Studentische Arbeiten

Kunststoffe nehmen in der heutigen Zeit einen großen Teil des alltäglichen Lebens ein. In jedem Bereich sind Kunststoffe vertreten, sei es in der Industrie oder im privaten Bereich. Für die Automobilindustrie werden bevorzugt Kunststoffbauteile verwendet, an die hohe Anforderungen bezüglich Festigkeit und Steifigkeit gestellt werden. Um solche Bauteile herzustellen, ist es notwendig den Kunststoff zu verstärken. Die Herstellung von faserverstärktem Kunststoff erfolgt üblicherweise in einem Extruder. Ziel bei der Einarbeitung ist es, die Fasern in dem Kunststoff homogen zu verteilen, um ein optimales Stoffgemisch herzustellen. Das Ziel der Arbeit war es, eine Fasertransport und Dosiervorrichtung zu entwickeln, die einen gleichmäßigen Faserstrom in einen Extruder sicherstellt. Für die Umsetzung wurde ein geeignetes Konzept ausgearbeitet und konstruktiv umgesetzt. Des Weiteren bestand eine Aufgabe der Arbeit darin, bereits bestehende Lösungen zu recherchieren und die dabei auftretenden Probleme zu beschreiben. Bei der Recherche wurde deutlich, dass bisherige Lösungsansätze mangelhaft umgesetzt wurden. Die Fasern werden entweder als Garne oder als kurze Schnittfasern in den Extruder eingebracht. Während Garne durch Öffnungen in den dafür vorgesehenen Zylinderelementen direkt in die Schnecken des Extruders eingeführt werden können, erfolgt die Zuführung kurzer Fasern mit Hilfe von Fördereinrichtungen oder Stopfwerken. Damit die kurzen Fasern mit hoher Förderkonstanz in den Extruder gebracht werden können, müssen diese rieselfähig sein. Häufig liegen jedoch schlecht rieselfähige Fasern mit sehr niedrigem Schüttgewicht als Ausgangsfasern vor, die bereits in der Dosiervorrichtung oder danach im Stopfwerk am Extruder zur Brückenbildung neigen und mit dem technisch verfügbaren Equipment nicht in der erforderlichen Menge und Konstanz in den Extruder gebracht werden können. Es wurde ein Konzept entwickelt, dass die bestehenden Probleme minimiert und einen gleichmäßigen Faserstrom mit einer ausreichenden Konstanz in den Extruder sicher stellt. Der Transport der Fasern erfolgt über einen Luftstrom, wodurch sie vereinzelt werden. Das entwickelte Gerät trennt die Fasern und die Luft voneinander und bringt die Fasern unter Zwang über eine dichtkämmende Doppelschnecke in den Extruder ein. Die Dosiervorrichtung wurde konstruktiv und baulich umgesetzt. Für die Konstruktion wurde ein Model mit allen für den Bau notwendigen Einzelteilzeichnungen angefertigt. Mit dem Gerät wurden Versuche durchgeführt und protokolliert. Die dabei erzielten Durchsätze sind industrieller Standard. Da diese Umsetzung der Fasereinbringung bisher noch nicht existiert und die gewünschten Ergebnisse brachte, wurde ein Patent eingereicht.

Faserverstärkte Bauteile werden im Flugzeugbau schon seit mehreren Jahrzehnten erfolgreich eingesetzt. Mit steigender Anzahl faserverstärkter Komponenten müssen daher Fertigungsverfahren entwickelt werden, die dieser sich ständig erhöhenden Nachfrage gerecht werden können. Die momentane Produktion bei Airbus erfolgt zu einem großen Teil durch Prepreg-Halbzeuge, die durch die Vorimprägnierung jedoch gekühlt gelagert werden müssen und auch bei der Aushärtung im Autoklaven hohe Kosten erzeugen. Eine Lösung ist daher die Produktion durch Vakuuminfusion. Hierbei werden Trockenfasern mit Hilfe einer Druckdifferenz zwischen Infusionsaufbau und Umwelt mit Harz getränkt. Um den Prozess robuster und damit störungsresistenter zu gestalten, wird die Vakuuminfusion weiterentwickelt. Diese Masterarbeit befasst sich mit der Tränkung von Trockenfasern über eine sogenannte integrierte Fließhilfe. Dabei handelt es sich um in die Werkzeugoberfläche eingebrachte Fließkanäle, die den Harztransport gewährleisten sollen. In praktischen Versuchen werden Fließgeschwindigkeiten verschiedener Faserhalbzeuge und Laminatdicken untersucht und auf weitere Versuchsaufbauten übertragen, die die Imprägnierung von Versteifungsprofilen verifizieren. Um den vom standardmäßig verwendeten Infusionsaufbau abweichenden Prozess beurteilen zu können, werden abschließend Schliffbilder angefertigt, um die Laminatqualität der hergestellten Bauteile zu überprüfen. Da das Verfahren auch für aerodynamische Außenflächen zum Einsatz kommen soll, wird in einem Lackierversuch der Aufwand beurteilt, der nötig ist, um die erzeugten Bauteiloberflächen vorzubereiten und anschließend zu lackieren.

