Investigations on the relationship between processing, microstructure and properties of one-step long-fibre reinforced polymer sandwich components
Polymer Materials
Final Report Abstract
Wachsende Anforderungen an Bauteile erfordern angepasste Werkstoffeigenschaften. Integral gefertigte, langglasfaserverstärkte und geschäumte Sandwichverbunde ermöglichen dabei durch gezielte Kombinationen unterschiedlicher Werkstoffe die Möglichkeit die Werkstoffeigenschaften eines Verbunds auf eine bestimmte Anwendung maßzuschneidern. Herkömmlicherweise wurden im Schaumspritzgießen bisher überwiegend Stäbchengranulate als Ausgangsmaterial verwendet (MuCell). Ein Ressourcenschonender Ansatz ist es, die Halbzeuge (Polymer und Glasfasern) in einem kombinierten Prozessschritt zu compoundieren und direkt zu verspritzen (D-LFT). Zielsetzung dieses Projektes war es, ein grundlegendes Materialverständnis dieser polymeren Verbundwerkstoffe von den unterschiedlichen Prozessen über die sich einstellenden Strukturen zu den mechanischen Eigenschaften zu erlangen. Beim direkten Vergleich zeigte sich, dass allgemein der D-LFT-Prozess zu längeren Faserlängen in den Proben der Abmessungen 80 mm x 10 mm x 4 mm führt. Für PP führten diese längeren Fasern im Bauteil zu keiner signifikanten Erhöhung des Materialindex M BEM für steife und leichte Platten, allerdings stieg (v.a. am Beispiel von parallel zur Fließrichtung ausgerichteter Proben) der Materialindex MMF für feste und leichte Platten. Als Matrixmaterial wurden aus der Kunststoffpyramide verschieden Polymere (PP als Standartpolymer, PA6 als Konstruktionspolymer, PPS als Hochtemperaturpolymer und rPP als amorpher Thermoplast) verwendet. Die Herstellung der Probeplatten erfolgte unter verschiedenen Prozessparametern im MuCell (stächengranulatbasiert) und im Direktprozess (halbzeugbasiert). Die werkstoffkundliche und strukturelle Untersuchung der Verbunde erfolgte mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskopie sowie ergänzend mittels Computertomografie und Faserlängenanalysen. Zur Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften wurden quasistatische Vierpunktbiegeversuche und dynamische Charpy Versuche durchgeführt und zur Klärung der auftretenden Schädigungsmechanismen durch in-situ Biegeversuche im CT im Rasterelektronenmikroskop ergänzt. Die Verbunde weisen eine homogene Sandwichstruktur mit einer Faserlängenverteilung auf, die die längsten Fasern im Kern des Sandwiches zeigt. Diese langglasfaserverstärkten Integralsandwichbauteile weisen dabei ein sehr gutes Verhältnis von Biegesteifigkeit zu Rohdichte auf, was anhand von Materialindizes nach Ashby untersucht und ein hohes Maß an Leichtbaupotential nachgewiesen wurde. Über ein weites Prozessparameterfenster ist es mithilfe der Parameter „Verzögerungszeit“, „Fasergehalt“, „Massetemperatur“ und „Werkzeugtemperatur“ möglich, gezielt die Struktur (d.h. vor allem das Kernschicht/Deckschicht Verhältnis) einzustellen. Die Faserlänge konnte am Beispiel von PP für Sandwichstrukturen mittels CT Aufnahmen kleiner Proben (5 mm x 4 mm x 3 mm) ermittelt werden und steht in guter Näherung zu den konventionell mittels FASEP ermittelten Ergebnissen an Proben der Dimension 80 mm x 10 mm x 4 mm. Auch mithilfe der CT Aufnahmen war es für die Integralbauteile möglich, eine Korrelation zwischen Prozessparametern zur Faserlage/-orientierung herzustellen und so die mechanischen Eigenschaften zu erklären. Dabei liegt in den Deckschichten qualitativ ein höherer Faservolumengehalt vor als bei den Modellvorstellungen üblich. Auch sind die längeren Fasern in der Mitte der Bauteile, wo die Versteifungswirkung v.a. bei Biegebelastung geringer ausfällt. Insgesamt lässt sich durch die Faserverstärkung und die Erhöhung der Verzögerungszeit und damit einhergehenden Deckschichtdickenerhöhung (bis auf PPS) eine Erhöhung des spezifischen Materialindex für steife und leichte Platten (MBEM) erreichen. Auch zeigt die Faserverstärkung nicht zwangsläufig eine Verbesserung der spezifischen Schlagzähigkeitswerte. Sind die Grundwerkstoffe (wie bei PPS und rPP) bereits sehr schlagzäh wirken die Zellen bzw. Glasfasern als Fehlstellen, die zu einem Absinken des Materialindex MC führen. Die Überprüfung der rheologischen Eigenschaften konnte mit Hilfe eines im Spritzgießwerkzeug integrierten In-line Hochdruckkapillarrheometer für unverstärktes, unverstärktes und gasbeladenes und langglasfaserverstärktes Polypropylen erfolgen. Hier erfährt die Schmelze/das Compound ähnliche thermische/mechanische Schädigung wie die zur Herstellung der Platten verwendete Spritzmasse. So konnten die Einflussfaktoren (Gasbeladung senkt und Faseranteil erhöht die Viskosität) für hohe Scherraten In-line nachgewiesen werden.
Publications
- Process and mold development of direct long fiber reinforced foam injection molding on the example of polycarbonate and glass fibers. Proceedings of the 17th European Conference on composite Materials, Munich, Germany 2016, S. 6691-6698
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Lohr, C., Dieterle, S., Menrath, A., Weidenmann, K. A. u. Elsner, P.
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Lohr, Christoph; Beck, Björn; Henning, Frank; Weidenmann, Kay André; Elsner, Peter
(See online at https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2019.03.056)
