Chancen und Möglichkeiten des Duroplast für MID-Anwendungen

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1 Chancen und Möglichkeiten des Duroplast für MID-Anwendungen Forschungsstelle: Vortragender: Coautor: Professur Kunststoffe Prof. Dr.-Ing. Michael Gehde Technische Universität Chemnitz M. Sc. Thomas Scheffler Dipl.-Ing. Agnieszka Kalinowska 1

2 Inhalt Vorstellung der Professur Stand der Technik Einordnung und Verarbeitung Möglichkeiten des Duroplast Ausblick 2

3 Vorstellung der Professur Schwerpunktthemen Duroplastverarbeitung Werkstoffcharakterisierung (Wareneingangsprüfung und Daten für die Simulation) Härtungsverhalten Fließverhalten Temperaturtest Frequenztest bei 80 C K/min 3 5 K/min K/min komplexe Viskosität η* [Pa s] komplexe Viskosität η* [Pa s] 20 K/min Temperatur [ C] * Nichtbeachtung der Cox-Merz-Regel bei der Umrechnung von Winkelgeschwindigkeit auf Schergeschwindigkeit Prozessuntersuchungen mm_1,5 mm_schnell_ , ,00 800,00 600,00 400,00 200,00 0,00 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 Zeit [s] 30,00 35,00 40,00 45,00 Bauteilprüfung thermische Analyse (TG, Härtungsgrad) mech. Prüfung Kraft [N] Schergeschwindigkeit γ [1/s]* Prozesskontrolle Füllverhalten Druck [bar] Chancen und Möglichkeiten des Duroplast für MID-Anwendungen Langglasfaserverstärktes Phenolharz 8000 Kurzgalsfaserverstärktes Phenolharz Werkstoffmorphologie

4 In-Mold Printing Vorstellung der Professur Schwerpunktthemen Spritzgießen - Thermoplaste Kunststoffteil Kunststoffschmelze Stoff Werkzeug Stoff Werkzeug Stoff Werkzeug Druckbild Tampondruck auf Werkzeug In-Mold bedrucktes PC-Teil Werkzeug nach dem Hinterspritzen In-Mold Oberflächenmodifizierung 4 Selektive In-Mold Modifizierung mit Indikatorlösung nachgewiesen

5 Inhalt Vorstellung der Professur Stand der Technik Einordnung und Verarbeitung Möglichkeiten des Duroplast Ausblick 5

6 Stand der Technik Thermoplastische Werkstoffe für MID-Anwendungen 6 Materialbedingte Einsatzgrenzen: Glasübergangsbereich bzw. Schmelztemperatur Chemische Resistenz Mechanische Stabilität Rohstoffpreise/Materialpreis Quelle: 3D-MID e.v. Entwicklung/Auswahl eines innovativen Werkstoffsystems für MID Anwendungen

7 Stand der Technik prozesskettenbedingte und bauteilanwendungsbedingte Beanspruchung ergeben sehr hohe Anforderungen an die Werkstoffe für MID Anwendungen hohe Temperaturen in der Verarbeitung oder in der Bauteilumgebung zukünftige Einsatzbereiche durch steigende Temperaturanforderungen die eingesetzten Thermoplaste kommen an ihre Einsatzgrenze HT-Thermoplaste Duroplaste Temperaturanforderungen Motorraum 7

8 Stand der Technik Bereits in der Anwendung vorhandene Bauteile aus spritzgegossenen duroplastischen Formmassen Technologisch-wirtschaftliches Potenzial des Werkstoffes ist vorhanden 8

9 Inhalt Vorstellung der Professur Stand der Technik Einordnung und Verarbeitung Möglichkeiten des Duroplast Ausblick 9

10 Einordnung und Verarbeitung Auswahl duroplastischer Formmassen für den Spritzgussprozess Formmasse Abk. Eigenschaften Phenol-Formaldehyd Harnstoff-Formaldehyd Melamin-Formaldehyd Ungesättigte Polyester Epoxidharz-Formmassen Diallylphthalat PF UF MF UP EP DAP günstig thermische Beständigkeit hohe Festigkeit mittlere Festigkeit hell einfärbbar mittlere Festigkeit hell einfärbbar günstig hohe Maßhaltigkeit hoher Preis thermische Beständigkeit sehr hohe Festigkeit sehr hoher Preis thermische Beständigkeit sehr hohe Festigkeit granulatförmige Rohstoffe pastöse Massen 10

11 Einordnung und Verarbeitung Plastifizierung Aufbereitung oberhalb Schmelztemperatur und unterhalb Vernetzungstemperatur (70 90 C) Beispiel: Phenol-Formaldehydharz Aktivieren des Härters durch Scherung in der Düse (ca. 110 C) thermoplastischer Fließzustand unvernetzt schmelzbar quellbar Harz: Novolak nicht aktivierter Härter: Hexa Harz: Novolak aktivierter Härter: DMA Einspritzen der homogenisierten Masse mit aktiviertem Härter 11

12 Werkzeug Einordnung und Verarbeitung Verfestigung oberhalb Vernetzungstemperatur (170 C 180 C) elektrisch beheiztes Werkzeug vernetzter Festkörper nicht quellbar nicht löslich nicht schmelzbar Temperaturerhöhung über 170 C unvernetzte Schmelze Harz: Novolak aktivierter Härter: DMA 12 dreidimensional engmaschig vernetztes Harzsystem Festigkeit bis zu 180 MPa und Steifigkeiten bis zu 30 GPa sehr gute Isolationseigenschaften und chemische Beständigkeit geringe Kriechneigung und hohe Dimensionsstabilität sehr gute Wärmeformbeständigkeit bis zu 300 C hohes Absorptionsvermögen

13 Inhalt Vorstellung der Professur Stand der Technik Einordnung und Verarbeitung Möglichkeiten des Duroplast Ausblick 13

14 Möglichkeiten des Duroplast erhöhte Zuverlässigkeit (hohe Dauertemperaturbelastung) Gestaltungsfreiheit Produktkostenreduktion Medienbeständigkeit Anforderungen an das Grundmaterial für MID- Anwendungen geringe thermische Längenausdehnung Dimensionsstabilität Gewichtsreduzierung verkürzte Prozesskette 14

15 Möglichkeiten des Duroplast geringere Produktkosten Materialpreis Energieersparnis geringe Produktkosten Temperaturbeständigkeit Preis PF, EP MF, UF, UP 15

16 Möglichkeiten des Duroplast Polymertyp Längenausdehnungskoeffizienten [10-5 /K] LCP 1,2-2,7 geringe thermische Längenausdehnung PA6/6T 3,0-5,0 PET/PBT 3,6-5,6 Phenolharz 1,5-2,2 Epoxidharz 1,5-2,5 UP-Harz 1,0-2,0 Metalle Längenausdehnungskoeffizienten [10-5 /K] Kupfer 1,7 Nickel 1,3 Gold 1,42 Quelle: Bosch, Vortrag 7. Int. Duroplasttagung 16 Anpassung des Längenausdehnungskoeffizienten an den des Kupfer durch die Wahl geeigneter Füllstoffe nahezu isotrope Längenausdehnung in Abhängigkeit der Füllstoffe

17 Möglichkeiten des Duroplast Medienbeständigkeit hohe Medienverträglichkeit, insbesondere bei Hochtemperaturanwendungen, gegen Automotive Fluids: Bremsflüssigkeit Motoröl Benzin/Diesel Glykol (Kühlflüssigkeit) AdBlue Vorteile: kein/geringer Abfall der mechanischen Eigenschaften keine Quellung Quelle: Bosch, Vortrag 7. Int. Duroplasttagung 17