Bei der Kunststoffherstellung kommen Extruder zum Einsatz deren wesentliche Bestandteile ein Zylinder und eine darin befindliche, drehbare Schnecke sind. Für die Dimensionierung der Schnecke werden verschiedene Berechnungsmodelle verwendet, mit denen sich Kennwerte zur Beurteilung der Extruder-Eigenschaften bestimmen lassen. Das im Folgenden betrachtete Modell stellt eine Reihe von vereinfachenden Gleichungen zur Berechnung von Kennwerten, für die grundlegende Schneckengeometrie, zur Verfügung. Basierend auf diesen Gleichungen wurde ein Matlab-Programm erstellt, welches unter der Vorgabe von Eingangsparametern, die Kennwerte berechnet, anzeigt und teils grafisch darstellt. Desweiteren enthält das Programm auch eine Optimierungsfunktion für ausgewählte Parameter, welche im Anschluss an die Berechnung verwendet werden kann. Das Ziel der Optimierung ist die Bestimmung von günstigen Werten für die Optimierungsparameter, unter der Vorgabe eines minimalen Energiebedarfs. Die Ergebnisse der Optimierung lassen sich ebenfalls wertmäßig und graphisch darstellen.

Das Thermoplast-Schaumspritzgießen stellt eine Möglichkeit dar, das Gewicht von Spritzgußteilen durch das gezielte Einbringen von Gas im Bauteilkern zu verringern. Die Anwendung dieses Verfahrens ist neu für Geräte im Bereich der Forst- und Landschaftspflege. Ziel dieser Arbeit ist es die Eignung dieses Verfahrens in der Firma STIHL zu überprüfen. Dazu wurden anhand von geschäumten Kettenraddeckeln mechanische Untersuchungen wie Biege- und Zugversuch durchgeführt. Weiterhin wurde nach Verfahren gesucht, welche eine Prüfung der Oberflächenqualität mit den zur Verfügung stehenden Messgeräten zulassen. Es sollte das Zusammenwirken von Werkstoff, Prozessführung und resultierenden Bauteileigenschaften erfasst werden. Als geeignete Verfahren zur serienbegleitenden Prüfung der Oberflächenbeschaffenheit kommen das Tastschnittverfahren sowie die Auswertung des Grauanteils bei schwarzen Bauteilen unter dem Lichtmikroskop in Frage. Für die optische Auswertung grauer Bauteile wird die Verwendung eines Kontrastmittels empfohlen. Die erzielten Gewichtsreduktionen sind mit maximal 10 % vergleichsweise gering, was dazu führt, dass die Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften ebenfalls gering sind. Es konnten durch die Variation einiger Prozessparameter sowohl fein- als auch grobporige Schaumkerne hergestellt werden. Als Ansatzpunkt für weitere Analysen kann die Untersuchung von Thermoplast-Schaumspritzgussteilen unter Verwendung variothermer Werkzeugtemperierung gesehen werden.

Energieeinsparung durch Massereduzierung ist nicht nur im Automobilbau ein häufig verfolgter Ansatz. Eine Werkstoffgruppe mit hohem Leichtbau- und Großserienpotential sind Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) auf thermoplastischer Basis. Oftmals aufwändige und zeitintensive Vorversuche limitieren aber den vermehrten Einsatz dieser Materialgruppe. Diese Grundlagen sind jedoch nötig, um das ideale, materialspezifische Parameterprofil - vornehmlich bestehend aus Prozessdruck und -temperatur sowie Gesamtpresszeit - festzulegen. Die vorliegende Arbeit setzt sich zunächst mit den theoretischen Grundlagen und Arten der Herstellung von endlosglasfaserverstärkten Thermoplast-Halbzeugen auseinander, wobei die Laminatqualität in großem Maße von den Prozessen der Imprägnierung und Konsolidierung beeinflusst wird. Die Parameter der Vorversuche auf einer statischen Laborpresse (STAT) werden transferiert und auf einer industrienahen Intervall-Heißpresse (IVHP) nachgefahren. Die entstehenden Organobleche werden einer analytischen und mechanischen Prüfung unterzogen. Dabei erweisen sich vor allem die statische 3-Punkt-Biegeprüfung und die Ermittlung der Verbunddichte nach der Eintauchmethode als besonders geeignet. Zur Aufklärung des Imprägnierungsfortschritts werden Mikroskopieaufnahmen der FKV-Platten qualitativ ausgewertet und verglichen. Die Auswertung der Analysemethoden belegt, dass das Temperatur-Druck-Profil der IVHP zu komplex ist, um einen konform deckungsgleichen Übertrag von der STAT zu realisieren. Dennoch ist eine eindeutige Abhängigkeit der Laminatqualität von den definierten Prozessparametern nachweisbar. Eine Erhöhung einer der Parameter Druck, Temperatur und Zeit bewirkt, sowohl bei der statischen als auch bei der semi-kontinuierlichen Fertigung, einen Anstieg der untersuchten Werkstoffkennwerte, welche den Imprägnierungsfortschritt abbilden. Die Erkenntnisse der vorliegenden Arbeit dienen als Grundlage für tiefergehende Untersuchungen an den Einrichtungen der "Neue Materialien Fürth GmbH".