Einsatz von biobasierten Werkstoffen im Automobilbereich

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Bernd Berger
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Einsatz von biobasierten Werkstoffen im Automobilbereich NFC-Simulation Herstellung und Verarbeitung von Naturfasercompounds Hochschule Hannover Institut für Biokunststoffe und

1 Einsatz von biobasierten Werkstoffen im Automobilbereich NFC-Simulation Herstellung und Verarbeitung von Naturfasercompounds Hochschule Hannover Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Heisterbergallee Hannover Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres Dipl.-Ing Marco Neudecker Berlin Dipl.-Ing Marco Neudecker 17

2 Agenda Aufgabenstellung Compoundierung Spritzguss Verarbeitungsdaten für die Simulation Upscaling Dipl.-Ing Marco Neudecker 18

Aufgabenstellung Compounds (extrusionstechnisch

zu 18 verschiedenen Compounds PP o PP hv = hohe

MFI 10) o PP nv = niedrige MFI 100) Fasern o

zwei Feinheitsgraden (dtex) o Hanf Pellets o Flachs

Holzfaser (Cellulose) Additive (in allen

3 Aufgabenstellung Compounds (extrusionstechnisch erzeugt) Verarbeitung unterschiedlicher Materialien zu 18 verschiedenen Compounds PP o PP hv = hohe Viskosität (ca. MFI 10) o PP nv = niedrige Viskosität (ca. MFI 100) Fasern o Celluloseregenerat (CH) in drei Schnittlängen und zwei Feinheitsgraden (dtex) o Hanf Pellets o Flachs Pellets o Kenaf Pellets o Sisal o Weizenstroh o Holzfaser (Cellulose) Additive (in allen Fasercompounds enthalten) o Haftvermittler (HVM) auf MSA-g-PP Basis o Stabilisatorpaket Dipl.-Ing Marco Neudecker 19

4 Aufgabenstellung Compounds Fertiges Compound zum Compoundieren: 1. Versuchsreihe: (Einfluss von: * Matrix; * Fasermorphologie / Faserlänge; * Fasergehalt) 2. Versuchsreihe (Faser Einffluss) Nr. Matrix Faser Fasergehalt (%) 1 PP Sisal 30 2 PP Hanf 30 1a PP nv - - 1b PP nv + Stab c PP nv + Stab. + HVM - - 2a PP hv - - 2b PP hv + Stab c PP hv + Stab. + HVM PP nv CH1 (0,5mm) 10 4 PP hv CH1 (0,5mm) 10 5 PP nv CH1 (1,5mm) 10 6 PP hv CH1 (1,5mm) 10 7 PP nv CH1 (0,5mm) 30 8 PP hv CH1 (0,5mm) 30 9 PP nv CH1 (1,5mm) PP hv CH1 (1,5mm) (CP) PP nv +PP hv CH1 (1,0mm) PP nv Hanf 2 Pellets PP nv Flachs Pellets PP nv Sisal PP nv Weizenstroh PP nv Kenaf Pellets PP nv Holzfaser PP nv CH2 30 Dipl.-Ing Marco Neudecker 20

5 Aufgabenstellung Probekörper (spritzgusstechnisch erzeugt) Campus Normprüfstab Typ 1A Quelle: IfBB Dipl.-Ing Marco Neudecker 21

6 Aufgabenstellung Probekörper (spritzgusstechnisch erzeugt) Multiplatte (300 x 160 x 3 mm) Quelle: IfBB Dipl.-Ing Marco Neudecker 22

7 Agenda Aufgabenstellung Compoundierung Spritzguss Verarbeitungsdaten für die Simulation Upscaling Dipl.-Ing Marco Neudecker 23

8 Compoundierung Peripherie (Semiindustriell): KraussMaffei Berstorff Typ: ZE 34 Basic Länge = 46D Da/Di = 1,55 Fasern / Pellets Additiv Kunststoff Quelle: IfBB Dipl.-Ing Marco Neudecker 24

