Injection Moulding of Long-glassfibre-reinforced PP

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INJECTION MOULDING ■
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Injection Moulding of
Long-glassfibre-reinforced PP
Process Comparison. Long-glassfibre-reinforced polypropylene parts are usually
made by injection moulding long glassfibre granules. A new one-step process
makes it possible to compound PP and glassfibres together for direct manufacture
as injection-moulded parts. Which of the two methods is better suited to a particular production task depends on the vagaries of parts production.
ERWIN BÜRKLE
MATTHIAS SIEVERDING
JOCHEN MITZLER
n automotive engineering, instrument
panels, front-ends and underbody
elements are increasingly being produced from glassfibre-reinforced polypropylene. PP is replacing engineering
plastics and metals from these applications
because of the lower density, cheaper
materials and recycling benefits. However,
PP can only meet mechanical specifications if the reinforcement with long glassfibres increases its elastic modulus and impact strength.
The parts are made by either injection
moulding or compression moulding glassfibre-reinforced PP. In compression
moulding, the starting material is usually
semi-finished panel goods made from PP
reinforced with glass mat thermoplastic
(GMT). Classic compression moulding of
GMT yields parts with excellent mechanical properties because of the length and
isotropy of the fibres. Production of the
GMT is very complicated, though. The semi-finished goods are therefore relatively
expensive.
Thanks to recent developments, it is
now possible to perform inline compounding of PP and glassfibres followed by direct compression. For all the
advances made in the process technology,
however, compression has major drawbacks in comparison with injection
moulding. In most cases, the parts have to
be remachined. As a rule, openings in
compression-moulded parts can only be
effected with downstream stamping. This
generates production scrap and so adds to
costs.
Long-glassfibre-reinforced thermoplastics
I
Translated from Kunststoffe 3/2003, pp. 47–50
Kunststoffe plast europe 3/2003
Fig. 1. Processing methods for long-glassfibre-reinforced thermoplastics
Injection moulding of long-glassfibrereinforced parts from PP usually entails
processing long glassfibre granules with
the aid of modified plasticating units. By
way of alternative to the processing of
granules, Krauss-Maffei has launched a
new injection moulding compounder
(IMC) system, which manufactures injection-moulded parts in a one-step process
direct from the PP and glassfibre base materials. The injection moulding compounder consists of a twin-screw extruder and an injection-moulding machine
[1]. The extruder melts the PP and mixes
it with the glassfibres. The melt passes
through a buffer region into what is called
a shot-pot injection unit. From there, it is
injected into the mould. Compounding
directly during injection-moulding (IMC)
eliminates the need for a semi-finished
goods stage.
In the following, we compare the injection-moulding machine and the injection
moulding compounder on the basis of
technical and economic criteria as an aid
for plastics fabricators to decide which of
the two methods is better suited to their
production tasks.
Behaviour of Fibre-reinforced
Thermoplastics
Good fibre/matrix adhesion is crucial to a
part’s mechanical properties. GMTs yield
somewhat higher strengths and impact
strengths than direct-processed moulding
compounds or long-fibre granules (Fig. 1).
The needle-punched mat structure, by
virtue of the physical anchoring of the fibres and fibre filaments and the very good
i
Manufacturer
Krauss-Maffei Kunststofftechnik GmbH
D-80997 Munich
Germany
Phone +49 (0) 89/88 99-0
Fax +49 (0) 89/88 99-3092
www.krauss-maffei.de
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filament distribution, offers advantages
which, however, compared with moulding
compounds injected either direct or via
long fibre granules, are lost if the flow
paths in the compression process are long.
The fact that injection moulding is better
at introducing fibre orientation into the
part can partly offset the disadvantage of
the absence of needle punching if the
design is suitable for the stress incurred.
Damage done to the fibre structure in
composites can be used to draw conclusions about the processing method involved. It may take the form of fibre breakage, debonding and fibre pull-out. For full
use to be made of a fibre’s strength, it must
be longer than the so-called critical fibre
length lC. Corresponding literature values
for lC range from 1.3 to 3.1 mm for a
fibre/matrix laminate of PP and glass.
Use of special coupling (size) can lead to
values of up to 0.9 mm.
The ratio of the current fibre length to
the critical fibre length can be used to infer the quality of the fibre matrix coupling.
If the current fibre length in the part is
above the critical range, i.e. above lC, the
fibres can be expected to break. If it is lower than the critical value, fibre pull-out can
occur. By that is primarily meant failure at
the fibre/matrix interface, as can happen
in chopped fibre compounds, where the
usual fibre length is 0.2 to 0.6 mm.
Strictly speaking, the length of the reinforcement fibre remaining in the fibre is
of no relevance to the design. Mechanical
characteristics, such as strength, rigidity
and impact strength are more important
for the design of a part. Although they are
a function of the fibre length, their relationship is highly complex. Analysing the
fibre length alone, therefore, can only lead
so far, although it is a practical parameter
for obtaining trend information. Figure 2
is a normalised diagram of the change in
rigidity, strength and impact strength as a
function of fibre length.
er, can reduce the extent to which the fibres are shortened. The melting process
greatly affects fibre length as well. There
are major differences between injectionmoulding machine and injection moulding compounder in this respect.
With the injection moulding machine,
the initial fibre length is restricted by the
size of the granules (as a rule 10 to 25 mm).
Manufacturers of long glassfibre granules
offer sheathed and pultruded systems
(Fig. 4). In pultrusion, the fibres are wetted with matrix material in a melt bath and
joined together into bundles. This has the
advantage of impregnating the individual
fibres very evenly with matrix material. In
the case of the sheathed granules, the fibres
and the matrix material are coextruded together. The melting process in the injection-moulding machine has to dissolve the
fibre clusters and then wet the individual
fibres with matrix material (Fig. 5).
The extent of the damage done to the
fibres during melting decreases with decrease in flow resistance. Large cross-section flow channels are kinder to the fibres.
Screw configuration and the non-return
valve should therefore be modified correspondingly when long glassfibre granules
are processed.
melted. Some of the fibres are trapped and
exposed to high shear forces.
The size and the metering stroke of the
screw additionally influence the fibredamage mechanisms. A comparison of
Figures 3 and 6 shows that the large screw
with D = 165 mm causes much less damage to the fibres than the small one with
D = 90 mm. Figure 6 also illustrates the
negative influence of a longer metering
stroke (s/D = 1.5 to 2.5) on the remaining
fibre length. The scatter ranges show the
influence of the long glassfibre granule
structure (pultruded and sheathed).
By contrast, the injection moulding
compounder melts the pure matrix material without fibres. The fibres are added to
the melt later and are thus exposed to
correspondingly less mechanical stress
(Fig. 7). This method is kinder than melting in the injection-moulding machine
and leads to a higher average fibre length.
The injection moulding compounder
(IMC) offers the option of incorporating
endless rovings directly into the melt instead of chopped strands. Although the
rovings are broken into shorter pieces by
the rotation of the screws, the resultant
fibres are relatively long on average (see
Fig. 3).
Fibre damage
Fig. 3. Fibre lengths
as a function of the
processing section in
injection moulding
Fibre Length in the Part
When long-glassfibre-reinforced PP is being processed, it is important for the
longest-possible fibres to be incorporated
into the part because that produces the
best mechanical properties in the composite. However, there is no way of preventing the fibres from breaking due to the
mechanical application of stress, and thus
being shortened, during compounding
and injection moulding. The greatest damage to the fibres occurs while the melt containing the fibre is filling the mould
(Fig. 3). Judicious mould design, howev-
18
When granules are injection-moulded,
the fibres are subjected to the complete
melting process. Mechanical stress on the
fibres lasts a relatively long time. The start
of plastication applies relatively large
forces to the fibres since at that stage the
matrix material has not yet completely
Economic Aspects
The price of the starting material is important in the production of fibre-reinforced PP parts. Long glassfibre granules
for injection moulding may be cheaper
than GMT semi-finished goods. Howev-
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er, fabricators have to pay more for the
granules than if they were to buy the individual components separately. One of
the principal benefits of the injection
moulding compounder to fabricators is
that the starting materials are more economical than the long fibre granules and
the cost of the materials diminishes as a
proportion of the cost of producing the
part.
Processing glassfibre-reinforced PP as
granules on an injection-moulding machine is less capital-intensive than on the
injection moulding compounder. There is
the possibility, though, of modifying or exchanging the plasticating unit on existing
injection-moulding machines so that they
can process long glassfibre granules. Even
if retrofitting is not possible and new machines have to be installed, injection
moulding requires less investment. The
use of the additional twin-screw extruder
needed for the injection moulding compounder complicates the equipment.
Decisions, Decisions…
Apart from the above-mentioned advantages concerning fibre-length distribution
in the part, the injection moulding compounder offers potential savings on starting materials, but this potential can only
be realised through additional investment.
Important criteria for choosing between
an injection-moulding machine and the
compounder are therefore the weight of
the manufactured parts and the production volume. The injection moulding
compounder has the edge if throughput is
high because the savings made at the time
the starting material is bought soon exceed
the higher capital outlay needed to buy the
equipment and so the investment soon
amortises. Where the parts are small or
production volumes are low, processing
long glassfibre granules on an injectionmoulding machine can be the better alternative because less capital investment is
needed.
The injection moulding compounder
confers production flexibility on fabricators, allowing them to tailor the materials
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to their needs. They can selectively modify the matrix/fibre/size system such that,
for example, the fibre content in the part
exactly matches the respective technical
specifications. When granules are being
processed, this selective modification is
only possible under certain conditions because the manufacturers only offer granules with certain fibre contents. To change
the fibre content for classic injection
moulding, fabricators must blend the long
glassfibre granules with unreinforced PP
– a working step which makes additional
demands on the machine and the material supply systems.
However, the degrees of freedom that
the injection moulding compounder confers on fabricators in terms of material
composition increase product accountability and thus the liability of fabricators.
Fabricators must now assume responsibility for the quality assurance and the
guarantees hitherto borne by the granule
manufacturers. But therein lies a major opportunity for the future. The IMC process
greatly increases the added value created
by fabricators.
Summary
Long-glassfibre-reinforced parts made
from PP can be produced with an injection moulding compounder or with a
modified injection-moulding machine.
Pronouncements as to which process is
more economical can only be made after
the specific boundary conditions have
been considered. The advantages of the injection moulding compounder – cost savings in starting materials, gentler fibre
treatment and longer fibres – primarily
come to bear when in high-volume production and when the parts have to meet
very high mechanical specifications. With
smaller parts and lower outputs, the more
favourable option may be to process longglassfibre granules on conventional injection-moulding machines. ■
technology in injection moulding at Krauss-Maffei
Kunststofftechnik GmbH, Munich.
DIPL.-ING. MATTHIAS SIEVERDING, born in 1970,
works in the Applied Technology/Development department for IMC (injection moulding compounders)
at Krauss-Maffei.
DIPL.-ING. JOCHEN MITZLER, born in 1973, works
in applied technology/development of new processes
for injection moulding machines at Krauss-Maffei.
Fig. 2. Mechanical properties: Mechanical
properties as function of fibre length
E-Modul = Modulus of elasticity; Festigkeit =
Strength; Schlagzähigkeit = Impact strength
Faserlänge = Fibre length; Kurzfaser-Bereich =
Range of short fibres; Langfaser-Bereich =
Range of long fibres
Fig. 4. Long-glassfibre-reinforced granules:
Development from short fibre granules to long
fibre granules
Kurzfasergranulat = Short-fibre granules;
Faserlänge = Fibre length; Ummantelung =
Sheathing; pultrudiertes Langfaser-Granulat =
Pultruded long-fibre granules
Fig. 5. Melting process: Melting of long fibre
granules in an injection-moulding machine
Faserschonende Strömung = Flow that is kind to
fibres; Faser-Cluster-Auflösung = Dissolution of
fibre clusters; Einfüllen und Einziehen in den
Schneckenkanal = Filling and feeding into the
screw channel
Fig. 6. Fibre damage: Influence of the metering
path s on the fibre-length distribution after the
screw for long-fibre granules PP 30 GF (Lf =
10–12 mm) in an LF special screw where D =
90 mm
gewichtete Häufigkeit = Weighted frequency
Faserlänge = Fibre length; unter = under; über =
over; davon über 5 mm = Of which over 5 mm
Fig. 7. Mode of operation of the injection moulding compounder: Direct processing of glassfibre rovings on the injection moulding compounder
Glas = Glass; Plattformwaage = Platform balance
THE AUTHORS
DR.-ING. ERWIN BÜRKLE, born in 1942, is head of
pre-development, new technologies and process
19
■
SPRITZGIESSEN ■
Spritzgießverarbeitung von
langglasfaserverstärktem PP
Verfahrensvergleich. Beim Spritzgießen von langglasfaserverstärkten Bauteilen
aus PP werden üblicherweise Langglasfasergranulate verarbeitet. Ein neuer EinStufen-Prozess ermöglicht es, PP und Glasfasern zu compoundieren und daraus
direkt im Anschluss spritzgegossene Bauteile zu fertigen. Welches der beiden Verfahren für eine Fertigungsaufgabe besser geeignet ist, hängt von den speziellen
Randbedingungen der Bauteilproduktion ab.
ERWIN BÜRKLE
MATTHIAS SIEVERDING
JOCHEN MITZLER
m Fahrzeugbau werden Bauteile wie
Instrumententafeln, Frontends oder
Unterbodenelemente zunehmend aus
glasfaserverstärktem Polypropylen hergestellt. PP verdrängt technische Kunststoffe oder Metalle aus diesen Anwendungen
aufgrund der geringeren Dichte, der niedrigeren Materialkosten und der Vorteile
beim Recycling. Die mechanischen Anforderungen kann PP jedoch nur erfüllen,
wenn durch die Verstärkung mit Langglasfasern der E-Modul und die Schlagzähigkeit des Werkstoffs erhöht werden.
Zur Herstellung von Bauteilen wird das
glasfaserverstärkte PP spritzgegossen oder
verpresst. Beim Pressen werden üblicherweise plattenförmige Halbzeuge aus PP
mit Glasfasermattenverstärkung (GMT)
als Ausgangsmaterial verwendet. Beim
klassischen Pressen von GMT erreicht das
I
i
Bauteil wegen der Länge und Isotropie der
Fasern exzellente mechanische Eigenschaften. Allerdings ist die Herstellung der
GMT sehr aufwändig. Die Halbzeuge sind
daher relativ teuer.
Neuere Entwicklungen ermöglichen ein
Inline-Compoundieren von PP und Glasfasern und eine anschließende Direktverarbeitung des Compounds auf der Presse.
Trotz der Fortentwicklung der Prozesstechnik hat das Pressverfahren im Vergleich zum Spritzgießen signifikante
Nachteile. In den meisten Fällen müssen
die Bauteile nachbearbeitet werden. Öffnungen können bei Pressteilen in der Regel nur durch nachträgliches Ausstanzen
realisiert werden. Dabei fallen Produktionsabfälle an, die zusätzliche Kosten verursachen.
Beim Spritzgießen langglasfaserverstärkter Bauteile aus PP werden Langglasfaser-Granulate mit modifizierten Plastifiziereinheiten verarbeitet. Krauss-Maffei
hat als Alternative zur Granulatverarbeitung unter dem Namen Spritzgießcompounder („Injection Moulding Compounder“, IMC) ein neues System auf den
Markt gebracht, das in einem Ein-StufenProzess direkt aus den Ausgangsmaterialien PP und Glasfasern spritzgegossene
Bauteile fertigt. Der Spritzgießcompounder besteht aus einem Doppelschne- V
Langglasfaserverstärkte Thermoplaste
Hersteller
Krauss-Maffei Kunststofftechnik GmbH
D-80997 München
Tel. +49 (0) 89/8899-0
Fax +49 (0) 89/8899-3092
www.krauss-maffei.de
Bild 1. Verarbeitungsverfahren für langglasfaserverstärkte Thermoplaste
Kunststoffe 3/2003
47
■ SPRITZGIESSEN
Mechanische Eigenschaften
Glasfaserverstärkte Granulate
Bild 2. Mechanische Eigenschaften als Verbund der Faserlänge
ckenextruder und einer Spritzgießmaschine [1]. Im Extruder wird das PP aufgeschmolzen und mit den Glasfasern vermischt. Über einen Pufferspeicher gelangt
die Schmelze in ein so genanntes Shot-Pot
Spritzaggregat. Von dort wird das Material in das Werkzeug eingespritzt. Das Direktcompoundieren in der Spritzgießtechnik (IMC) umgeht den Einsatz einer
Halbzeugstufe.
Im Folgenden werden die Spritzgießmaschine und der Spritzgießcompounder
nach technischen und wirtschaftlichen
Kriterien miteinander verglichen, um dem
Kunststoffverarbeiter eine Entscheidungshilfe zu geben, welches der beiden Verfahren seine jeweilige Fertigungsaufgabe am
besten löst.
Verhalten faserverstärkter Thermoplaste
Entscheidend für die mechanischen Eigenschaften des Bauteils ist eine gute Faser/MatrixHaftung. Glasmattenverstärkte Thermoplaste ermöglichen
etwas höhere Festigkeiten und
Schlagzähigkeiten als direktverarbeitete Formmassen oder
Langfaser-Granulate (Bild 1).
Die vernadelte Mattenstruktur
hat durch die physikalische
Verankerung der Fasern und
Faserfilamente und durch ihre
sehr gute Filamentverteilung
Vorteile, die sich im Vergleich
zu spritzgegossenen Formmassen – direktverarbeitet
oder über Langfaser-Granulate – bei längeren Fließwegen
im Pressprozess jedoch verringern. Dadurch, dass beim
Spritzgießen Faserorientierun-
48
Bild 4. Entwicklung vom Kurzfasergranulat zu Langfasergranulaten
gen besser in das Bauteil eingebracht werden können, kann der Nachteil der fehlenden Vernadelung bei belastungsgerechter Auslegung teilweise kompensiert
werden.
Schädigungen der Faserstruktur in
Composites lassen Rückschlüsse auf den
jeweiligen Verarbeitungsprozess zu. Zu
unterscheiden sind Faserbruch, Grenzflächenablösung (debonding) und FaserPull-out. Um die Festigkeit einer Faser voll
auszunutzen, muss deren Länge über der
so genannten kritischen Faserlänge lC liegen. In der Literatur findet man für einen
Faser/Matrix-Verbund aus PP und Glas
lC-Werte zwischen 1,3 und 3,1 mm. Mit
spezieller Haftvermittlung (Schlichte)
können Werte von bis zu 0,9 mm erreicht
werden.
Faserschädigung
Aus der Lage der aktuellen zur kritischen Faserlänge lässt sich die Güte der Faser-Matrix-Kopplung ableiten: Liegt die
aktuelle Faserlänge im Bauteil im überkritischen Bereich, also oberhalb von lC,
kann mit dem Bruch der Fasern gerechnet
werden. Wird die kritische Faserlänge unterschritten, besteht die Gefahr eines Faser-Pull-out. Darunter ist hauptsächlich
das Versagen in der Grenzschicht zwischen
Faser und Matrix zu verstehen, wie es bei
der für Kurzfasercompounds üblichen Faserlänge von 0,2 bis 0,6 mm erfolgen kann.
Die Länge der in einem Bauteil verbleibenden Verstärkungsfaser ist streng genommen keine konstruktionsrelevante
Größe. Für die Auslegung eines Bauteils
sind vielmehr mechanische Kennwerte wie
Festigkeit, Steifigkeit und Schlagzähigkeit
von Bedeutung. Sie sind zwar
eine Funktion der Faserlänge,
aber ihr Zusammenhang ist
sehr komplex. Eine singuläre
Betrachtung der Faserlänge ist
deshalb nur begrenzt zielführend, für tendenzielle Aussagen jedoch ein praktikables
Regulativ. Bild 2 zeigt in einer
normierten Darstellung den
Verlauf von Steifigkeit, Festigkeit und Schlagzähigkeit als
Funktion der Faserlänge.
Faserlänge im Bauteil
Bild 3. Faserlängen in Abhängigkeit der Prozessstrecke beim Spritzgießen
Bei der Verarbeitung von langglasfaserverstärktem
PP
kommt es darauf an, möglichst
lange Fasern in das Bauteil einzubringen, weil der Verbund
dann die besten mechanischen
Eigenschaften erreicht. Allerdings ist es beim Aufbereiten
und Spritzgießen nicht zu ver-
© Carl Hanser Verlag, München
Kunststoffe 3/2003
SPRITZGIESSEN ■
Aufschmelzvorgang
Bild 5. Aufschmelzen von Langfasergranulaten in der Spritzgießmaschine
meiden, dass die Fasern aufgrund der mechanischen Belastung brechen und dadurch verkürzt werden. Am stärksten werden die Fasern geschädigt, während die faserhaltige Schmelze das Werkzeug füllt
(Bild 3). Durch geeignete Auslegung des
Werkzeugs lässt sich die Faserkürzung jedoch reduzieren. Der Aufschmelzprozess
hat ebenfalls einen großen Einfluss auf die
Faserlänge. Hier unterscheiden sich Spritzgießmaschine und Spritzgießcompounder
signifikant.
Bei der Spritzgießmaschine ist die Anfangsfaserlänge durch die Größe der Granulatkörner (in der Regel 10 bis 25 mm)
beschränkt. Die Hersteller von Langglasfasergranulaten bieten ummantelte und
pultrudierte Systeme an (Bild 4). Bei der
Pultrusion werden die Fasern zunächst in
einem Schmelzebad mit Matrixmaterial
benetzt und dann zu Bündeln zusammengefügt. Dies hat den Vorteil, dass die
einzelnen Fasern sehr gleichmäßig mit
Matrixmaterial imprägniert sind. Beim
ummantelten Granulat werden die Fasern
zusammen mit dem Matrixmaterial coextrudiert. Hier müssen während des Aufschmelzprozesses in der Spritzgießmaschine Faserbündel aufgelöst und
anschließend die einzelnen Fasern mit
Matrixmaterial benetzt werden (Bild 5).
Die Fasern werden während des Aufschmelzens in der Spritzgießmaschine
umso weniger geschädigt, je geringer der
Strömungswiderstand ist. Größere Querschnitte der Strömungskanäle wirken sich
faserschonend aus. Für die Verarbeitung
von Langglasfasergranulaten sollten die
Schneckengeometrie und die RückströmKunststoffe 3/2003
sperre daher entsprechend modifiziert
werden.
Bei der Verarbeitung von Granulaten
durchlaufen die Fasern auf der Spritzgießmaschine den kompletten Aufschmelzprozess. Die Dauer der mechanischen Belastung der Fasern ist verhältnismäßig lang. Die Fasern sind vor allem zu
Beginn des Plastifiziervorgangs durch relativ große Kräfte beansprucht, da das Matrixmaterial noch nicht vollständig aufgeschmolzen ist. Die Fasern sind teilweise
eingespannt und somit hohen Scherkräften ausgesetzt.
Zusätzlich beeinflussen die Größe und
die Hubausnutzung (Dosierweg) der
Schnecke die Faser-Schädigungsmechanismen. Ein Vergleich der Bilder 3 und 6 zeigt,
dass die große Schnecke mit D=165 mm
die Fasern viel weniger schädigt als die kleine mit D=90 mm. Bild 6 verdeutlicht auch
den negativen Einfluss eines größeren Do-
sierweges (s/D=1,5 nach 2,5) auf die verbleibende Faserlänge. Die ausgewiesenen
Streubereiche charakterisieren den Einfluss
des Langglasfaser-Granulataufbaus (pultrudiert bzw. ummantelt).
Beim Spritzgießcompounder wird dagegen das reine Matrixmaterial ohne Fasern aufgeschmolzen. Die Fasern werden
der Schmelze erst später zugegeben und
dementsprechend weniger stark mechanisch belastet (Bild 7). Diese Technik ist faserschonender als der Aufschmelzprozess
in der Spritzgießmaschine und führt im
Resultat zu einer höheren durchschnittlichen Faserlänge. Der Spritzgießcompounder bietet die Option, an Stelle von
geschnittenen Glasfasern endlose Rovings
direkt in die Schmelze einzubringen. Die
Rovings werden dabei zwar durch die
Drehbewegung der Schnecken in kürzere
Stücke gebrochen, die daraus entstehende
mittlere Faserlänge ist jedoch relativ groß
(siehe Bild 3).
Wirtschaftliche Aspekte
Ein wichtiger Aspekt bei der Herstellung
faserverstärkter Bauteile aus PP ist der
Preis des Eingangsmaterials. Langglasfasergranulate für die Spritzgießverarbeitung sind zwar billiger als GMT-Halbzeuge. Der Verarbeiter muss für die Granulate aber mehr bezahlen als bei einem separaten Zukauf der Einzelkomponenten.
Hier liegt einer der Hauptvorteile des
Spritzgießcompounders: Die Eingangsmaterialien sind aus Sicht des Verarbeiters
kostengünstiger als die Langfasergranulate, und der Anteil der Materialkosten
an den gesamten Herstellungskosten des
Bauteils sinkt.
Die Verarbeitung von glasfaserverstärktem PP als Granulat auf der Spritzgießmaschine hat gegenüber dem Spritzgießcompounder den Vorteil, dass geringere Anlageninvestitionen erforderlich V
49
■ SPRITZGIESSEN
potenziale beim
Eingangsmaterial,
die der Verarbeiter
aber nur durch zusätzliche Investitionen erzielen kann.
Wichtige Kriterien
für die Wahl zwischen Spritzgießmaschine
und
-compounder sind
daher das Gewicht
der produzierten
Teile und die
Stückzahl.
Bei
großen DurchsätBild 6. Einfluss des Dosierweges s auf die Faserlängenverteilung nach
zen ist der Spritzder Schnecke für ein Langglasfasergranulat PP 30 GF (LF = 10–12 mm) bei
gießcompounder
einer LF-Spezialschnecke mit D = 90 mm
im Vorteil, weil die
Kostenersparnis
beim Einkauf des
sind. Unter Umständen besteht die Mög- Ausgangsmaterials die höheren Anschaflichkeit, die Plastifiziereinheit vorhande- fungskosten für die Anlage in kurzer Zeit
ner Spritzgießmaschinen zu modifizieren übersteigt und sich die Investitionen auf
oder auszutauschen, so dass sie Langglas- diese Weise schnell amortisieren. Bei kleifasergranulat verarbeiten können. Selbst neren Bauteilen oder geringen Stückzahwenn die Möglichkeit der Umrüstung len kann die Verarbeitung von Langglasnicht besteht und neue Maschinen instal- fasergranulaten auf der Spritzgießmaschiliert werden müssen, erfordert die Spritz- ne aufgrund der geringen Investitionskosgießverarbeitung ein geringeres Investiti- ten die bessere Alternative sein.
onsvolumen. Die Anlagentechnik beim
Der Spritzgießcompounder versetzt
Spritzgießcompounder ist durch den Ein- den Verarbeiter in die Lage, seine Produksatz eines zusätzlichen Doppelschne- tion zu flexibilisieren und das eingesetzte
ckenextruders aufwändiger.
