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Faserorientierung; siehe auch Glasfaserorientierung

Ausrichtung von Verstärkungsfasern

Die Faserorientierung ist die Ausrichtung von Verstärkungsfasern in der Matrix. In vielen technischen Kunststoffen werden zur Erhöhung der Festigkeit und Steifigkeit (siehe auch: Zugversuch Nachgiebigkeit) des Werkstoffes Fasern eingesetzt. Durch den Fertigungsprozess des Spritzgießens werden diese Fasern bezüglich der Fließrichtung orientiert. Dies führt dazu, dass die Materialeigenschaften in dem Bauteil nicht mehr isotrop, sondern anisotrop sind (siehe: Anisotropie). Dies bedeutet, dass das Material unterschiedliche Eigenschaften in Faserrichtung und quer dazu aufweist.

Daher ist es notwendig, den Zusammenhang zwischen Faserorientierung und Werkstoffeigenschaften in Abhängigkeit von der Werkstoffzusammensetzung systematisch zu untersuchen.

Das 5-Schicht-Modell der Faserorientierung

Bei Bauteilen, die im Spritzgießprozess hergestellt werden, richten sich die Fasern während der Formfüllung insbesondere in Bereichen mit hohen Schergradienten sowie aufgrund des geringen Strömungswiderstandes der Fasern längs entlang der Strömungsrichtung der Matrix aus. Aus diesem Grund sind die Fasern an Bindenähten parallel zu diesen orientiert und tragen nicht zur Festigkeitssteigerung des Matrixwerkstoffs in der Bindenaht bei (Bild 1).

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Bild 1: Lichtmikroskopische Aufnahme eines Anschliffs, Bauteil aus PA66-CF im Bereich der Bindenaht [1]

Die Strömungsvorgänge beim Spritzgießen verursachen aufgrund des parabolischen Geschwindigkeitsprofils einen Schichtaufbau der Faserorientierung. Am Rand erstarrt die Schmelze sehr schnell und die Faserorientierung ist regellos. Bei vielen Thermoplasten wird dabei auch eine nahezu faserfreie Randzone mit Dicken bis zu 300 μm beobachtet. Im Zentrum der Kavität, also im laminaren Strömungsbereich, sind die Fasern senkrecht zur Fließrichtung ausgerichtet. Zwischen den Randschichten und der Kernschicht wird die Schmelze geschert und die Fasern orientieren sich in Fließrichtung. Es wurde ein 5-Schicht-Modell der Faserorientierung von Menges und Geisbüsch entwickelt (Bild 2) [2].

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Bild 2: Geschwindigkeitsprofil und Faserausrichtung währen des Spritzgießprozesses nach Menges [2]

Mechanische Eigenschaften und Zähigkeitscharakterisierung

Die Hauptorientierungsrichtung der Glasfasern ist beim 5-Schicht-Modell parallel zur Fließrichtung, was sich auch in den mechanischen Eigenschaften widerspiegelt (Bild 3 und 4).

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Bild 3: Zugversuche – Spannungs-Dehnungs-Diagramme von Polypropylen in Abhängigkeit von der Spritzrichtung (längs und quer) und vom Füllstoffanteil (20, 30, 40 M.-% Glasfasern und 10 M.-% Glasfasern + 30 M.-% Mineral) [3]

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Bild 4: Zähigkeitscharakterisierung von Polypropylen in Abhängigkeit von der Spritzrichtung (längs und quer) und vom Füllstoffanteil (20, 30, 40 M.-% Glasfasern und 10 M.-% Glasfasern + 30 M.-% Mineral) im instrumentierten Kerbschlagbiegeversuch, a) Maximalkraft, b) Durchbiegung bei Maximalkraft, c) J-Wert, d) Rissöffnungsverschiebung [3]


Literaturhinweise

[1] VDI 3822, Blatt 2.1.2 (2012-01): Schadensanalyse – Schäden an thermoplastischen Kunststoffprodukten durch fehlerhafte Verarbeitung
[2] Menges, G., Geisbüsch, P.: Die Glasfaserorientierung und ihr Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften thermoplastischer Spritzgussteile – Eine Abschätzmethode, Colloid & Polymer Science, 260 (1982) 1, S. 73–81
[3] Jäger, S.: Einfluss der Faserorientierung auf das mechanische Kennwertniveau medial und thermisch beanspruchter Polypropylen-Glasfaser-Verbunde. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Diplomarbeit (2010) (siehe AMK-Büchersammlung unter B 3-168))