9 Compoundierung Aufgaben der extrusionstechnischen Materialherstellung Festlegung einheitlicher Verfahrensparameter für alle Compounds durch Vorversuchen Fokus: Vergleichbarkeit = keine Optimierungen Auslegung der Schneckengeometrie und Entgasung: o um sowohl pulverförmige Fasern, als auch grobe Naturfasern und Naturfaser Pellets homogen einarbeiten zu können o um alle Fasern ohne Vortrocknung im Prozess verarbeiten zu können Dipl.-Ing Marco Neudecker 25

Compoundierung Herausforderungen Stark unterschiedliche

unterschiedlicher Faser(gehalte) 10 wt% CH1 Fasern

Formstabilität/Abreißfestigkeit auf Grund des hohen

Agglomeration neigende Holzfasern nicht lösbar Auswahl

10 Compoundierung Herausforderungen Stark unterschiedliche Viskositäten auf Grund der PP Matrizes sowie unterschiedlicher Faser(gehalte) 10 wt% CH1 Fasern Compound nach der Granulierung Geringe Formstabilität/Abreißfestigkeit auf Grund des hohen Faservolumenanteils bei den CH Fasern Feine, stark zu Agglomeration neigende Holzfasern nicht lösbar Auswahl Alternativfaser (CH) 30 wt% CH1 Fasern Agglomerate nach der Extrusion Dipl.-Ing Marco Neudecker 26 Quelle: IfBB

Compoundierung Prozesskonfiguration Aufschmelzzone Auslegung um auch eine Naturfaser-Pellet-Vordispergieren zu ermöglichen Fasereinarbeitung Auslegung zur Einarbeitung feuchter Naturfasern

11 Compoundierung Prozesskonfiguration Aufschmelzzone Auslegung um auch eine Naturfaser-Pellet-Vordispergieren zu ermöglichen Fasereinarbeitung Auslegung zur Einarbeitung feuchter Naturfasern Nachdispergierung Auslegung um feine Restagglomerate zu dispergieren und Restfeuchte zu entziehen Nachdispergierung Fasereinarbeitung Aufschmelzzone Quelle: IfBB Dipl.-Ing Marco Neudecker 27

12 Compoundierung Ergebnisse Homogener Aufschluss aller Materialien möglich Bsp. Hanf Pellets Bsp. Celluloseregenerat Bsp. Hanf Pellets Bsp. Sisal Bsp. Holzfaser (Cellulose) Dipl.-Ing Marco Neudecker 28 Quelle: IfBB

13 Compoundierung Kontrolle Qualität des Compoundierprozesses Beurteilung der Faser-Matrix Anbindung u. A. mittels fraktographischer Bruchflächenanalyse unter dem REM Bsp. Hanf Pellets Bsp. Hanffaser Polymermatrix Quelle: IfBB Dipl.-Ing Marco Neudecker 29

14 Agenda Aufgabenstellung Compoundierung Spritzguss Verarbeitungsdaten für die Simulation Upscaling Dipl.-Ing Marco Neudecker 30

15 Spritzguss Peripherie: KraussMaffei AX Normprüfstab Compound Plastifizierschnecke EX Multiplatte Werkzeug Quelle: IfBB Dipl.-Ing Marco Neudecker 31

16 Spritzguss Aufgaben der spritzgießtechnischen Probekörperherstellung Möglichst einheitliche Verfahrensparameter für alle Compounds durch Vorversuchen, unter Berücksichtigung rheologischer Eigenschaften Fokus: Vergleichbarkeit = keine Optimierungen Einteilung der fertigen Compounds in drei Fließklassen : o Variation der Einsprit- und Nachdrücke nach Fließfähigkeit der Materialien o Keine Variation der Heizzonen ( T = konstant) Dipl.-Ing Marco Neudecker 32

17 Spritzguss Temperaturprofil = konstant (T max. = 210 C) Drücke unterliegen materialbedingt Anpassungen Nutzung von 3 Druckprofilen Material: Einspritzdruck: Nachdruck: sehr fließfähig 450 [bar] 150 [bar] u. A. Polymervarianten ohne Fasern * 2 Material: Einspritzdruck: Nachdruck: fließfähig 900 [bar] 300 [bar] u. A. PP nv mit 10wt% und 30wt% Fasern Quelle: IfBB * 1,5 Material: Einspritzdruck: Nachdruck: wenig fließfähig 1350 [bar] 450 [bar] u. A. PP hv mit 30wt% Fasern Dipl.-Ing Marco Neudecker 33

