Projekt 24730/01

Entwicklung einer lösungsmittelfreien PU-Mehrkomponenten- Sprühtechnologie

Projektträger

Lätzsch GmbH Kunststoffverarbeitung IGZ Goldener Born
Rathenaustr. 1
04567 Kitzscher
Telefon: 03433/2454-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ein wesentlicher Nachteil konventioneller Faserverbundtechnologien, besonders der Handlaminierung, besteht im hohen manuellen Arbeitsanteil, der intensiven Belastung des Arbeitsumfelds mit giftigen Styroldämpfen sowie langen Prozess- und Reaktionszeiten.
Das vorliegende Forschungsvorhaben soll anhand von höher belasteten Referenzbauteilen für den Kfz-Bereich die Serientauglichkeit, des im letzten Jahr von der Fa. Bayer entwickelten Multitec Short Fiber Spraying als innovative PU-Mehrkomponenten Sprühtechnologie, prüfen, sowie eine schnelle und flexible industrielle Umsetzung der neuen Technologie ermöglichen. Dabei ergeben sich auch zahlreiche umwelt-relevante Vorteile, wie die Entlastung durch styrol- und lösungsmittelfreie Verarbeitung und die Verbesserung des Arbeitsumfeldes durch die Einschränkung gesundheitsschädigender Faktoren.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAbgesehen von ersten Pilotversuchen der Bayer Material Science hat sich das Verfahren noch nicht industriell etabliert. Hier gilt es, experimentell zu prüfen, inwieweit Vorgaben des Herstellers (z. B. zu entfallender Nachtemperierung und sehr kurzen Zykluszeiten) unter industriellen Bedingungen eingehalten werden können. Umfangreicher Forschungsbedarf ergibt sich hinsichtlich erreichbarer Bauteileigenschaften für konkrete Applikationen, der anforderungsgerechten Bauteilauslegung sowie in erster Linie zu konkreten Verfahrensparametern für eine industrielle Serienfertigung.
So sind steuerungstechnisch optimierte Werte für Dosierung/Mischung/Auftrag von Polyol/Isocyanat, Verstärkungsfasern (Art, Länge, Feinheit), Schichtdicke (PUR mit Verstärkungsfasern, ggf. Schaum, Oberflächenfinish/ In-mould-Coating) und Sprühmuster (z. B. Vorschub, Überlappung fächer- oder streifenförmiger Auftrag), Geschwindigkeit und Druck zu hinterlegen.
Dazu sind die Zusammenhänge zwischen Verfahrensparametern und erreichbaren Bauteileigenschaften in wissenschaftliche Grundlagenuntersuchungen zu ermitteln..
Insbesondere betrifft dies die Einmischung der Kurzfasern, wobei die Orientierung und homogene Vertei-lung der Verstärkungsfasern in der PUR-Schicht sowie ihr Einfluss auf die Bauteileigenschaft zu ermitteln ist. Auf diesem Gebiet wird technologisch Neuland betreten.


Ergebnisse und Diskussion

Als innovative, hocheffiziente und umweltfreundliche Alternative zu glasfaserverstärkten Kunststoffen aus ungesättigten, styrolhaltigen Polyesterharzen bietet sich das PUR-Sprühverfahren Multitec® durchaus an. Hierbei kommt dieses Verfahren völlig ohne Styrol und Lösungsmittel aus. Dabei wird schnell härtendes, mehrkomponentiges PUR in eine offene Form gesprüht. Je nach Mischung ändern sich Reaktivitäten und Materialeigenschaften. Vorteilhaft gegenüber dem GFK sind die wenigen Arbeitsschritte, d. h. die höhere Produktivität und die kurzen Zykluszeiten. Weitere Vorteile sind die kurzen Entformzeiten (Aushärtung in wenigen Minuten), die schnelle und einfache Verarbeitung und die Nutzung je nach Anwendungsfall mit oder ohne Glasfaser und Füllstoffen bzw. Sandwichaufbau mit oder ohne Verstärkungsmaterialien. Diese recht variable Verarbeitung und Anwendung ermöglicht eine anpassungsfreudige Produktvielfalt, ob zur Herstellung massiver Formteile oder als verstärkende Beschichtung und reicht von Sanitäranwendungen über Nutzfahrzeugteile bis hin zu Freizeitartikeln Das recht energieaufwendige Nachtempern wird nicht mehr benötigt und besonders interessant für größere Stückzahlen, es ist eine Automatisierung per Robo-ter möglich.

Ein Nachteil des PUR-Sprühverfahren gegenüber dem GfK sind die geringeren ermittelten Festigkeiten, Zugfestigkeit, E-Modul. Ursache hierfür ist der geringe Faservolumengehalt. Deshalb sollten vordergrün-dig Anstrengungen unternommen werden, den Faservolumengehalt in Richtung der Herstellerangaben (je nach Belastungs- und Anwendungsfall) von bis zu 20% zu optimieren.
Beide Verfahren werden auch zukünftig nebeneinander ihre Berechtigung haben, doch in Anbetracht zu erwartender hoher Stückzahlen im Nutzfahrzeug- oder Umwelttechnologie- Bereich und weiterer Optimierung des PUR-Sprühens sollte diesem Verfahren die Zukunft gehören.

Aus ökologischer, technologischer und ökonomischer Sicht ist die PUR-Sprühtechnologie positiv zu betrachten.
Auf der Suche nach ökologischen Technologien, gerade um Mensch und Umwelt zu schonen bietet dieses Verfahren ein gutes Beispiel, da dieses gänzlich Styrol- und lösungsmittelfrei arbeitet. Dies fällt natür-lich nicht nur aus Kostengründen ins Gewicht, da u. a. erst kürzlich die zulässigen Emissionswerte am Arbeitsplatz per Gesetz gesenkt wurden. D. h., eine größere Durchsetzung dieses Verfahren in der Kunststoffindustrie würde in den betreffenden Fertigungen nicht nur für saubere und gesündere Arbeits-bedingungen sorgen, sondern in diesem Bereich massiv die Umwelt entlasten. Ein weiterer positiver Aspekt ökologisch und ökonomisch betrachtet, ist der Wegfall der energieaufwendigen Nachbehandlung des Temperns, d. h. der Energiebedarf ist geringer als bei der konventionellen Fertigung mit glasfaser-verstärkten Kunststoffen.


Fazit

Das Composite-Spray-Moulding (CSM)-Verfahren mit BAYER Multitec® stellt eine gänzlich neue Techno-logie zur Herstellung großflächiger FKV-Strukturbauteile dar. Die Komponenten des duromeren Multi-tec®-Systems auf PUR-Basis werden dabei mit entsprechender Nieder- bzw. Hochdruckanlagentechnik und anschließender Vermischung im Mischkopf in das Formwerkzeug eingetragen. Der innovative Kern der Technologie besteht in den kurzen Prozesszeiten sowie in der Formgebung des Bauteils im offenen Werkzeug. Dieser Aspekt ermöglicht es, auf kostenintensive geschlossene Werkzeugsysteme zu ver-zichten und bietet darüber hinaus höchste Flexibilität hinsichtlich des eingesetzten Werkstoffsystems.