Werkstofftechnik 1 - Vorlesungsunterlagen PDF

Vorlesung Werkstofftechnik 1 gehalten durch Dr.-Ing. Lutwin Spix Dr. Lutwin Spix 1 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Vorwort Diese Foliensammlung stellt eine Kurzzusammenfassung der in de...

Vorlesung Werkstofftechnik 1 gehalten durch Dr.-Ing. Lutwin Spix Dr. Lutwin Spix 1 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Vorwort Diese Foliensammlung stellt eine Kurzzusammenfassung der in der Vorlesung behandelten Themen dar und ersetzt nicht den Besuch der Vorlesung/Übungen. Sie ist mit erheblicher Unterstützung von Herrn Jens Mannel entstanden. Die Struktur und der Inhalt der Vorlesung wurde durch Herrn Prof. Dr. Barth erarbeitet. Für die Erlaubnis, diese nutzen zu dürfen, bedanke ich mich ausdrücklich. Der Umdruck ist zur ausschließlichen Verwendung zu Lehrzwecken im Rahmen von Lehrveranstaltungen an der TH-OWL bestimmt, jegliche weitere Verwendung ist aus urheberrechtlichen Gründen untersagt. Lemgo, Sept. 2024 Dr. Lutwin Spix Literaturempfehlungen: Bonten, C.: Kunststofftechnik; Hanser Verlag; ist als pdf in der DigiBib der TH OWL für Studierende kostenlos erhältlich Domininghaus, H.; Kunststoffe - Eigenschaften und Anwendungen, Springer Verlag Dr. Lutwin Spix 2 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Dr. Lutwin Spix 82 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Werkstofftechnik 2. Historie von Werkstoffen und Kunststoffen 3. Wirtschaftliche Bedeutung 4. Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften 5. Kunststoffe im Werkstoffvergleich 6. Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge, Vernetzungsarten) 7. Zeitabhängiges Werkstoffverhalten 8. Temperaturabhängiges Werkstoffverhalten 9. Elektrische Eigenschaften, optische Eigenschaften 10. Kunststoffe in der Schmelze 11. Alterung von Kunststoffen 12. Recycling; Kunststoff und Ökologie Dr. Lutwin Spix 83 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststoff in der Schmelze Einleitung Allgemein für Werkstoffe Speziell für Kunststoffe Prozesse der Aufbereitung und Verarbeitung finden bei Kunststoffen oft in schmelzeförmigem Zustand statt. Dr. Lutwin Spix Quelle : Bonten Kunststofftechnik 84 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststoff in der Schmelze Einleitung Rheologie ist die Lehre vom Verformungs- und Fließverhalten von Stoffen. In der Rheologie unterscheidet man zwischen 3 rheologischen Grundeigenschaften Viskosität Plastiziät Elastizität Dr. Lutwin Spix 85 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststoff in der Schmelze Einleitung Dr. Lutwin Spix https://rheologiederkunststoffe.de/onewebmed Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! ia/Bild 2.1 Beispiele für rheologisches 86 Verhalten.mp4 Kunststoff in der Schmelze Einleitung Zielsetzung bei der Produktentwicklung ist es einen Werkstoff einzusetzen, der die gewünschten Eigenschaften im Festkörper besitzt. Bei Kunststoffen findet der Formgebungsprozess oft im schmelzeförmigen Zustand statt. Um ein geeignetes und kostengünstiges Verfahren auslegen zu können, werden die Fließeigenschaften der Schmelze gebraucht. Z.B. zur Berechnung / Abschätzung von: dem Druckbedarf zum Füllen einer Form der Orientierung von Polymerketten (Rückstellkräfte, Schrumpf) (Welche Verfahren kennen Sie? Wo treten dort Schmelzen auf?) Dr. Lutwin Spix 87 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststoff in der Schmelze Einleitung Anwendung der