Werkzeugintegrierte Erwärmungstechnologie zur Verarbeitung thermoplastischer Faser-Kunststoﬀ-Verbundwerkstoﬀe

Beuscher, Jan, Peter

doi:10.24355/dbbs.084-202203041026-0

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Werkzeugintegrierte Erwärmungstechnologie zur Verarbeitung thermoplastischer Faser-Kunststoﬀ-Verbundwerkstoﬀe

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Hybride Strukturen auf Basis thermoplastischer Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) bieten ein großes Potenzial, Anforderungen an Gewichtsreduzierung und Funktionalisierung von Bauteilen zu erfüllen. Eine vielversprechende Möglichkeit, hybride Strukturen, die aus flächigen FKV-Halbzeugen und Thermoplastspritzguss bestehen, herzustellen, ist die Prozesskombination aus Thermoformen und Spritzgießen. Die Herausforderung bei dieser Prozesskombination besteht in der Temperaturführung des Materials über die gesamte Prozesskette.

Die Temperaturführung wirkt sich wesentlich auf die resultierende Verbundfestigkeit als Bauteilqualitätsmerkmal aus, ist jedoch abhängig von der jeweiligen Materialpaarung. Gleichzeitig muss angenommen werden, dass durch eine falsche Temperaturführung Materialschädigungen und hohe Energieverbräuche entstehen. Bekannte Technologien zur Erwärmung von Materialien innerhalb der Prozesskette sind entweder auf elektrisch leitende Materialien (z. B. bei der Induktion) beschränkt oder nicht effizient integrierbar und führen so zu langen Zykluszeiten oder Temperaturverlusten im Material. Vor diesem Hintergrund setzt sich die Arbeit ein grundlegendes Verständnis einer effizienten, werkzeugintegrierten Erwärmung von thermoplastischen FKV als Hauptziel.

Zur Auslegung der werkzeugintegrierten Erwärmungstechnologie ist die Kenntnis des relevanten materialabhängigen Prozessfensters von Bedeutung. Zu seiner Bestimmung wird einerseits der Einfluss von Prozessparametern (Werkzeugtemperatur, Halbzeugtemperatur, Einspritzdruck etc.) auf die resultierende Verbundhaftung untersucht und andererseits mit thermoanalytischen Methoden das thermische Prozessfenster (Schmelz- und Rekristallisationsverhalten, Degradation etc.) identifiziert. Diese Erkenntnisse fließen in die nachfolgende Technologieauswahl ein. Das Ergebnis dieser Auswahl legt einen Einsatz von Infrarotstrahlern (IR-Strahler) zur Materialerwärmung nahe. Deren Verwendung erfordert eine konstruktive Konzeption eines Formwerkzeugs mit transparenten Werkzeugeinsätzen, die die Strahler schützen und ihnen dennoch einen Sichtbereich im Werkzeug ermöglichen. In Abhängigkeit der zu erwartenden mechanischen Lasten werden verschiedene transparente Materialien charakterisiert und eine Spinellkeramik zur weiteren Betrachtung ausgewählt. Mit dem Aufbau eines Funktionsdemonstrators erfolgt eine Technologie- und Prozessevaluation. Die Ergebnisse erlauben den Schluss, dass die werkzeugintegrierte Erwärmung für eine energie- und zeiteffiziente Erwärmung im Spritzgießprozess geeignet ist. Im Rahmen der Prozessevaluation wird der Erwärmungsprozess mit werkzeugintegrierter Erwärmungstechnologie hinsichtlich der Temperierung von thermoplastischen FKV im Vergleich zur externen IR-Erwärmung, induktiven Erwärmung und elektrischen Widerstandserwärmung untersucht, wobei die werkzeugintegrierte Erwärmung jeweils ein vorteilhaftes Erwärmungsverhalten mit den im Vergleich geringsten Erwärmungszeiten zeigt. Durch eine modellhafte Beschreibung der Wärmestrahlung im betrachteten System sowie der Wärmeleitung im Halbzeug kann die instationäre Temperaturverteilung dargestellt werden, mithilfe derer sich eine effiziente Prozesssteuerung bewerkstelligen lässt. Die vorgenommene Integration des Erwärmungsvorgangs in das Werkzeug ermöglicht eine Zykluszeitreduzierung von 28,4 % im Vergleich zum Referenzprozess und ermöglicht durch die Absenkung der Prozess- und Werkzeugtemperaturen auf die minimalen Verarbeitungstemperaturen eine signifikante Energieeinsparung im Betrieb. Die Ansätze zum Technologietransfer der werkzeugintegrierten Erwärmung auf die Herstellung komplexerer hybrider Bauteile und auf die Direktimprägnierung thermoplastischer FKV im Werkzeug zeigen ein großes Potenzial zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit von Produktionsprozessen.

Hybrid structures based on fibre-reinforced thermoplastic (FRP) composites offer great potentials for meeting the requirements of weight reduction and functionalisation of components. A promising possibility to produce hybrid structures consisting of flat FRP semi-finished products and short fibre-reinforced thermoplastics is the process combination of thermoforming and injection moulding. The challenge with this process combination is the temperature control of the material over the entire process chain.

The temperature control has a significant effect on the resulting composite strength as a component quality feature, but is dependent on the respective material pairing. At the same time, it must be assumed that incorrect temperature control may result in material damage and high energy consumption. Established technologies for heating materials within the process chain are either limited to electrically conductive materials (e.g. in induction) or cannot be integrated efficiently and thus lead to long cycle times or temperature losses in the material. Against this background, the main objective of this work is to achieve a fundamental understanding of efficient, mould-integrated heating of thermoplastic FRP.

Knowledge of the relevant material-dependent process window is important for the design of the heating technology. In order to determine this, the influence of process parameters (mould temperature, process temperature, injection pressure, etc.) on the resulting bond strength is investigated on the one hand, and the thermal process window (melting and recrystallisation behaviour, degradation, etc.) is identified using thermoanalytical methods on the other hand. These findings are incorporated into the subsequent technology selection. The result of this selection suggests the use of infrared (IR) radiation for material heating. Their use requires a constructive conception of a mould with the integration of transparent mould inserts that protect the emitters and still allow them a viewing area in the mould. Depending on the expected mechanical loads, various transparent materials are characterised and a spinel ceramic is selected for further consideration. With the construction of a functional demonstrator, a technology and process evaluation is carried out. The results suggest the conclusion that mould-integrated heating is suitable for energy- and time-efficient heating in the injection moulding process. Within the framework of the process evaluation, the heating process with mould-integrated heating technology is examined with regard to the temperature control of thermoplastic FRP in comparison to external IR heating, inductive heating and electrical resistance heating, whereby the mould-integrated heating shows the best heating behaviour in each case. By describing the heat radiation in the system under consideration and the heat conduction in the semi-finished product, the transient temperature distribution can be represented, by the help of which efficient process control can be achieved. The integration of the heating process into the mould enables a cycle time reduction of 28.4 % compared to the reference process and enables significant energy savings in operation by lowering the process and mould temperatures to the minimum processing temperatures. The approaches to technology transfer of mould-integrated heating to the production of more complex hybrid components and to the direct impregnation of thermoplastic FRP in the mould show great potentials for improving the economic efficiency of production processes.