Verarbeitung faserverstärkter Biokunststoffe zu Insert-Spritzgießformteilen

Transkript

1 Strukturleichtbau Verarbeitung faserverstärkter Biokunststoffe zu Insert-Spritzgießformteilen Thomas Ebert, Schönborner Armaturen GmbH Sebastian Buschbeck, TU Chemnitz Dr.-Ing. Roman Rinberg, TU Chemnitz Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E. h. Prof. Lothar Kroll, TU Chemnitz

2 Das Unternehmen Schönborner Armaturen GmbH: Gründung 1992 Mittelständisches Familienunternehmen mit Sitz in Südbrandenburg Europaweit tätig 45 qualifizierte und erfahrene Mitarbeiter Leistungsspektrum: Herstellung von Betätigungselementen für die kommunale Gas-, Wasser- und Abwasserwirtschaft Entwicklung und Fertigung von Dreh- und Frästeilen, sowie Extrusions- und Spritzgießteilen KNVB-Tagung Berlin 2

3 Forschungsbereich Biopolymere und Naturfaserverbunde (Professur SLK / TU Chemnitz) Nachhaltige Materialkonzepte für Kunststoffbauteile und Faser-Kunststoff-Verbunde Kurz-, Lang- und Endlosfaserverstärkung für biobasierte Leichtbaustrukturen Anwendungsbezogene Eigenschaftsmodifizierung von Biopolymeren und naturfaserverstärkten Kunststoffen Materialgerechte Gestaltung von Verarbeitungsprozessen und -maschinen Recycling-Konzepte für biobasierte Kunststoffe und Verbundwerkstoffe im Post-Industriel und Post-Consumer Bereich KNVB-Tagung Berlin 3

4 Demonstrationsprojekte TU Chemnitz mit Schönborner Armaturen GmbH Hüslrohr und Glocke aus biobasiertem Polyethylen / Holzfaserverstärktem PE (Extrusion und Spritzgießen) Kuppelmuffe aus biobasiertem Polyamid mit Basaltfaserverstärkung und Zink-Druckguss-Einleger KNVB-Tagung Berlin 4

5 Hülsrohr Extrudiert aus biobasiertem Polyethylen (Green-HDPE SGD 4960 von Braskem) WPC-Rohre aus petrochemischem Polyethylen (Liten FB 75 von Unipetrol) mit Holzfasern (Weicholz) KNVB-Tagung Berlin 5

6 Glocke Spritzgießen mit biobasiertem Polyethylen (Green-HDPE SHC 7260 von Braskem) WPC-Formteil aus petrochemischem Polyethylen (Liten ML 71 von Unipetrol) mit Holzfasern (Weicholz) KNVB-Tagung Berlin 6

7 Kuppelmuffe Insert-Spritzgießen mit metallischen Einlegern Einleger aus Zink-Druckguss Polyamid als Matrixwerkstoff mit 20 Gew.-% Basaltfasern KNVB-Tagung Berlin 7

8 Kuppelmuffe - Serienfertigung Spritzgießwerkzeug Druckgusswerkzeug Transferstrecke Fertigungszelle KNVB-Tagung Berlin 8

9 Kuppelmuffe Untersuchungen zum Werkstoff Herstellung von PA10.10-Basaltfaser-Compounds mit variierendem Faseranteil/-halbzeug Untersuchung des Prozesseinflusses bzgl. der Zudosierung der Basaltfasern Matrix-/Fasermaterial PA10.10 Vestamid Terra DS 16 von Evonik Basaltschnittfaser von Incotelogy (2400 tex; mittlerer Faserdurchmesser 17 µm; mittlere Faserlänge 6 mm) Basaltrovingfaser von Incotelogy (2400 tex; mittlerer Faserduchmesser 17 µm) Polyamid Basaltschnittfaser KNVB-Tagung Berlin 9

10 Kuppelmuffe Untersuchungen zum Werkstoff Zudosierung der Basaltfasern über Haupteinzug, Seiteneinzüge oder Entgasungen Rovingfasern gravimetrisch an drei verschiedenen Einzugsstellen Schnittfasern volumetrisch (Schneckendrehzahl) am Haupteinzug oder Entgasungsöffnungen Jeweils 20 und 30 Gew.-% Basaltfasern KNVB-Tagung Berlin 10

11 Kuppelmuffe Untersuchungen zum Werkstoff Ermittlung des reellen Faseranteils und der resultierenden Faserlänge nach der Compoundierung Veraschung nach DIN EN ISO Glührückstand Faserlängenmessung mittels FASEP 3E ECO KNVB-Tagung Berlin 11

12 Kuppelmuffe Untersuchungen zum Werkstoff Einzugsort Glühverlust [%] IST-Fasergehalt [%] Differenz [%] Haupteinzug 80,18 19,82-0,18 20 Gew.-% Schnittfaser Seiteneinzug 1 79,15 20,85 + 0,85 Seiteneinzug 2 80,12 19,88-0,12 Haupteinzug 70,77 29,23-0,77 30 Gew.-% Schnittfaser Seiteneinzug 1 69,91 30,09 + 0,09 Seiteneinzug 2 69,68 30,32 + 0,32 Haupteinzug 88,20 11,80-8,20 20 Gew.-% Rovingfaser Seiteneinzug 1 82,34 17,66-2,34 Seiteneinzug 2 82,52 17,48-2,52 Haupteinzug 81,01 18,99-11,01 30 Gew.-% Rovingfaser Seiteneinzug 1 73,75 26,25-3,75 Seiteneinzug 2 73,77 26,23-3,77 IST-Fasergehalt insbesondere bei den Rovingfasern abweichend vom errechneten Anteil KNVB-Tagung Berlin 12

13 Kuppelmuffe Untersuchungen zum Werkstoff 30 Gew.-% Schnittfaser Haupteinzug 30 Gew.-% Schnittfaser Seiteneinzug 2 KNVB-Tagung Berlin 13

14 Mittlere Faserlänge [µm] Strukturleichtbau Kuppelmuffe Untersuchungen zum Werkstoff Einzugsort unabhängig vom Faserhalbzeug entscheidend für die resultierende Faserlänge Rovingfasern anzahlgemittelt bei zeitiger Zudosierung länger als Schnittfasern Einzug Seiteneinzug 1 Seiteneinzug Gew.-% Schnittfaser 30 Gew.-% Schnittfaser 20 Gew.-% Rovingfaser 30 Gew.-% Rovingfaser KNVB-Tagung Berlin 14

15 E-Modul [MPa] Strukturleichtbau Kuppelmuffe Untersuchungen zum Werkstoff Haupteinzug Seiteneinzug 1 Seiteneinzug 2 PA ungefüllt Gew.-% Schnittfaser 30 Gew.-% Schnittfaser 20 Gew.-% Rovingfaser 30 Gew.-% Rovingfaser KNVB-Tagung Berlin 15

16 Zugfestigkeit [MPa] Strukturleichtbau Kuppelmuffe Untersuchungen zum Werkstoff Haupteinzug Seiteneinzug 1 Seiteneinzug 2 PA ungefüllt Gew.-% Schnittfaser 30 Gew.-% Schnittfaser 20 Gew.-% Rovingfaser 30 Gew.-% Rovingfaser KNVB-Tagung Berlin 16

17 Schlagzähigkeit [kj/m2] Strukturleichtbau Kuppelmuffe Untersuchungen zum Werkstoff Haupteinzug Seiteneinzug 1 Seiteneinzug 2 PA ungefüllt Gew.-% Schnittfaser 30 Gew.-% Schnittfaser 20 Gew.-% Rovingfaser 30 Gew.-% Rovingfaser KNVB-Tagung Berlin 17

18 Maximales Drehmoment [Nm] Strukturleichtbau Kuppelmuffe Performance Polyamid mit 20 Gew.-% Basaltfasern zwischen dem Niveau von Polyamid 6 mit 30 Gew.-% Glasfaser und Polyamid 6.6 mit 60 Gew.-% Langglasfasern Reduktion der verwendeten Fasern bei ausreichender Performance Polyamid 6.6 LGF 60 Gew.-% Polyamid 6 GF 30 Gew.-% Polyamid BF 20 Gew.-% KNVB-Tagung Berlin 18

19 Ergebnis des Demonstrationsprojektes Fa. Schönborner Armaturen setzt bestehende Produkte als Biokunststoff-Variante um Biokunststoffe erzielen bei den Demonstratoren gleiche, z.t. deutlich bessere Performance als aktuelle Varianten Anwendungsbezogene Materialentwicklung im Rahmen der KNVB-Tätigkeit KNVB-Tagung Berlin 19

20 Projektträger: