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Hybride Polymer-Stahl-Sandwichbauteile: Einfluss der Prozessparameter bei variothermer Herstellung im Spritzgießen auf die Interface-Struktur und die mechanischen Eigenschaften des Verbunds

Sunday (01.01.2040)
00:00 - 00:39 Uhr

Polymer-Metall-Hybride werden vorwiegend in einem nachträglichen Fertigungsschritt (meist Kleben oder Umspritzen) zu einem Bauteil verbunden. Vor dem Hintergrund einer Umsetzung von hybriden Bauteilen mit hoher Stückzahl nimmt der Bedarf an großserienfähigen Polymer-Metall-Hybridprozessen jedoch stetig zu. Hierbei wird ein integraler und einstufiger Prozess mit reproduzierbaren Verbundeigenschaften und minimal nötigen Prozessschritten angestrebt.

Ein Ansatz, um dieses Ziel zu erreichen, ist das variotherme Anspritzen von Metallblechen. Bei diesem speziellen Spritzgießverfahren werden sowohl die Werkzeugkavität als auch die metallischen Einlegebleche vor dem Einspritzvorgang aufgeheizt. Anschließend wird das Polymer eingespritzt und die Kavität bei geschlossenem Werkzeug und anliegendem Nachdruck abgekühlt. Um eine gute Oberflächenhaftung des Polymers ohne Zuhilfenahme von adhäsionsverbessernden Chemikalien (sog. Primern) zu erreichen, werden hier die Metalleinleger mit einer Laserstrukturierung bzw. einer nanoporös-hinterschnittbildenden SiO2-Beschichtung versehen. Die Viskosität der Schmelze wird durch die variotherme Prozessführung und zusätzlicher Zugabe von chemischen Treibmitteln gesenkt, was die Oberflächenbenetzung und -infiltration unterstützt. Dadurch entstand ein Mikro- bzw. Nanoformschluss zwischen dem Metalleinleger und der Polymermasse. Das Einlegen von zwei Stahlblechen und Einspritzen der Polymermatrix in die Zwischenschicht führt dabei zu einem Sandwichaufbau mit Stahl-Deckschichten und Polymerkern (hier: PLA).

Ziel dieses Beitrags ist die Aufklärung der Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen integral gefertigter Kunststoff-Metall-Hybridbauteile. Dies umfasst die Untersuchung des Einflusses der jeweiligen Hybrid-Spritzgießprozessparameter (Werkzeugtemperatur beim Einspritzen, Art der Oberflächenstrukturierung, Treibmittelgehalt) auf die Interface-Struktur der Metall-Polymer-Hybride. Die so hergestellten Hybridprobekörper werden anschließend optisch (z.B. mittels REM, und Schliffbildern) untersucht und mit Hilfe von mechanischen Prüfverfahren quantifiziert. Die mechanischen Eigenschaftsermittlungen umfassen dabei die Biegeprüfung zur Charakterisierung der Sandwicheigenschaften sowie einen angepassten Versuchsaufbau basierend auf der Bestimmung der interlaminaren Scherfestigkeit von Laminaten zur Charakterisierung der Interface-Eigenschaften.

Sprecher/Referent:
Christoph Lohr
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Weitere Autoren/Referenten:
  • Peter Rupp
    Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
  • Ralf Dreher
    Fraunhofer Institut für Chemische Technologie (ICT)
  • Carolin Zinn
    Universität Paderborn
  • Prof. Dr. Kay André Weidenmann
    Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
  • Prof. Dr. Peter Elsner
    Fraunhofer Institut für Chemische Technologie (ICT)