Langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT) werden für Spritzgussanwendungen mit hohen mechanischen Eigenschaften verwendet. Während die LFT-Technologie gute Festigkeits-, Steifigkeits- und Schlageigenschaften bieten kann, spielt die Verarbeitungsmethode dieses Materials eine wichtige Rolle bei der Bestimmung, welche Eigenschaften im Endteil erreicht werden können.

Um LFTs erfolgreich zu formen, ist es notwendig, einige ihrer einzigartigen Eigenschaften zu verstehen. Das Verständnis der Unterschiede zwischen LFTs und herkömmlichen verstärkten Thermoplasten hat die Entwicklung von Geräten, Design und Verarbeitungstechniken vorangetrieben, um den Wert und das Potenzial von LFTs zu maximieren.

Der Unterschied zwischen LFT und herkömmlichen kurz geschnittenen, kurzglasfaserverstärkten Compounds besteht in der Länge der Fasern. Bei LFT ist die Länge der Fasern gleich der Länge der Pellets. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die meisten LFTs durch einen Pultrusionsformprozess und nicht durch eine Schercompoundierung hergestellt werden.

Bei der LFT-Herstellung werden fortlaufende Stränge aus ungedrehtem Glasfaser-Roving zunächst in eine Düse gezogen, um sie mit Harz zu beschichten und zu imprägnieren. Nach dem Verlassen der Düse wird dieser fortlaufende Streifen aus verstärktem Kunststoff kurz geschnitten oder pelletiert, normalerweise auf eine Länge von 10 bis 12 mm mm. Im Gegensatz dazu enthalten herkömmliche Kurzglasfasercompounds nur Kurzschnittfasern mit einer Länge von 3 bis 4 mm, die in Scherextrudern weiter auf typischerweise weniger als 2 mm reduziert werden.

Die Faserlänge in LFT-Pellets trägt dazu bei, die mechanischen Eigenschaften von LFT zu verbessern – erhöhte Schlagfestigkeit oder Zähigkeit – und gleichzeitig die Steifigkeit beizubehalten. Solange die Fasern während des Formprozesses ihre Länge beibehalten, bilden sie ein „inneres Skelett“, das hervorragende mechanische Eigenschaften bietet. Allerdings kann ein schlechter Formprozess aus einem langfaserigen Produkt ein kurzfaseriges Material machen. Wenn die Länge der Fasern während des Formprozesses beeinträchtigt wird, ist es nicht möglich, das gewünschte Leistungsniveau zu erreichen.

Um die Faserlänge während des LFT-Formprozesses aufrechtzuerhalten, müssen drei wichtige Aspekte berücksichtigt werden: die Spritzgießmaschine, das Teile- und Formdesign sowie die Verarbeitungsbedingungen.

I. Überlegungen zur Ausrüstung

Eine häufig gestellte Frage zur LFT-Verarbeitung ist, ob es für uns möglich ist, vorhandene Spritzgussausrüstung zum Formen dieser Materialien zu verwenden. In den meisten Fällen können die Geräte, die zum Formen von Kurzfaserverbindungen verwendet werden, auch zum Formen von LFRT verwendet werden, und während typische Geräte zum Formen von Kurzfasern für die meisten LFRT-Teile und -Produkte ausreichend sind, können einige Modifikationen an den Geräten vorgenommen werden, um die Faserlänge besser aufrechtzuerhalten .

Eine Allzweckschnecke mit einem typischen „Einspeisungs-Kompressions-Dosier“-Abschnitt eignet sich gut für diesen Prozess, und durch die Reduzierung des Kompressionsverhältnisses im Dosierabschnitt kann die zerstörerische Faserscherung reduziert werden. Für LFT-Produkte ist ein Kompressionsverhältnis des Dosierabschnitts von etwa 2:1 optimal. Die Herstellung von Schnecken, Zylindern und anderen Komponenten aus speziellen Metalllegierungen ist nicht erforderlich, da LFT nicht so stark verschleißt wie herkömmliche kurzfaserverstärkte Thermoplaste.

