dass mit steigendem MFR-Wert und damit sinkender Viskosität eine Zunahme der mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit und Schlagzähigkeit) zu verzeichnen ist, Bild 12. Dies liegt an der besseren Dispergierung der Glasfasern in der Polymermatrix. Eine allgemein-gültige Aussage kann an diesem Punkt nicht erfolgen, da weitere Materialien bei unterschiedlichen Viskositäten überprüft werden müssen. Für weitere ver-fahrenstechnische Untersuchungen wurde daher zunächst das PP 579 S ver-wendet.

Bild 12: Zug- und Schlagfestigkeit in Abhängigkeit des MFR - Wertes (Re-zeptur PP GF30 (HP3299) mit 3% HV + 3% DH

5.2 Analyse zum Einfluss der Additivierung

Das Ergebnis zum Einfluss der Additivierung mit Haftvermittler und Dispergier-hilfsmittel zeigt, dass die ausschließliche Zugabe des Dispergierhilfsmittels eine Verringerung der Zugfestigkeit von 98 N/mm² auf 70 N/mm² und eine Verringe-rung der Schlagzähigkeit von 37 kJ/m² auf 29 kJ/m² bewirkt, Bild 13. Der Grund hierfür ist der chemische Aufbau des Dispergierhilfsmittels. Die Dispergierhilfe lagert sich auf der Faseroberfläche (z.T. an die fasergebundene Schlichte) an, und der unpolare Anteil des Additivs orientiert sich infolgedessen in die entge-gengesetzte Richtung. Dies führt zum einen zu einer verbesserten Dispergier-güte durch das erleichterte Abgleiten der Fasern voneinander. Zum anderen zu einer Behinderung der Faser-Matrix-Anbindung durch ein Herabsetzen der haft-vermittelnden Wirkung der Faserschlichte. Die gesonderte Betrachtung des Haftvermittlers führt dagegen eindeutig zu einem Anstieg der Zugfestigkeit und Schlagzähigkeit, Bild 13.

0

20

40

60

80

100

3,1 10,5 25 47

MFR-Wert der Matrix [g/10 Min.]

Zugfestigkeit σM [N/mm2] Schlagzähigkeit ac,U [kJ/m2]

Zu

gfe

sti

gke

it σ

M[N

/mm

²]

Sc

hla

gzä

hig

ke

it a

c,U

[N/m

m²]

Zugfestigkeit σM Schlagzähigkeit ac,U

© 2

018

Car

l Han

ser

Ver

lag,

Mün

chen

w

ww

.kun

stst

offte

ch.c

om

Nic

ht z

ur V

erw

endu

ng in

Intr

anet

- un

d In

tern

et-A

ngeb

oten

sow

ie e

lekt

roni

sche

n V

erte

ilern

.



Bild 13: Mechanische Eigenschaften in Abhängigkeit des Additivgehalts, PP 579 S 30% GF

Werden beide Additive in Kombination eingesetzt, führt dies dazu, dass der Haftvermittler die Festigkeitsverringerung des Dispergieradditivs in gewissem Maße ausgleicht, indem er die für einen guten Verbund notwendige Faser-Matrix-Haftung deutlich verbessert. Der Anteil des Dispergieradditivs sollte für das untersuchte PP 579 S eine ausreichende Faserverteilung mindestens 2 Gew.-% betragen, unterhalb dieser Konzentration stellt sich keine zufrieden-stellende Faserdispergierung ein. Die für eine hinreichende Faser-Matrix-Haftung vorliegende Konzentration des Haftvermitters beträgt ebenfalls mindes-tens 2 Gew.-%. Nur so kann eine ausreichende Dispergiergüte bei gleichzeitig hohen mechanischen Eigenschaften für das PP 579 S gewährleistet werden.

Um weitere Rückschlüsse des Einflusses der Additivierung auf die mechani-sche Festigkeit zu erhalten, sind REM-Aufnahmen von den Bruchflächen von verschieden additivierten Probekörpern angefertigt worden (vgl. Bild 14). Es wurden alle Kombinationsmöglichkeiten mit und ohne 3 Gew.-% Haftvermittler (HV) bzw. Dispergierhilfe (DH) betrachtet. Die Ergebnisse der REM-Aufnahmen korrelieren mit den bei den mechanischen Eigenschaften festgestellten Zu-sammenhängen und zeigen deutliche Auswirkungen der Additivzugaben auf die Faser-Matrix-Haftung. Ohne Additivzugabe liegt eine schlechte Faser-Matrix-Haftung bei gleichzeitig unzureichender Faserdispergierung vor (A, B). Es sind noch Faseranhäufungen in der Bruchfläche zu sehen (A). Die Matrix zeigt keine deutliche Anbindung an die Fasern (B). Die Zugabe des Haftvermittlers verbes-sert die Faser-Matrix-Haftung deutlich, jedoch ist die Separierung und homoge-ne Verteilung der Fasern in der Matrix noch nicht zufriedenstellend, da noch Faserbündelanteile in der Bruchfläche vorzufinden sind (C, D). Eine ausschließ-liche Zugabe von 3 Gew.-% der Dispergierhilfe sorgt für eine ausreichend ho-mogene Verteilung der Fasern in der umgebenden Matrix, allerdings ist die Fa-ser-Matrix-Haftung faktisch nicht existent (E, F). In diesem Fall werden zudem ein hoher Pull-Out-Anteil und Faserabdrücke festgestellt. Dies deckt sich mit den Ergebnissen aus dem Zug- und Schlagversuch, denn die geringste Zugfes-tigkeit und Schlagzähigkeit liegt bei ausschließlicher Zugabe von 3 Gew.-% des Dispergieradditivs vor. Die REM - Aufnahmen bei der kombinierten Additivkom-bination aus Haftvermittler und Dispergierhilfe zeigen dagegen eine gute Faser-

© 2

018

Car

l Han

ser

Ver

lag,

Mün

chen

w

ww

.kun

stst

offte

ch.c

om

Nic

ht z

ur V

erw

endu

ng in

Intr

anet

- un

d In

tern

et-A

ngeb

oten

sow

ie e

lekt

roni

sche

n V

erte

ilern

.



Matrix-Adhäsion bei einer gleichzeitig zufriedenstellenden Dispergierung der Fasern in der umgebenden Matrix. Dies geht ebenfalls mit höheren mechani-schen Kennwerten einher (G, H). In Bild 13 (s. Markierung) wird auf Basis der mechanischen Kennwerte und der ermittelten Dispergiergüte aus den REM-Untersuchungen das Optimum für die geprüften Rezepturen mit 3 Gew.-% Haftvermittler und 3 Gew.-% Dispergierhilfsmittel festgehalten.

Bild 14: REM – Aufnahmen der Bruchflächen aus dem Zugversuch [11]

5.3 Vergleich der SGDC zur konventionellen Doppelschne-ckencompoundierung

Im direkten Vergleich der beiden Compoundierkonzepte weisen die Ergebnisse für die SGDC bzgl. der mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit, Schlagzä-higkeit) höhere Werte auf, Bild 15. Hierbei erfolgte bei beiden Compoundier-konzepten der Einsatz der gleichen Rezepturen (PP 579S X*GF (HP3299) + 3 Gew.-% HV + 3 Gew.-% DH), wobei der Fasergehalt zwischen 20 und 50 Gew.-% variiert wurde. Bei der herkömmlichen Compoundierung auf der Doppelschnecke wird die Einarbeitung von mehr als 40 Gew.-% Glasfasern aufgrund des geringen Schneckendurchmessers (D = 25 mm) der eingesetzten Doppelschneckenanlage als kritisch eingestuft, weshalb für diesen Fasergehalt keine Doppelschneckencompoundierung durchgeführt werden konnte.

C

A

E

G

D

B

F

H

10μm

10μm

40μm

40μm

40μm 10μm

100μm 10μm

© 2

018

Car

l Han

ser

Ver

lag,

Mün

chen

w

ww

.kun

stst

offte

ch.c

om

Nic

ht z

ur V

erw

endu

ng in

Intr

anet

- un

d In

tern

et-A

ngeb

oten

sow

ie e

lekt

roni

sche

n V

erte

ilern

.



Bild 15: Vergleich der mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit des Fasergewichtsanteils zwischen der DSE+SG und der SGDC

Der Hauptgrund für die deutlich besseren mechanischen Eigenschaften liegt in der Tatsache begründet, dass die erzielten Faserlängen im direktcompoundier-ten Probekörper teilweise deutlich über den Faserlängen der auf konventionel-lem Wege gefertigten Probekörper, liegen (vgl. Bild 16).

Der in die Schmelze eingebrachte Schereintrag ist innerhalb des Plastifizierpro-zesses auf der Spritzgießmaschine wesentlich geringer, was zu einer reduzier-ten Faserlängenabnahme im SGDC-Prozess führt. Zudem durchlaufen die Fa-sern bei der Direktcompoundierung nur einen Prozessschritt. Ferner wird deut-lich, dass das DSE-Granulat im anschließenden Spritzgießprozess nur eine geringfügige Schädigung erfährt, da die Fasern im Kurzfaserbereich schon eine ausreichend geringe Knicklänge aufweisen.

Bild 16: Vergleich der anzahlgemittelten Faserlängen über den Faserge-wichtsanteil zwischen DSE+SG, DSE-Granulat und der SGDC

0

20

40

60

80

100

120

20 30 40 50

Zu

gfe

sti

gke

it σ

M[M

Pa

]

Fasergewichtsanteil ψF [Gew.-%]

DSE und SG SGDC

0

5

10

15

20

25

30

35

40

20 30 40 50Sch

lag

zäh

igkeit

ac

U[k

J/m

2]


DSE und SG SGDC

0

100

200

300

400

500

600

700

800

20 30 40 50

An

zah

lgem

. F

aserl

än

ge l

n[μ

m]


DSE und SG DSE-Granulat SGDC

© 2

018

Car

l Han

ser

Ver

lag,

Mün

chen

w

ww

.kun

stst

offte

ch.c

om

Nic

ht z

ur V

erw

endu

ng in

Intr

anet

- un

d In

tern

et-A

ngeb

oten

sow

ie e

lekt

roni

sche

n V

erte

ilern

.



