Scaling from Injection Molding to Bolt-On Injection Molding Systems: A Comparison of Injection and Injection Compression Molding on Warpage and Process Dynamics for PA6-Based Composites

Thermoplastic components molded from PA6 and long carbon fiber reinforced PA6 frequently exhibit warpage due to internal stresses, fiber breakage, and uneven shrinkage. While injection-compression molding has been proposed as a solution to reduce dimensional instability through more uniform pressure istribution, its effectiveness, particularly in comparison to standard injection molding and when scaled to bolt-on injection systems, remains insufficiently validated. This thesis addresses this gap by experimentally investigating the influence of IM and ICM on part warpage and internal fiber structure using PA6 and long carbon fiber reinforced PA6 on two machine setups: a standard small-scale injection molding machine and a bolt-on injection molding machine retrofitted to a hydraulic press. Surface deformation was quantified through 3D scanning, while internal fiber orientation, fiber area distribution, and retained fiber length were assessed through microscopy and image analysis. Results show that injection compression molding significantly reduced warpage in neat PA6 parts, but in fiber reinforced materials the benefit was limited or reversed due to less favorable orientation and dispersion patterns. Injection molded specimen, despite more pronounced fiber breakage, exhibited better alignment and surface packing, resulting in improved dimensional stability. These findings demonstrate that warpage behavior in long fiber reinforced thermoplastics is governed not by fiber length alone, but by the interaction of fiber retention, spatial alignment, and localized concentration. While scaling to the bolt on injection molding system confirmed the process feasibility for both materials, no substantial amplification of injection compression molding advantages over injection molding was observed under the studied conditions.

Thermoplastische Bauteile, die aus PA6 und langfaserverstärktem PA6 geformt werden, weisen häufig Verformungen aufgrund von inneren Spannungen, Faserbruch und ungleichmäßiger Schrumpfung auf. Während das Spritzprägeverfahren als Lösung zur Verringerung der Maßinstabilität durch eine gleichmäßigere Druckverteilung vorgeschlagen wurde, ist seine Wirksamkeit, insbesondere im Vergleich zum Standard Spritzgießen und bei der Skalierung auf Bolt-On-Spritzgießsysteme, noch nicht ausreichend validiert. Diese Arbeit befasst sich mit dieser Lücke, indem sie den Einfluss von IM und ICM auf die Verformung von Teilen und die innere Faserstruktur unter Verwendung von PA6 und langfaserverstärktem PA6 auf zwei Maschinenkonfigurationen experimentell untersucht: einer standardmäßigen kleinen Spritzgießmaschine und einer an einer Hydraulikpresse nachgerüsteten Bolt-On-Spritzgießmaschine. Die Oberflächenverformung wurde durch 3D-Scannen quantifiziert, während die innere Faserausrichtung, die Faserverteilung und die verbleibende Faserlänge durch Mikroskopie und Bildanalyse bewertet wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass das Spritzprägen die Verformung in reinen PA6-Teilen deutlich reduzierte, aber in faserverstärkten Materialien war der Nutzen aufgrund ungünstigerer Ausrichtungs- und Dispersionsmuster begrenzt oder umgekehrt. Spritzgegossene Proben wiesen trotz ausgeprägterer Faserbrüche eine bessere Ausrichtung und Oberflächenverdichtung auf, was zu einer verbesserten Dimensionsstabilität führte. Diese Ergebnisse zeigen, dass das Verzugsverhalten in langfaserverstärkten Thermoplasten nicht allein von der Faserlänge bestimmt wird,
sondern von der Wechselwirkung zwischen Faserrückhalt, räumlicher Ausrichtung und lokaler Konzentration. Während die Skalierung auf das Bolt-On-Spritzgießsystem die Prozessfähigkeit für beide Materialien bestätigte, wurde unter den untersuchten Bedingungen keine wesentliche Verstärkung der Vorteile des Spritzprägeverfahrens gegenüber dem Spritzgießen beobachtet.