Ein weiteres Gerät, das von einer Designüberprüfung profitieren könnte, ist die Düsenspitze. Einige thermoplastische Materialien lassen sich leichter mit einer umgekehrt konischen Düsenspitze verarbeiten, die beim Einspritzen des Materials in den Formhohlraum ein hohes Maß an Scherung erzeugt. Allerdings kann diese Düsenspitze die Faserlänge von Langfaserverbundwerkstoffen deutlich reduzieren. Es wird daher empfohlen, eine Schlitzdüsen-/Ventilbaugruppe mit einem 100 % „Free Flow“-Design zu verwenden, das es langen Fasern ermöglicht, problemlos durch die Düse in das Teil zu gelangen.

Darüber hinaus sollten die Düsen- und Angusslöcher einen großzügigen Durchmesser von 5,5 mm (0,250 Zoll) oder mehr haben und keine scharfen Kanten aufweisen. Es ist wichtig zu verstehen, wie das Material durch die Spritzgussanlage fließt, und zu bestimmen, wo die Fasern durch Scherung brechen.

II. Komponenten- und Formendesign

Ein gutes Teile- und Formendesign kann auch sehr hilfreich sein, um die Faserlänge von LFT beizubehalten. Das Eliminieren scharfer Ecken an einigen Kanten (einschließlich Rippenlinien, Laschen und anderen Merkmalen) vermeidet unnötige Spannungen im Formteil und reduziert den Faserverschleiß.

Teile sollten ein nominales Wanddesign mit gleichmäßiger Wandstärke haben. Große Schwankungen in der Wandstärke können zu einer inkonsistenten Füllung und einer unerwünschten Faserorientierung im Teil führen. Wenn dickere oder dünnere Teile erforderlich sind, vermeiden Sie plötzliche Änderungen der Wandstärke, um die Bildung von Bereichen mit hoher Scherung zu vermeiden, die die Fasern beschädigen und zu Spannungskonzentrationen führen könnten. Versuchen Sie normalerweise, das Tor in der dickeren Wand zu öffnen und zum dünneren Teil zu fließen, wobei das gefüllte Ende im dünneren Teil bleibt.

Allgemeine Grundsätze für eine gute Kunststoffkonstruktion legen nahe, dass eine Wandstärke von unter 4 mm (0,160 Zoll) einen gleichmäßigen Fluss fördert und die Gefahr von Grübchen und Hohlräumen verringert. Für LFT-Verbindungen beträgt die optimale Wandstärke typischerweise etwa 3 mm (0,120 Zoll), mit einer Mindestdicke von 2 mm (0,080 Zoll). Bei Wandstärken von weniger als 2 mm besteht eine erhöhte Wahrscheinlichkeit, dass die Fasern des Materials nach dem Eintritt in die Form brechen.

Komponenten sind nur ein Aspekt des Designs und es ist wichtig zu berücksichtigen, wie das Material in die Form gelangt. Wenn Läufer und Tore das Material in den Hohlraum leiten, kann es in diesen Bereichen zu erheblichen Faserschäden kommen, wenn sie nicht richtig ausgelegt sind.

Beim Entwurf einer Form zum Formen von LFT-Compounds ist ein vollständig abgerundeter Angusskanal mit einem Mindestdurchmesser von 5,5 mm (0,250 Zoll) optimal. Jede andere Form einer Kufe als eine Kufe mit vollständig abgerundeten Ecken weist scharfe Ecken auf, die die Spannungen während des Formvorgangs erhöhen und die Glasfaserverstärkung zerstören. Heißkanalsysteme mit offenen Toren sind akzeptabel.

Der Anschnitt sollte eine Mindestdicke von 2 mm (0,080 Zoll) haben. Positionieren Sie den Anschnitt nach Möglichkeit an einer Kante, die den Materialfluss in die Kavität nicht blockiert. Der Anschnitt auf der Oberfläche des Teils muss um 90° gedreht werden, um einen Faserbruch zu verhindern, der die mechanischen Eigenschaften beeinträchtigen könnte.

Schließlich ist es wichtig, auf die Lage der Schmelzlinien zu achten und zu wissen, wie sie sich auf den Bereich auswirken, in dem das Teil während des Gebrauchs belastet (oder beansprucht) wird. Die Fusionslinien sollten durch die richtige Platzierung der Anschnitte in Bereiche verlegt werden, in denen geringe Spannungen zu erwarten sind.

Mithilfe einer computergestützten Formfüllanalyse kann ermittelt werden, wo diese Schmelzlinien positioniert werden. Mithilfe der strukturellen Finite-Elemente-Analyse (FEA) kann der Ort hoher Spannungen mit dem Ort der in der Formfüllungsanalyse identifizierten Schmelzlinien verglichen werden.

