Verbesserung der Bindenahtfestigkeit spritzgegossener, faserverstärkter Bauteile durch eine neuartige Werkzeugtechnologie

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Bonten
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 536598071

Mit dem Spritzgießen können komplexe dreidimensionale Bauteile kostengünstig hergestellt werden. Dabei hat die Füllung der Form einen wesentlichen Einfluss auf die späteren Bauteileigenschaften. Hierbei kann es aber auch zu Phänomenen kommen, die u. a. die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes Kunststoff schwächen. Insbesondere bei komplexen Bauteilen stellen Bindenähte solch ein Problem dar. Diese entstehen, wenn die Schmelze zunächst aufgeteilt wurde und dann, z. B. nach Umfließen eines Hindernisses, die beiden Schmelzeströme wieder aufeinandertreffen. Vor allem bei faserverstärkten Kunststoffe stellen sie eine große Herausforderung dar. Gelangen Makromoleküle der Polymere durch Brown’sche Molekularbewegung auch nach Schneckenstillstand noch über die Grenzfläche, gelingt dies bei Fasern oder Plättchen nicht. Zwar wurden in der Vergangenheit viele verschiedene Konzepte entwickelt, um dieses Problem zu beherrschen, allerdings häufig mit sehr großem Aufwand und meist nur für spezielle Anwendungen. Ziel des beantragten Projekts ist es, ein vergleichsweise einfaches Verfahren zu entwickeln, welches die Bindenahtfestigkeit spritzgegossener Bauteil steigert. Dafür soll ein Stempel im Bereich der Bindenaht in das Werkzeug integriert werden. Dieser gibt im zurückgezogenen Zustand eine Nebenkavität frei, deren Inhalt direkt nach der Füllung der Kavität wieder in den Bindenahtbereich zurückgedrückt wird. Durch dieses Zurückdrücken der Schmelze wird die beim Zusammentreffen der Schmelzefronten entstandene Orientierung der Makromoleküle und Füllstoffe durch ein Fließen in die Gegenrichtung wieder aufgehoben und die Bindenaht wird verwischt. Um diesen Ansatz umzusetzen, muss zuerst der Mechanismus beim Zurückdrücken der Schmelze verstanden und modelliert werden. Hierbei spielen Orientierungen, insbesondere Faserorientierungen, eine besondere Rolle. Die Validierung soll einerseits simulativ, u. a. mit Hilfe von Tracerpartikeln umgesetzt werden, zum anderen experimentell mit Hilfe von Faserorientierungsanalysen. Dadurch soll geklärt werden, welchen Einfluss die verschiedenen Prozess- und Geometrieparameter auf die Umorientierung der Fasern haben. Die gewonnenen Erkenntnisse werden genutzt, um ein Versuchswerkzeug aufzubauen, mit dessen Hilfe die Umsetzung in der Realität validiert wird. Außerdem sollen die Einflüsse verschiedener Werkstoffe, Prozessparameter und Bauteilgeometrien untersucht werden. Abschließend soll ein Modell erstellt werden, welches es ermöglicht das neue Verfahren auf beliebige Bauteilgeometrien und Werkstoffe ideal anzuwenden. Ergebnisse des Projektes sind somit ein neues Verfahren zur Verbesserung der Bindenahtfestigkeit, ein erweitertes Verständnis der verfahrenstechnischen Vorgänge während der Anwendung dieser Technik und ein zur Vorhersage und Auslegung anwendbares Modell.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen