Charakterisierung des Plastifikates an der Schnittstelle zwischen Compounding und Fließpressen langfaserverstärkter thermoplastischer Formmassen

Bedingt durch die steigenden Anforderungen zur Reduzierung des Kraftstoffs- oder Stromverbrauchs in der Automobilindustrie, hat es sich bewährt, durch den Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen Gewicht einzusparen. Der langfaserverstärkte Thermoplasten-Direktprozess (LFT-D-Prozess) stellt eine Möglichkeit dar, größere Bauteile wie Stoßstange oder Frontendträger automatisiert und kostengünstig herzustellen. Der LFT-D-Prozess besteht aus einem gleichläufigen Zweischnecken-extruder (ZSE), welcher das Polymergranulat zu Schmelze verarbeitet und einem zweiten gleichläufigen Zweischneckengerät (ZSG), welcher die Schmelze mit den Endlosrovings zu einem langfaserverstärkten thermoplastischen Plastifikat verarbeitet. Der LFT-D-Prozess erweist sich als ein komplexer Prozess, welche bisher nicht sein volles Potential ausschöpft. Durch das Mischen (Compounding) von Faser und Polymer, mit gleichzeitigem Abscheren der Fasern, müssen Effekte abgewogen werden, die sich, je nach Parametereinstellungen ändern und dies bei einem Prozess, der hohe Streuungen aufweist. Um sich künftig mehr Klarheit im LFT-D-Prozess zu verschaffen, wird im Rahmen dieser Arbeit das Plastifikat, welches beim Prozess nach dem Compounding entsteht, charakterisiert. Hierfür wird eine Methode vorgestellt, welche das Volumen und somit die Dichte der Plastifikate bestimmt. Mithilfe dieser Erkenntnis wird die Dichte mit Prozess-parametern und anderen Messwerten in Zusammenhang gebracht, um Aussagen zur Beschaffenheit des Plastifikates zu bewerten. Aus Vorversuchen der Dichtemessung ergaben sich, dass das Volumen am effizientesten mit einem 3D-Scanner bestimmt wird. Das Volumen des Plastifikates steigt mit steigender Drehzahl des ZSG’s, da dem Plastifikat, durch die schnelleren Drehbewegungen der volumetrisch verdrängenden Schnecke, mehr Luft zugeführt wird. Die Dichte des Plastifikates steigt mit der Reduzierung des Fasermassenanteils, da die Formmasse im gemischten Zustand eine niedrigere Viskosität besitzt, wodurch sie weniger Luft aufnimmt. Die temperaturabhängige Viskosität der Matrix hat einen Einfluss auf die Dichte. Die temperaturabhängige Viskosität der Matrix bei verschiedenen Parametereinstellungen sollte zukünftig näher betrachtet werden, um den LFT-D-Prozess weitergehender zu charakterisieren. Unterstützend empfiehlt es sich die Zusammenhänge zwischen Dichte und Faserlänge zu untersuchen und zu bewerten.

Due to the increasing requirements for reducing fuel or power consumption in the automotive industry, it has proven effective to save weight by using fiber-reinforced plastics. The long-fiber-reinforced thermoplastic direct process (LFT-D-process) is a way of producing larger components such as bumpers or front-end carriers automatically and cost-effectively. The LFT-D-process consists of a co-rotating twin-screw extruder (ZSE), which processes the polymer granulate into melt, and a second corotating twin-screw unit (ZSG), which processes the melt with the continuous rovings into a long-fiber-reinforced thermoplastic. The LFT-D-process is a complex process that has not yet exploited its full potential. The mixing (compounding) of fiber and polymer with simultaneous shearing of the fibers, means that effects must be weighed up which change depending on the parameter settings, and this in a process that exhibits high scatter. To gain more clarity in the LFT-D process in the future, this work characterises the plastificate that is produced in the process after compounding. For this purpose, a method is presented that determines the volume and thus the density of the plasticate. With the help of this knowledge, the density is correlated with process parameters and other measured values to evaluate statements on the quality of the plastic. Preliminary tests of the density measurement showed that the volume is determined most efficiently with a 3D scanner. The volume of the plastic increases as the speed of the ZSG increases since more air is supplied to the plastic due to the faster rotational movements of the volumetrically displacing screw. The density of the plasticised material increases with the reduction of the fiber mass content, as the moulding compound has a lower viscosity in the mixed state, which means that it absorbs less air. The temperature-dependent viscosity of the matrix has an influence on the density. The temperature-dependent viscosity of the matrix at different parameter settings should be examined more closely in the future to characterise the LFT-D process. To support this, it is advisable to investigate and evaluate the relationships between density and fiber length.