Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Verbesserung der Vorhersage der mechanischen Eigenschaften von Bindenähten in unverstärkten teilkristallinen Thermoplasten

Bei der Herstellung von Kunststoffbauteilen im Spritzgießprozess ist die Entstehung von Bindenähten meist unvermeidbar. Bindenähte resultieren in optischen Defekten und einer Schwächung des Bauteils und können mit kommerziell erhältlichen Simulationsmethoden derzeit nicht quantitativ vorhergesagt werden. Daher wurde am IKV im Rahmen des IGF-Vorhabens 18132N ein integratives Berechnungskonzept zur Vorhersage von Bindenahtfestigkeiten entwickelt. Die entwickelte Routine ermöglicht derzeit jedoch ausschließlich die Bestimmung der Eigenschaften von Bindenähten in amorphen Thermoplasten und nicht in teilkristallinen Thermoplasten. Allerdings stellen teilkristalline Thermoplaste einen großen Teil der technischen Thermoplaste, welche in Strukturanwendungen eingesetzt werden und deren mechanische Auslegung besonders relevant ist. Daher ist das Ziel dieses Forschungsvorhabens die grundlegende Erfassung der komplexen Zusammenhänge zwischen Prozessparametern, Morphologie und mechanischen Bindenahteigenschaften von teilkristallinen Thermoplasten in einem Modell. Dazu werden Bindenähte experimentell untersucht, wobei der Fokus auf dem Zusammenhang zwischen Morphologie in der Bindenaht und den mechanischen Eigenschaften der Bindenaht unter Zugbeanspruchung liegt. Mithilfe dieser Ergebnisse wird ein Modell gebildet, welches die Vorhersage der mechanischen Eigenschaften von Bindenähten in teilkristallinen Thermoplasten erlaubt. Das Ergebnis des Forschungsvorhabens ist ein Modell der Entstehung und der resultierenden Eigenschaften von Bindenähten. Dies gibt Anwendern die Möglichkeit, sich früh in der Produktentwicklung gegenüber Bauteilversagen durch Bindenähte oder Mehrkosten durch Werkzeugiteration und der Anschaffung von Technologien zur Vermeidung von Bindenähten abzusichern. Es profitieren besonders KMU, die technische Kunststoffteile entwickeln und herstellen, da das hohe finanzielle Risiko von F&E-Projekten sowie die Produktentwicklungs- und Produktionskosten gesenkt werden.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel dieses Forschungsvorhabens war die grundlegende Erfassung der komplexen Zusammenhänge zwischen Prozessparametern, Morphologie und mechanischen Bindenahteigenschaften von teilkristallinen Thermoplasten in einem Modell.

Mechanische Eigenschaften von Probekörpern aus PA6, PBT und PP mit und ohne Bindenähten wurden in Zugversuchen ermittelt. Lichtmikroskopische Analysen der Morphologie sowie DSC-Analysen zur Bestimmung des Kristallisationsgrades und Analysen zur Bestimmung des pvt-Verhaltens wurden durchgeführt. Bei PBT sowie bei PA6 wurde kein signifikanter Einfluss der betrachteten Fertigungsparameter auf den Bindenahtfaktor bezogen auf die Streckgrenze festgestellt. Bei PP konnte für einen Versuchspunkt ein signifikanter Einfluss festgestellt werden. Dieser lässt sich durch eine Anpassung der Verarbeitungsparameter ausschließen. Es zeigt sich, dass eine hohe Schmelze- sowie Werkzeugtemperatur die mechanischen Eigenschaften positiv beeinflusst. Mithilfe dieser Ergebnisse wurde ein Modell gebildet, was die Vorhersage der morphologischen Eigenschaften sowie die Berechnung des relativen Kristallisationsgrades in teilkristallinen Thermoplasten erlaubt. Berücksichtigt wird die Schmelze- und Werkzeugtemperatur, sowie Nachdruck und Einspritzvolumenstrom. Es konnte eine Verbesserung der Vorhersagegüte des relativen Kristallisationsgrades um den Faktor Zwei im Vergleich zum Stand der kommerziell verfügbaren Technik erreicht werden. Die Projektergebnisse können zum einen den Anbietern von Spritzgießsimulationssoftware helfen, ihre Programme weiter zu verbessern und die Genauigkeit im Hinblick auf die Vorhersage von morphologischen Parametern sowie des relativen Kristallisationsgrades zu erhöhen. Zum anderen erlaubt die Berechnungsmethode Konstrukteuren, schon in der Planungsphase den Einfluss von Verarbeitungsparametern auf die Einsatzfähigkeit von Bauteilen abzuschätzen und somit ein Bauteil und das zur Herstellung notwendige Spritzgießwerkzeug zuverlässig auszulegen.