Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchung des Injektionsbox-Designs zur Steigerung der Produktivität, Produktqualität

und Ressourceneffizienz des Pultrusionsverfahrens

Um Leichtbaukomponenten aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) zu fertigen, werden in vielen kontinuierlichen Verfahren, wie beispielsweise der Pultrusion und dem Wickeln, die verstärkenden Fasern kontinuierlich mit der duroplastischen Kunststoffmatrix imprägniert. Die Imprägnierung wird derzeit überwiegend in offenen Tränkbädern durchgeführt, da diese Systeme technisch einfach und leicht zu überwachen sind. Hochreaktive und somit hochproduktive Matrixsysteme können in offenen Tränkbädern infolge der langen Verweilzeiten nicht verwendet werden. Der unkontrollierte Harzauftrag führt teils zu hohen Abfallmengen an Harzsystem, geringen Imprägnierqualitäten sowie hohen Emissionen flüchtiger Mischungsbestandteilen. Somit bleiben sowohl die Bauteilqualität als auch die Produktivität der Verfahren hinter dem Potenzial zurück.

Um eine höhere Bauteilqualität, eine Steigerung der Produktionsgeschwindigkeit und eine Reduktion der Emissionen und Abfallmengen zu erreichen, wurden in einzelnen Projekten bereits Tränkbäder durch geschlossene Injektionsboxen ersetzt. Allerdings müssen Injektionsboxen auf die jeweilige Problemstellung (Harzsystem, Profilquerschnitt, Abzugsgeschwindigkeit) exakt ausgelegt werden. Bisher existieren weder eine geeignete Auslegungsmethodik, noch Basiswissen zu den Strömungsvorgängen in der Injektionsbox, so dass insbesondere für kmU aus dem Pultrusionsbereich die Hürde zur Verwendung von Injektionsboxen hoch ist. Es ist das Ziel des Forschungsvorhabens anhand von drei konkreten, für kmU relevanten Anwendungsfällen ein entsprechendes Basiswissen sowie Richtlinien zur Auslegung zu erarbeiten. Hierzu werden Injektionsboxen auf Basis einer analytischen Vorauslegung erstellt, mittels Testfluiden in Sichtwerkzeugen sowie praktisch im Pultrusionsprozess untersucht und iterativ optimiert. Durch die Orientierung an konkreten Praxisproblemen sowie das praktische experimentelle Vorgehen werden die Ergebnisse direkt für kmU nutzbar sein.

Ergebniszusammenfassung:

Unter Verwendung der Sichtinjektionsboxen wurde das Strömungsfeld in der Injektionsbox, hinsichtlich der Abzugskraft, des Füllgrades und der durchschnittlichen Harzverweilzeit, untersucht. Dabei wurde der Einfluss der zentralen Prozessparameter Faservolumengehalt, Matrixviskosität und Abzugsgeschwindigkeit betrachtet. Die Beobachtungen des Strömungsprofils in der Injektionsbox zeigen, dass die Harzverteilung allein auf Grund von Kapillarkräften nicht zu einer vollständigen Imprägnierung führt, da Luft in den Filamenten und der Flüssigkeit eingeschlossen wird. Diese Luft wird durch den zunehmenden Druck in der Nähe des endgültigen Querschnitts verdrängt, was die Qualität der Imprägnierung verbessert.

Um systematisch das Verständnis über das Strömungsfeld und der daraus resultierenden Imprägnierqualität zu erweitern, wurde zunächst eine Variation des horizontalen und vertikalen Öffnungswinkels untersucht. Zusammenfassend ist zu erkennen, dass größere Öffnungswinkel zu weniger und einem dem finalen Querschnitt näheren Druckaufbau führen. Kleinere Öffnungswinkel verkürzen insbesondere für geringe Abzugsgeschwindigkeiten die Harzverweilzeit. Bei zu geringen Öffnungswinkeln <1° konnte die vollständige Imprägnierung jedoch nicht sichergestellt werden.

Zur Verifizierung der Ergebnisse aus den Sichtinjektionsboxen wurden Aluminium-Injektionsboxen mit gleicher Geometrie gefertigt und Pultrudate mit reaktivem Material hergestellt. Der qualitative Vergleich zwischen Versuchen mit Sichtinjektionsboxen und der Herstellung von Pultrusionsprofilen zeigt eine generelle Übereinstimmung.

Es konnte gezeigt werden, dass eine detaillierte Untersuchung von Strömungszuständen in der Injektionsbox mit Hilfe von Sichtinjektionsboxen möglich ist und die umfangreichen Untersuchungen zu den Geometrieparametern der Injektionsbox auf reaktive Systeme übertragbar sind. Die Erkenntnisse zum Injektionsboxdesign können somit direkt von KMU zur Prozess- und Werkzeugauslegung genutzt werden.