Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Den Anlass des geplanten Forschungsprojektes bildet die M\u00f6glichkeit, von signifikanten Einsparungen von Rohmaterial und Energiekosten durch ein neuartiges Verarbeitungskonzept f\u00fcr duroplastische Formmassen im Spritzguss.
\nDie komplexen chemischen Vernetzungsmechanismen duroplastischer Formmassen stellen hohe Anforderungen an das Know-How der verarbeitenden Industrie. Die Gew\u00e4hrleistung eines stabilen Prozesses setzt eine aufwendige Maschinen- und Werkzeugtechnik voraus, weist jedoch eine geringe Ressourcen- und Energieeffizienz auf. Untersuchungen ergaben, dass aufgrund des hohen Masseanteils des Angusses am Gesamtbauteil bereits in kleinen und mittleren Unternehmen, Abfallmengen von \u00fcber 90 t pro Jahr anfallen k\u00f6nnen. Innovative Verfahren und Technologien zur Angussminimierung wie z.B. die Hei\u00dfkanaltechnik zur Verarbeitung thermoplastischer Materialien, existieren im Bereich der Duroplastverarbeitung nur bedingt. <\/p>\n
Das Gesamtziel des Forschungsprojektes ist die Entwicklung eines gro\u00dfserientauglichen Produktionsverfahrens zur Herstellung duroplastischer Bauteile im Spritzguss ohne Materialverlust. Die Umsetzung erfolgt \u00fcber eine innovative Werkzeugkonstruktion mit Kaltkanalverteilersystem, welche die Aush\u00e4rtung des Materials in den Angusskan\u00e4len unterdr\u00fcckt und damit zur Verbesserung der Ressourcen- und Energieeffizienz des Duroplastspritzgie\u00dfens beitr\u00e4gt. Die Praxistauglichkeit der Konstruktion wird an einem komplexen Bauteil der Elektroindustrie anhand einer Harnstoffformmasse nachgewiesen. <\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden<\/p>\n
Die angestrebten Ziele werden durch eine systematische Verkn\u00fcpfung von materialanalytischen Untersuchungen, werkzeugtechnischer Entwicklung sowie Validierung der Entwicklung unter industrienahen Bedingungen verfolgt.
\nZu Beginn des Projekts findet eine umfassende laboranalytische und prozessnahe Materialcharakterisierung. Hierbei wird die verwendete duroplastische Harnstoff-Formmasse umfassend analysiert, um alle relevanten verarbeitungstechnischen Kenngr\u00f6\u00dfen zu erfassen. Es werden thermische Analyseverfahren wie TGA (Thermogravimetrische Analyse) und DSC (Dynamische Differenzkalorimetrie) eingesetzt, um das Aush\u00e4rtungs- und Zersetzungsverhalten zu bestimmen. Zus\u00e4tzlich kommen rheologische Messverfahren, darunter ein Rotationsrheometer sowie ein Brabender-Messkneter, zum Einsatz, um das Flie\u00df-
\nH\u00e4rtungsverhalten unter m\u00f6glichst praxisnahen Bedingungen zu untersuchen. Die gewonnenen Materialkennwerte werden die Grundlage f\u00fcr die Werkzeug- und Prozessentwicklung bilden.
\nErg\u00e4nzend zu den Laboranalysen wird im Projekt eine prozessnahe Pr\u00fcfmethodik entwickelt. Diese soll die Charakterisierung des Materialverhaltens im Kaltkanalsystem in Abh\u00e4ngigkeit von unterschiedlichen Prozessbedingungen und Flie\u00dfkanalgeometrien erm\u00f6glichen.
\nIn Kombination mit den Laboranalysen soll ein m\u00f6gliches Prozessfenster zur sicheren und stabilen Verarbeitung der Formmasse in einem Kaltkanalsystem definiert werden.
\nAnschlie\u00dfend wird basierend auf den Ergebnissen der Materialanalysen ein gro\u00dfserientaugliches Werkzeug konstruiert, das \u00fcber ein Kaltkanalverteilersystem verf\u00fcgt. Nach der Fertigung wird das Werkzeug unter realen Produktionsbedingungen getestet. Dabei wird die Funktionsf\u00e4higkeit des Kaltkanalverteilersystems validiert und der Einfluss auf die Qualit\u00e4t der Bauteile sowie auf die Ressourcen- und Energieeffizienz erfasst. Erg\u00e4nzend werden Versuche zur Umsetzung einer Direktanspritzung, welche eine thermische Entkopplung der Kavit\u00e4t vom Kaltkanalverteiler erm\u00f6glicht, durchgef\u00fchrt. Ziel ist die vollst\u00e4ndige Vermeidung eines Angusses durch direkte Anspritzung des Bauteils, z.\u202fB. mithilfe eines Nadelverschlusssystems. Das entwickelte System wird unter m\u00f6glichst industrienahen Bedingungen zum Nachweis der technischen Umsetzbarkeit einer solchen Direktanspritzung im Duroplastspritzguss validiert.