5.4 Analysen zur Mischgüte im SGDC – Prozess

5.4.1 Ergebnisse zur mechanischen Vormischung

Bild 17 zeigt, dass die vorliegenden mittleren Ist-Konzentrationen im Einzug nahe an den vorgegebenen Sollkonzentrationen von 30 % bzw. 40 % Glasfa-seranteil liegen. Die Abweichung des gemessenen Anteils des Dispergierhilfs-mittels sind im Vergleich zur Sollkonzentration größer, liegen jedoch in einem akzeptablen Bereich von maximal 0,7 % Abweichung.

Auch wenn Faser-Matrix-Additiv-Entmischungen in gewissem Maße nicht aus-geschlossen werden können, eignet sich der Vormischer zur Übergabe der ge-wünschten Konzentrationen an das Plastifizieraggregat. Die Entmischung kann durch die teilweise deutlich unterschiedlichen Schüttdichten der Komponenten begründet werden, die die Erzeugung einer homogenen Mischung erschweren.

Bild 17: Soll – Ist – Vergleich der Probenentnahmestelle am Vormischer

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Fa

se

rge

wic

hts

an

teil

ψF

[Ge

w.-

%] Soll

Ist

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

An

teil

DH

[G

ew

.-%

]

Soll

Ist

© 2

018

Car

l Han

ser

Ver

lag,

Mün

chen

w

ww

.kun

stst

offte

ch.c

om

Nic

ht z

ur V

erw

endu

ng in

Intr

anet

- un

d In

tern

et-A

ngeb

oten

sow

ie e

lekt

roni

sche

n V

erte

ilern

.



5.4.2 Ergebnisse zum Fasergewichtsanteil entlang der Plastifizierung

Bei der Beurteilung der Fasergehaltsentwicklung der Standardrezeptur (vgl. Tabelle 2) über der Schneckenlänge wird ersichtlich, dass eine Annäherung auf den Sollfasergehalt von 30 % vorliegt, Bild 18. Mit steigendem L/D-Verhältnis erfolgen eine steigende Homogenisierung und damit ein Einpendeln auf den eingestellten Fasergehalt. Dies ist auch an den relativ hohen Standardabwei-chungen der ersten drei Proben im Einzugs- und Kompressionsbereich zu er-kennen. Im Bauteil selbst liegen nur noch sehr geringe Unterschiede in den Fa-sergewichtsanteilen vor und auch die Standardabweichung ist wesentlich gerin-ger. Der Vorgang der Probenentnahme entlang der Schnecke ist in Absatz 4.5 erläutert. Die Proben stammen aus der Prozessposition 2, welche in Bild 8 cha-rakterisiert wird.

Bild 18: Fasergehalt an unterschiedlichen L/D – Verhältnissen

5.4.3 Verlauf der Faserschädigung

Die Probenentnahme zur Ermittlung der Faserschädigung entlang des Plastifie-zierverlaufs und im Bauteil erfolgt nach dem Vorgehen, welches in Absatz 4.5 beschrieben wird.

In Bild 19 wird die Reduzierung der Faserlänge mit steigendem L/D-Verhältnis mit dem dreimodalen Modell von BAILEY und KRAFT veranschaulicht. Zu Beginn der Plastifizierung liegen noch viele Fasern mit der Ausgangsfaserlänge von 4,5 mm vor (Bereich C). Die Faserlängenverteilung verschiebt sich zur Schne-ckenspitze bzw. zum Bauteil immer mehr in den Bereich der Kurzglasfasern (Bereich A). Auch innerhalb des Bereichs B erfolgt eine Verschiebung der Fa-

© 2

018

Car

l Han

ser

Ver

lag,

Mün

chen

w

ww

.kun

stst

offte

ch.c

om

Nic

ht z

ur V

erw

endu

ng in

Intr

anet

- un

d In

tern

et-A

ngeb

oten

sow

ie e

lekt

roni

sche

n V

erte

ilern

.



serlängen hin zu kürzeren Längen, während der Bereich C vollkommen ver-schwindet.

Bild 19: Dreimodales Modell: Entwicklung der Faserlängenverteilung bei zunehmenden L/D – Verhältnis bis zum Bauteil [11]

Bei der Analyse des Verlaufs der anzahlgemittelten sowie volumengewichteten Werte der Faserlängenverteilung wird die Abnahme der Faserlänge im Verlauf der Plastifizierung bis hin zum Bauteil ebenfalls deutlich, Bild 20. Zusätzlich sind zu Beginn sehr große Schwankungen der Werte anhand der Standardabwei-chungen zu erkennen. Dies ist in der zu diesem Zeitpunkt noch großen Spann-weite der Faserlängenverteilung sowie der noch relativ inhomogen vorliegenden faserverstärkten Polymerrezeptur begründet. Eine hohe Faserschädigung ist dabei direkt in der Einzugs- und Kompressionszone festzustellen, wobei in der Meteringzone geringe Änderungen in der Faserlängenverteilung hervorgerufen werden. Eine weitere Faserlängenabnahme ist nach der Durchströmung der Ring-Rückstromsperre (Ring-RSS) aufgrund des hohen Schereintrags zu ver-zeichnen. Hier erfolgt insbesondere ein enormer Abfall der volumengewichteten Faserlängen, welches auf eine hohe Schädigung der noch vorliegenden Lang-fasern schließen lässt. Dieser Vorgang ist in der Faserlängenverteilung aus Bild 20 daran zu erkennen, dass im Bauteil selbst nur noch Faseranteile im Bereich A und B vorliegen, während zum Ende der Meteringzone noch Fasern im Be-reich B und C vorliegen. Der Grund ist die hohe Scherung, der die faserver-stärkte Schmelze bei der Durchströmung der Ring-RSS ausgesetzt ist. An die-ser Stelle ist kein Abfall der kurzglasfaserverstärkten Thermoplaste von der Fa-serlänge innerhalb der konventionellen Verarbeitung zu erkennen. Die Fasern liegen in ihrer kürzesten freien Knicklänge vor, sodass sie keine Schädigung mehr erfahren. Letztlich erfolgt eine weitere Faserlängenverkürzung bei der

