Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines einstufigen Coextrusionsverfahren zur Herstellung von Hybridprofilen aus einer thermoplastischen und einer elastomeren Komponente

Elastomerprofile werden in vielen Anwendungsfeldern zur Mediendichtung oder Vibrations- und Stoßdämpfung eingesetzt. Um sie in ihrer Form zu stabilisieren und mit anderen Elementen zu verbinden, werden häufig hybride Profile mit elastomeren und thermoplastischen Anteilen hergestellt. Durch Kombination der Werkstoffe in einem Produkt können ihre Stärken kombiniert und Schwächen kompensiert werden, z. B. durch Integration elastischer und starrer Elemente. Bisher können solche Hybride nur in aufwendigen zweischrittigen Verfahren hergestellt werden, die meist auf die Verwendung von kostenintensiven Haftvermittlern angewiesen sind.

In diesem Vorhaben wird die Umsetzung eines Coextrusionsverfahrens untersucht, das eine Herstellung solcher Hybridprofile in einem Schritt ohne Haftvermittler ermöglicht. Dazu wird ein neuartiges Coextrusionswerkzeug konzipiert und erprobt. Mittels thermischer Simulationen werden Maßnahmen geprüft, die eine thermische Entkopplung der Fließkanäle und somit die gleichzeitige Verarbeitung der beiden Materialien in einem Werkzeug ermöglichen. Die Stoffströme werden im Werkzeug unter Druck zusammengeführt, so dass ein fester Verbund entsteht. Der Kautschuk wird durch Infrarotstrahlung vulkanisiert, wobei der Thermoplast abgeschirmt wird. In praktischen Versuchen werden zunächst verschiedene Materialkombinationen aus Thermoplasten und Kautschuken testet, um die prinzipielle Eignung für dieses Verfahren zu beurteilen. Anschließend finden umfangreiche Parameterstudien statt, um die Prozesseinflüsse auf die Produktqualität zu ermitteln.

Die neue Technologie ermöglicht es klein- und mittelständischen Unternehmen sowohl aus der kautschuk- als auch der thermoplastverarbeitenden Industrie, die Prozesskette für bestehende Hybridprofile auf einen einzigen Schritt zu verkürzen sowie den Einsatz teurer Haftvermittler zu vermeiden und somit wirtschaftlicher zu produzieren. Gleichzeitig ergeben sich neue Möglichkeiten zur Erweiterung des Produktportfolios.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens konnten Coextrudate aus EPDM und PE-LD ohne Einsatz eines Haftvermittlers in einem einstufigen Prozess hergestellt werden. Dazu wurden sie in einem gemeinsamen Werkzeug ausgeformt. Für das Coextrusionswerkzeug wurden die Fließkanäle zunächst rheologisch und thermisch ausgelegt. Zur Abschätzung möglicher Umlagerungseffekte der verschieden viskosen Komponenten wurde ein neuer Solver für die Opensource CFD-Software OpenFOAM entwickelt, der sowohl das strukturviskose, inkompressible Materialverhalten als auch eine nicht-isotherme Berechnung ermöglicht.

Da die Komponenten unter Druck bei hohen Temperaturen aufeinandertreffen, wird eine hohe Haftfestigkeit erzielt. Aufgrund der Klebrigkeit der Kautschukkomponente konnte eine Kalibrierung im Wasserbad nicht umgesetzt werden. Der Abzug erfolgte über ein gekühltes Walzenpaar. Die optimale Heizstrategie, bei der der Kautschuk effizient vernetzt wird, ohne dass der Thermoplast erweicht, nutzt Mikrowellen- und IR-Vulkanisationsanlagen. Erst wird der Kautschuk mit der Mikrowelle gezielt aufgeheizt. Der Thermoplast ist für diese Strahlung transparent. Um die Temperatur zu halten, wird IR-Strahlung eingesetzt, da hier der Thermoplast abgeschirmt werden kann.

Die Ergebnisse zeigen das Potenzial, Gummiprofile mit Thermoplasten zu verstärken und Hybridprofile einstufig zu coextrudieren und gemeinsam zu vulkanisieren. Es kann in einigen Anwendungsfällen auf teure Haftvermittler und ein Zwischenlager verzichtet werden, um Kosten zu sparen. Ein Substituieren von Aluminium durch Thermoplaste hat den Vorteil, dass der Ausschuss solcher Profile als Granulat für TPE-Anwendungen wiederverwendet werden kann. Zudem können mit Thermoplasten im Verbund Funktionselemente wie Clips, optische Akzente oder auch eine Schweißbarkeit realisiert werden. Die Erkenntnisse bieten die Grundlage, um neuartige Vulkanisationsanlagen zu entwickeln und neue Tätigkeitsfelder für Werkzeugbauer und Ingenieurbüros zu erschließen.