\nAus den gewonnenen Ergebnissen wird ein Richtlinienkatalog bez\u00fcgliche der Auslegung und Verwendung von Kaltkanalsystemen abgeleitet. Dieser beinhaltet anwendungsorientierte Handlungsempfehlungen zur Werkzeugauslegung und Prozessf\u00fchrung im Duroplastspritzgie\u00dfen mit Kaltkanalsystemen.
\nvanten verarbeitungstechnischen Kenngr\u00f6\u00dfen zu erfassen. Es werden thermische Analyseverfahren wie TGA (Thermogravimetrische Analyse) und DSC (Dynamische Differenzkalorimetrie) eingesetzt, um das Aush\u00e4rtungs- und Zersetzungsverhalten zu bestimmen. Zus\u00e4tzlich kommen rheologische Messverfahren, darunter ein Rotationsrheometer sowie ein Brabender-Messkneter, zum Einsatz, um das Flie\u00df-
\nH\u00e4rtungsverhalten unter m\u00f6glichst praxisnahen Bedingungen zu untersuchen. Die gewonnenen Materialkennwerte werden die Grundlage f\u00fcr die Werkzeug- und Prozessentwicklung bilden.
\nErg\u00e4nzend zu den Laboranalysen wird im Projekt eine prozessnahe Pr\u00fcfmethodik entwickelt. Diese soll die Charakterisierung des Materialverhaltens im Kaltkanalsystem in Abh\u00e4ngigkeit von unterschiedlichen Prozessbedingungen und Flie\u00dfkanalgeometrien erm\u00f6glichen.
\nIn Kombination mit den Laboranalysen soll ein m\u00f6gliches Prozessfenster zur sicheren und stabilen Verarbeitung der Formmasse in einem Kaltkanalsystem definiert werden.
\nAnschlie\u00dfend wird basierend auf den Ergebnissen der Materialanalysen ein gro\u00dfserientaugliches Werkzeug konstruiert, das \u00fcber ein Kaltkanalverteilersystem verf\u00fcgt. Nach der Fertigung wird das Werkzeug unter realen Produktionsbedingungen getestet. Dabei wird die Funktionsf\u00e4higkeit des Kaltkanalverteilersystems validiert und der Einfluss auf die Qualit\u00e4t der Bauteile sowie auf die Ressourcen- und Energieeffizienz erfasst. Erg\u00e4nzend werden Versuche zur Umsetzung einer Direktanspritzung, welche eine thermische Entkopplung der Kavit\u00e4t vom Kaltkanalverteiler erm\u00f6glicht, durchgef\u00fchrt. Ziel ist die vollst\u00e4ndige Vermeidung eines Angusses durch direkte Anspritzung des Bauteils, z.\u202fB. mithilfe eines Nadelverschlusssystems. Das entwickelte System wird unter m\u00f6glichst industrienahen Bedingungen zum Nachweis der technischen Umsetzbarkeit einer solchen Direktanspritzung im Duroplastspritzguss validiert.
\nAus den gewonnenen Ergebnissen wird ein Richtlinienkatalog bez\u00fcgliche der Auslegung und Verwendung von Kaltkanalsystemen abgeleitet. Dieser beinhaltet anwendungsorientierte Handlungsempfehlungen zur Werkzeugauslegung und Prozessf\u00fchrung im Duroplastspritzgie\u00dfen mit Kaltkanalsystemen. <\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Im Rahmen des gef\u00f6rderten Forschungsvorhabens konnten verschiedene Fortschritte im Bereich des abfallreduzierten Duroplastspritzgie\u00dfens erzielt werden. Durch die Entwicklung und Erprobung eines innovativen Kaltkanalverteilersystems wurde nachgewiesen, dass eine signifikante Reduktion des anfallenden Produktionsabfalls sowie eine Steigerung der Energieeffizienz technisch realisierbar ist.