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

An

teil

[%

]

Faserlänge [μm]

Bauteil L/D=20,1: Meteringzone L/D=14,1: Kompressionszone L/D=8,1: Einzugszone

2557 μm1326 μm1297μm733μm

ln-Wert [μm]

Bereich A

Bereich B

Bereich C

© 2

018

Car

l Han

ser

Ver

lag,

Mün

chen

w

ww

.kun

stst

offte

ch.c

om

Nic

ht z

ur V

erw

endu

ng in

Intr

anet

- un

d In

tern

et-A

ngeb

oten

sow

ie e

lekt

roni

sche

n V

erte

ilern

.



SGDC während des Einspritzvorgangs in die Kavität (ca. 100 μm). Diese hängt von dem vorliegenden Durchmesser und der Geometrie des Angusssystems bzw. Anschnitts ab. Scharfkantige Umlenkungen und Anschnitte mit sehr gerin-gem Querschnitt wirken sich an dieser Stelle besonders faserschädigend aus.

Bild 20: Verlauf der anzahlgemittelten und volumengewichteten Faserlän-ge ln/lv über der Standardschnecke und Bauteil

Die nach der Veraschung vorliegenden Faserrückstände zeigen ebenfalls die steigende Aufspleißung der Bündel und die zunehmende Faserlängenverkür-zung und -verflechtung, Bild 21. Während zum Anfang noch vollständige Bündel vorliegen, kommt es im weiteren Schneckenverlauf zu einer zunehmenden Auf-spleißung und Verflechtung der Langfasern sowie zur Entstehung eines stetig wachsenden Kurzfaseranteils.

Bild 21: Rückstände der Veraschung entlang der Plastifiziereinheit: Ent-wicklung der Faserbündelaufspleißung [11]

10 mm

© 2

018

Car

l Han

ser

Ver

lag,

Mün

chen

w

ww

.kun

stst

offte

ch.c

om

Nic

ht z

ur V

erw

endu

ng in

Intr

anet

- un

d In

tern

et-A

ngeb

oten

sow

ie e

lekt

roni

sche

n V

erte

ilern

.



5.4.4 Verlauf der Homogenisierung und Fasereinarbeitung

In der Einzugszone wird deutlich, dass die Bestandteile wie Matrixgranulat, Fa-serbündel, Additive und Masterbatch noch fast vollständig separiert als kompak-tiertes Feststoffbett vorliegen, Bild 22. Bei Betrachtung der entsprechenden CT-Aufnahme in der Einzugszone ist zudem festzustellen, dass noch keine Auf-scherung der Faserbündel stattgefunden hat, Bild 23(A).

Bild 22: Schliffbild des Schneckenkanals in der Einzugszone [11]

Am Anfang der Kompressionszone beginnt die Aufspleißung der Bündel, wobei am Schneckengrund und im Feststoffbett noch wesentlich mehr Faserbündel vorliegen als im oberen Bereich des Schneckenkanals, Bild 23 (B, C). Mit fort-schreitenden Aufschmelzvorgang werden die teilweise deformierten, ausgestri-chenen, aber noch nicht vollständig aufgesplissenen Faserbündel von Misch-strukturen umgeben, in denen sowohl verwobene Langfasern als auch Kurzfa-sern vorliegen. In der Mitte des Schneckenkanals sind zu diesem Zeitpunkt noch Faserbündel in ihrer Ausgangstruktur vorzufinden, während an der Zylin-derwand bzw. am Schneckengrund schon eine Schmelzeschicht mit Misch-strukturen vorhanden ist. Dies liegt an den hohen Scherraten und den großen Temperaturgradienten in der Umgebung des Feststoffbettes, die zu hohen Fa-serbelastungen und damit zum Aufscheren der Faserbündel führen. Innerhalb des an der aktiven Flanke entstehenden Schmelzewirbels breiten sich die Mischstrukturen zunehmend aus und es erfolgt die Entstehung von verwobe-nen, teilverkürzten Langfasern.

