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17 Kunststoffe plast europe 3/2003 INJECTION MOULDING PE 102542 ERWIN BÜRKLE MATTHIAS SIEVERDING JOCHEN MITZLER I n automotive engineering, instrument panels, front-ends and underbody elements are increasingly being pro- duced from glassfibre-reinforced poly- propylene. 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 specifica- tions if the reinforcement with long glass- fibres increases its elastic modulus and im- pact strength. The parts are made by either injection moulding or compression moulding glass- fibre-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 mechan- ical properties because of the length and isotropy of the fibres. Production of the GMT is very complicated, though. The se- mi-finished goods are therefore relatively expensive. Thanks to recent developments, it is now possible to perform inline com- pounding of PP and glassfibres fol- lowed by direct compression. For all the advances made in the process technology, however, compression has major draw- backs 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. Injection moulding of long-glassfibre- reinforced 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 injec- tion-moulded parts in a one-step process direct from the PP and glassfibre base ma- terials. The injection moulding com- pounder consists of a twin-screw extrud- er 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 injec- tion-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 fi- bres and fibre filaments and the very good 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 partic- ular production task depends on the vagaries of parts production. 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 Manufacturer i Long-glassfibre-reinforced thermoplastics Fig. 1. Processing methods for long-glassfibre-reinforced thermoplastics Translated from Kunststoffe 3/2003, pp. 47–50

INJECTION MOULDING PE 102542 Injection Moulding of Long ... · Injection moulding of long-glassfibre-reinforced parts from PP usually entails processing long glassfibre granules with

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17Kunststoffe plast europe 3/2003

I N J EC T I ON MOULD ING ■

PE 1 02542

ERWIN BÜRKLE

MATTHIAS SIEVERDING

JOCHEN MITZLER

In automotive engineering, instrumentpanels, front-ends and underbodyelements are increasingly being pro-

duced from glassfibre-reinforced poly-propylene. PP is replacing engineeringplastics and metals from these applicationsbecause of the lower density, cheapermaterials and recycling benefits. However,PP can only meet mechanical specifica-tions if the reinforcement with long glass-fibres increases its elastic modulus and im-pact strength.

The parts are made by either injectionmoulding or compression moulding glass-fibre-reinforced PP. In compressionmoulding, the starting material is usuallysemi-finished panel goods made from PPreinforced with glass mat thermoplastic(GMT). Classic compression moulding ofGMT yields parts with excellent mechan-ical properties because of the length andisotropy of the fibres. Production of theGMT is very complicated, though. The se-mi-finished goods are therefore relativelyexpensive.

Thanks to recent developments, it isnow possible to perform inline com-pounding of PP and glassfibres fol-lowed by direct compression. For all theadvances made in the process technology,however, compression has major draw-backs in comparison with injectionmoulding. In most cases, the parts have tobe remachined. As a rule, openings incompression-moulded parts can only beeffected with downstream stamping. Thisgenerates production scrap and so adds tocosts.

Injection moulding of long-glassfibre-reinforced parts from PP usually entailsprocessing long glassfibre granules withthe aid of modified plasticating units. Byway of alternative to the processing ofgranules, Krauss-Maffei has launched anew injection moulding compounder(IMC) system, which manufactures injec-tion-moulded parts in a one-step processdirect from the PP and glassfibre base ma-terials. The injection moulding com-pounder consists of a twin-screw extrud-er and an injection-moulding machine[1]. The extruder melts the PP and mixesit with the glassfibres. The melt passesthrough a buffer region into what is calleda shot-pot injection unit. From there, it isinjected into the mould. Compoundingdirectly during injection-moulding (IMC)eliminates the need for a semi-finishedgoods stage.

In the following, we compare the injec-tion-moulding machine and the injectionmoulding compounder on the basis oftechnical and economic criteria as an aid

for plastics fabricators to decide which ofthe two methods is better suited to theirproduction tasks.