\nZentrale Erkenntnis war, dass ein m\u00f6gliches Prozessfenster zur Verarbeitung der verwendeten HarnstoffFormaldehyd-Formmassen im Kaltkanalsystem durch laboranalytische sowie prozessnahe Materialcharakterisierungen bestimmt werden konnten. Thermoanalytische Untersuchungen mittels DSC und TGA sowie rheologische Messungen an Messkneter und Rheometer, lieferten hierf\u00fcr eine fundierte Grundlage und zeigten die kritischen Temperaturbereiche f\u00fcr Aush\u00e4rtung und Zersetzung des Werkstoffs auf. Erg\u00e4nzt durch prozessnahe Analysen im eigens entwickelten Versuchswerkzeug konnten relevante Einflussgr\u00f6\u00dfen wie Einspritzgeschwindigkeit, H\u00e4rtezeit, Kanaltemperatur und Kanalgeometrie systematisch erfasst und bewertet werden.
\nDie schrittweise Entwicklung und Optimierung eines 12-fach-Serienwerkzeugs unterstrich die konstruktiven und verfahrenstechnischen Anforderungen an ein robustes Kaltkanalsystem. Es konnte gezeigt werden, dass durch gezielte Anpassungen, etwa in der thermischen Trennung, mechanischen Auslegung und Steuerung der Abrissvorg\u00e4nge, ein stabiler und prozesssicherer Betrieb unter Serienbedingungen m\u00f6glich ist. Das Werkzeug erf\u00fcllte dabei alle qualitativen Anforderungen hinsichtlich Ma\u00dfhaltigkeit und mechanischer Eigenschaften der Formteile.
\nWirtschaftlich betrachtet erm\u00f6glicht das entwickelte System bei gleichbleibender Maschinentechnik eine
\nErh\u00f6hung der Fachigkeit sowie eine Reduktion der Energie- und Materialkosten. F\u00fcr das getestete 12-fach-
\nWerkzeug ergibt sich bereits eine Energieeinsparung von 31\u202f%, die im angestrebten 16-fach-
\nWerkzeugkonzept auf bis zu 46\u202f% gesteigert werden kann. Gleichzeitig l\u00e4sst sich der Materialabfall hierbei gegen\u00fcber konventionellen Anspritzsystemen um bis zu 59\u202f% reduzieren.
\nTrotz der vielversprechenden Ergebnisse wurde deutlich, dass die vollst\u00e4ndige Realisierung einer angusslosen Direktanspritzung, insbesondere bei duroplastischen Formmassen, weitere technologische Entwicklungen, etwa in Form von Nadelverschlusssystemen, erfordert. Diese stellen aufgrund der erforderlichen thermischen Entkopplung notwendige Entwicklung dar. Im Rahmen des Projektes konnte die Funktionalit\u00e4t und Machbarkeit solcher Systeme im Versuchsma\u00dfstab nachgewiesen werden. Aufgrund konstruktiver und wirtschaftlicher Restriktionen jedoch noch nicht f\u00fcr Serienanwendungen erprobt werden. <\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Ver\u00f6ffentlicht:
\nA. Seefried, N. Schmei\u00dfer, M. Albrecht, A. H\u00fcllmann; Forschung f\u00fcr eine nachhaltigere Kunststofftechnik; Forum Werkstoffe e.V. – 14. Werkstoff-Seminar – Kunststoffwelt im Umbruch, 10.-11.07.2025, Rothenburg ob der Tauber; 2025 <\/p>\n
Ausstehend:
\nPiet Marschner, Nils Schmei\u00dfer, Ngoc Tu Tran, Andreas Seefried; Entwicklung einer neuartigen Prozesstechnologie zur abfallfreien Herstellung von Bauteilen im Duroplastspritzgie\u00dfen; Technomer, 06.-07.11.2025, Chemnitz, 2025 <\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Insgesamt belegt das Projekt die Machbarkeit eines ressourceneffizienten, gro\u00dfserientauglichen Duroplastspritzgie\u00dfverfahrens mit hohem Transferpotenzial in die industrielle Praxis. Die erarbeiteten Technologien und Erkenntnisse bilden eine belastbare Grundlage f\u00fcr nachhaltige Produktionskonzepte im Bereich duroplastischer Formteile, insbesondere im Kontext wachsender Anforderungen an Kreislaufwirtschaft und energieeffiziente Fertigung. In Bezug auf die Entwicklung einer Direkteinspritzung besteht, insbesondere in Hinblick auf den industriellen Einsatz, erh\u00f6hter Entwicklungsbedarf.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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