Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Analyse und Vorhersage von Degradationsprozessen an Werkzeug/Kunststoffgrenzflächen in Kunststoffverarbeitungsprozessen

Bei der Herstellung von Kunststoffformteilen in Extrusions- und Spritzgießprozessen ist die Qualität der Bauteile von wesentlicher Bedeutung. Insbesondere bei der Herstellung von optischen Bauteilen aus Polycarbonat lassen sich lange Verweilzeiten der Schmelze in den formgebenden Werkzeugen und Plastifiziereinheiten nicht immer vermeiden. Neben der reinen Verweilzeit bei hoher Temperatur ist bei der Verarbeitung von PC eine Wechselwirkung mit dem Stählen für Maschine und Werkzeug festzustellen. Diese führt zu einer wechselseitigen Degradation der beteiligten Werkstoffe.

Die Arbeitsinhalte des Projektes beinhalten grundlegende Untersuchungen der wirkenden polymeren Abbaumechanismen bei Kontakt mit metallischen Oberflächen. Es werden sowohl die Stahloberflächen als auch die grenzflächennahe Kunststoffphase untersucht, um die wechselseitigen Abbauprozesse auf molekularer Ebene grundlegend zu verstehen.

Um die Reaktionen der verwendeten Kunststoffe und Stähle auch in realen Verarbeitungsprozessen bewerten zu können, werden Stahlproben in speziellen Prüfaufbauten mit Schmelze in Kontakt gebracht. In einer vorgeschalteten Untersuchungsreihe wird der Feuchtegehalt von PC vor und während der Verarbeitung in einem Plastifizieraggreagt untersucht. Anschließend werden Untersuchungen in Spritzgießprozessen durchgeführt, bei der die grundlegenden Degradationsmechanismen, die zuvor auf kleiner Skala analysiert wurden, auf reale Prozesse übertragen werden.

Ziel dieses Projektes ist, neben der Erarbeitung der theoretischen Zusammenhänge der Degradationsreaktionen, Empfehlungen für die Werkstoffauswahl und Verarbeitungsbedingungen zur Minimierung der Degradation bei PC zu erarbeiten. Dies ist insbesondere für Verarbeiter aus dem Bereich der KMUs von hoher Relevanz, da diese in der Regel nicht über die Methoden zur Detektion der hier untersuchten Effekte verfügen. Daher sind die abschließend zu erstellenden Leitfäden für sichere Prozessfenster für KMUs besonders hilfreich.

Ergebniszusammenfassung:

Die Analyse der grenzflächennahen Degradationsmechanismen ist für die Industriebereiche entlang der Wertschöpfungskette der Polycarbonat-Bauteile von direkter Relevanz. Die Untersuchung der Degradationsmechanismen und deren Beeinflussung durch verschiedene Parametereinstellungen und Werkzeugstähle bietet sowohl Herstellern von Maschinen- und Anlagenteilen als auch verarbeitenden Betriebe leicht umzusetzende Vorteile. Zusätzlich haben die Trocknungsanalysen weitere optimierende Erkenntnisse für die Materialhersteller geliefert. Die Untersuchungsreihen haben gezeigt, wie wichtig eine ordnungsgemäße Vorbereitung der Rohstoffe und Anlagentechnik im Prozessablauf ist und die hier detektierten Fehlerquellen bislang nicht berücksichtigt wurden. Die hier im Projekt vorgestellten Erkenntnisse zur Vorbereitung und Verarbeitung von PC sind besonders von wirtschaftlichem Interesse, da dadurch durch eine gezieltere Parameteranpassung und Werkstoffauswahl Fehler durch Degradationseffekte vermieden werden können.

Mit den gesammelten Erkenntnissen aus diesem Forschungsvorhaben können verarbeitende Betriebe die Projektergebnisse auf ihre eigenen Produktionsprozesse übertragen. Hieraus lassen sich präzisere Zyklen für Überholung und Erneuerung von Werkzeugen, Schnecken und Zylindern abschätzen.

Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens wurden innerhalb des letzten Arbeitspaketes in eine Handlungsempfehlung übergeleitet, die die Unternehmen in ihren jeweiligen Anwendungsfeldern umsetzen können. Zusammenfassend sind für Werkzeugbauer die Verwendung von chromhaltigem Stahl, korrosionsbeständigen Beschichtungen, um eine Reaktion zwischen Fe-Ionen und Stahl zu verhindern sowie die konstruktive Umsetzung einer verbesserten Entlüftung der Werkzeugkavität relevant. Die Werkzeugtemperatur bei der Verarbeitung sollte eine Temperatur von 70 °C nicht überschreiten, wohingegen Massentemperaturen zur Entgasung der Schmelze im Maximalbereich des jeweiligen Materials liegen sollten.