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Holzbasierte Bioökonomie und Kunststofftechnik: Nachwachsende Rohstoffe für technische Bauteile
(2024)
Die Reinraumtechnik zielt darauf ab, mit gerichteten partikelfreien Luftströmungen die im Reinraum stattfindenden Prozesse vor Fremdeinflüssen zu schützen. Die Spritzgussproduktion stellt die Reinraumtechnik dabei vor besondere Herausforderungen. Im Bereich des Spritzgusswerkzeugs können aufgrund des relativ hohen Temperaturunterschieds zur Reinraumluft Kamineffekte auftreten, die der Reinraumströmung entgegen wirken. Im Folgenden wird deshalb der thermische Einfluss eines Spritzgusswerkzeugs exemplarisch bei unterschiedlichen Temperaturen untersucht. Dazu werden Strömungsvisualisierungen mittels Nebel und Schlierenfotografie sowie Strömungssimulationen genutzt. Bereits relativ
niedrige Werkzeugtemperaturen von 40 °C reichten aus, um einen Kamineffekt im
Werkzeugbereich entstehen zu lassen, der die Reinraumströmung ungünstig beeinflusst. Erst durch den Einsatz einer Filter-Fan-Unit über dem kritischen Werkzeugbereich konnte die Luftströmung auch bei höheren Werkzeugtemperaturen kontrolliert werden.
Reinräume finden in der Spritzgießtechnik in immer mehr Anwendungen ihre Berechtigung. Dabei gibt es verschiedene Möglichkeiten, eine Spritzgießmaschine in einen Reinraum zu integrieren. Schon die bloße Anwesenheit der Spritzgießmaschine beeinflusst die Reinraumströmung signifikant. Dieser Effekt wird bei hohen Werkzeugtemperaturen durch einen Kamineffekt zusätzlich verstärkt. Abhilfe schaffen hier Filter-Fan-Units über dem Werkzeugbereich.
Mit steigender Nachfrage nach energieeffizienten Verkehrsmitteln hat sich die Nachfrage nach Leichtbaukomponenten stetig verstärkt. Faserverstärkte thermo-plastische Kunststoffe substituieren zunehmend metallische Komponenten. (sog. Organobleche) erfüllen nicht nur die steigenden Anforderungen an Leichtbau, sondern auch an die Wirtschaftlichkeit von Produktionsprozessen, sowie an die Designfreiheit einzelner Bauteile. Das Hybrid-Spritzguss-Verfahren in Verbindung mit Organoblechen hat sich daher in den vergangenen Jahren für die Herstellung von Funktionsbauteilen und Leichtbaustrukturen durchgesetzt.
Der Vortrag befasst sich mit der werkstofflichen Rezyklierbarkeit von endlosglasfa-serverstärkten thermoplastischen Kunststoffen (Organobleche). Sortenreine Indust-rieabfälle werden dabei in einem Closed-Loop-Recyclingprozess zum Anspritzen von Funktionselementen in einem Serienbauteils genutzt. Dabei wurden verschie-dene Zerkleinerungsverfahren für die Verschnitte und die direkte Verarbeitung des Mahlguts im Spritzguß untersucht. Anhand von mechanischen Untersuchungen wurden die Materialeigenschaften der Rezyklate mit denen der Neuware verglichen. Darüber hinaus werden der Faserlängenabbau durch den Spritzgussprozess und der Einfluss des Wasserstrahlschneidens auf die mechanischen Eigenschaften des Faserverbundes untersucht. Die Untersuchungen wurden mit einer Ökobilanz vervollständigt.
Bei der Planung von Produktionsumgebungen, insbesondere in der Reinraumtechnik, spielt die erwartete Kühllast eine entscheidende Rolle bei der Auslegung der Anlagen. Aufgrund unzureichender Datenbasis werden Klimaanlagen oft nur mit groben Schät-zungen dimensioniert. Um einen reibungslosen Betrieb zu gewährleisten, sind konser-vative Schätzungen und Sicherheitsfaktoren unerlässlich. Allerdings führen diese Maßnahmen oft zu überdimensionierten Anlagen, die weit außerhalb des energeti-schen Optimums operieren und somit den Energieverbrauch unnötig in die Höhe trei-ben. Im Folgenden soll deshalb eine Möglichkeit betrachtet werden, um die im Betrieb anfallende Abwärme von Spritzgussmaschinen quantifizieren zu können.