Zum Ende der Kompressionszone liegen insbesondere in der lateralen Umge-bung des Feststoffbetts noch unaufgesplissene, deformierte und ausgestriche-ne Faserbündel vor, was durch die lokalen Strömungsbedingungen begründet wird, Bild 23 (D, E). Bei geringen Temperaturgradienten und großer Erwei-chungstemperaturbereiche des Matrixmaterials, wie es bei PP der Fall ist, mün-det dies in einer faserschonenden Einarbeitung aufgrund der Einbeziehung der Faserbündel in den Massetransport. Übertragen auf die vorliegende Faserein-arbeitung bedeutet dies, dass die Fasern in diesem Fall ausgestrichen oder de-formiert werden, aber keiner hohen, für eine Aufspleißung notwendigen Scher-

© 2

018

Car

l Han

ser

Ver

lag,

Mün

chen

w

ww

.kun

stst

offte

ch.c

om

Nic

ht z

ur V

erw

endu

ng in

Intr

anet

- un

d In

tern

et-A

ngeb

oten

sow

ie e

lekt

roni

sche

n V

erte

ilern

.



rate ausgesetzt sind. Daher können zum Ende der Kompressionszone, noch nicht vollständig aufgesplissene Faserbündel vorhanden sein.

Bild 23: CT – Aufnahmen der Schneckenkanäle nach [11]

In der Meteringzone sind bei Verwendung der Standard-3-Zonen-Schnecke noch erhebliche Heterogenitäten vorzufinden. Die teilweise ausgestrichenen Bündel sind in Langfaserstrukturen eingebettet, welche wiederum von Misch-strukturen umgeben sind, Bild 23 (F, G). Gründe für die strukturellen Differen-zen liegen in der unterschiedlichen Strömungsbelastung innerhalb der Plastifi-zierung. Während ein kleiner Schmelzewirbel zu Beginn zu hohen Belastungen des zuerst aufgeschmolzenen Werkstoffs führt, ist das später aufgeschmolzene Verbundmaterial verringerter Schergeschwindigkeiten ausgesetzt. Die Hetero-genität wird im Verlauf der Schmelzeförderung durch Rotations- und Zirkulati-

A

B C

D E

F G

3 mm

3 mm

3 mm

3 mm

3,5 mm

3,5 mm

3 mm

3 mm

© 2

018

Car

l Han

ser

Ver

lag,

Mün

chen

w

ww

.kun

stst

offte

ch.c

om

Nic

ht z

ur V

erw

endu

ng in

Intr

anet

- un

d In

tern

et-A

ngeb

oten

sow

ie e

lekt

roni

sche

n V

erte

ilern

.



onsbewegungen der Komponenten ausgeglichen, der eingebrachte Scherein-trag bei der Standard-3-Zonen-Schnecke reicht jedoch nicht aus, um alle Fa-seragglomerate vollständig zu dispergieren.

Auf Grundlage der erzeugten CT-Aufnahmen und Schliffbilder wurden Fa-serstrukturschemata abgeleitet, die den repräsentativen Verlauf der Faserein-arbeitung veranschaulichen. Hierzu erfolgt zunächst die Definition von Fa-serstrukturen, die die unterschiedlichen Faserstrukturmerkmale beschreiben, Bild 24. Differenziert wird zwischen fünf unterschiedlichen Faserstrukturen. Während bei der SGDC insbesondere zu Anfang noch eine Vielzahl an Bündeln in der Ausgangsstruktur oder in einer deformierten, ausgestrichenen Struktur vorhanden sind, erfolgt innerhalb des Plastifizierverlaufs der Übergang zu ver-wobenen, teilverkürzten Langfasern, Kurzfasern und Mischstrukturen.

Bild 24: Definition der Faserstrukturmerkmale mit der Zuordnung der jewei-ligen Kennzeichnung [11]

Die fortschreitende Homogenisierung ist schematisch anhand der abgeleiteten Faserstrukturen in Bild 25 dargestellt.

Diese Heterogenität in den vorliegenden Faserstrukturen spiegelt sich auch in der entsprechenden Faserlängenverteilung des Schmelzekanals der Metering-zone wieder, vgl. Bild 19. Neben einem Peak im Bereich der Kurzfasern (Be-reich A), liegen immer noch Fasern mit Ausgangslänge (Bereich C) und viele Zwischenlängen (Bereich B) vor. Die noch vorhandenen Faserbündel können im weiteren Prozessablauf zu Problemen in der Prozessstabilität führen. In Ab-hängigkeit der Anschnittgeometrie kann es zu einem Verstopfen des Anschnitts durch die Faseranhäufung kommen.

Ausgangsstruktur

Die Faserbündel weisen noch die

Ausgangsstruktur auf und sind

unbeschädigt.

Deformierte und ausgestrichene

Bündel

Die Faserbündel sind deformiert und

ausgestrichen, aber unzerstört.

Mischstrukturen

In diesen Bereichen liegen Langfasern

in Kombination mit Kurzfasern vor, die

aus Bruchfragmenten bestehen.

Kurzfasern

Diese Fasern sind so kurz, dass keine

Verflechtung mehr möglich ist. Der

Prozess endet mit diesen Fasern.

Verwobene, teilverkürzte Fasern

Hier liegen Langfasern vor, die eine

Verflechtung aufweisen und

teilverkürzte Fasern.

© 2

018

Car

l Han

ser

Ver

lag,

Mün

chen

w

ww

.kun

stst

offte

ch.c

om

Nic

ht z

ur V

erw

endu

ng in

Intr

anet

- un

d In

tern

et-A

ngeb

oten

sow

ie e

lekt

roni

sche

n V

erte

ilern

.