Behaviour of Fibre-reinforcedThermoplastics

Good fibre/matrix adhesion is crucial to apart’s mechanical properties. GMTs yieldsomewhat higher strengths and impactstrengths than direct-processed mouldingcompounds or long-fibre granules (Fig. 1).The needle-punched mat structure, byvirtue of the physical anchoring of the fi-bres and fibre filaments and the very good

Injection Moulding of

Long-glassfibre-reinforced PPProcess 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 partic-

ular production task depends on the vagaries of parts production.

Krauss-Maffei Kunststofftechnik GmbHD-80997 MunichGermanyPhone +49 (0) 89/88 99-0Fax +49 (0) 89/88 99-3092www.krauss-maffei.de

Manufactureri

Long-glassfibre-reinforced thermoplastics

Fig. 1. Processing methods for long-glassfibre-reinforced thermoplastics

Translated from Kunststoffe 3/2003, pp. 47–50

017-019_pe102542 04.04.2003 8:27 Uhr Seite 17

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filament distribution, offers advantageswhich, however, compared with mouldingcompounds injected either direct or vialong fibre granules, are lost if the flowpaths in the compression process are long.The fact that injection moulding is betterat introducing fibre orientation into thepart can partly offset the disadvantage ofthe absence of needle punching if thedesign is suitable for the stress incurred.

Damage done to the fibre structure incomposites can be used to draw conclu-sions about the processing method in-volved. It may take the form of fibre break-age, debonding and fibre pull-out. For fulluse to be made of a fibre’s strength, it mustbe longer than the so-called critical fibrelength lC. Corresponding literature valuesfor lC range from 1.3 to 3.1 mm for afibre/matrix laminate of PP and glass.Use of special coupling (size) can lead tovalues of up to 0.9 mm.

The ratio of the current fibre length tothe critical fibre length can be used to in-fer the quality of the fibre matrix coupling.If the current fibre length in the part isabove the critical range, i.e. above lC, thefibres can be expected to break. If it is low-er than the critical value, fibre pull-out canoccur. By that is primarily meant failure atthe fibre/matrix interface, as can happenin chopped fibre compounds, where theusual fibre length is 0.2 to 0.6 mm.

Strictly speaking, the length of the re-inforcement fibre remaining in the fibre isof no relevance to the design. Mechanicalcharacteristics, such as strength, rigidityand impact strength are more importantfor the design of a part. Although they area function of the fibre length, their rela-tionship is highly complex. Analysing thefibre length alone, therefore, can only leadso far, although it is a practical parameterfor obtaining trend information. Figure 2is a normalised diagram of the change inrigidity, strength and impact strength as afunction of fibre length.

Fibre Length in the Part

When long-glassfibre-reinforced PP is be-ing processed, it is important for thelongest-possible fibres to be incorporatedinto the part because that produces thebest mechanical properties in the com-posite. However, there is no way of pre-venting the fibres from breaking due to themechanical application of stress, and thusbeing shortened, during compoundingand injection moulding.The greatest dam-age to the fibres occurs while the melt con-taining the fibre is filling the mould(Fig. 3). Judicious mould design, howev-

er, can reduce the extent to which the fi-bres are shortened. The melting processgreatly affects fibre length as well. Thereare major differences between injection-moulding machine and injection mould-ing compounder in this respect.

With the injection moulding machine,the initial fibre length is restricted by thesize of the granules (as a rule 10 to 25 mm).Manufacturers of long glassfibre granulesoffer sheathed and pultruded systems(Fig. 4). In pultrusion, the fibres are wet-ted with matrix material in a melt bath andjoined together into bundles. This has theadvantage of impregnating the individualfibres very evenly with matrix material. Inthe case of the sheathed granules, the fibresand the matrix material are coextruded to-gether. The melting process in the injec-tion-moulding machine has to dissolve thefibre clusters and then wet the individualfibres with matrix material (Fig. 5).

The extent of the damage done to thefibres during melting decreases with de-crease in flow resistance. Large cross-sec-tion flow channels are kinder to the fibres.Screw configuration and the non-returnvalve should therefore be modified corre-spondingly when long glassfibre granulesare processed.

