Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Integrative Simulation der belastungsart- und richtungsabhängigen Bindenahtfestigkeit unverstärkter, amorpher Thermoplaste

Im Spritzgießprozess ist die Entstehung von Bindenähten im Formteil meist unvermeidbar. Dabei resultieren Bindenähte überwiegend in optischen Defekten und einer Schwächung des Bauteils, welche mit kommerziell erhältlichen Simulationsmethoden derzeit nicht quantitativ vorhergesagt werden kann. Daher wurde am IKV im Rahmen des IGF-Vorhabens 18132N ein integratives Berechnungskonzept zur Vorhersage der Bindenahtfestigkeit unverstärkter amorpher Thermoplastbauteile entwickelt. Die entwickelte Routine ist auf eine Bestimmung der Zugfestigkeit der Bindenähte beschränkt; Eine Berechnung der Schubfestigkeit ist derzeit nicht möglich. Somit kann eine Vorhersage des Bindenahtverhaltens unter realitätsnahen, komplexen Lastfällen noch nicht realisiert werden.

Daher ist es Ziel dieses Forschungsvorhabens, eine integrative Simulationskette zur Berechnung der belastungsart- und richtungsabhängigen Bindenahtfestigkeit unverstärkter, amorpher Thermoplaste zu entwickeln. Dazu werden Bindenähte experimentell untersucht, wobei der Fokus auf der Schubfestigkeit und der Morphologie der charakteristischen V-Nut liegt. Mithilfe dieser Ergebnisse wird ein Modell gebildet, welches nicht nur die Berechnung der Zug- sondern auch der Schubfestigkeit von Bindenähten erlaubt. Die bereits vorhandene Berechnungsroutine wird um das neuentwickelte Modell erweitert und abschließend verifiziert.

Das Ergebnis des Forschungsvorhabens ist eine Berechnungsroutine, mit der Anwender wie z. B. Konstruktionsbüros das Verhalten von Bindenähten unter komplexen Beanspruchungszuständen vorhersagen können. Dadurch kann eine aufwändige iterative Umgestaltung des Bauteils oder der Einsatz teurer Fertigungstechnologien zur Vermeidung von Bindenähten vermieden werden. Von dieser Routine profitieren besonders kmU, die z. B. Elektronikgehäuse, Schutzvisiere und Verkleidungen im Automobilbereich entwickeln und herstellen, da das hohe finanzielle Risiko von F&E-Projekten gesenkt wird.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Forschungsvorhabens war die Bereitstellung einer integrativen Berechnungsroutine zur Vorhersage der belastungsart- und richtungsabhängigen Bindenahtfestigkeit unverstärkter, amorpher Thermoplaste.

Im Rahmen des Projekts wurde zunächst die Zug- und Schubfestigkeit von Bindenähten in PC, PS und PMMA mithilfe von Flachprobekörpern sowie einem im Rahmen des Projekts entwickelten Rohrprobekörper untersucht. Es zeigt sich, dass eine hohe Schmelzetemperatur die Festigkeit der Bindenähte positiv beeinflusst, während ein hoher Nachdruck die Festigkeit herabsetzt. Zusätzlich kann bei PS und PMMA beobachtet werden, dass direkt hinter dem Fließhindernis hohe Bindenahtfestigkeiten auftreten. Diese Verhalten konnte Anhand von zusätzlich durchgeführten Prozesssimulationen mit den während der Nachdruckphase in der Bindenaht auftretenden Scherströmungen korreliert werden.

Anhand dieser Ergebnisse wurde ein Modell gebildet, welches die Berechnung der Zugfestigkeit von Bindenähten in PC, PS und PMMA erlaubt. Das Modell basiert auf einer temperatur-, druck- und scherratenabhängigen Beschreibung der molekularen Interdiffusion, welche die Ausheilung der Bindenaht berechnet. Die bereits vorhandene Berechnungsroutine wurde um das neuentwickelte Modell erweitert und abschließend anhand von Zugversuchen und Versuchen mit einem praxisnahen Bauteil für zwei Spritzgießsimulationsprogramme verifiziert.

Die Projektergebnisse können zum einen den Anbietern von Spritzgießsimulationssoftware helfen, ihre Programme weiter zu verbessern und die Genauigkeit im Hinblick auf die Vorhersage von Bindenahtfestigkeiten zu erhöhen.

Zum anderen erlaubt die Berechnungsmethode Konstrukteuren, schon in der Planungsphase den Einfluss von Bindenähten auf die Einsatzfähigkeit von Bauteilen abzuschätzen und somit ein Bauteil und das zur Herstellung notwendige Spritzgießwerkzeug optimal auszulegen.