Bild 25: Fortschreitende Fasereinarbeitung anhand der abgeleiteten Faser-strukturschemata

5.4.5 Ergebnisse zum Fasergewichtsanteil im quasistationären Pro-duktionsprozess

Der Fasergewichtsanteil in der laufenden Produktion stellt eine entscheidende Qualitätsgröße dar. Die vorliegenden Untersuchungsergebnisse in Bild 26 zei-gen, dass die Schwankung der Fasergehalte während des quasistationären Prozesses unabhängig von den Dosiergeschwindigkeiten in einem Bereich zwi-schen 27,81 und 32,93 Gew.-% variiert. Die Schwankungen resultieren aus Fa-ser-Matrix-Entmischungen während der Vormischung und Plastifizierung, wel-che im SGDC-Prozess nicht vollständig ausgeschlossen werden können. Die maximale und minimale Abweichung vom Sollgehalt zeigt, dass sich die Abwei-chungen innerhalb des Prozesses in einem akzeptablen Bereich von ± 3 % be-wegen. Die Proben wurden in der Mitte des Vielzweckprobekörpers vom Typ 1A entnommen, Bild 5.

Bild 26: Fasergewichtsanteil in Abhängigkeit der Dosiergeschwindigkeit im

quasistationären Prozess

Einzugszone (L/D=8,1) Kompressionszone (L/D=11,1)

Meteringzone (L/D=20,1)Kompressionszone (L/D=14,1)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Fa

se

rge

wic

hts

an

teil ψ

F[G

ew

.-]

Bauteilnummerierung im Prozess

vdos= 0,1 m/s vdos= 0,3 m/s vdos= 0,5 m/s

Max: 32,93

Min: 27,81

vdos = 0,1 m/s vdos = 0,3 m/s vdos = 0,5 m/s

© 2

018

Car

l Han

ser

Ver

lag,

Mün

chen

w

ww

.kun

stst

offte

ch.c

om

Nic

ht z

ur V

erw

endu

ng in

Intr

anet

- un

d In

tern

et-A

ngeb

oten

sow

ie e

lekt

roni

sche

n V

erte

ilern

.



6 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK

Die vorliegende Abhandlung setzt sich mit der verfahrenstechnischen Untersu-chung der Spritzgießdirektcompoundierung (SGDC) faserverstärkter, thermo-plastischer Polymere auseinander und gibt den potentiellen Anwendern erste wichtige Erkenntnisse im Zusammenspiel der Rezepturkomponenten bei faser-verstärkten PP-Materialien. Neben dem Einfluss der einzelnen Rezepturbe-standteile werden die Anlagenkomponenten und die Art der Prozessführung analysiert.

Geringere Viskositäten der Grundmaterialmatrix zeigen eine Verbesserung der Dispergierung der Glasfasern im Polymer, woraus erhöhte mechanische Eigen-schaften resultieren. Große Auswirkungen zeigt auch die vorliegende Additivie-rung der Faserverbundwerkstoffe.

Bei einer PP-Matrix ist die Zugabe eines Haftvermittlers aufgrund der geringen chemischen Ähnlichkeit der Matrix zur Glasfaser unerlässlich. Zusätzlich ist bei dem untersuchten Matrixtyp die Zugabe einer Dispergierhilfe notwendig, um eine ausreichende Faserbündelaufspleißung bei einem vergleichsweise gerin-gen Schereintrag bei der SGDC zu gewährleisten.

Ferner erfolgt ein Vergleich zur konventionellen Compoundierung, um die Mischgüte der SGDC besser zu beurteilen. Hierbei zeigte sich eine vergleichba-re, in den meisten Fällen höhere, mechanische Performance der direktcom-poundierten Probekörper im Vergleich zu den zunächst konventionell com-poundierten, granulierten und anschließend spritzgegossenen Proben. Der Grund hierfür liegt in den teilweise deutlich erhöhten Faserlängen bei der SGDC aufgrund des geringeren Schereintrags.

Für das Prozessverständnis der SGDC ist die Betrachtung des Plastifiziervor-gangs sowie der vorliegenden Faserschädigung von entscheidender Bedeu-tung. Darauf aufbauend wird der Plastifizierverlauf bei der SGDC detailliert ana-lysiert und in seinen Besonderheiten bezüglich der Faserbündeleinarbeitung interpretiert. Hierzu werden nach Dead-Stop-Experimenten entnommene Pro-ben mit Hilfe von CT-Aufnahmen und Schliffbildern ausgewertet und zum er-leichterten Verständnis sowie zur besseren Darstellbarkeit in Faserstruktur-schemata überführt. Es wird u.a. deutlich, dass insbesondere auf halber Kanal-höhe im Bereich des Feststoffbettes eine Aufspleißung der Bündel erschwert ist und hier auch zum Ende der Meteringzone noch nicht vollständig aufgesplisse-ne Filamentbündel vorzufinden sind.

