Schnelle Entwicklung neuer Kunststoff-Compounds auf einer Spritzgießmaschine

Damit können in kurzer Abfolge Kunststoffrezepturen plastifiziert, compoundiert, zu Probekörpern spritzgegossen und so mechanische Tests an diesen vorgenommen werden.

Der österreichische Mschinenbauer Engel, Schwertberg, entwickelte die Anlage, die als Hauptkomponente eine 2-Komponenten-Spritzgießmaschine umfasst, gemeinsam mit dem Distributeur Polymaterials, Kaufbeuren. Das Ergebnis ist ein ein Gesamtanlagenkonzept, das laut Engel den Serienanforderungen des Spritzgießens entspricht.

Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse könne man Spritzgießer bei der Auswahl einer anwendungsspezifischen Plastifizierung noch besser beraten und Spritzaggregate konfigurieren, die genau auf die Verarbeitungseigenschaften und -anforderungen eines bestimmten Compounds zugeschnitten seien. Als Zielgruppe für das HTS hat Engel Rohstofferzeuger und Compoundeure im Visier, aber auch Spritzgießer und Anwender von Spritzgießteilen, die eine eigene Rezepturentwicklung betreiben.

Die Komplettanlage umfasst die Prozesse Dosierung, Mischung, Spritzgießen, Prüfung und Datenauswertung. Die elektrische Zwei-Komponenten-Spritzgießmmaschine E-Motion 200H200W/100 Combi ist mit 25-mm-Schnecken (Baugröße 200) ausgestattet. Das zweite Spritzaggregat wird Huckepack genommen.

Beide Plastifizieraggregate werden von je einem Dosiersystem für bis zu acht Einzelkomponenten versorgt. Mehrere Dosiersysteme für die Materialzuführung und zwei unabhängig voneinander arbeitende Plastifizieraggregate ermöglichem, bei der Compoundherstellung variable Mischungsverhältnisse zu erzeugen.

Hinter beiden Plastifiziereinheiten befindet sich jeweils ein statisches Mischteil und hinter dem Zusammenfluss beider Schmelzeströme ein weiterer statischer Mischer. Dadurch wird laut Engel eine sehr homogene Schmelze zum Einspritzen in das Probekörperwerkzeug bereitgestellt. Aufgrund der elektrischen Antriebe der beiden Plastifiziereinheiten erreiche man einen sehr genauen und reproduzierbaren Einspritzvorgang.

Die spritzgegossenen Probekörper in DIN-Größe werden in Prüfkassetten abgelegt und nach dem Abkühlen und gegebenenfalls einer Nachkristallisation in Zugprüfautomaten auf mechanische Kennwerte untersucht. Das sichere sowohl praxisrelevante als auch mit Literaturangaben und Datenbanken vergleichbare Ergebnisse.

Funktionelle Additive, Füllstoffe, Nanopartikel, Pigmente und Zuschlagstoffe beeinflussen die Eigenschaften von Kunststoffcompounds und -blends. Daher ist die Untersuchung der Mischungen wesentlich für die spätere Kunststoffverarbeitung und -anwendung. Im Fokus der Anwendungen stehen insbesondere Kunststofftypen für die Automobilindustrie, Elektronik und Medizintechnik.

Zur Auswertung des gewonnen Datenmaterials arbeiten Engel und Polymaterials mit der Bayer Technology Services GmbH, Leverkusen, zusammen, um mittels statistischer Versuchsplanung, numerischer Verfahren, Analysen auf Basis neuronaler Netze sowie der Nutzung von Experten-Know-how die Ergebnisse zu interpretieren und Rückschlüsse auf Mischungsverhältnisse sowie die relevanten Maschinen- und Prozessparameter zu ziehen.

Das automatische und roboterunterstützte High-throughput-Screening beschleunigt laut Engel die Entwicklung von Kunststoffcompounds und -blends erheblich. Außerdem würden die Entwicklungskosten pro Mischung auf einen Bruchteil des üblichen Betrags reduziert.

Das HTS-Verfahren wird als Alternative zur zur Direktcompoundierung angesehen, bei der – so der österreischische Maschinenbauer – Spritzgießversuche auf einer Produktionsmaschine im Produktionsmaßstab unter erheblichem Verbrauch von Grundmaterial und Additiven durchgeführt werden müssen.

Das High-throughput-Screening ist in der Pharmakologie etabliert. Dort wird es zur Suche neuer pharmazeutischer Wirkstoffe angewandt. Dazu werden im HTS-Verfahren Millionen biochemischer, genetischer oder pharmakologischer Tests in sehr kurzer Zeit vorgenommen. In der Kunststoffindustrie versteht man unter High-throughput-Screening laut Engel die schnelle, systematische und integrierte Prüfung von Compounds aus verschiedensten Rohstoffkomponenten.

Während in der Pharmakologie HTS-Probendurchsätze in der Größenordnung von 100000 am Tag möglich seien, erreicht man in der Erforschung von Kunststoffrezepturen bis zu 250 Variationen einschließlich Tests täglich. Daraus ergebe sich die zehn- bis fünzigfache Kapazität einer konventionellen, chargenweisen Compoundierung, Prüfkörperherstellung und Prüfung.