Befüllen von Hohlfasern - Leipziger Messe
Befüllen von Hohlfasern - Leipziger Messe
Befüllen von Hohlfasern - Leipziger Messe
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Neue Funktionalitäten <strong>von</strong> Composite-<br />
Bauteilen durch <strong>Hohlfasern</strong><br />
B. Eversmann<br />
L. Frormann<br />
Ausstellerforum <strong>Messe</strong> Z / intec Leipzig<br />
Faserverbundkunststoffe<br />
28.02.2008
Kunststoffzahnrad<br />
Quelle: Fa. A.Handtmann Elteka<br />
GmbH & Co. KG<br />
Hintergrund<br />
Schrauben aus CFK<br />
Osteosyntheseimplantat CF/PEEK<br />
Quelle: Fa. icotec<br />
Reibbeläge aus GFK<br />
Seite 2
Spezifische Festigkeit in m · 10<br />
Spezifische Festigkeit in m x 105<br />
5<br />
4<br />
3,5<br />
3<br />
2,5<br />
2<br />
1,5<br />
1<br />
0,5<br />
0<br />
Anwendungspotential <strong>Hohlfasern</strong><br />
Vergleich der spezifischen Festigkeit verschiedener Verstärkungsfasern<br />
spez. Festigkeit<br />
E-Glas Hohlglasfaser Kevlar Dyneema T1000 Carbonfaser<br />
Fasertyp<br />
Quelle: S.A.M.P.E.<br />
Seite 3
Leichtbau<br />
Flugzeuginnenverkleidung<br />
Anwendungspotential <strong>Hohlfasern</strong><br />
Bisherige Einsatzmöglichkeiten <strong>von</strong> <strong>Hohlfasern</strong><br />
Faserverbundtechnologie Andere Technologien<br />
Reparatur <strong>von</strong><br />
Faserverbundstrukturen<br />
Selbstheilung<br />
durch Harz/Härter<br />
gefüllte <strong>Hohlfasern</strong><br />
Transport<br />
fluider Medien<br />
Flächenwärmeübertrager<br />
Filtration<br />
Flüssig/flüssig<br />
Extraktion<br />
Textiltechnik<br />
Isolationsmaterial<br />
für Funktionsbekleidung<br />
Seite 4
Neue Einsatzmöglichkeit<br />
� Generierung einer intrinsischen Schmierung<br />
� Reduzierung der Oberflächenreibung durch fluides Schmiermittel aus dem Kunststoff<br />
� Kombination <strong>von</strong> Verstärkungswirkung und Funktionalisierung des Kunststoffes durch<br />
Nutzung <strong>von</strong> <strong>Hohlfasern</strong><br />
� Customizing der selbstschmierenden Eigenschaften des Kunststoffbauteils durch<br />
Anpassung der Eigenschaften des fluiden Schmiermittels<br />
� Dosierung der Schmiermittelmenge durch die im Kunststoffgefüge stattfindenden<br />
Diffusionsvorgänge<br />
Seite 5
� Vorgehensweise<br />
Physikalisch-Technologische Zielstellung<br />
� Einsatz fluider Schmiermittel<br />
� Füllen <strong>von</strong> hohlen Fasern<br />
� Compoundierung zu<br />
spritzgießfähigem Granulat<br />
� Spritzgießen des Bauteils<br />
� Diffusion des Schmiermittels im<br />
Kunststoffgefüge<br />
� Erzeugung eines Schmierfilms an<br />
der Bauteiloberfläche<br />
� Selbstschmierende<br />
Bauteilstruktur<br />
Seite 6
Analyse der Prozesskette<br />
� Funktionsstruktur zur Granulatherstellung<br />
Thermoplast (PA, PP)<br />
Schmiermittel<br />
<strong>Hohlfasern</strong><br />
Füllstoffe<br />
Granulatherstellung<br />
Granulat mit schmiermittelbefüllten<br />
<strong>Hohlfasern</strong><br />
Konfektionieren<br />
der <strong>Hohlfasern</strong><br />
Schmiermittel<br />
-integration<br />
<strong>Befüllen</strong> der<br />
<strong>Hohlfasern</strong><br />
Fördern<br />
Compoundierung<br />
Dosieren<br />
Mischen<br />
Granulieren<br />
Seite 7
� Anforderungen an <strong>Hohlfasern</strong><br />
Untersuchte Materialien<br />
Forderung Wunsch<br />
Geometrische Abmessungen<br />
Innendurchmesser : ID < 200 µm Wanddicke: 20 ≤ s ≤ 50 µm<br />
Länge: l =10 mm<br />
Chemische und physikalische Eigenschaften<br />
Temperaturbeständigkeit ca. 300 °C<br />
