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Spritzgießen elektrisch leitfähiger Thermoplaste : Prozesstechnik und Modellbildung

Dörner, Jens LSF

Anhand der erarbeiteten Zusammenhänge zwischen Prozessparametern des Spritzgießprozesses und der elektrischen Leitfähigkeit spritzgegossener Formteile aus hochgefüllten Thermoplasten, können definierte elektrische Leitfähigkeiten ermöglicht werden. Die Ergebnisse können zu verschiedenen Schlussfolgerungen führen. Einerseits ist es möglich, ausgehend von einer Materialrezeptur, den Materialwiderstand drastisch zu reduzieren und ein optimal leitfähiges Formteil zu erzeugen, andererseits kann der Verarbeitungsprozess vereinfacht werden. Je nach Anforderung eines Produktes hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit, wofür es bereits materialseitige Lösungen gibt, können nun Compounds mit einem geringeren Füllstoffgehalt eingesetzt werden. Das dargestellte Optimierungspotential bietet die Möglichkeit, den Gesamtfüllstoffanteil um 5-10 % zu senken. Die Senkung des Füllstoffanteils ist förderlich für die Fließfähigkeit der Compounds. Dies unterstützt einen robusten Spritzgießprozess sowie die Möglichkeit, Standardspritzgießmaschinen einzusetzen. Diese Vorteile bringen ein deutliches Kosteneinsparpotential mit sich, da sowohl der Materialbedarf für hochpreisige Füllstoffe sowie hohe Investitionskosten für Maschinen gesenkt werden können. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass sich bei einem Vergleich zweier Compounds, die sich nur durch den Sekundärfüllstofftyp (Ruß oder CNT) unterscheiden, unterschiedliche elektrische Eigenschaften ergeben. Bei diesem Vergleich konnten durch die Verwendung der CNTs geringere Materialwiderstände erzielt werden. Auch die Fließfähigkeit von Material 2 wurde anhand mehrerer Prozessmessdaten positiv bewertet. Aus diesem Ergebnis ergibt sich das Potential, größere spritzgegossene Formteile zu fertigen, als es bislang möglich war. Für die Beispielanwendung BPP bedeutet eine größere aktive Fläche gleichzeitig einen Sprung im Leistungsniveau einer PEM-BZ. In der Vorstellung verschiedener Strategien zur Materialmodellbildung wurde die in der Industrie häufig verwendete Vorgehensweise der Werkzeugkonstruktion für die Auslegung eines Spritzgießwerkzeuges vorgestellt. Es wurde eine Strategie entwickelt, die Spritzgießprozesse für neue Kunststoffe oder Compounds in der Spritzgießsimulation abbildet. Die Berücksichtigung prozessrelevanter Einflüsse und Detailbetrachtungen bei der Ermittlung der Stoffdaten verhalfen in Kombination mit den ausgewählten Simulationsvariablen zu einer Kalibrierungsmöglichkeit. Im vorgestellten Fall wurde der Verlauf der Werkzeuginnendruckkurve als Zielkriterium definiert. Die erfolgreiche Kalibrierung ermöglichte die zeitlich korrekte Berechnung der Formfüllung eines Spritzgießprozesses. Aufgrund der erfolgreichen Darstellung der Kalibrierungsfähigkeit anhand ausgewählter Prozessdaten können fortan Prognoseberechnungen durchgeführt werden, die bei der Auslegung neuer Werkzeugkonzepte Entwicklungszeiten einsparen, z. B. für größere BPP. Auch alle weiteren bekannten Vorteile der Spritzgießsimulation sind nach erfolgreicher Kalibrierung einsetzbar. Die Prognose der Bauteileigenschaften geht aus der Spritzgießsimulation nicht direkt hervor, jedoch kann das erarbeitete Wissen aus den experimentellen Untersuchungen bei der Konstruktion neuer spritzgegossener Produkte hilfreich sein. Bei der Bearbeitung dieser Themen, sind viele neue Ideen generiert worden, die nicht im Rahmen dieser Arbeit umgesetzt werden konnten, aber für zukünftige Aktivitäten interessant sind. Zur weiteren Reduzierung der Herstellungskosten einer BPP ist es unumgänglich, den finalen Nachbearbeitungsschritt (Schleifen oder Fräsen) zu eliminieren. Der grundsätzliche Vorzug des Spritzgießprozesses, keine Nachbearbeitung zu benötigen, muss in diesem Fall wissenschaftlich erarbeitet werden. Ein wichtiger Faktor dafür wird die variotherme Prozessführung sein, wobei es erstrebenswert ist, die Temperaturdifferenz zwischen der Schmelze und dem Werkzeug zu minimieren. Die Randschichtbildung bzw. die Erstarrung von außen nach innen sollte erst dann einsetzen, wenn der Füllvorgang vollständig abgeschlossen wurde. Eine frühzeitige Bildung der Randschicht, wie es aktuell der Fall ist, sorgt für eine Inhomogenität bzgl. der Füllstoffverteilung entlang und quer zur Fließrichtung. Die experimentellen Versuche haben ebenfalls aufgezeigt, dass bei Werkzeugtemperaturen oberhalb 120 °C Prozessveränderungen stattfinden müssen, da sonst Schmelze zurückströmen kann. Dies kann durch eine längere Aufrechterhaltung des Nachdruckes oder durch ein intelligentes Verschlusssystem innerhalb des Werkzeugs erfolgen. Letzteres käme der Reduzierung der Zykluszeit entgegen. Auf Seiten der Simulation wurde die Ermittlung der rheologischen Stoffdaten als besonders wichtig bewertet. Dabei sind Viskositätsdaten bei sehr kleinen Schergeschwindigkeiten ein Fokus. Die Ermittlung dieser Daten ist jedoch aufgrund von Blockströmung und des hohen Viskositätsniveaus schwierig. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass zum einen der Faktor Nachdruck einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf die Leitfähigkeit hat und zum anderen die Nachdruckzeit, die gegenüber der Einspritzzeit überwiegt. Für die Simulationssoftware wird der Aufbau eines automatischen Simulationsalgorithmus angestrebt, um Bedienungsfehler zu minimieren und Zeit einzusparen. Die Erweiterung auf mehr als zwei Faktoren zur Kalibrierung, um den Gültigkeitsbereich zu vergrößern, ist durch den Einsatz einer Automatisierung deutlich leichter zu erreichen. Sowohl das erarbeitete Simulationsmodell als auch die experimentellen Ergebnisse dieser Arbeit leisten einen Beitrag zur Optimierung von PEM-BZ oder anderen Anwendungen, die hochgefüllte und elektrisch leitfähige Kunststoffe einsetzen.

