Modellierung der Faserdispergierung und -schädigung rezyklierter Organobleche im Spritzgießprozess

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Elmar Moritzer
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 534022466

Faserverstärkte Kunststoffe werden insbesondere durch ihre sehr guten gewichtsspezifischen, mechanischen Eigenschaften immer häufiger in hochtechnologischen Anwendungen wie der Automobilindustrie oder der Luftfahrt für den Leichtbau eingesetzt, um den Ressourcenverbrauch zu reduzieren. Zur Realisierung hoher mechanischer Eigenschaften in den Bauteilen werden sogenannte Organobleche, eingesetzt, in denen die Endlosfasern in unterschiedlichen Gewebestrukturen oder Gelegen in einer thermoplastischen Matrix angeordnet sind. Durch den Prozess des mechanischen Recyclings, besteht die Möglichkeit der hochwertigen Wiederverwendung von End-of-Life Organoblechen zu neuen langfaserverstärkten Bauteilen. Im mechanischen Recyclingprozess wird der Faser-Matrix-Verbund über Schneidmühlen oder Schredder zerkleinert und das Mahlgut kann anschließend direkt im Spritzgießprozess zu neuen Produkten weiterverarbeitet werden. Im Vergleich zu kurz- oder langfaserverstärkten Kunststoffen besteht bei gewebeverstärktem Mahlgut die Herausforderung der Gewebeauflösung und der homogenen Faserdispergierung im Spritzgießaggregat. Daher ist das Ziel dieses Projektes die Entwicklung eines mathematischen Modells, das die resultierende Faserlänge nach dem Plastifiziervorgang im Spritzgießprozess beim Recycling von Organoblechen beschreibt. Weiterhin soll das Dispergierverhalten der Fasern in dem Modell berücksichtigt werden. Dabei muss der Zielkonflikt aus Minimierung der Faserlängenabnahme und gleichzeitiger maximaler Dispergierung und Homogenisierung der Fasern im Spritzgießaggregat adressiert werden. In Rahmen des Projektes wird zunächst Mahlgut aus Organoblechen mit unterschiedlicher Gewebestruktur in einer definierten Partikelgröße hergestellt, sodass unterschiedliche Ausgangsfaserlängen für den Spritzgießprozess im Mahlgut vorliegen. Zur gezielten Untersuchung des Dispergierverhaltens der Gewebestrukturen wird ein Prüfstand aufgebaut, der eine zeitlich gestaffelte Auflösung der Gewebestrukturen in der Kunststoffschmelze bei unterschiedlichen Schergeschwindigkeiten und Drücken abbilden kann. Die Auflösung der Gewebestrukturen wird im Anschluss mittels Computertomografie analysiert und die ermittelten Zusammenhängen in das Modell integriert. Das Einzugsverhalten des Mahlguts in das Spritzgießaggregat erfolgt mittels Dead-Stop Untersuchungen. Schneckenziehuntersuchungen ermöglichen die Probenahme für die Analyse der Faserdispergierung sowie der Faserverkürzung entlang der Schnecke. Zudem werden die Ergebnisse entlang des Schneckenkanals zur Validierung der modellbasierten Ergebnisse verwendet. Damit Industrieunternehmen zukünftig vermehrt Rezyklat von Organoblechen in Bauteilen einsetzen können, ist eine genaue Vorhersage der Faserlänge und der Faserdispergierung im Spritzgießaggregat notwendig, um eine Abschätzung der mechanischen Eigenschaften des resultierenden Bauteils zu ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen