Untersuchung des Injektionsbox-Designs zur Steigerung der Produktivität, Produktqualität und Ressourceneffizienz des Pultrusionsverfahrens

Abstract

Um Leichtbaukomponenten aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) zu fertigen, werden in vielen kontinuierlichen Verfahren, wie beispielsweise der Pultrusion und dem Wickeln, die verstärkenden Fasern kontinuierlich mit der duroplastischen Kunststoffmatrix imprägniert. Die Imprägnierung wird derzeit überwiegend in offenen Tränkbädern durchgeführt, da diese Systeme technisch einfach und leicht zu überwachen sind. Hochreaktive und somit hochproduktive Matrixsysteme können in offenen Tränkbädern infolge der langen Verweilzeiten nicht verwendet werden. Der unkontrollierte Harzauftrag führt im offenen Harzbad teils zu hohen Abfallmengen an Harzsystem, geringen Imprägnierqualitäten sowie hohen Emissionen flüchtiger Mischungsbestandteile. Somit bleiben sowohl die Bauteilqualität als auch die Produktivität des Verfahrens hinter dem Potenzial zurück. Als alternative Injektionsmethode werden Injektionsboxen verwendet, die die Fasern in einer geschlossenen Kavität imprägnieren. Am IKV wurde ein Prüfstand für Injektionsboxgeometrien entwickelt. Für die Herstellung von rechteckigen Profilen wurde eine transparente Sichtinjektionsbox aus Polymethylmethacrylat (PMMA) gefertigt. So können die Strömungsvorgänge in der Injektionsbox direkt betrachtet und analysiert werden. Dazu werden in der Sichtinjektionsbox nicht-reaktive Prüffluide, wie Sacheroselösungen und Mesamoll, verwendet. Deren Viskosität liegt im Bereich von pultrusionstypischen Harzsystemen, zwischen 10 mPas und 300 mPas. Des Weiteren wurde eine Beschreibung der Strömungsfelder in der Injektionsbox entwickelt. Bei der Betrachtung von Einzelfaserrovings und der daraus resultierenden Strömung zwischen zwei Rovings, können drei verschiedene Bereiche in der Injektionsbox unterschieden werden. Die Region I, die dem finalen Querschnitt am nächsten liegt, ist an kleinen Harzbereichen zwischen den Fasersträngen zu erkennen. In dieser Region ist die Imprägnierung durch den geometrisch bedingten Druckaufbau und die hohe Filamentdichte geprägt. Im Gegensatz dazu kann die Region II als eindimensionale Strömung in einem konvergierenden Spalt mit beweglichen Wänden interpretiert werden. Der Spalt wird durch sich überlagernde Rovings gebildet. Region III bezeichnet den Bereich in dem Lücken zu den benachbarten Rovings entstehen. Dies ist vor allem für Injektionsboxen mit großen horizontalen Öffnungswinkeln zu beobachten. In den Regionen II und III sind Kapillarkräfte der für die Imprägnierung entscheidende Mechanismus. Unter Verwendung der Sichtinjektionsboxen wurde das Strömungsfeld in der Injektionsbox, hinsichtlich der Abzugskraft, des Füllgrades und der durchschnittlichen Harzverweilzeit, untersucht. Dabei wurde der Einfluss der zentralen Prozessparameter Faservolumengehalt, Matrixviskosität und Abzugsgeschwindigkeit betrachtet. Die Beobachtungen des Strömungsprofils in der Injektionsbox zeigen, dass die Imprägnierung allein auf Grund von Kapillarkräften nicht zu einer vollständigen Imprägnierung führt, da Luft in den Filamenten und der Flüssigkeit eingeschlossen wird. Diese Luft wird durch den zunehmenden Druck in der Nähe des endgültigen Querschnitts verdrängt, was die Qualität der Imprägnierung verbessert. Um systematisch das Verständnis über das Strömungsfeld und der daraus resultierenden Imprägnierqualität zu erweitern, wurde zunächst eine Variation des horizontalen und vertikalen Öffnungswinkels der Injektionsbox untersucht. Zusammenfassend ist zu erkennen, dass größere Öffnungswinkel zu einem geringerem Druckaufbau führen. Der Druckaufbau ist nicht nur in seinem Betrag geringer sondern findet auch näher am finalen Profilquerschnitt statt. Kleinere Öffnungswinkel verkürzen insbesondere für geringe Abzugsgeschwindigkeiten die Harzverweilzeit. Bei zu geringen Öffnungswinkeln ≤1° konnte die vollständige Imprägnierung jedoch nicht sichergestellt werden. Anschließend wurden Injektionsboxen auf Basis der ermittelten Zusammenhänge konstruiert. Für das Design einer neuen Injektionsbox, wird basierend auf der finalen Profilgeometrie und den gewählten Öffnungswinkeln der Öffnungsquerschnitt der Injektionsbox bestimmt. Zur Verifizierung der Sichtinjektionsboxen wurden Pultrusionsversuche mit reaktivem Matrixmaterial an den gleichen Geometrien durchgeführt. Durch die Analyse der Versuche mit reaktivem Matrixmaterial konnte gezeigt werden, dass eine Untersuchung von Strömungszuständen in der Injektionsbox mit Hilfe von Sichtinjektionsboxen möglich ist. Somit ist davon auszugehen, dass die Untersuchungen zu den Geometrieparametern der Injektionsbox auf reaktive Systeme übertragbar sind. Die Erkenntnisse zum Injektionsboxdesign können somit direkt von kmU zur optimierten Auslegung neuer Injektionsboxen hinsichtlich des Druckaufbaus und des Strömungsfeldes angewandt werden. Datei-Upload durch TIB