Bei den Untersuchungen wird eine hohe Schädigung im Einzugs- und Kom-pressionsbereich festgestellt, während in der Meteringzone keine zusätzliche Reduktion der Faserlänge vorliegt. In der Meteringzone ist die geringste freie Knicklänge der Fasern erreicht. Daraufhin erfolgt eine weitere Faserlängenab-nahme bei der Durchströmung der Ring-Rückstromsperre sowie während des Einspritzvorgangs in die Kavität, durch den erhöhten scherdissipativen Energie-eintrag.

© 2

018

Car

l Han

ser

Ver

lag,

Mün

chen

w

ww

.kun

stst

offte

ch.c

om

Nic

ht z

ur V

erw

endu

ng in

Intr

anet

- un

d In

tern

et-A

ngeb

oten

sow

ie e

lekt

roni

sche

n V

erte

ilern

.



Insgesamt betrachtet, bietet die SGDC für die Verarbeitung und Rezepturent-wicklung glasfaserverstärkter Thermoplaste ein enormes Potenzial hinsichtlich möglicher Einsparungen und der zu erzielenden Flexibilität. Dem gegenüber steht ein erhöhtes Risiko bei der Produktion, was zu steigenden Qualitätssiche-rungskosten führen kann. Weiterhin ist eine sukzessive Erweiterung der Rezep-turdatenbank zur Sicherstellung einer möglichst hohen Abbildegenauigkeit für die Entwicklung neuer Komponentenzusammenstellungen anzustreben. Sowohl zusätzliche Kombinationen vorhandener Bestandteile (Schneckengeometrien, statische Mischer), als auch eine Ausweitung auf zusätzliche Füll- und Verstär-kungsstoffe oder weitere Additivierungsmöglichkeiten (UV – Stabilisator, Pig-mentierung, Flammschutzmittel, etc.) können dabei von Bedeutung sein. Letzt-lich ist die Standzeit der verwendeten Schnecken insbesondere im Einzugsbe-reich unter Einsatz abrasiver Füllstoffe zu untersuchen.

Literatur

[1] Schmitt, B.

Klimawechsel, Kunststoffe 89 (1999) 6,

S. 24-31 (2012) 15, S. 3230-3237

[2] Stebani, J.

Trends in der Kunststoffforschung. Externe Dienst-

leister als dritte Säule der Forschung und Entwick-

lung, Kunststoffe 10 (2002), S. 24-27

[3] Stebani,J.; Meier, G.; Bacher, E.

Schneller – umfassender – effizienter Kunststoffe 9 (2007), S. 227-231

[4] Stebani, J. Die Kunststoffwelt im Umbruch. Neue Konzepte,

neue Unternehmen, neue Chancen,

Kunststoffe 6 (2002), S. 28-31

[5] Stebani, J. Materialforschung als technische Innovation Kunststoffe 8 (2004), S. 32-36

[6] Moeler, E. Handbuch Konstruktionswerkstoffe.

Auswahl, Eigenschaften, Anwendung,

Carl Hanser Verlag, München, 2008

[7] Menges, G.; Haberstroh, E.; Michaeli, W.; Schmachten-berg, E.

Werkstoffkunde der Kunststoffe – 5. Vollständig

überarbeitete Auflage, München; Wien; Hanser Ver-

lag, (2002)

© 2

018

Car

l Han

ser

Ver

lag,

Mün

chen

w

ww

.kun

stst

offte

ch.c

om

Nic

ht z

ur V

erw

endu

ng in

Intr

anet

- un

d In

tern

et-A

ngeb

oten

sow

ie e

lekt

roni

sche

n V

erte

ilern

.



[8] Oelgarth, A Analyse und Charakterisierung des Fließverhaltens

langfaserverstärkter Preßmassen, Dissertation

RWTH Aachen, 1997

[9] Dittmann, R. Hochwertige Verwertung faserverstärkter Thermo-

plaste, Dissertation RWTH Aachen, 1998

[10] Oelgarth, A.; Dittmann, H.; Stockreiter, W.; Wald, H.

GMT oder LFT? Eine vergleichende Betrachtung

langfaserverstärkter Thermoplaste, Kunststoffe 8

(1998), S. 480 ff.

[11] Müller, E. Ein Beitrag zur verfahrenstechnischen Entwicklung

der Spritzgießdirektcompoundierung für produktspe-

zifische Rezepturen glasfaserverstärkter Thermo-

plaste, Dissertation Universität Paderborn, 2015

[12] Haffelner, R.; Pichler, M.; Wörndle, R; Steinbichler, G

Lange Fasern spritzgießen, Kunststoffe 90 (2000),

S. 44-48

[13] Friedrich, K. Fracture mechanical behavior of short fiber rein-

forced thermoplastics, Fortschrittberichte der VDI-

Zeitschriften, Reihe 18, Nr. 18, Düsseldorf, VDI-

Verlag, 1984

[14] Stelzer, G. Zum Faser- und Eigenschaftsabbau bei Verarbeitung

und Recycling diskontinuierlich faserverstärkter

Kunststoffe, Dissertation Universität Kaiserslautern,

2002

[15] Ehrenstein, G.W. Faserverbund-Kunststoffe: Werkstoffe-Verarbeitung-

Eigenschaften, Carl Hanser Verlag, 2. Auflage, Mün-

chen Wien, 2006

[16] Fleischhauer, M.; Schürrmann, H.

