Processing of long glass fiber reinforced thermoplastics for injection molding applications on the planetary roller extruder

Die Thematik, polymere Werkstoffe als Substituenten von Metallen für die Herstellung mechanisch beanspruchter Bauteile und Strukturen einzusetzen, ist aktueller denn je. Dabei spielen in der industriellen Massenanwendung langfaserverstärkte, spritzgegossene Thermoplaste eine zentrale Rolle. Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften solcher Materialien stellt neben der Faser-Matrix-Kombination die vorliegende Faserlängenverteilung eine entscheidende Rolle. Längere Verstärkungsfasern bewirken eine Steigerung der Steifigkeit, Festigkeit und Schlagzähigkeit, wodurch Material- und Kostenersparnisse durch geringere Materialquerschnitte oder die Erweiterung des Einsatzbereiches kostengünstiger Werkstoffe erreichbar sind. Bei der Verarbeitung von langfaserverstärkten Thermoplasten auf konventionellen Spritzgussmaschinen mit Einschneckenplastifiziereinheit werden die enthaltenen Fasern durch Kompression, Abrasion und Strömungseffekte zerbrochen, sodass ein Teil des theoretisch erreichbaren mechanischen Potentials des Werkstoffes aufgrund des Verarbeitungsprozesses verloren geht. Die vorliegende Arbeit behandelt die Untersuchung einer alternativen Verarbeitungsmethode von langfaserverstärkten Thermoplasten unter Verwendung eines Planetwalzenextruders als Plastifiziereinheit. Mit dieser Methode wird die Zielsetzung verfolgt, eine möglichst geringe Glasfaserschädigung während der Plastifizierung zu bewirken. Um dies zu erreichen werden die Zusammenhänge zwischen Maschinenkonfigurationen, Prozessparametern und der resultierenden Faserschädigung anhand der Faserlängenverteilung im Extrudat untersucht und optimiert. Als wichtigste Einflussfaktoren auf die Faserschädigung im Planetwalzenextruder wurden der Extrusionsdruck, der spezifische Massedurchsatz und das resultierende Verweilzeitspektrum identifiziert. Basierend auf diesen Erkenntnissen konnten Rückschlüsse auf die Arbeitsweise des Planetwalzenextruders, auftretende Mechanismen und Strömungsvorgänge gezogen werden, die das allgemeine Verständnis dieses bisher wenig beschriebenen Maschinentyps unterstützen. Planetwalzenextruder sind primär für Compoundier- und Aufbereitungsanwendungen vorgesehen und zunächst nicht für die direkte Herstellung spritzgegossener Bauteilen geeignet. Um dies zu ermöglichen, wurde der Extruder mittels eines Schmelzespeichersystems zum Spritzcompounder erweitert. In der vorliegenden Arbeit wird auf die Konstruktion und Erprobung dieses speziell auf die Langfaserverarbeitung ausgerichteten Systems eingegangen und der gesamte Verarbeitungsprozess betrachtet. Um eine Vergleichbarkeit zum konventionellen Spritzguss zu gewährleisten wurden die Untersuchungen unter Verwendung pultrudierter PP-LGF-Granulate durchgeführt, einer gängigen Materialgruppe für die industrielle Produktion. Es konnte festgestellt werden, dass mit derartigen Materialien unter Einsatz des Planetwalzenextruders ein Aufschmelzprozess mit geringer Faserschädigung realisiert werden kann. Die dabei gesammelten Erfahrungen legen zusätzlich die Vermutung nahe, dass ein Direktverarbeitungsprozess ebenfalls möglich ist und noch weitere positive Effekte hinsichtlich der faserschonenden Aufbereitung mit sich bringen könnte.For the manufacturing of load bearing components and structures, the use of polymer-based materials as a substitute for metals is more than ever a vital subject. For industrial mass production, injection molded long-fiber reinforced plastics play an essential role. Along with the fiber-matrix-combination, the fiber length distribution is a key aspect regarding the mechanical properties of such material. The effects of longer fibers are an increase of stiffness, toughness and impact resistance. These advantages can help to save resources by extending the properties of low-cost materials, reducing part weights or lowering material costs. By processing materials with long fiber reinforcement on a conventional single-screw injection-molding machine, fiber attrition occurs. It is caused by abrasion, compression and rheological effects. As a result, only a fraction of the theoretically possible reinforcement can be realized in the finished product. This work approaches this problem with an alternative processing method by using a planetary roller extruder as a plasticizing unit. The method is supposed to reduce fiber attrition during the melting and homogenization procedure. To reach this goal, the relations between different extruder configurations, process parameter settings and the resulting fiber length distribution are investigated and optimized. Extrusion pressure, specific throughput and the resulting residence time spectrum were identified as the key impacts on fiber attrition while using a planetary roller extruder. Based on these results, conclusions concerning the working principle of the planetary roller extruder and the occurring mechanisms are drawn and described. These help understanding the planetary roller extruder, since there are only few investigations about this type of machine yet. The planetary roller extruder is intended for compounding tasks, it is not suitable for injection molding in its initial state. To achieve this capability, it was extended with a melt accumulation system to set up an injection molding compounder. The construction and testing of this system, which focuses especially on the processing of fiber reinforced materials, is also described in this work. To maintain comparability with conventional injection molding processes, the investigations were conducted using pultrudet PP-LGF granules, a common material group for industrial production. By using such material in combination with a planetary roller extruder, a plasticizing process with very little fiber damage was achieved. Furthermore, the experiences from the investigations lead to the assumption that direct processing of fibers might be possible as well and might return even better results regarding fiber attrition