Material für seine Bedürfnisse maßzuschneidern. Er kann das System aus MaWer die Wahl hat ...
trix, Faser und Schlichte gezielt beeinflussen, um beispielsweise den Fasergehalt im
Der Spritzgießcompounder bietet also ne- Bauteil den jeweiligen technischen Anforben den oben erläuterten Vorteilen bei der derungen exakt anzupassen. Dies ist bei
Faserlängenverteilung im Bauteil Einspar- der Verarbeitung von Granulaten nur un-
Faserschädigung
Funktionsweise des Spritzgießcompounders
ter bestimmten Voraussetzungen möglich,
da die Hersteller nur Granulate mit bestimmten Faseranteilen anbieten. Um
beim klassischen Spritzgießen den Fasergehalt zu verändern, muss der Verarbeiter
das Langglasfasergranulat mit unverstärktem PP mischen – ein Arbeitsschritt, der
zusätzliche Anforderungen an die Maschine und die Materialversorgungssysteme stellt.
Die Freiheitsgrade, die der Spritzgießcompounder dem Kunststoffverarbeiter
bei der Materialkomposition eröffnet, erhöhen auf der anderen Seite die Produktverantwortung und damit das Haftungsrisiko für den Verarbeiter. Die Qualitätssicherung und die Garantien, die bisher die
Granulathersteller übernommen haben,
muss nun der Verarbeiter abdecken. Gerade darin liegt aber eine große Zukunftschance: Das IMC-Verfahren erhöht die
Wertschöpfung des Kunststoffverarbeiters
signifikant.
Fazit
Langglasfaserverstärkte Bauteile aus PP
können mit einem Spritzgießcompounder
oder mit einer modifizierten Spritzgießmaschine hergestellt werden. Eine generelle Aussage, welches Verfahren wirtschaftlicher ist, kann nur unter Berücksichtigung der speziellen Randbedingungen getroffen werden. Die Vorteile des
Spritzgießcompounders – Kosteneinsparung beim Eingangsmaterial, Faserschonung und große Faserlängen – wirken sich vor allem bei der Verarbeitung
großer Materialmengen und bei Bauteilen
aus, an die sehr hohe mechanische Anforderungen gestellt werden. Bei kleineren
Bauteilen und geringeren Durchsätzen
kann es die günstigere Option sein, Langglasfasergranulate auf konventionellen
Spritzgießmaschinen zu verarbeiten. ■
LITERATUR
Jensen, R.: Synergien intelligent genutzt. Kunststoffe
91 (2001) 9, S. 40-45
Bild 7. Direktverarbeitung von Glasfaserrovings auf dem Spritzgießcompounder
50
DIE AUTOREN
DR.-ING. ERWIN BÜRKLE, geb.1942, ist Leiter Vorentwicklung, neue Technologien und Prozesstechnik
Spritzgießen bei der Krauss-Maffei Kunststofftechnik
GmbH, München.
DIPL.-ING. MATTHIAS SIEVERDING, geb. 1970, ist
bei Krauss-Maffei im Bereich Anwendungstechnik mit
der Entwicklung des Spritzgießcompounders (IMC)
befasst.
DIPL.-ING. (FH) JOCHEN MITZLER, geb. 1973,
ist bei Krauss-Maffei im Bereich der Anwendungstechnik/Entwicklung neuer Verfahren für Spritzgießmaschinen tätig.
© Carl Hanser Verlag, München
Kunststoffe 3/2003