Maßgeschneiderte Matrixsysteme für FKV,

Kunststoffe, 4 (2007), S. 116-119

© 2

018

Car

l Han

ser

Ver

lag,

Mün

chen

w

ww

.kun

stst

offte

ch.c

om

Nic

ht z

ur V

erw

endu

ng in

Intr

anet

- un

d In

tern

et-A

ngeb

oten

sow

ie e

lekt

roni

sche

n V

erte

ilern

.



[17] Oever, M.; Van Den; Peijs, T.

Continuous-glass-fibre-reinforced polypropylene

composites: II. Influence of maleic-anhydride modi-

fied polypropylene on fatigue behavior, Composites,

29A (1998), S 227 ff.

[18] Brast, K. Verarbeitung von langfaserverstärkten Thermoplas-

ten im direkten Plastifizier-/Pressverfahren, Disserta-

tion, RWTH Aachen, 2001

[19] Daemen, J.M.H.; Besten, J. Den

Einfluss der Glasfaserschlichte auf die Eigenschaften

von GF-PP, Tagungsumdruck zur 23. AVK-Tagung,

Mainz (1990), S 121 ff.

[20] Stachel, P. Long-Fibre Reinforced Thermoplastics, Composites, 29 (1998), S. 85 ff.

[21] Thiletges, H.-P. Faserschädigung beim Spritzgießen verstärkter

Kunststoffe, Dissertation RWTH Aachen, 1991

[22] Bailey, R.; Kraft, H.

A study of fibre attrition in the processing of long fibre

reinforced thermoplastics, International Polymer Pro-

cessing, 2 (1987), S. 94 ff.

DOI: 10.3139/217.870094

Bibliography DOI 10.3139/O999.01012018 Zeitschrift Kunststofftechnik / Journal of Plastics Technology 14 (2018) 1; page 1–34 © Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG ISSN 1864 – 2217

© 2

018

Car

l Han

ser

Ver

lag,

Mün

chen

w

ww

.kun

stst

offte

ch.c

om

Nic

ht z

ur V

erw

endu

ng in

Intr

anet

- un

d In

tern

et-A

ngeb

oten

sow

ie e

lekt

roni

sche

n V

erte

ilern

.



Stichworte: Spritzgießdirektcompoundierung (SGDC), Direktcompoundierung, Material-entwicklung, Prozessentwicklung, Compoundierung, glasfaserverstärkte Ther-moplaste

Keywords: Inline Injection Moulding Compounding (IIMC), material development, pro-cess development, compounding, glass fiber reinforced thermoplastics

Autor / author:

Prof. Dr.-Ing. Elmar Moritzer Dr.-Ing. Ellen Müller Jannik Jilg, M.Sc. Yannick Martin, M.Sc. Kunststofftechnik Paderborn (KTP) Universität Paderborn Warburger Straße 100 33098 Paderborn

[email protected] www.ktp.uni-paderborn.de Tel.: +49 (0)5251/41768 53 Fax: +49 (0)5251/41768 68

Herausgeber / Editors:

Editor-in-Chief Prof. em. Dr.-Ing. Dr. h.c. Gottfried W. Ehrenstein Lehrstuhl für Kunststofftechnik Universität Erlangen-Nürnberg Am Weichselgarten 9 91058 Erlangen Deutschland Tel.: +49 (0)9131/85 - 29703 Fax: +49 (0)9131/85 - 29709 E-Mail: [email protected] Europa / Europe Prof. Dr.-Ing. Dietmar Drummer, verantwortlich Lehrstuhl für Kunststofftechnik Universität Erlangen-Nürnberg Am Weichselgarten 9 91058 Erlangen Deutschland Tel.: +49 (0)9131/85 - 29700 Fax: +49 (0)9131/85 - 29709 E-Mail: [email protected]

Amerika / The Americas Prof. Prof. hon. Dr. Tim A. Osswald, verantwortlich Polymer Engineering Center, Director University of Wisconsin-Madison 1513 University Avenue Madison, WI 53706 USA Tel.: +1 608/263 9538 Fax: +1 608/265 2316 E-Mail: [email protected]

Verlag / Publisher:

Carl-Hanser-Verlag GmbH & Co. KG Wolfgang Beisler Geschäftsführer Kolbergerstraße 22 D-81679 München Tel.: +49 (0)89/99830-0 Fax: +49 (0)89/98480-9 E-Mail: [email protected]

Redaktion / Editorial Office:

Dr.-Ing. Eva Bittmann Christopher Fischer, M.Sc. E-Mail: [email protected] Beirat / Advisory Board:

Experten aus Forschung und Industrie, gelistet unter www.kunststofftech.com

© 2

018

Car

l Han

ser

Ver

lag,

Mün

chen

w

ww

.kun

stst

offte

ch.c

om

Nic

ht z

ur V

erw

endu

ng in

Intr

anet

- un

d In

tern

et-A

ngeb

oten

sow

ie e

lekt

roni

sche

n V

erte

ilern

.

Zeitschrift Kunststofftechnik Journal of Plastics Technology · Moritzer, Müller et al....

Documents

Transcript of Zeitschrift Kunststofftechnik Journal of Plastics Technology · Moritzer, Müller et al....