Mehrkanalige Schmelzpumpe verbessert Herstellung thermoplastischer Composites

Um die Herstellung langfaserverstärkter thermoplastischer Composites (LFT) wesentlich zu verbessern und zu vereinfachen, hat der italienische Spezialist für Recycling- und Compoundiertechnik, RCT s.r.l., das System Nexxus Channel-F entwickelt. Die gegenwärtig verwendeten Compoundier-Systeme sind im Prinzip nicht in der Lage, die Fasern in der Schmelze zuverlässig zu dispergieren und gleichzeitig perfekt zu benetzen, ohne die Faserlängen exzessiv zu kürzen. Die vollständige Benetzung der einzelnen, endlos von Spulen zugeführten Faserstränge gelingt selbst auf den heute oft eingesetzten Doppelschneckenextrudern nicht zuverlässig. Die Scherung und Knetbewegung, die benötigt wird, um die Fasern möglichst vollständig zu benetzen, kürzt unweigerlich die Fasern.

Häufig unbenetzte Faserstränge im Produkt

Das ist ein klassischer Zielkonflikt, der häufig zu sehr inhomogenen Composites mit schlechten optischen und mechanischen Eigenschaften führt. Entweder liegt die Faserlängenverteilung meist nur im Bereich unterhalb der kritischen Faserlänge oder – bei meist längeren Fasern – die Benetzung gelingt nicht vollständig; es entstehen „white spots“ mit unbenetzten Fasern, die bei Sichtteilen nicht akzeptabel sind, zum Beispiel im Automobilbau. Langfaserverstärkte thermoplastische Composites bestehen typischerweise aus Polypropylen, Polyethylen oder Polyamid mit Glasfaser- , Carbonfaser- oder seltener mit Naturfaserverstärkung.

Werden – wie in heutigen Anwendungen üblich – 20 Faserstränge mit einem TEX-Wert von 2400 pro Strang mit je 1 m/s zugeführt, entspricht das einer zu benetzenden Faseroberfläche von 4,4 m² in der Sekunde. Das erklärt, warum es bis heute problematisch ist, diese sehr große Fläche in so kurzer Zeit zu benetzen und warum man in heutigen Systemen so oft unbenetzte Faserstränge im Produkt findet.

Nexxus Channel-F wird dies wesentlich verändern: Die Faserstränge werden innerhalb des Extrusions- oder Compoundierprozesses sehr einfach zugeführt, dort perfekt mit Schmelze infiltriert und an die nachgeschaltete Anlage ausgetragen. Bei dieser Entwicklung handelt es sich im Wesentlichen um eine mehrkanalig ausgeführte Scheiben-Schmelzepumpe, bei der in jedem Kanal ein Faserstrang eingezogen und infiltriert wird.

Aufgrund der enormen Scherströmung werden die Fasern sowohl eingezogen und entlüftet als auch an die nachgeschaltete Verarbeitungsanlage ausgetragen (Pull-Push-Trusion). Bei einem gegebenen Schmelzedurchsatz kann der Faseranteil sehr einfach und zuverlässig durch die Drehzahl der Scheiben kontrolliert werden. Für die Projektierung und den Anbau der Schmelzepumpe im deutschsprachigen Raum, in den Benelux-Staaten und in Russland ist das Unternehmen Extruder Experts, Monschau, verantwortlich.

Rovings als Endlosware zuführen

Mit dieser Entwicklung können unterschiedliche Matrixwerkstoffe und Verstärkungsfasern wie Glasfasern, Naturfasern (Jute), Synthetikfasern (Aramid) und Carbonfasern verarbeitet werden. Voraussetzung ist eine Zuführung der Rovings als Endlosware. Diese Scheiben-Schmelzepumpe kann eine unterschiedliche Anzahl an Kanälen haben: für 3 bis 24 Faserstränge. Jeder Kanal ermöglicht einen Durchsatz von etwa 20 bis 30 kg/h je Faserstrang. Die kompakte Pumpeneinheit lässt sich einfach an eine bestehende Maschine oder Anlage adaptieren. Sie versorgt zum Beispiel Einschnecken- und Doppelschneckenextruder mit perfekt infiltrierten Composites zur Weiterverarbeitung, aber auch Spritzgießmaschinen.

Installation im Bypass oder Kaskadenbetrieb möglich

Das System kann sowohl im Bypass als auch im Kaskadenbetrieb installiert werden. Es ist einfach aufgebaut und zeichnet sich durch seine Zuverlässigkeit und Verschleißarmut aus. Aufgrund der optimierten Infiltration der Fasern, der kontrollierten homogenen Faserlängen und der einfachen Handhabung sind die mechanischen und optischen Eigenschaften der verarbeiteten Composites wesentlich besser als bei gegenwärtig verwendeten Systemen.

Die Entwicklung von RCT eignet sich für die Profil-, Platten- und Rohrextrusion (speziell langfaserverstärkte Hochdruckrohre), aber auch für das D-LFT-Verfahren (ähnlich dem Dieffenbacher-Prozess), das Inline-Compoundieren beim Spritzgießen (Maschinenhersteller Krauss-Maffei, Husky und Engel) und die Herstellung von Langglasfasergranulaten (G-LFT).

Für das D-LFT-Verfahren wird ein kurzer Compoundierextruder vorgeschaltet, um die Schmelze mit sämtlichen Additiven aufzubereiten, dann übernimmt die Schmelzepumpe die Faserimprägnierung und den Faserschnitt. Eine nachgeschaltete kurze Homogenisierschnecke „kämmt“ die Fasern in der Schmelze.

Ein ähnlicher Aufbau ist vorgesehen für das Inline-Compoundieren, wobei die Spritzgießmaschine mit einer speziellen Schnecke das „Kämmen“ und Austragen in das Formwerkzeug übernimmt.

Für die Herstellung von Langfasergranulat wird die Schmelzepumpe einfach im Bypass an eine Standard-Doppelschnecken-Compoundieranlage adaptiert.

Dr. Giuseppe Ponzielli ist Geschäftsführer der RCT s.r.l. in I-21040 Vedano Olona. Dipl.-Ing. Dirk Zimmermann ist Geschäftsführer der Extruder Experts GmbH & Co. KG in D-52156 Monschau.