When granules are injection-moulded,the fibres are subjected to the completemelting process. Mechanical stress on thefibres lasts a relatively long time. The startof plastication applies relatively largeforces to the fibres since at that stage thematrix material has not yet completely

melted. Some of the fibres are trapped andexposed to high shear forces.

The size and the metering stroke of thescrew additionally influence the fibre-damage mechanisms. A comparison ofFigures 3 and 6 shows that the large screwwith D = 165 mm causes much less da-mage to the fibres than the small one withD= 90 mm. Figure 6 also illustrates thenegative influence of a longer meteringstroke (s/D = 1.5 to 2.5) on the remainingfibre length. The scatter ranges show theinfluence of the long glassfibre granulestructure (pultruded and sheathed).

By contrast, the injection mouldingcompounder melts the pure matrix mate-rial without fibres. The fibres are added tothe melt later and are thus exposed tocorrespondingly less mechanical stress(Fig. 7). This method is kinder than melt-ing in the injection-moulding machineand leads to a higher average fibre length.The injection moulding compounder(IMC) offers the option of incorporatingendless rovings directly into the melt in-stead of chopped strands. Although therovings are broken into shorter pieces bythe rotation of the screws, the resultantfibres are relatively long on average (seeFig. 3).

Economic Aspects

The price of the starting material is im-portant in the production of fibre-rein-forced PP parts. Long glassfibre granulesfor injection moulding may be cheaperthan GMT semi-finished goods. Howev-

18 © Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe plast europe 3/2003

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Fibre damage

Fig. 3. Fibre lengthsas a function of theprocessing section ininjection moulding

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er, fabricators have to pay more for thegranules than if they were to buy the in-dividual components separately. One ofthe principal benefits of the injectionmoulding compounder to fabricators isthat the starting materials are more eco-nomical than the long fibre granules andthe cost of the materials diminishes as aproportion of the cost of producing thepart.

Processing glassfibre-reinforced PP asgranules on an injection-moulding ma-chine is less capital-intensive than on theinjection moulding compounder. There isthe possibility, though, of modifying or ex-changing the plasticating unit on existinginjection-moulding machines so that theycan process long glassfibre granules. Evenif retrofitting is not possible and new ma-chines have to be installed, injectionmoulding requires less investment. Theuse of the additional twin-screw extruderneeded for the injection moulding com-pounder complicates the equipment.

Decisions, Decisions…

Apart from the above-mentioned advan-tages concerning fibre-length distributionin the part, the injection moulding com-pounder offers potential savings on start-ing materials, but this potential can onlybe realised through additional investment.Important criteria for choosing betweenan injection-moulding machine and thecompounder are therefore the weight ofthe manufactured parts and the produc-tion volume. The injection mouldingcompounder has the edge if throughput ishigh because the savings made at the timethe starting material is bought soon exceedthe higher capital outlay needed to buy theequipment and so the investment soonamortises. Where the parts are small orproduction volumes are low, processinglong glassfibre granules on an injection-moulding machine can be the better al-ternative because less capital investment isneeded.

The injection moulding compounderconfers production flexibility on fabrica-tors, allowing them to tailor the materials

to their needs. They can selectively modi-fy the matrix/fibre/size system such that,for example, the fibre content in the partexactly matches the respective technicalspecifications. When granules are beingprocessed, this selective modification isonly possible under certain conditions be-cause the manufacturers only offer gran-ules with certain fibre contents. To changethe fibre content for classic injectionmoulding, fabricators must blend the longglassfibre granules with unreinforced PP– a working step which makes additionaldemands on the machine and the materi-al supply systems.

However, the degrees of freedom thatthe injection moulding compounder con-fers on fabricators in terms of materialcomposition increase product accounta-bility and thus the liability of fabricators.Fabricators must now assume responsi-bility for the quality assurance and theguarantees hitherto borne by the granulemanufacturers.But therein lies a major op-portunity for the future. The IMC processgreatly increases the added value createdby fabricators.