geringe Dichte<br />
Beständigkeit gegen chemische<br />
Bestandteile des Schmiermittels<br />
Befüllbarkeit muss gewährleistet sein<br />
gute Verfügbarkeit<br />
geringe Kosten<br />
Verarbeitung<br />
Wirtschaftlichkeit<br />
ausreichende Kapillarität<br />
geringer Reibungskoeffizient<br />
höhere mech. Eigenschaften als Matrix<br />
gutes Ablängverhalten<br />
gute Anbindung mit der Matrix hohe Beständigkeit gegen mechanische<br />
Deformation<br />
Seite 8
� <strong>Hohlfasern</strong><br />
PTFE – Kapillarschlauch:<br />
ID = 300 µm OD = 500 µm<br />
Quarzglaskapillare:<br />
ID = 100 µm OD = 200 µm<br />
Untersuchte Materialien<br />
Glashohlfaser :<br />
ID ca. 4 – 6 µm OD = 11 µm<br />
REM<br />
Seite 9
Untersuchte Materialien<br />
� Einflussgrößen der Schmiermittelzusammensetzung<br />
Reaktion mit<br />
Polymer<br />
Belastungen<br />
Zeit<br />
Verarbeitung<br />
Viskosität<br />
Diffusion<br />
Anwendung<br />
Partikelgröße<br />
Betriebsdauer<br />
Temperaturbeständigkeit<br />
Zusammensetzung<br />
Schmiermittel<br />
Spezifische<br />
Bauteilanforderungen<br />
Seite 10
Untersuchte Materialien<br />
� Hochtemperaturöle der Fa. Lubcon Consult GmbH<br />
Nr. Bezeichnung Zusammensetzung Dichte bei<br />
20 °C in<br />
g/cm³<br />
1 Turmowoodoil 2 synthetische<br />
Esteröle, Additive<br />
2 Turmofluid 40 B synthetische<br />
Kohlenwasserstoffe,<br />
synthetische<br />
Esteröle, Additive<br />
3 Turmofluid 300 OM synthetische<br />
Kohlenwasserstoffe,<br />
synthetische<br />
Esteröle, Additive<br />
4 Turmsilon K 350 WM Silikonöle,<br />
Stabilisatoren<br />
Kinematische<br />
Viskosität bei<br />
40 °C in mm²/s<br />
Temperatur-<br />
Einsatzbereich<br />
in °C<br />
0,985 58 -30 bis +250<br />
0,915 270 -40 bis +250<br />
0,93 3750 bis +250<br />
0,97 290 bis +260<br />
Seite 11
� Vakuumverfahren<br />
Vakuum<br />
<strong>Befüllen</strong> <strong>von</strong> <strong>Hohlfasern</strong><br />
Vakuumsack<br />
Kitband<br />
Filtergewebe<br />
Anschlussvorrichtung<br />
<strong>Hohlfasern</strong><br />
Öl<br />
Quelle: Department of Aerospace Engineering,<br />
University of Bristol<br />
Seite 12
� Tauchtränkung<br />
<strong>Hohlfasern</strong><br />
endlos<br />
Tränkbad<br />
Ablängen<br />
Fluides<br />
Schmiermittel<br />
<strong>Hohlfasern</strong><br />
10 mm<br />
<strong>Befüllen</strong> <strong>von</strong> <strong>Hohlfasern</strong><br />
Tränkwalze<br />
Entnahme<br />
gefüllte <strong>Hohlfasern</strong><br />
Seite 13
� Einfluss Ablängmethode<br />
Umsetzung im Labormaßstab<br />
� Schneidmethoden mit paralleler und räumlich<br />
versetzter Schneidenanordnung<br />
� Brechen der <strong>Hohlfasern</strong><br />
� PTFE: Schneiden problemlos, aber Querschnittsveränderung<br />
möglich<br />
� Glas: sprödes Bruchverhalten auch beim Schneiden<br />
� Kein Einfluss der Ablängmethode auf den<br />
Befüllungsvorgang durch Kapillarwirkung<br />
feststellbar<br />
Quarzglaskapillare geschnitten<br />
PTFE-Kapillarschlauch<br />
geschnitten<br />
Seite 14
� Vorgehensweise <strong>Befüllen</strong><br />
Umsetzung im Labormaßstab<br />
� Senkrechtes Eintauchen 10 mm langer Hohlfaserabschnitte in ein Schmierölbad<br />
� <strong>Befüllen</strong> 10 mm langer <strong>Hohlfasern</strong> durch eine kreisförmige Bewegung im Bereich <strong>von</strong><br />
90° - 0° mit vollständigem Untertauchen der <strong>Hohlfasern</strong><br />
� Befüllungszeiten in Abhängigkeit <strong>von</strong> der kinematischen Viskosität des Schmieröls und<br />
