KUV 2

• Dies ist ein Vorlesungsskript, das eine Zusammenfassung der behandelten Themen darstellt
• Das Skript dient ausschliesslich zu Lehrzwecken an der TH-OWL.
• Jegliche weitere Verwendung ist aus urheberrechtlichen Gründen untersagt
• Die Struktur sowie der Inhalt der Vorlesung wurden von Prof. Dr. Barth erarbeitet.

Literaturhinweise

• Bonten, C.: Kunststofftechnik; Hanser Verlag
• Michaeli, W.: Einführung in die Kunststoffverarbeitung; Hanser Verlag
• Michaeli, W. u.a.: Technologie des Spritzgießens, Lern- und Arbeitsbuch; Hanser Verlag

Verarbeitungsverfahren Definition

• Als Urformen wird das Herstellen fester geometrischer Körper aus formlosen Stoffen wie Schmelzen, Granulaten und Flüssigkeiten genannt.
• Thermoplaste erweichen bei Erwärmung und können so bei geringen Umformkräften in eine neue Form gebracht werden.
• Thermoplaste behalten diese Form nach dem Abkühlen bei.
• Fügen in der Fertigungstechnik bezeichnet Verfahren, die zwei Bauteile dauerhaft verbinden.

Übersicht über Verarbeitungsverfahren

• Urformen
• Umformen

Urformverfahren

• Extrudieren
• Spritzgießen
• Extrusionsblasformen
• Kalandrieren
• Gießen
• Schäumen

Umformverfahren

• Kalandrieren
• Thermoformen (Tiefziehen, Biegen, Prägen)

Kalander: Urform- und Umformverfahren

• Materialzuführung erfolgt durch Extruder, Mischer/Kneter(Feststoffe oder Flüssigkeiten), Halbzeuge und Bahnenware
• Beispiele für kalandrierte Produkte sind Folien, Verpackungsfolien und Bänder mit Textilbeschichtung.

Inhaltsverzeichnis

• Identifikation von Kunststoffen
• Thermoformen
• Schweißen von Kunststoffen
• Rheologie
• Extrusion
• Spritzgießen
• (PUR Schaumstoffe)

Gängige Thermoformverfahren

• Thermoformen (Tiefziehen, Warmumformen)
• Prägen
• Biegen
• Schrumpfen

Thermoformen mit Vakuum - Verfahrensablauf

• Halbzeug einspannen.
• Halbzeug erwärmen.
• Werkzeug einfahren.
• Vakuum anlegen.
• Formteil abkühlen.
• Formteil entformen.

Abgrenzung Thermoformen und Spritzgießen

• Vorteile des Thermoformens: größere Formteile (bis 125 kg), einstellbare Bauteileigenschaften, geringe Werkzeugkosten
• Nachteile des Thermoformens: geringere Gestaltungsmöglichkeiten, begrenzte Ziehtiefe, schwierige Temperaturführung durch Kontakt-, Konvektions- und Strahlungswärme

Umformtemperatur Thermoplaste

• Der Temperaturbereich für die Umformung ist durch Gummi- bzw. Entropie Elastizität gekennzeichnet.
• Entscheidend ist der Glasübergangsbereich und Fließtemperaturbereich.

Verarbeitungsfenster bei doppelseitiger Beheizung

• Das Verarbeitungsfenster wird durch die obere Umformtemperatur (Verbrenner) und die untere Umformtemperatur (Kaltbruch) begrenzt.
• Es ergibt sich ein Verarbeitungszeitfenster.

Thermoformen mit Druckluft

• Es werden Entlüftungskanäle verwendet.
• Druckluft unterstützt die Formgebung.

Thermoformen mit Hilfsstempel - Verfahrensablauf

• Erwärmen
• Folie einschieben
• Werkzeug schließen
• Oberstempel einfahren
• Ausformen mit Druckluft
• Abkühlen, Entformen

Anlagen zum Thema Thermoformen:

• Einstationenmaschine mit doppelseitiger Beheizung und Doppelwerkzeug
• Vor der Formung wird ein Formring und ein Halbzeug verwendet.
• Nach der Formung wird Druckluft verwendet.

Thermoformen - FFS Verfahren (Form Fill Seal)

• Polystyrolfolie wird durch Thermoformen in Form gebracht.
• Es wird ein Versiegelung verwendet
• Deckelfolie , Stanzeinheit und Becherauswurf kommen zum Einsatz

Filmbeispiel

• Verpackungsmaschine (480 Packungen/min >500t/d)

Thermoformen – Produktbeispiele

• Anwendungen finden sich im Bereich von Fahrzeugteilen.

Prägen (z.B. Kreditkarte)

• Es wird Kaltes Halbzeug, eine heizbare Unterlage und ein Prägestempel verwendet.

Biegen

• Halbzeuge werden im Biegebereich erwärmt und eingespannt.
• Das Werkstück wird dann gebogen

Schrumpfen

• Folie wird deutlich über Tg aufgeheizt.
• Folie wird stark mechanisch verstreckt.
• Im verstreckten Zustand wird die Folie schnell unterhalb von Tg abgekühlt.
• Die verstreckte Folie wird appliziert.
• Folie wird deutlich über Tg erwärmt, wodurch sich Molekülketten wieder verknäueln und die Folie sich zusammenzieht.
• Typische Anwendung sind Verpackungen mit Schrumpffolien.
• Werkstoff: meist PE-LLD oder PP

Kunststoffschweißen - Allgemeines

• Beim Kunststoffschweißen werden thermoplastische Kunststoffe unter Anwendung von Wärme und Kraft, gegebenenfalls mit Schweißzusatz, verbunden.
• Fast alle Thermoplaste sind schweißbar.
• Wichtige Schweißparameter: Aufheiztemperatur, Aufheizzeit, Fügedruck, Fügeweg, Abkühlzeit

Übersicht Kunststoffschweißverfahren nach Art der Wärmeeinbringung

• Leitung: Heizelementschweißen,Heizwendelschweißen
• Konvektion: Heißgasschweißen, Extrusionsschweißen
• Strahlung: Kontaktloses HE-Schweißen, Infrarotschweißen. Laserschweißen, Hochfrequenzschweißen
• Reibung: innere Reibung/äußere Reibung(Ultraschallschweißen sowie Rotationsreib/Vibrationsschweißen)

Heizelementschweißen - 5 Phasen

• Phase 1, Ausgleichen: Die zu verschweißenden Oberflächen werden durch Ausrichten, Abdrehen oder Abschmelzen parallel zueinander angepasst.
• Phase 2, Durchwärmen: Die zu fügenden Teile werden mit einem Heizelement nicht nur an der direkten Oberfläche, sondern auch bis zu 3 mm tief erwärmt.
• Phase 3, Umstellen: Die Fügeteile werden schnell von dem Heizelement zurückgezogen und das Heizelement wird aus der Fügeebene herausgezogen.
• Phase 4, Fügen: Die angeschmolzenen Fügeteile werden unter definiertem Fügedruck bzw. Fügeweg zusammengefügt.
• Phase 5, Erkalten: Die Verbindung kühlt ab und die Endfestigkeit stellt sich ein.
• Die Arten des Heizelementschweißens sind Rohr-Stumpfschweißen und Überlappschweißen.

Heißgasschweißen

• Parameter: Gasmenge, Gastemperatur, Kraft auf den Stab, Winkel der Schweißstabzuführung, Schweißgeschwindigkeit.
• Ein Vorteil ist, dass keine Partikel entstehen und eine schonende Erwärmung stattfindet.

Rheologie – Einführung

• Rheologie ist die Lehre vom Verformungs- und Fließverhalten von Stoffen.
• Es gibt drei rheologische Grundeigenschaften: Viskosität, Plastizität und Elastizität.
• In wasserförmigen Medien gibt es kaum Bindungen zwischen den Molekülen, die sich bei Krafteinwirkung bewegen (fließen) und aneinander reiben, aber sich nicht verformen. Es gibt keine Rückstellkräfte.
• Polymerketten gleiten bei höheren Temperaturen unter Krafteinwirkung voneinander ab, wodurch Schmelzen entstehen, die fließfähig sind und Belastung unter Scherung, Dehnung und Stauchung wieder abbauen.
• Polymerschmelzen sind unter Druck kompressibel.

Rheologie - Eigenschaften

• Kunststoffschmelzen werden während der Kunststoffverarbeitung meist geschert, z. B. in der Rohrströmung eines Fließkanals oder in der Schleppströmung einer Verarbeitungsschnecke.
• Aufgrund der Wandhaftung bildet sich über einem Kanalquerschnitt ein Geschwindigkeitsprofil aus.
• Die Viskosität ist das Maß für die Fließfähigkeit.
• Die Viskosität I ist der Widerstand gegen die Verformung: Hohe Viskosität bedeutet hoher Widerstand, niedrige Viskosität bedeutet geringer Widerstand.
• Die Viskosität II ist der Quotient aus Schubspannung und Schergeschwindigkeit.