Es wird eine Massenstrombilanz der Spritzgussmaschine einschließlich Temperierung und Automatisierung erstellt. Darauf aufbauend wird eine detaillierte Energiebilanz ab-geleitet. Hierbei wird das Gesamtsystem in die Bestandteile Spritzgussmaschine (ein-schließlich Antriebe, Steuerung und Plastifiziereinheit), Spritzgusswerkzeug, Temperiergerät und Automatisierung geteilt. Da die Wärmeverluste nicht direkt gemes-sen werden können, werden diese bilanziell auf Basis der Energiebilanz bestimmt. Dazu werden die restlichen Bilanzgrößen durch detaillierte Messungen bestimmt. Da neben der Abwärme weitere Energieströme nicht durch Messungen erfasst werden können sind teilweise Näherungsrechnungen notwendig. Die Abwärme wird exempla-risch an einer hydraulischen und einer elektrischen Spritzgussmaschine bestimmt. Auf dieser Datenbasis werden Vereinfachungen abgeleitet, um die Abwärme ähnlicher Spritzgussmaschinen gezielter abschätzen zu können.
Cellulosefaserverstärktes Polypropylen – Eigenschaftsbeeinflussung durch die Schmelzeaufbereitung
(2023)
Verarbeitungstemperaturen, Verweilzeit und Scherkräfte sind entscheidend, um die strukturelle Integrität von cellulosebasierten Fasern zu gewährleisten.
In dieser Studie wurden die Einflüsse durch die Schmelzeaufbereitung eines cellulosefaserverstärkten Polypropylens auf die Faser und den Faserverbund untersucht. Die Schmelze wurde in einem Plastographen mit verschiedenen Rotordrehzahlen, Schmelzetemperaturen und Verweilzeiten aufbereitet. Um die Auswirkung der Einspeisungsmethode auf den Faserabbau zu analysieren, wurden die Fasern entweder direkt der thermoplastischen Schmelze oder zusammen mit dem Kunststoffgranulat dem Plastographen zugeführt. Die Zugabe der Fasern in die Schmelze geht mit einer erhöhten thermischen und verminderten mechanischen Belastung der Fasern einher.
Bei der Prüfung der mechanischen Eigenschaften der verschieden aufbereiteten Compounds zeigten sich signifikante Unterschiede. Wurden die Fasern direkt der Schmelze hinzugefügt, so führte dies zu einer deutlich reduzierten Zugfestigkeit. Optische Unterschiede in den Schliffbildern der spritzgegossenen Prüfstäbe sowie in den Faserlängen nach Compoundierung konnten nicht festgestellt werden. Die verminderte Festigkeit wird folglich auf die unterschiedliche thermische Belastung der Faser während der Verarbeitung zurückgeführt.
Due to their lightweight potential and good eco-balance, thermoplastic hybrid composites with natural fiber reinforcement have long been used in the automotive industry. A good alternative to natural fibers is wood fibers, which have similar properties but are also a single-material solution using domestic raw materials. However, there has been hardly any research into wood fibers in thermoplastic back-injected hybrid composites. This article compares the bond strength of an injection molded rib from polypropylene (PP) and wood fibers to different non-wovens. The non-wovens consisted of wood fibers (spruce) or alternatively natural fibers (kenaf, hemp), both with a polypropylene matrix. Pull-off and instrumented puncture impact tests show that, given similar parameters, the natural and wood-fiber-hybrid composites exhibit very similar trends in bond strength. Further tests using viscosity measurements, microscopy, and computed tomography confirm the results. Wood-fiber-reinforced thermoplastic hybrid composites can thus compete with the natural fiber composites in terms of their mechanical behavior and therefore present a good alternative in technical semi-structural applications.
Increasing demand for energy-efficient means of transport has steadily intensified the trend towards lightweight components. Thermoplastic glass fiber composites (organo sheets) play a major role in the production of functional automotive components. Organo sheets are cut, shaped and functionalized by injection molding to produce hybrid components, such as those used in car door modules. The cutting process produces a considerable amount of production waste, which has thus far been thermally recycled. This study develops a closed mechanical recycling process and analyzes the different steps of the process. The offcuts were shredded using two shredding methods and implemented directly in the injection-molding process. Using tensile tests and impact bending tests, the material properties of the recycled materials were compared with the virgin material. In addition, fiber length degradation via the injection-molding process and the influence of the waterjet-cutting process on the mechanical properties are investigated. Recycled offcuts are both comparable to new material in terms of mechanical properties and usability, and are also economically and ecologically advantageous. Recycling polypropylene waste with glass fiber reinforcement in a closed loop is an effective way to reduce industrial waste in a sustainable and economical production process.