03.02.2015

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IKT: In-Situ-Verfahren für hochfeste thermoplastische Faserkunststoffverbunde

Faserkunststoffverbunde (FKV) werden als Leichtbauwerkstoffe dort eingesetzt, wo der konstruktive Leichtbau mit herkömmlichen Werkstoffen an Grenzen stößt. Mechanisch weniger belastete Bauteile werden z. B. im Automobilbau schon lange aus kurzglasfaserverstärkten Thermoplasten hergestellt. Für besonders hohe Festigkeiten und Steifigkeiten werden jedoch möglichst lange, im besten Falle endlose Verstärkungsfasern benötigt. Bisher werden diese in Duromeren als Matrixwerkstoff verwendet, zum einen weil deren Monomere kostengünstig, zum anderen weil sie sehr dünnflüssig sind und somit eine gute Faserdurchtränkung und -benetzung erlauben.

Um diesen Vorteil auch zur Langfaserverstärkung von Thermoplasten zu nutzen, werden immer häufiger In-Situ-Verfahren eingesetzt. Dabei wird das dünnflüssige Monomer Caprolactam unter Zugabe eines Aktivators und eines Katalysators verwendet, welches während der Formgebung zu Polyamid 6 (PA6) polymerisiert. Die Verwendung von Thermoplasten als Matrixwerkstoff wird von Automobilherstellern wegen seiner Vorteile gewünscht, wie z. B. erhöhte Schlagzähigkeit, Schweißbarkeit und verbesserte Recyclingfähigkeit.

Eine Möglichkeit das Verfahren anzuwenden ist das In-Situ-Spritzgießen. Dabei finden die Imprägnierung der Fasern sowie die Reaktion zum fertigen PA6 im Spritzgießwerkzeug statt. Aufgrund der geringen Viskosität ist es möglich, mit geringem Einspritzdruck zu arbeiten. So können auch hohe Einspritzgeschwindigkeiten realisiert werden, ohne die Fasern unzulässig zu verschieben oder zu schädigen. Das fertige, hochkristalline und langkettige faserverstärkte PA6 besitzt dann die gewünschte hohe Festigkeit und Steifigkeit.

Eine weitere Möglichkeit, hochfeste und hochsteife langfaserverstärkte thermoplastische Bauteile herzustellen, ist die In-Situ-Pultrusion. Wie bei der klassischen Pultrusion mit duromerer Matrix, werden dabei Endlos-Fasern mit dem Ausgangsstoff des Matrixwerkstoffs durchtränkt, bevor dieser dann zum Polymer reagiert. Im Gegensatz zu den Duromeren, können die Fasern aber nicht durch ein Monomerbad gezogen werden, da die Umgebungsfeuchte die Reaktion zu PA6 unterbinden würde. Die Durchtränkung der Fasern muss also unter Schutzatmosphäre im Pultrusionswerkzeug stattfinden, wo dann im Anschluss die Reaktion stattfinden kann. Eine solche In-Situ-Pultrusionsanlage wurde am IKT erstmals errichtet und in Betrieb genommen.

Die langfaserverstärkten pultrudierten Profile werden in ein Spritzgießwerkzeug eingelegt und mit PA6GF30 zu komplexen Bauteilen umspritzt. Hierbei sorgen die Profile für extreme Festigkeit und Steifigkeit, die umspritzende Formmasse für komplexe Gestalt. Auf diese Weise sind Zykluszeiten wie beim herkömmlichen Spritzgießen bei gleichzeitig hervorragenden mechanischen Eigenschaften und hoher Bauteilkomplexität möglich.

Diese und weitere aktuelle Forschungsaktivitäten und Erkenntnisse werden im Rahmen des 24. Stuttgarter Kunststoffkolloquiums vorgestellt.

Weitere Informationen:
www.stuttgarter-kunststoffkolloquium.de, www.ikt.uni-stuttgart.de

24. Stuttgarter Kunststoffkolloquium, 25.-26. Februar 2015, Stuttgart

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