Summary

Long-glassfibre-reinforced parts madefrom PP can be produced with an injec-tion moulding compounder or with amodified injection-moulding machine.Pronouncements as to which process ismore economical can only be made afterthe specific boundary conditions havebeen considered. The advantages of the in-jection moulding compounder – cost sav-ings in starting materials, gentler fibretreatment and longer fibres – primarilycome to bear when in high-volume pro-duction and when the parts have to meetvery high mechanical specifications. Withsmaller parts and lower outputs, the morefavourable option may be to process long-glassfibre granules on conventional injec-tion-moulding machines. ■

THE AUTHORS

DR.-ING. ERWIN BÜRKLE, born in 1942, is head ofpre-development, new technologies and process

technology in injection moulding at Krauss-MaffeiKunststofftechnik GmbH, Munich.

DIPL.-ING. MATTHIAS SIEVERDING, born in 1970,works in the Applied Technology/Development de-partment for IMC (injection moulding compounders)at Krauss-Maffei.

DIPL.-ING. JOCHEN MITZLER, born in 1973, worksin applied technology/development of new processesfor injection moulding machines at Krauss-Maffei.

Fig. 2. Mechanical properties: Mechanicalproperties as function of fibre lengthE-Modul = Modulus of elasticity; Festigkeit =Strength; Schlagzähigkeit = Impact strengthFaserlänge = 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 longfibre granulesKurzfasergranulat = Short-fibre granules; Faserlänge = Fibre length; Ummantelung =Sheathing; pultrudiertes Langfaser-Granulat =Pultruded long-fibre granules

Fig. 5. Melting process: Melting of long fibregranules in an injection-moulding machineFaserschonende Strömung = Flow that is kind tofibres; Faser-Cluster-Auflösung = Dissolution offibre clusters; Einfüllen und Einziehen in denSchneckenkanal = Filling and feeding into thescrew channel

Fig. 6. Fibre damage: Influence of the meteringpath s on the fibre-length distribution after thescrew for long-fibre granules PP 30 GF (Lf =10–12 mm) in an LF special screw where D =90 mmgewichtete 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 mould-ing compounder: Direct processing of glassfi-bre rovings on the injection moulding com-pounderGlas = Glass; Plattformwaage = Platform bal-ance

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SPR I T ZG I E S S EN ■■

ERWIN BÜRKLEMATTHIAS SIEVERDING

JOCHEN MITZLER

Im Fahrzeugbau werden Bauteile wieInstrumententafeln, Frontends oderUnterbodenelemente zunehmend aus

glasfaserverstärktem Polypropylen herge-stellt. PP verdrängt technische Kunststof-fe oder Metalle aus diesen Anwendungenaufgrund der geringeren Dichte, der nied-rigeren Materialkosten und der Vorteilebeim Recycling. Die mechanischen An-forderungen kann PP jedoch nur erfüllen,wenn durch die Verstärkung mit Lang-glasfasern der E-Modul und die Schlag-zähigkeit des Werkstoffs erhöht werden.

Zur Herstellung von Bauteilen wird dasglasfaserverstärkte PP spritzgegossen oderverpresst. Beim Pressen werden üblicher-weise plattenförmige Halbzeuge aus PPmit Glasfasermattenverstärkung (GMT)als Ausgangsmaterial verwendet. Beimklassischen Pressen von GMT erreicht das

Bauteil wegen der Länge und Isotropie derFasern exzellente mechanische Eigen-schaften.Allerdings ist die Herstellung derGMT sehr aufwändig. Die Halbzeuge sinddaher relativ teuer.

Neuere Entwicklungen ermöglichen einInline-Compoundieren von PP und Glas-fasern und eine anschließende Direktver-arbeitung des Compounds auf der Presse.Trotz der Fortentwicklung der Prozess-technik hat das Pressverfahren im Ver-gleich zum Spritzgießen signifikanteNachteile. In den meisten Fällen müssendie Bauteile nachbearbeitet werden. Öff-nungen können bei Pressteilen in der Re-gel nur durch nachträgliches Ausstanzen

realisiert werden. Dabei fallen Produkti-onsabfälle an, die zusätzliche Kosten ver-ursachen.

Beim Spritzgießen langglasfaserver-stärkter Bauteile aus PP werden Langglas-faser-Granulate mit modifizierten Plasti-fiziereinheiten verarbeitet. Krauss-Maffeihat als Alternative zur Granulatverarbei-tung unter dem Namen Spritzgießcom-pounder („Injection Moulding Com-pounder“, IMC) ein neues System auf denMarkt gebracht, das in einem Ein-Stufen-Prozess direkt aus den Ausgangsmateria-lien PP und Glasfasern spritzgegosseneBauteile fertigt. Der Spritzgießcompoun-der besteht aus einem Doppelschne-

Spritzgieß-verarbeitung von

langglasfaser-verstärktem PP

Verfahrensvergleich. Beim Spritzgießen von langglasfaserverstärkten Bauteilen

aus PP werden üblicherweise Langglasfasergranulate verarbeitet. Ein neuer Ein-

Stufen-Prozess ermöglicht es, PP und Glasfasern zu compoundieren und daraus

direkt im Anschluss spritzgegossene Bauteile zu fertigen. Welches der beiden Ver-

fahren für eine Fertigungsaufgabe besser geeignet ist, hängt von den speziellen

Randbedingungen der Bauteilproduktion ab.

■■

Krauss-Maffei Kunststofftechnik GmbHD-80997 MünchenTel. +49 (0) 89/8899-0Fax +49 (0) 89/8899-3092www.krauss-maffei.de

Herstelleri

Langglasfaserverstärkte Thermoplaste

Bild 1. Verarbeitungsverfahren für langglasfaserverstärkte Thermoplaste

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SPR I T ZG I E S S EN■

ckenextruder und einer Spritzgießma-schine [1]. Im Extruder wird das PP auf-geschmolzen und mit den Glasfasern ver-mischt. Über einen Pufferspeicher gelangtdie Schmelze in ein so genanntes Shot-PotSpritzaggregat. Von dort wird das Materi-al in das Werkzeug eingespritzt. Das Di-rektcompoundieren in der Spritzgieß-technik (IMC) umgeht den Einsatz einerHalbzeugstufe.

Im Folgenden werden die Spritzgieß-maschine und der Spritzgießcompoundernach technischen und wirtschaftlichenKriterien miteinander verglichen, um demKunststoffverarbeiter eine Entscheidungs-hilfe zu geben, welches der beiden Verfah-ren seine jeweilige Fertigungsaufgabe ambesten löst.

Verhalten faserver-stärkter Thermoplaste

Entscheidend für die mechani-schen Eigenschaften des Bau-teils ist eine gute Faser/Matrix-Haftung. Glasmattenverstärk-te Thermoplaste ermöglichenetwas höhere Festigkeiten undSchlagzähigkeiten als direkt-verarbeitete Formmassen oderLangfaser-Granulate (Bild 1).Die vernadelte Mattenstrukturhat durch die physikalischeVerankerung der Fasern undFaserfilamente und durch ihresehr gute FilamentverteilungVorteile, die sich im Vergleichzu spritzgegossenen Form-massen – direktverarbeitetoder über Langfaser-Granula-te – bei längeren Fließwegenim Pressprozess jedoch verrin-gern. Dadurch, dass beimSpritzgießen Faserorientierun-

gen besser in das Bauteil eingebracht wer-den können, kann der Nachteil der feh-lenden Vernadelung bei belastungsge-rechter Auslegung teilweise kompensiertwerden.

Schädigungen der Faserstruktur inComposites lassen Rückschlüsse auf denjeweiligen Verarbeitungsprozess zu. Zuunterscheiden sind Faserbruch, Grenz-flächenablösung (debonding) und Faser-Pull-out. Um die Festigkeit einer Faser vollauszunutzen, muss deren Länge über derso genannten kritischen Faserlänge lC lie-gen. In der Literatur findet man für einenFaser/Matrix-Verbund aus PP und Glas lC-Werte zwischen 1,3 und 3,1 mm. Mitspezieller Haftvermittlung (Schlichte)können Werte von bis zu 0,9 mm erreichtwerden.

