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Optimale Füllstofforientierung in spritzgegossenen Verbunden durch gezielte Werkzeugbewegung

Kurzfassung

Dieses Verfahren  erlaubt es, auch anisometrische Füllstoffe gezielt in gewünschter Raumrichtung zu orientieren und ermöglicht auch in dünnen Bauteilen ein hohes Kern-/Randschicht-Verhältnis.
Diese Möglichkeit erweitert das Anwendungsspektrum für anisometrische Füllstoffe enorm, da deren Eigenschaften nun deutlich effizienter genutzt werden können.

Hintergrund

Thermoplastische Kunststoffe können im Spritzgieß­verfahren sehr einfach mit anisotropen Füllstoffen ver­stärkt bzw. funktionalisiert werden. Solche Verbunde haben vielfältige Einsatzzwecke und sind in unterschied­lichsten Kombinationen von Kunststoff und Füllstoff reali­sierbar. Dabei ist speziell die Orientierung aniso­metri­scher Füllstoffe maßgeblich von der Strömungs­richtung bzw. den Scherkräften in der Schmelze während des Einspritzvorgangs abhängig. Die Füllstofforientierung ist jedoch entscheidend für die gezielte Herstellung ge­wünschter Eigenschaften des späteren Bauteils, bspw. in Bezug auf die Hauptbelastungsrichtung oder auf die Leit­fähigkeit in einer bestimmten Raumrichtung.

Problemstellung

Beim Spritzgießen orientieren sich plättchen- oder faser­förmige Füllstoffe im Randbereich in Fließrichtung der Schmelze und in der Kernschicht in Dicken- oder Breiten­richtung des Bauteils. So wird die Wärme in den Rand­schichten eher in Fließrichtung und in der Kernschicht in Dickenrichtung geleitet. Daher gilt es, vor allem bei dünn­wandigen Bauteilen das Verhältnis der Kern zur Rand­schicht zu erhöhen. Zwar ist eine Manipulation indirekt über die Werkzeug­geometrie und Prozessparameter möglich, doch speziell die Ausprägung der Randschicht wird dabei nur wenig verändert. Insbesondere die ther­mische Leitfähigkeit dünnwandiger Bauteile ist so nur schlecht optimierbar.

Lösung

Um Einfluss auf die Ausprägung der Kernschicht zu neh­men, wird im hier vorgestellten Verfahren eben diese gezielt vergrößert. Dabei kann auf Funktionen herkömm­licher Werkzeuge zurückgegriffen werden. Das Hervorru­fen von Quell- bzw. Dehnströmungen in der Schmelze durch eine zusätzliche Werkzeugbewegung (Öffnungs- und Präge­hub) erlaubt die gezielte Ausrichtung der Füll­stoffe in Richtung der Bauteiloberfläche und ermöglicht ein bisher unerreicht hohes Kern-Randschichtverhältnis.

Vergleich der resultierenden Füllstofforientierung zwischen herkömmlichem Spritzgießverfahren (li.) und erfindungsgemäßem Zusatzhub (re.).  Das Verhältnis von Kernschicht (blau) zu Randschicht (grau) wird deutlich erhöht und eine zuvor nur selten auftretende senkrechte Orientierung einzelner Partikel (li.) wird durch die Hubbewegung des Werkzeugs (re.) deutlich verstärkt [Bild v.n. Uni Stuttgart]
Vergleich der resultierenden Füllstofforientierung zwischen herkömmlichem Spritzgießverfahren (li.) und erfindungsgemäßem Zusatzhub (re.). Das Verhältnis von Kernschicht (blau) zu Randschicht (grau) wird deutlich erhöht und eine zuvor nur selten auftretende senkrechte Orientierung einzelner Partikel (li.) wird durch die Hubbewegung des Werkzeugs (re.) deutlich verstärkt [Bild v.n. Uni Stuttgart]

Vorteile

  • Gezielte Ausrichtung anisometrischer Füllstoffe auch entgegen der eigentlichen Fließrichtung
  • Hohes Kern-/Randschicht-Verhältnis auch in dünnen Bauteilen, dadurch höheres Leichtbaupotenzial
  • Effektivere Ausnutzung der Füllstoffeigenschaften wie Zugfestigkeit oder thermische / elektrische Leitfähigkeit

Anwendungsbereiche

Am Institut für Kunststofftechnik an der Universität Stutt­gart wurde ein Verfahren entwickelt, das es erlaubt, auch anisometrische Füllstoffe gezielt in gewünschter Raum­richtung zu orientieren. Diese Möglichkeit erweitert das Anwendungsspektrum für anisometrische Füllstoffe enorm, da deren Eigenschaften nun deutlich effizienter genutzt werden können.

Exposé
Kontakt
Dr. Dirk Windisch
TLB GmbH
Ettlinger Straße 25
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Entwicklungsstand
Funktionsnachweis / TRL3
Patentsituation
DE 102015212429 A1 anhängig
EP 3317073 B1 erteilt
Referenznummer
14/117TLB
Service
Die Technologie-Lizenz-Büro GmbH ist mit der Verwer­tung der Technologie beauftragt und bietet Unternehmen die Möglichkeit der Lizenznahme.