Modelling of the fiber degradation for injection molding processes
Final Report Abstract
Das Spritzgießen von kurz- und langglasfaservestärkten Compounds bietet die Möglichkeit faserverstärkte Bauteile mit Standardmaschinen ohne spezielle Anlagentechnik herzustellen. Dies in Kombination mit der hohen Wirtschaftlichkeit des Spritzgießprozesses bei hohen Stückzahlen macht die Nutzung des Verfahrens für Anwender attraktiv. Für die mit dem Verfahren erzielbaren Bauteileigenschaften ist jedoch die Verarbeitung und die damit einhergehende Faserschädigung entscheidend. Gute mechanische Eigenschaften können nur bei einer faserschonenden Verarbeitung erfolgen, wozu ein gutes Prozessverständnis notwendig ist. Im Rahmen des Forschungsprojekts konnte dieses Prozessverständnis durch umfangreiche experimentelle Untersuchungen aufgebaut und die Schädigungsmechanismen sowie die Zusammenhänge zwischen Material-, Prozessund Maschinenparametern ermittelt werden. Die Untersuchung verschiedener Schneckengeometrien hat gezeigt, dass die Reduzierung des Kompressionsverhältnisses und insbesondere die Realisierung der Kompression durch die gleichzeitige Änderung von Gangtiefe und Gangsteigung zu einer faserschonenderen Verarbeitung führt. Durch die Nutzung einer für die Verarbeitung von faserverstärkten Materialien optimierte Schnecke kann eine deutliche Reduktion der Faserschädigung erzielt werden. Im Hinblick auf die Prozessparameter bietet insbesondere die Einstellung eines geringen Staudrucks die Möglichkeit Faserbruch zu vermeiden. Die experimentellen Untersuchungen zeigen eine verstärkte Faserschädigung für KGF- und LGF-Materialien bei erhöhtem Staudruck. Die Dosiergeschwindigkeit beeinflusst ebenfalls die Faserschädigung, wobei hier unterschiedliche Einflüsse zu erkennen sind. Eine Änderung der Dosiergeschwindigkeit nimmt Einfluss auf die Verweilzeit des Materials im Schneckenkanal und verändert gleichzeitig die Fließ- und somit auch die Schergeschwindigkeit. Diese grundsätzlich gegensätzlichen Einflüsse wirken sich in Abhängigkeit vom betrachteten Material unterschiedlich stark aus. Bei KGF-Materialien ist mit erhöhter Dosiergeschwindigkeit eine verstärkte Faserschädigung festzustellen, zurückzuführen ist dies auf die verstärkte Belastung der Fasern durch die höheren Schergeschwindigkeiten. Die mit der Dosiergeschwindigkeitsänderung einhergehende Reduzierung der Verweilzeit im Schneckenkanal wirkt sich hier offensichtlich nicht im besonderen Maße positiv aus. Konträr dazu sind die Ergebnisse bei den LGF-Materialien. Aufgrund der Bündelstruktur der Fasern im pultrudierten LGF-Granulat ist hier die Verweilzeit von größerer Bedeutung. Je länger die Bündelstruktur erhalten bleibt, desto weniger Faserbruch ist feststellbar. Die mit der kürzeren Verweilzeit einhergehende spätere Dispergierung der Fasern führt zu einem faserschonenden Einfluss der hohen Dosiergeschwindigkeit bei LGF-Materialien. Zu berücksichtigen ist, dass ein signifikanter Einfluss der Dosiergeschwindigkeit nur bei niedrigen Faseranteilen feststellbar ist. Auch bei den KGF-Untersuchungen ist festzustellen, dass bei sehr hochgefüllten Materialien insgesamt der Einfluss der Prozessparameter sinkt und die Faserschädigung vor allem durch die starke Faser-Faser Interaktion dominiert wird. Basierend auf den beschriebenen Erkenntnissen hat sich gezeigt, dass der Einfluss einzelner Prozessparameter häufig von weiteren Parametern, insbesondere dem Material, abhängt und daher eine pauschale Beurteilung und Auswahl von optimalen Verarbeitungsparametern nur begrenzt möglich ist. Die im Projekt entwickelte Modellierung der Faserschädigung ermöglicht es, die komplexen Zusammenhänge in ihrer Gesamtheit zu beschreiben und insbesondere die materialabhängigen Besonderheiten zu berücksichtigen. Dadurch ist eine gezielte Vorhersage der Faserlängenabnahme in der Plastifiziereinheit in Abhängigkeit der vorgegebenen Maschinen-, Material- und Prozessparameter und eine Optimierung der Verarbeitungseinstellungen möglich. Dies betrifft insbesondere die Unterschiede, die bei der Verarbeitung von kurz- und langfaserverstärkten Thermoplasten auftreten. Bei den KGF-Materialien berücksichtigt das Modell die Faserschäden, die an der Interfacezone von Feststoffbett und Schmelzefilm auftreten, genauso wie die durch Faser-Schmelze Interaktion hervorgerufenen Faserbrüche im Schmelzefilm und Schmelzewirbel. Für die LGF-Materialien hingehen, ist keine Faserschädigung an der Interfacezone aufgrund von einseitig eingespannten Fasern zu erwarten. Bei diesem Materialtyp wird das kontinuierliche Auflösen der Faserbündel als entscheidender Mechanismus zur Beschreibung des Bruchverhaltens berücksichtigt. Die Modellvalidierung hat insgesamt gezeigt, dass die Berechnung mit dem Modell eine gute Übereinstimmung mit den messtechnisch ermittelten Werten für die Faserlänge aufweisen.
Publications
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Annual Technical Conference of the Society of Plastics Engineers (ANTEC) 2021 Influence of Processing Parameters on Fiber Length Degradation during Injection Molding, Veröffentlichung & Präsentation
Moritzer, E. & Bürenhaus, F.
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36th International Conference of the Polymer Processing Society (PPS-36, Montreal, Canada): Influence of Fiber Geometry and Sizing on Glass Fiber Breakage”, Veröffentlichung & Präsentation
Moritzer, E. & Bürenhaus, F.
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37th International Conference of the Polymer Processing Society (PPS-37, Fukuoka, Japan): Influence of Screw Design on Fiber Breakage of Glass Fiber Reinforced Polypropylene in the Injection Molding Process, Veröffentlichung & Präsentation
Moritzer, E. & Bürenhaus, F.