Aus der Lage der aktuellen zur kriti-schen Faserlänge lässt sich die Güte der Fa-ser-Matrix-Kopplung ableiten: Liegt dieaktuelle Faserlänge im Bauteil im über-kritischen Bereich, also oberhalb von lC,kann mit dem Bruch der Fasern gerechnetwerden. Wird die kritische Faserlänge un-terschritten, besteht die Gefahr eines Fa-ser-Pull-out. Darunter ist hauptsächlichdas Versagen in der Grenzschicht zwischenFaser und Matrix zu verstehen, wie es beider für Kurzfasercompounds üblichen Fa-serlänge von 0,2 bis 0,6 mm erfolgen kann.Die Länge der in einem Bauteil verblei-benden Verstärkungsfaser ist streng ge-nommen keine konstruktionsrelevanteGröße. Für die Auslegung eines Bauteilssind vielmehr mechanische Kennwerte wieFestigkeit, Steifigkeit und Schlagzähigkeit

von Bedeutung. Sie sind zwareine Funktion der Faserlänge,aber ihr Zusammenhang istsehr komplex. Eine singuläreBetrachtung der Faserlänge istdeshalb nur begrenzt ziel-führend, für tendenzielle Aus-sagen jedoch ein praktikablesRegulativ. Bild 2 zeigt in einernormierten Darstellung denVerlauf von Steifigkeit, Festig-keit und Schlagzähigkeit alsFunktion der Faserlänge.

Faserlänge im Bauteil

Bei der Verarbeitung von lang-glasfaserverstärktem PPkommt es darauf an, möglichstlange Fasern in das Bauteil ein-zubringen, weil der Verbunddann die besten mechanischenEigenschaften erreicht. Aller-dings ist es beim Aufbereitenund Spritzgießen nicht zu ver-

Mechanische Eigenschaften

Bild 2. Mechanische Eigenschaften als Verbund der Faserlänge

Faserschädigung

Bild 3. Faserlängen in Abhängigkeit der Prozessstrecke beim Spritzgießen

Glasfaserverstärkte Granulate

Bild 4. Entwicklung vom Kurzfasergranulat zu Langfasergranulaten

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meiden, dass die Fasern aufgrund der me-chanischen Belastung brechen und da-durch verkürzt werden.Am stärksten wer-den die Fasern geschädigt, während die fa-serhaltige Schmelze das Werkzeug füllt(Bild 3). Durch geeignete Auslegung desWerkzeugs lässt sich die Faserkürzung je-doch reduzieren. Der Aufschmelzprozesshat ebenfalls einen großen Einfluss auf dieFaserlänge.Hier unterscheiden sich Spritz-gießmaschine und Spritzgießcompoundersignifikant.

Bei der Spritzgießmaschine ist die An-fangsfaserlänge durch die Größe der Gra-nulatkörner (in der Regel 10 bis 25 mm)beschränkt. Die Hersteller von Langglas-fasergranulaten bieten ummantelte undpultrudierte Systeme an (Bild 4). Bei derPultrusion werden die Fasern zunächst ineinem Schmelzebad mit Matrixmaterialbenetzt und dann zu Bündeln zusam-mengefügt. Dies hat den Vorteil, dass dieeinzelnen Fasern sehr gleichmäßig mitMatrixmaterial imprägniert sind. Beimummantelten Granulat werden die Fasernzusammen mit dem Matrixmaterial coex-trudiert. Hier müssen während des Auf-schmelzprozesses in der Spritzgieß-maschine Faserbündel aufgelöst undanschließend die einzelnen Fasern mitMatrixmaterial benetzt werden (Bild 5).

Die Fasern werden während des Auf-schmelzens in der Spritzgießmaschineumso weniger geschädigt, je geringer derStrömungswiderstand ist. Größere Quer-schnitte der Strömungskanäle wirken sichfaserschonend aus. Für die Verarbeitungvon Langglasfasergranulaten sollten dieSchneckengeometrie und die Rückström-

sperre daher entsprechend modifiziertwerden.

