Automatisierungsbasis Spritzgießtechnik

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Fraunhofer-Institut für Chem. Technologie, ICT

Um einen hohen Faservolumengehalt und damit hohe mechanische Eigenschaften zu erreichen, wurde die Reaktivverarbeitung von Caprolactam zu (Guss-)Polyamid als eine ideale Lösung angesehen. Das Zusetzen geeigneter Katalysatoren und Aktivatoren führt bei der Verarbeitung des Monomers Caprolactam zu einer In-situ-Polymerisation. Es bildet sich ein lineares Polyamid 6. Wegen der niedrigen Viskosität der Schmelze ist die Infiltration und Benetzung dichter Faserstrukturen möglich. Bei 120 °C Verarbeitungstemperatur liegt die Viskosität der Schmelze von Caprolactam unter 5 mPas.

Vermeidung von RIM-Nachteilen bei der Anlagenkonzeption

Die In-situ-Verarbeitung von Caprolactam zu Polyamid 6 ist ein etabliertes Verfahren, das seit den 1960er-Jahren am Markt bekannt ist. Die bisher für die Verarbeitung verwendete Anlagentechnik orientiert sich am klassischen RIM-Verfahren, bei dem die reaktiven Komponenten in getrennten Behältern geschmolzen, aufbereitet und über Pumpen zum Mischkopf gefördert werden.

Nach dem Mischen im Mischkopf werden die Komponenten weiter zum formgebenden Werkzeug geführt, in dem sich die textilen Verstärkungsstrukturen (Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern) befinden. Ziel der anlagentechnischen Entwicklung zum reaktiven Spritzgießen ist die kompakte, effiziente Prozessgestaltung, sodass sich die Qualität der gefertigten Bauteile verbessern lässt. Als akute Schwachstellen wurden unter anderen die Einschränkungen des RIM-Prozesses aufgrund der Prozessparameter angesehen, aber auch die begrenzten Möglichkeiten, Verarbeitungstemperaturen und Einspritzdrücke in einem großen Prozessfenster flexibel einzustellen.

Aufgrund der bekannten Grenzen des RIM-Prozesses wurde ein erstes Anlagenkonzept zur Verarbeitung von Caprolactam auf Spritzgießmaschinen entwickelt. Dafür wurden folgende Anlagenkomponenten neu entwickelt:

Weil Caprolactam bei Raumtemperatur in fester Form vorliegt und kommerziell als Pellets oder Flakes in 25-kg-Verpackungen am Markt erhältlich ist, eignet sich zur Materialaufbereitung ein vertikal angeordnetes Plastifizieraggregat einer Spritzgießmaschine. Im Vergleich zur konventionellen Verarbeitung der Schmelze von Polyamid 6 ist die Viskosität des Caprolactam-Monomers um etwa den Faktor 1000 niedriger. Bei einer Temperatur von 70 °C liegt die Viskosität der Schmelze von Caprolactam im Bereich von 12 mPas. Bei 20 °C beträgt die Viskosität von Wasser 1,0 mPas.

Niedrigviskose Schmelze ohne Rückströmung und Druckverlust in die Werkzeugkavität injizieren

Aufgrund der niedrigen Viskosität von geschmolzenem Caprolactam wurde für einen reproduzierbaren Einspritzvorgang eine dichtende Rückstromsperre (RSP) entwickelt. Damit lässt sich die niedrigviskose Schmelze ohne Rückströmung und Druckverlust in die Werkzeugkavität injizieren. Eine präzise arbeitende Rückstromsperre ist auch wichtig, um die reaktiven Rohstoffkomponenten in exakt definierten Verhältnissen zueinander zu dosieren.

Wie beim RIM-Prozess werden die Komponenten im Mischkopf vermischt und dann als reaktives polymerisationsfähiges Gemisch in die Kavität injiziert. Dort kommt es zur Infiltration der textilen Faserstrukturen, bevor die In-situ-Polymerisation zu Polyamid 6 erfolgt.

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