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Langfaser-Spritzguss

Organoblech-Kern prozesssicher Umspritzen

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Günstiger als fertige Langfasergranulate

Beim Einsatz von glasfaserverstärkten Kunststoffen geht es vor allem um den Leichtbau, also die Substitution von Metallen. Das Langfaser-Direktspritzgießen von Arburg für Maschinen mit Schließkräften bis 5000 kN ermöglicht es bis 50 mm lange Fasern über eine Seitenbeschickung an der Spritzeinheit direkt der Schmelze zuzuführen und dort homogen zu verteilen. Faserlänge, Faseranteil und die Materialkombination lassen sich individuell programmieren. Die Ausgangsstoffe Kunststoff und Glasfaser-Roving sind sehr viel günstiger als fertige Langfasergranulate. Zudem lassen sich vergleichsweise leichte Spritzteile herstellen und dünnere Wandstärken bei gleicher Festigkeit realisieren.

Der Einsatz und die Verarbeitung längerer Glasfasern in verstärkten Kunststoffen scheiterten bislang sowohl an den Limitierungen bei Materialaufbereitung und Dosierung als auch an der Granulatform. Beim Langfaser-Direktspritzgießen können im Gegensatz dazu bis 50 mm lange Glasfasern inline in die Schmelze des Plastifizierzylinders der Spritzgießmaschinen zugeführt werden, womit auch die Möglichkeit besteht, die mechanischen Eigenschaften am Endprodukt gezielt zu beeinflussen.

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Spezielle Schnecke und Seitenbeschickung

Zur Verarbeitung der langen Fasern ist die Schnecke der Spritzeinheit zweistufig aufgebaut, in etwa vergleichbar mit einer Entgasungsplastifizierung. In Stufe 1 wird das Kunststoffgranulat aufgeschmolzen, in Stufe 2 werden die Glasfasern zugeführt und das Material homogenisiert. Die Zuführung erfolgt automatisch über eine Seitenbeschickung. Diese ist am Beginn der zweiten Schneckenstufe an den Plastifizierzylinder angeflanscht und funktioniert im Prinzip wie ein Zweischneckenextruder. Die Glasfaserstränge werden einer rotierenden Schneidvorrichtung zugeführt, die oberhalb des Einfüllbereichs der Seitenbeschickung angeordnet ist. Hier werden die Glasfaserstränge in Stücke vorgegebener Länge geschnitten. Die Einstellung wird über den Abstand der Schneidmesser vorgenommen. Die zugeschnittenen Faserstücke werden dann über die Seitenbeschickung in den Plastifizierzylinder der Maschine gefördert. Dort werden sie in die Kunststoffmatrix eingearbeitet und homogen verteilt. Die Zuführung längerer Fasern in die flüssige Schmelze am vorderen Teil der Spritzeinheit und damit die geringere Faserschädigung hat den Vorteil, dass die mechanische Verkürzung der Fasern beim Dosieren deutlich reduziert wird.

Die richtige Werkzeugtechnik machts möglich

Eine besondere Herausforderung für das speziell auf den Prozess abgestimmte Werkzeug ist, dass die heißen, biegeschlaffen Organobleche nicht nur präzise in das Werkzeug übergeben werden müssen, sondern auch reproduzierbar ohne Faltenbildung umzuformen sind. Die Halbzeuge sind bis 300 °C heiß und müssen sicher fixiert werden, um ein Verschieben der Funktionselemente beim Anspritzvorgang zuverlässig auszuschließen. Im Detail geschieht dabei folgendes: Die beiden Organoblechzuschnitte werden je nach Werkstoff auf eine Temperatur zwischen 220 und 300 °C aufgeheizt und im Werkzeug fixiert und dann zu einem Profil umgeformt; zugleich durch flächiges und formschlüssiges Verpressen stabil miteinander verbunden und umspritzt. Diese Werkzeugtechnik kommt vom Kooperationspartner Georg Kaufmann Formenbau AG. Das funktionsfähige fertige Bauteil braucht danach nur noch durch den Roboter entnommen und abgelegt zu werden.

Servohydraulische Spritzgießmaschine passt sich an

Der hydraulische Allrounder 820 S von Arburg arbeitet mit einer Servohydraulik. Dieses energieeffiziente und emissionsarme Antriebskonzept besteht aus einem drehzahlgeregelten Servomotor mit Konstantpumpe. Die Leistung passt sich so stufenlos an den jeweiligen Bedarf an. Im Vergleich zu hydraulischen Standardmaschinen mit zwei Regelpumpen spart die Servohydraulik bis 50 % Energie, vor allem bei Prozessen mit langen Kühlzeiten. Gleichzeitig reduzieren sich Kühlenergiebedarf, Abwärme und Geräuschpegel deutlich.

Versuche mit Naturfasern sind geplant

Die optional für die Selogica-Steuerung zur Verfügung stehende Kaskadensteuerung ist ein wichtiges Element im Verarbeitungsablauf. Über diese Steuerung lässt sich die Anspritzung zu verschiedenen Zeitpunkten in das Werkzeug festlegen. Dadurch wird eine bestmögliche Füllung der Kavität und das perfekte Zusammenfließen beziehungsweise Überfluten der Organobleche mit Kunststoffschmelze sichergestellt. Dies ist wiederum wichtig für eine hohe Festigkeit und Qualität der Verbundbauteile.

Hochfeste Verbundbauteile sichern Zukunft durch Leichtbau

Mit dem Langfaser-Direktspritzgießen, einer Entwicklung von Arburg und dem Kunststoff-Zentrum SKZ, ist das direkte Spritzgießen längerer Glasfasern in verstärkten Kunststoffen jetzt problemlos möglich. Damit lassen sich in Zukunft hochfeste Bauteile wie Gehäuse für Beifahrer-Airbags, Gangschalthebel, Fußpedale oder Batterieträger einfacher, sicherer und produktionseffizienter in Serie fertigen. Zukunftsweisend sind sicher auch geplante Versuche mit Naturfasern sowie die beschriebene Kombination von Einlegen, Umformen und Fertigspritzen der Organobleche zu hochfesten, faserverstärkten Verbundbauteilen in einem Schritt. Solchen Bauteilen steht eine große Zukunft in allen Branchen bevor, in denen hochfeste Komponenten kostengünstig für den Serieneinsatz gefertigt werden sollen. Ein Stichwort in diesem Zusammenhang belegt die Tragweite, die solche Projekte zunehmend gewinnen werden: die Elektromobilität. Sie erfordert mittelfristig den Einsatz solcher gewichtsverbesserter Bauteile in großer Zahl. ■

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