With the resulting correlations between process parameters of the injection moulding process and the electrical conductivity of the moulded parts, it was possible to realize defined electrical properties. The results lead to several conclusions: On the one hand it was possible to reduce the bulk resistivity significantly for reaching an optimised conductive moulded part. On the other hand the presented results enable a simplification of the injection moulding process due to lower filler content. Depending on the requirements of a product concerning the electrical conductivity, it is now possible to use compounds with lower filler content. This optimising potential enables the opportunity to reduce the filler content about 5-10 %. A reduced filler content helps to increase the flowability of the compound. Furthermore the injection moulding process becomes more robust and the developments enable the use of standard injection moulding machines. These advantages also supply a cost reducing potential due to a lower content of expensive fillers as well as the investment cost difference between standard and special machines. Moreover a comparison of two compounds with the difference that the secondary filler type was changed from carbon black to carbon nanotubes was demonstrated. Within this comparison material 2 (with CNT) leads to lower bulk resistance. In addition the flowability of material 2 was evaluated in a positive way. With this result it is possible to process moulded parts with a longer flow path. An increased active surface of a bipolar plate leads to an enhanced level of power for fuel cell systems. By describing different ways for building material models for injection moulding simulation the usual way of working with these simulation tools was explained. In this work a method for including process specific properties and differences due to filled polymers was developed. The consideration of process specific influences by characterizing the material data in combination with simulation variables was helpful for calibrating the material model. In the presented case the curve characteristic of the cavity pressure was the optimisation criterion. Due to successful calibration the correct melt front time was predictable. After the calibration of chosen process settings the opportunity enables for carry out prognosis calculation in the usual way for injection moulding simulation tools. Designing new moulds in a reduced developing time for example for larger bipolar plates are possible. Every other advantage of injection moulding simulation can be used after calibration like air trap or welding lines. A prognosis of moulded part properties is not included in this material and process model. The presented experiences from the experimental part of this work may be helpful for designing new moulds for new electrical conductive moulded parts. A lot of new ideas could be generated by working on these subjects which are interesting for further investigations and research projects. It is necessary to eliminate the last manufacturing step with machining the plates for removing the insulating polymer layers. This development leads to lower manufacturing costs. Dynamic mould tempering systems seems to be important for further developments in this direction. By decreasing the temperature difference of melt and cavity surfaces the surface layer of polymer can be avoided during injection phase. If the solidification of polymer in the surface layer starts too early it will lead to an inhomogeneous moulded part in and through the flow direction. The experimental investigation of mould temperature also demonstrates a problem by using higher mould temperatures as the crystallisation temperature of the compound. After packing time a backflow was detected with the cavity pressure signal. A longer packing time or a back flow system inside of the mould could solve the problem. The last suggestion has the advantage of a shorter cycle time. On the side of simulation the characterisation of material data was assessed as an important factor for creating a good working material model. For example shear rheological data in a low shear rate range are in the focus of calculating the packing phase of an injection moulding cycle. Due to a flow without wall adhesion and the high viscosity level the characterisation is more difficult. It was shown that the packing pressure and the packing pressure time have big influences on the electrical conductivity. Furthermore the packing time is many times longer as the filling time why rheological data with low shear rate is very important. For further investigation an automatically working algorithm is recommended for minimising input mistakes of the operator and for saving a lot of time. With an automatic algorithm it is possible to expand the calibration procedure with more than two factors. The developed material model as well as the experimental results of this work makes a contribution for optimising PEM fuel cell systems or other applications with highly filled or electrical conductive plastics.

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Dörner, Jens: Spritzgießen elektrisch leitfähiger Thermoplaste. Prozesstechnik und Modellbildung. 2012.

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