Bei der Verarbeitung von Granulatendurchlaufen die Fasern auf der Spritz-gießmaschine den kompletten Auf-schmelzprozess. Die Dauer der mechani-schen Belastung der Fasern ist verhältnis-mäßig lang. Die Fasern sind vor allem zuBeginn des Plastifiziervorgangs durch re-lativ große Kräfte beansprucht, da das Ma-trixmaterial noch nicht vollständig aufge-schmolzen ist. Die Fasern sind teilweiseeingespannt und somit hohen Scherkräf-ten ausgesetzt.

Zusätzlich beeinflussen die Größe unddie Hubausnutzung (Dosierweg) derSchnecke die Faser-Schädigungsmechanis-men.Ein Vergleich der Bilder 3 und 6 zeigt,dass die große Schnecke mit D=165 mmdie Fasern viel weniger schädigt als die klei-ne mit D=90 mm.Bild 6 verdeutlicht auchden negativen Einfluss eines größeren Do-

sierweges (s/D=1,5 nach 2,5) auf die ver-bleibende Faserlänge. Die ausgewiesenenStreubereiche charakterisieren den Einflussdes Langglasfaser-Granulataufbaus (pul-trudiert bzw. ummantelt).

Beim Spritzgießcompounder wird da-gegen das reine Matrixmaterial ohne Fa-sern aufgeschmolzen. Die Fasern werdender Schmelze erst später zugegeben unddementsprechend weniger stark mecha-nisch belastet (Bild 7). Diese Technik ist fa-serschonender als der Aufschmelzprozessin der Spritzgießmaschine und führt imResultat zu einer höheren durchschnittli-chen Faserlänge. Der Spritzgießcom-pounder bietet die Option, an Stelle vongeschnittenen Glasfasern endlose Rovingsdirekt in die Schmelze einzubringen. DieRovings werden dabei zwar durch dieDrehbewegung der Schnecken in kürzereStücke gebrochen, die daraus entstehendemittlere Faserlänge ist jedoch relativ groß(siehe Bild 3).

Wirtschaftliche Aspekte

Ein wichtiger Aspekt bei der Herstellungfaserverstärkter Bauteile aus PP ist derPreis des Eingangsmaterials. Langglasfa-sergranulate für die Spritzgießverarbei-tung sind zwar billiger als GMT-Halbzeu-ge. Der Verarbeiter muss für die Granula-te aber mehr bezahlen als bei einem sepa-raten Zukauf der Einzelkomponenten.Hier liegt einer der Hauptvorteile desSpritzgießcompounders: Die Eingangs-materialien sind aus Sicht des Verarbeiterskostengünstiger als die Langfasergranu-late, und der Anteil der Materialkostenan den gesamten Herstellungskosten desBauteils sinkt.

Die Verarbeitung von glasfaserver-stärktem PP als Granulat auf der Spritz-gießmaschine hat gegenüber dem Spritz-gießcompounder den Vorteil, dass gerin-gere Anlageninvestitionen erforderlich

Aufschmelzvorgang

Bild 5. Aufschmelzen von Langfasergranulaten in der Spritzgießmaschine

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sind. Unter Umständen besteht die Mög-lichkeit, die Plastifiziereinheit vorhande-ner Spritzgießmaschinen zu modifizierenoder auszutauschen, so dass sie Langglas-fasergranulat verarbeiten können. Selbstwenn die Möglichkeit der Umrüstungnicht besteht und neue Maschinen instal-liert werden müssen, erfordert die Spritz-gießverarbeitung ein geringeres Investiti-onsvolumen. Die Anlagentechnik beimSpritzgießcompounder ist durch den Ein-satz eines zusätzlichen Doppelschne-ckenextruders aufwändiger.

Wer die Wahl hat ...

Der Spritzgießcompounder bietet also ne-ben den oben erläuterten Vorteilen bei derFaserlängenverteilung im Bauteil Einspar-

potenziale beimEingangsmaterial,die der Verarbeiteraber nur durch zu-sätzliche Investitio-nen erzielen kann.Wichtige Kriterienfür die Wahl zwi-schen Spritzgieß-maschine und -compounder sinddaher das Gewichtder produziertenTeile und dieStückzahl. Beigroßen Durchsät-zen ist der Spritz-gießcompounderim Vorteil, weil dieKostenersparnisbeim Einkauf des

Ausgangsmaterials die höheren Anschaf-fungskosten für die Anlage in kurzer Zeitübersteigt und sich die Investitionen aufdiese Weise schnell amortisieren. Bei klei-neren Bauteilen oder geringen Stückzah-len kann die Verarbeitung von Langglas-fasergranulaten auf der Spritzgießmaschi-ne aufgrund der geringen Investitionskos-ten die bessere Alternative sein.

Der Spritzgießcompounder versetztden Verarbeiter in die Lage, seine Produk-tion zu flexibilisieren und das eingesetzteMaterial für seine Bedürfnisse maßzu-schneidern. Er kann das System aus Ma-trix, Faser und Schlichte gezielt beeinflus-sen, um beispielsweise den Fasergehalt imBauteil den jeweiligen technischen Anfor-derungen exakt anzupassen. Dies ist beider Verarbeitung von Granulaten nur un-

ter bestimmten Voraussetzungen möglich,da die Hersteller nur Granulate mit be-stimmten Faseranteilen anbieten. Umbeim klassischen Spritzgießen den Faser-gehalt zu verändern, muss der Verarbeiterdas Langglasfasergranulat mit unverstärk-tem PP mischen – ein Arbeitsschritt, derzusätzliche Anforderungen an die Ma-schine und die Materialversorgungssyste-me stellt.Die Freiheitsgrade, die der Spritzgieß-compounder dem Kunststoffverarbeiterbei der Materialkomposition eröffnet, er-höhen auf der anderen Seite die Produkt-verantwortung und damit das Haftungs-risiko für den Verarbeiter. Die Qualitätssi-cherung und die Garantien, die bisher dieGranulathersteller übernommen haben,muss nun der Verarbeiter abdecken. Ge-rade darin liegt aber eine große Zukunfts-chance: Das IMC-Verfahren erhöht dieWertschöpfung des Kunststoffverarbeiterssignifikant.

Fazit

Langglasfaserverstärkte Bauteile aus PPkönnen mit einem Spritzgießcompounderoder mit einer modifizierten Spritzgieß-maschine hergestellt werden. Eine gene-relle Aussage, welches Verfahren wirt-schaftlicher ist, kann nur unter Berück-sichtigung der speziellen Randbedingun-gen getroffen werden. Die Vorteile desSpritzgießcompounders – Kostenein-sparung beim Eingangsmaterial, Faser-schonung und große Faserlängen – wir-ken sich vor allem bei der Verarbeitunggroßer Materialmengen und bei Bauteilenaus, an die sehr hohe mechanische Anfor-derungen gestellt werden. Bei kleinerenBauteilen und geringeren Durchsätzenkann es die günstigere Option sein, Lang-glasfasergranulate auf konventionellenSpritzgießmaschinen zu verarbeiten. ■

LITERATURJensen, R.: Synergien intelligent genutzt. Kunststoffe91 (2001) 9, S. 40-45

DIE AUTORENDR.-ING. ERWIN BÜRKLE, geb.1942, ist Leiter Vor-

entwicklung, neue Technologien und ProzesstechnikSpritzgießen bei der Krauss-Maffei KunststofftechnikGmbH, München.

DIPL.-ING. MATTHIAS SIEVERDING, geb. 1970, istbei Krauss-Maffei im Bereich Anwendungstechnik mitder Entwicklung des Spritzgießcompounders (IMC)befasst.

DIPL.-ING. (FH) JOCHEN MITZLER, geb. 1973, ist bei Krauss-Maffei im Bereich der Anwendungs-technik/Entwicklung neuer Verfahren für Spritzgieß-maschinen tätig.

Funktionsweise des Spritzgießcompounders

Bild 7. Direktverarbeitung von Glasfaserrovings auf dem Spritzgießcompounder

Faserschädigung

Bild 6. Einfluss des Dosierweges s auf die Faserlängenverteilung nach der Schnecke für ein Langglasfasergranulat PP 30 GF (LF = 10–12 mm) beieiner LF-Spezialschnecke mit D = 90 mm