des Innendurchmessers der Hohlfaser 20 bis 90 Sekunden<br />
� Ausmessen der Steighöhe mittels Auflichtmikroskopie in waagerechter Position<br />
Seite 15
� Befüllte <strong>Hohlfasern</strong><br />
Umsetzung im Labormaßstab<br />
PTFE-Kapillarschlauch<br />
Quarzglaskapillare<br />
Seite 16
Befüllungsgrad in %<br />
100<br />
90<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
89<br />
54<br />
PTFE + Esteröl<br />
/ 58<br />
86<br />
47<br />
PTFE + Esteröl<br />
/ 270<br />
Ergebnisse Hohlfaserbefüllung<br />
77<br />
29<br />
PTFE +<br />
Siliconöl / 290<br />
21<br />
30<br />
PTFE +<br />
Syntheseöl /<br />
3750<br />
83<br />
GF + Esteröl /<br />
58<br />
56<br />
39 38<br />
GF + Esteröl /<br />
270<br />
senkrechte Befüllung<br />
waagerechte Befüllung<br />
79<br />
40<br />
GF + Siliconöl /<br />
290<br />
Materialkombination / Kinematische Viskosität Schmieröl bei 40 °C in mm²/s<br />
35<br />
22<br />
GF +<br />
Syntheseöl /<br />
3750<br />
Seite 17
Laserscanningmikroskopie Glashohlfaser OD 11 µm<br />
Kinematische Viskosität Schmieröl: 290 mm²/s<br />
Kinematische Viskosität Schmieröl: 3750 mm²/s<br />
Institut für Pflanzenbiologie<br />
Seite 18
� Angepasste Befüllungstechnologie<br />
Ergebnisse Hohlfaserbefüllung<br />
Prozessschritt<br />
1<br />
Fluides<br />
Schmiermittel<br />
<strong>Hohlfasern</strong><br />
endlos<br />
Prozessschritt<br />
2<br />
Schmiermittel befüllte<br />
<strong>Hohlfasern</strong><br />
10 mm<br />
Seite 19
Analyse der Prozesskette<br />
� Funktionsstruktur zur Granulatherstellung<br />
Thermoplast (PA, PP)<br />
Schmiermittel<br />
<strong>Hohlfasern</strong><br />
Füllstoffe<br />
Granulatherstellung<br />
Granulat mit schmiermittelbefüllten<br />
<strong>Hohlfasern</strong><br />
Konfektionieren<br />
der <strong>Hohlfasern</strong><br />
Schmiermittel<br />
-integration<br />
<strong>Befüllen</strong> der<br />
<strong>Hohlfasern</strong><br />
Fördern<br />
Compoundierung<br />
Dosieren<br />
Mischen<br />
Granulieren<br />
Seite 20
� Compoundierung<br />
Aktuelle Untersuchungen<br />
� Verwendung eines gleichläufigen Doppelschneckenextruders<br />
� Compoundierung beider Hohlglasfasertypen in Polypropylen, Polyethylen und Polyamid<br />
� Variation der Geometrie der Schneckenelemente<br />
� Erhöhung des Scherspaltes<br />
� Untersuchung des Temperatureinflusses auf das möglich Auslaufen des Schmieröls aus<br />
den <strong>Hohlfasern</strong><br />
� Bestimmung der Faserlängen mittels Veraschung und Mikroskopie<br />
Seite 21
� Diffusion<br />
Weiteres Vorgehen<br />
� Verarbeitung des neuen Granulates mittels Spritzgießen<br />
� Optimierung der Schneckengeometrie um Schädigung der befüllten <strong>Hohlfasern</strong> zu<br />
vermeiden<br />
� Fertigung <strong>von</strong> Prüfkörpern für die Eigenschaftscharakterisierung des neuen<br />
funktionalisierten Kunststoffs<br />
� Fertigung eines Technologiedemonstrators<br />
� Durchführung <strong>von</strong> Untersuchungen zur Diffusion verschiedener Schmiermittel durch<br />
thermoplastische Kunststoffe<br />
� Beschreibung der physikalischen Vorgänge während des Diffusionsvorganges<br />
� Mathematische Modellbildung zur Beschreibung des Diffusionsvorganges<br />
Seite 22
� Zuwendungsgeber<br />
� Kooperationspartner<br />
Unterstützung<br />
� Arbeitsgemeinschaft industrieller<br />
Forschungsvereinigungen „Otto <strong>von</strong> Guericke“ e.V.<br />
� Kunststoff Fröhlich GmbH, Bad Lauterberg<br />
Seite 23
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