18 Spritzguss Probekörper aller Compounds Campus Normprüfstab Typ 1A Quelle: IfBB Dipl.-Ing Marco Neudecker 34

19 Spritzguss Probekörper der Compounds Multiplatte (300 x 160 x 3 mm) Quelle: IfBB Kommerzielle Sisal (l.) Hanf (r.) Compounds Compounds mit Cellulose Regenerat CH1 Compounds mit groben Naturfasern Compound mit feinen Holzfasern Compound 1 (links) bis 17 (rechts) Dipl.-Ing Marco Neudecker 35

20 Agenda Aufgabenstellung Compoundierung Spritzguss Verarbeitungsdaten für die Simulation Upscaling Dipl.-Ing Marco Neudecker 36

21 Verarbeitungsdaten für die Simulation Ziel Übertragung Prozessbedingter Materialbelastungen auf die Simulation Werkzeug- und Angussgeometrien Maschinenseitige Prozessdaten Werkzeugseitige Prozessdaten (Prozessbedingte Material bzw. Faserbelastung/-schädigung) Hochschule Bremen (Prozessbedingte Faserverteilung im Probekörper) M-Base / Simcon Dipl.-Ing Marco Neudecker 37

22 Verarbeitungsdaten für die Simulation Bsp. Maschinenseitige Prozessdatenerfassung Schnecken / Zylinder ø = 50 mm Düsen-ø = 3 mm Quelle: IfBB Dipl.-Ing Marco Neudecker 38

23 Verarbeitungsdaten für die Simulation Bsp. Werkzeugseitige Prozessdatenerfassung Zeit T1 T2 T3 P1 P2 P3 P4 [s] [ C] [ C] [ C] [bar] [bar] [bar] [bar] 0 49,152 32,947 36, ,004 49,213 33,008 36, ,008 49,243 33,038 36, ,012 49,274 33,069 37, ,016 49,274 33,038 37, ,02 49,213 33,008 37, ,06 49,182 32,947 37, ,064 49,304 33,008 36, ,068 49,274 32,947 36, ,072 49,182 32,916 36,975-0, ,122-1,221 0,076 49,121 32,886 36,914-0,122-0, ,441 0,08 49,243 32,947 36,975-0,122-0,122-0,122-2,441 2,5 62,518 32,703 36,884 29,541 14,648 3,296 12,207 2,504 62,457 32,642 36,823 29,541 14,771 3,174 14,648 2,508 62,549 32,733 36,853 29,663 14,771 3,296 13,428 2,512 62,64 32,794 36,853 29,663 14,771 3,296 14,648 2,516 62,549 32,764 36,853 29,663 14,771 3,418 12,207 2,52 62,427 32,642 36,853 29,785 14,771 3,418 12,207 Dipl.-Ing Marco Neudecker 39 Quelle: IfBB

24 Agenda Aufgabenstellung Teilprojekt 4 und 5 Compoundierung Spritzguss Verarbeitungsdaten für die Simulation Upscaling Dipl.-Ing Marco Neudecker 40

25 Upscaling Nutzung generierter Prozessdaten und Erfahrungen zur Hochrechnung der Verfahrensparameter auf industriellen Maßstab Compoundierung final ausgewählten Sisalcompounds auf Industrieanlagen des Projektpartners Kunststoffwerk Voerde Herausforderung bei der Produktion im Industriellen Maßstab Sisal Fasern neigen stark zur Brückenbildung in der Dosierwaage Kontinuierliche Dosierung nicht möglich Pelletierung der Fasern erforderlich Dosierung erfolgreich Dipl.-Ing Marco Neudecker 41

26 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dipl.-Ing. Marco Neudecker Prof. Dr.-Ing. H.-J. Endres Dipl.-Ing Marco Neudecker 42

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