Reaktives Spritzgießen

Vollautomatisiert vom Textil zum Faserverbundbauteil

24.07.12 | Redakteur: Josef Kraus

Zur Herstellung von Einlegern aus Faserverbundkunststoffen mit Endlosfaserverstärkung für Bremspedale ist die Spritzgießmaschine (Prototyp) mit zwei Dosiereinheiten zum reaktiven Thermoplastspritzießen ausgerüstet.
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Zur Herstellung von Einlegern aus Faserverbundkunststoffen mit Endlosfaserverstärkung für Bremspedale ist die Spritzgießmaschine (Prototyp) mit zwei Dosiereinheiten zum reaktiven Thermoplastspritzießen ausgerüstet. ( Bild: Engel )

Die CFK-Branche könnte dem Ziel einer komplett automatisierten wirtschaftlichen Großserienfertigung ein großes Stück näher gekommen sein. Der Ansatz dazu liegt in einem Spritzgießprozess, der Automatisierungsmöglichkeiten wie das gängige Spritzgießen bietet.

Bis zum Jahr 2020 müssen die Automobilhersteller in der EU die CO2-Emissionen ihrer Fahrzeugflotten auf 95 g/km senken. Dazu benötigen sie Leichtbauteile, die trotz Gewichtseinsparung überschaubare Bauteilkosten versprechen. Ein Ansatz dazu ist die verstärkte Anwendung von Faserverbundkunststoffen (FVK) mit Endlosfaserverstärkung. So ermöglichen carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) im Struktur- und Karosserieleichtbau eine Einsparung des Bauteilgewichts um 20 bis 60 % im Vergleich zu konventionellen Aluminiumwerkstoffen. Dieses Leichtbaupotenzial wurde vom Automobilhersteller Audi auf Basis funktionsgleicher Leichtbaukonzepte ermittelt.

Jedoch treibt nicht nur die Automobilindustrie den Leichtbau voran. Niedrigeres Gewicht bedeutet weniger Massenträgheit. Die Massenträgheit wirkt sich überall dort auf den Energiebedarf aus, wo Massen beschleunigt oder verzögert werden müssen. So gewinnen Faserverbundkunststoffe in unterschiedlichen Branchen an Bedeutung. Ein wesentlicher Treiber in der Automobilindustrie ist die Elektromobilität.

Reaktives Spritzgießen erhöht die Flexibilität

Weil sich FVK-Bauteile im herkömmlichen Spritzgießverfahren nicht herstellen lassen, sind sogenannteOrganobleche auf dem Vormarsch. Diese konsolidierten, endlosfaserverstärkten thermoplastische Halbzeuge können nach einem Aufheizprozess im Spritzgießwerkzeug umgeformt und verpresst werden. Anschließend ist das Anspritzen einer Rippenstruktur zur weiteren Bauteilverstärkung möglich. Die Verstärkungsstruktur ist dabei mit der Wahl des Halbzeugs vorgegeben und in der Ebene nicht variabel.

Optimal ist daher ein Verfahren, bei dem trockene textile Halbzeuge beanspruchungsgerecht ins Spritzgießwerkzeug gelegt und dort erst mit der Kunststoffmatrix imprägniert werden. Jedoch ist eine Faserimprägnierung aufgrund der hohen Viskosität gängiger Kunststoffschmelzen im Spritzgießverfahren nicht möglich. Der Spritzgießmaschinenhersteller Engel, Schwertberg (Österreich), setzt daher auf die Insitu-Polymerisation, einem reaktiven Thermoplast-Spritzgießverfahren: Statt eines Polymers wird ein Monomer (Eta-Caprolactam) ins Werkzeug eingespritzt, das dort unter Temperatureinwirkung zum Thermoplast (Polyamid 6) polymerisiert. Die mit Blut vergleichbare Viskosität des Monomers ermöglicht eine problemlose Durchdringung und Benetzung der vorgelegten Verstärkungsstrukturen. Die Polymerisation findet im Werkzeug statt.

Alle Prozessabläufe wie beim gängigen Spritzgießen automatisieren

Auf der Fachtagung Carbon Composites 2012 präsentiert Dipl.-Ing. Sebastian Picheta, der bei Engel für die Fertigungs- und Automatisierungstechnik im Bereich Composites verantwortlich ist, das Verfahren. Wie beim gängigen Spritzgießen will Engel die Abläufe rund um den Prozess automatisieren.

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