Fließkurve

• Fließkurve = Schubspannung über Schergeschwindigkeit
• 1a: newton'sch (Luft)
• 1b: newton'sch (höherviskos, z.B. H2O)
• 2: strukturviskos (Kunststoffschmelzen)
• 3: dilatant (Dispersionen)

Viskositätskurve

• Die Viskositätskurve beschreibt die Viskosität über die Schergeschwindigkeit
• 1a: newton'sch
• 2: strukturviskos
• 3: dilatant

Kunststoff in der Schmelze: Viskosität und Strukturviskosität

• Zu Beginn lastet auf beiden Flüssigkeiten die gleiche Flüssigkeitssäule, sodass von gleich hohen Schubspannungen τ und Schergeschwindigkeiten γ in den Kreiskapillaren ausgegangen werden kann.
• Bei sinkender Flüssigkeitssäule (und damit Schubspannung τ in den Kreiskapillaren) sinkt die Schergeschwindigkeit γ und die Viskosität η des grünen, strukturviskosen Mediums steigt an.
• Das grüne Medium wird somit überproportional langsamer, während das Newton'sche Medium immer den gleichen Fließwiderstand überwindet und nur proportional zur geringer werdenden Flüssigkeitssäule langsamer durchläuft.

Rheologie - Einfluss auf die Viskosität

• Die Viskosität von Kunststoffschmelzen ist zusätzlich abhängig von Temperatur, Druck, Molmassen, Weichmacher, Füllstoffanteil, etc.

Einfluss der Temperatur auf die Viskosität

• Polycarbonatschmelze: Die Viskosität nimmt mit ansteigender Temperatur ab.

Rheopexie und Thixotropie

• Die Viskosität ändert sich in Abhängigkeit der Zeit.
• Bei der Thixotropie nimmt die Viskosität zeitlich mit der Scherbelastung wieder ab, nach der Beendigung der Scherbelastung stellt sich die Ausgangsviskosität wieder ein.

Phänomen der Strangaufweitung bei Kunststoffschmelzen

• Hier werden "Polymerketten-Knäuls" in Fließrichtung geschert und teilweise elastisch und plastisch verformt. Je länger das Material in der Düse verweilt, desto mehr "Knäuls" verformen sich plastisch. Die plastischen Verformungen bleiben, die elastischen stellen sich zurück und sorgen für das Aufweiten des Strangs.

Einflüsse auf die Strangaufweitung

• Mit steigender Schergeschwindigkeit nimmt die Strangaufweitung zu, weil die Polymerketten stärker gedehnt werden.
• Das Molekulargewicht beeinflusst die Strangaufweitung, weil lange Polymerketten eine höhere Elastizität aufweisen.
• Die Temperatur beeinflusst die Strangaufweitung, da die Viskosität abnimmt
• Amorphe Polymere zeigen größere Strangaufweitung auf als teilkristalline Polymere
• Das Vorhandensein von Füllstoffen und Zusatzstoffen beeinflusst die Strangaufweitung
• Die Verarbeitungsbedingungen inklusive Druck, Temperatur und Geschwindigkeit beeinflussen die Strangaufweitung

Kapillarviskosimeter

• Mit einem Kapillarviskosimeter kann die Viskosität gemessen werden.

Kapillarviskosimetrie

• Die Kapillarviskosimetrie wird in mehreren Schritten durchgeführt: Messung, Berechnung, Approximation der „scheinbaren“ Fließkurve, Korrektur nach Weissenberg-Rabinowitsch und abschließende Darstellung der „wahren“ Fließkurve.

Schmelzrate

• MFR steht für Schmelze-Massefließrate (g/10 min) und MVR steht für Schmelze-Volumenfließrate (cm³/10 min).
• Vorgehensweise: Eine definierte Probenmenge wird aufgeheizt, das Gewicht drückt die Schmelze durch eine Kapillare, und es wird die Zeit und Masse für einen definierten Bereich des Prüfkanals gemessen.
• Für jedes Material gibt es Vorgaben für die Prüftemperatur-Nennlast-Kombination.
• Das Ergebnis ist ein Einpunkt-Kennwert und liegt in einem niedrigen Schwergeschwindigkeitsbereich und eignet sich für eine orientierende und genormte Wareneingangskontrolle (DIN EN ISO 1133).

Beispielwerte für Viskositäten:

• Luft (bei 23 °C): 1,7∙10⁻⁵ Pa∙s
• Wasser (bei 23 °C): 1,0∙10⁻³ Pa∙s
• Blut (bei 37 °C): 5,0∙10⁻³ Pa∙s
• Motorenöl (bei +150 bis – 20 °C): 0,1–0,6 Pa∙s
• Glycerin (bei 23 °C): 1 Pa∙s
• Honig (bei 23 °C): ≈10 Pa∙s
• Polycarbonat (bei 330 °C): 150 Pa∙s
• Bitumen (bei 250 °C): ≈1,0∙10⁹ Pa∙s