Es ist zu beachten, dass es sich bei diesen Teile- und Formenkonstruktionen lediglich um Empfehlungen handelt. Es gibt viele Beispiele für Teile mit dünnen Wänden, Wandstärkenschwankungen und empfindlichen oder feinen Merkmalen, die mit LFRT-Komplexen eine gute Leistung erzielt haben. Je weiter man jedoch von diesen Empfehlungen abweicht, desto mehr Zeit und Mühe sind erforderlich, um sicherzustellen, dass die Vorteile von LFRT voll ausgeschöpft werden.


III. Verarbeitungsbedingungen

Die Verarbeitungsbedingungen sind entscheidend für den Erfolg von LFT. Mit den richtigen Verarbeitungsbedingungen ist es möglich, mit einer universellen Spritzgießmaschine und einer richtig konstruierten Form ein gutes LFT-Teil herzustellen. Mit anderen Worten: Selbst bei richtiger Ausrüstung und Formkonstruktion kann die Faserlänge beeinträchtigt werden, wenn schlechte Verarbeitungsbedingungen verwendet werden. Dazu ist es erforderlich, zu verstehen, was den Fasern während des Formprozesses widerfährt, und die Bereiche zu identifizieren, die eine übermäßige Faserscherung verursachen.

Überwachen Sie zunächst den Gegendruck. Der hohe Gegendruck übt eine große Scherkraft auf das Material aus, die die Faserlänge verringert. Erwägen Sie, mit einem Gegendruck von Null zu beginnen und ihn nur so weit zu erhöhen, dass die Schnecke während des Vorschubs gleichmäßig zurückkehren kann. Ein Gegendruck von 1,5 bis 2,5 bar (20 bis 50 psi) reicht normalerweise aus, um einen gleichmäßigen Vorschub zu erzielen.

Auch hohe Schneckengeschwindigkeiten wirken sich nachteilig aus. Je schneller sich die Schnecke dreht, desto wahrscheinlicher ist es, dass Feststoffe und ungeschmolzenes Material in den Schneckenkompressionsbereich gelangen und die Fasern beschädigen. Ähnlich wie bei den Empfehlungen für den Gegendruck sollte die Drehzahl so niedrig wie möglich gehalten werden, um das zur Stabilisierung der Füllschnecke erforderliche Mindestniveau zu erreichen. Beim Formen von LFRT-Compounds sind Schneckengeschwindigkeiten von 30 bis 70 U/min üblich.

Während des Spritzgussprozesses erfolgt das Schmelzen durch zwei Faktoren, die zusammenwirken: Scherung und Hitze. Da das Ziel darin besteht, die Länge der Fasern bei der LFT durch Verringerung der Scherung zu erhalten, ist mehr Wärme erforderlich. Abhängig vom Harzsystem liegt die Temperatur für die Verarbeitung eines LFT-Compounds typischerweise 10 bis 30 °C höher als bei einem herkömmlich geformten Compound.

Bevor jedoch einfach die Fasstemperatur pauschal erhöht wird, ist es wichtig, die Umkehrung der Fasstemperaturverteilung zu beachten. Typischerweise steigt die Zylindertemperatur, wenn sich das Material vom Trichter zur Düse bewegt. Für LFT ist die empfohlene Temperatur am Trichter jedoch höher. Durch die Umkehrung der Temperaturverteilung erweichen und schmelzen die LFT-Pellets, bevor sie in den Kompressionsabschnitt der Hochscherschnecke gelangen, was die Beibehaltung der Faserlänge erleichtert.

Ein letzter Hinweis zur Verarbeitung betrifft die Verwendung von wiederverwendetem Material. Das Schleifen von Formteilen oder Angüssen führt in der Regel zu geringeren Faserlängen, sodass sich die Zugabe von wiederverwendetem Material auf die Gesamtfaserlänge auswirken kann. Um die mechanischen Eigenschaften nicht wesentlich zu beeinträchtigen, wird ein maximaler Anteil an wiederverwendetem Material von 5 % empfohlen. Höhere Mengen an wiederverwendetem Material können sich negativ auf die mechanischen Eigenschaften wie die Schlagfestigkeit auswirken.