18 Möglichkeiten des Duroplast komplexes Fließ-Härtungsverhalten des Duroplasten Gestaltungsfreiheit Quelle: Schoenthaler geringere Minimalviskosität des Duroplasten höhere Wanddicken und Wanddickensprünge möglich Material Minimalviskosität [Pa s] Thermoplastschmelzen Duroplastschmelzen 1-50 Duroplastbereich ab einer bestimmten Wandstärke ist der Duroplastspritzguss wirtschaftlicher im Vergleich zum Thermoplastspritzguss 18 Quelle: Schoenthaler höhere Design und Gestaltungsfreiheit (MID fertigungsgerecht konstruieren)

19 Möglichkeiten des Duroplast Dimensionsstabilität Quelle: Bosch, Vortrag 7. Int. Duroplasttagung Duroplaste weisen eine sehr geringe und isotrope Schwindung auf (höhere Gestaltungsfreiheit des Kunststoffbauteiles) hohe Maßhaltigkeit werkzeugfallend 19

20 Komplexer Modul [MPa] Möglichkeiten des Duroplast nahezu linearer Abfall der Steifigkeit über die Temperatur hohe Steifigkeit über einen weiten Temperaturbereich Temperaturbeständigkeit PF Steifigkeitsverlust bei 300 C PPS - 50 % PA66 20 Temperatur [ C]

21 Möglichkeiten des Duroplast Metallsubstitution eines Drosselklappengehäuse Gewichtsreduktion Material Aluminium PF-(GF+MX) UP-BMC Herstellung Druckguss Spritzguss Spritzguss Dichte [g/cm³] 2,70 2,08 1,85 Preis [Euro/l] 6,50 7,00 4,50 Gewicht [g] Gewichtseinsparung [%] Bauteilkosten [%] Quelle: Auszug aus DVS Forschungsseminar 2012

22 Möglichkeiten des Duroplast erhöhte Zuverlässigkeit (hohe Dauertemperaturbelastung) Gestaltungsfreiheit Produktkostenreduktion Medienbeständigkeit Anforderungen an das Grundmaterial für MID- Anwendungen geringe thermische Längenausdehnung Funktionsintegration Gewichtsreduktion ( ) verkürzte Prozesskette??? 22

23 Inhalt Vorstellung der Professur Stand der Technik Einordnung und Verarbeitung Möglichkeiten des Duroplast Ausblick 23

24 Mold 2 mm Ausblick Bedrucken im Werkzeug Polymerschmelze Farbe/ Modifikator Bedrucken Spritzgießen Entformen A F/KS A F/WZ K F A F/KS > A F/WZ und K F > A F/WZ Werkzeug Print motive Pad printing machine TC 60-80T-KH Injection molding machine Arburg Alrounder 320 S, 50t 24

25 Bedrucken im Werkzeug Ausblick In-Mold Printing von leitfähigen Strukturen am Beispiel von PBT Ultradur B 4520 Aerosol-Jet gedruckte leitfähige Strukturen auf dem Werkzeug Prüfkörper nach dem Spritzgießen Auflichtaufnahme des Querschnittes, Polarisiert, x100 Vergrößerung 25

26 Ausblick Oberflächenenergie von ausgewählten Kunststoffen (nach Owens/Wendt) PP PC PBT PA6 EP PF Oberflächenenergie [mn/m] polare Anteile der Oberflächenenergie [mn/m] 30,3 45,8 31,94 47,5 32,9 51,7 0,4 2,5 3,61 10,7 13,2 16,4 der polare Anteil der Oberfläche beeinflusst den Farbübertrag während des In-Mold Printing die höhere Oberflächenenergie des Duroplast sollte einen sehr guten Farbübertrag gewährleisten Möglichkeit des In-Mold Printing von leitfähigen Strukturen ist vorhanden 26

27 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Kontakt: Technische Universität Chemnitz Professur Kunststoffe M.Sc. Thomas Scheffler phone: +49 (0) web: Kontakt: Technische Universität Chemnitz Professur Kunststoffe Dipl.-Ing. Agnieszka Kalinowska phone: +49 (0) web: 27

28 Prinzipielle Machbarkeitsuntersuchung Übertrag des Silberleitlack auf das duroplastische Bauteil 28