Rheologie bei der Werkzeugauslegung Quelle :Schröder Rheologie der Kunststoffe Dr. Lutwin Spix 88 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststoff in der Schmelze Einleitung Beispiel für die komplexen Vorgänge beim Fließen von Kunststoffschmelzen Strömungsverlauf im Spalt, z.B. in einem Spritzgießwerkzeug Dr. Lutwin Spix Quelle :Schröder Rheologie der 89 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststoffe, S46 Kunststoff in der Schmelze Einleitung In wasserförmigen Medien gibt es kaum Bindungen zwischen den Molekülen. Die Moleküle bewegen sich (fließen), wenn eine Kraft einwirkt. Sie reiben aneinander, aber sie verformen sich nicht. Es gibt keine Rückstellkräfte. Polymerketten gleiten bei höheren Temperaturen unter Krafteinwirkung voneinander ab. Dadurch entstehen Schmelzen, die fließfähig sind. Sie bauen die Belastung unter Scherung, Dehnung und Stauchung wieder ab. (Polymerschmelzen sind unter Druck kompressibel.) Dr. Lutwin Spix 90 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL!  Kunststoff in der Schmelze Makromoleküle in ruhender und gescherter Kunststoffschmelze verschiebbare Platte v F γ d In Bewegung d ruhend (geschert) feste Platte ruhend Prof. Dr. Chr. Barth 91 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Kunststoff in der Schmelze Rheologie 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. Dr. Lutwin Spix Quelle : Bonten Kunststofftechnik 92 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Wiederholung mechanische Spannung und Dehnung Spannung: F Senkrechter Schnitt: σ = A Schnitt unter Winkel α A F F Fläche A′ = t α = = ∗ sin(α) sin(α) A′ A Normalspannung F F o σ = t α ∗ sin α = ∗ sin α = ∗ sin2 (α) A′ A Kraft parallel zur Schnittfläche (Querkraft) Schub- oder Scherspannung F F o τ = t α ∗ cos α = ∗ cos α = ∗ sin α ∗ cos(α) A′ A Dehnung Einheit: [ ] , wird meist in „%“ angegeben ∆𝑙 𝜀= 𝑙 Dr. Lutwin Spix 93 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststoff in der Schmelze Rheologie Der Geschwindigkeitsunterschied zwischen den Platten führt in Z-Richtung zu einer Schubspannung zwischen den Volumenelementen. Im Zwei-Platten-Modell ist die Schubspannung über den Querschnitt konstant. (bei der Rohrströmung und Spaltströmung ergibt sich ein Spannungsprofil) 𝐅 𝐒𝐜𝐡𝐮𝐛𝐬𝐩𝐚𝐧𝐧𝐮𝐧𝐠 = 𝛕 = [Pa] 𝐀 Dr. Lutwin Spix Quelle : Bonten Kunststofftechnik 94 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststoff in der Schmelze Rheologie v F Aus der Bewegung der bewegten Platte γ d In Bewegung entsteht in Y-Richtung (Höhe) eine Scherung (geschert) γ im Werkstoff. Die Scherung γ ist ortsabhängig über dem Querschnitt und abhängig von der Geschwindigkeit der Strömung. Es lässt sich eine Schergeschwindigkeit berechnen: 𝐝𝐯 𝐒𝐜𝐡𝐞𝐫𝐠𝐞𝐬𝐜𝐡𝐰𝐢𝐧𝐝𝐢𝐠𝐤𝐞𝐢𝐭 = 𝛄ሶ = [1/s] 𝐝𝐲 Spalt/Rohr Platten dv vp γሶ 2−Platten−Modell = = dy H Dr. Lutwin Spix Quelle : Bonten Kunststofftechnik 95 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststoff in der Schmelze Rheologie Das Maß für die Fließfähigkeit heißt: Viskosität  Definition Viskosität I: Widerstand gegen Verformung Hohe Viskosität bedeutet hoher Widerstand Niedrige Viskosität bedeutet geringer Widerstand Definition Viskosität II: Quotient aus Schubspannung 𝛕 und Schergeschwindigkeit 𝛄ሶ Dr. Lutwin Spix 96 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststoff in der Schmelze Rheologie Schleppströmung im Zwei-Platten-Modell F Schubspannung = τ = [Pa] A dv vp [1/s] Schergeschwindigkeit = γሶ = = dy H 𝛕 𝐕𝐢𝐬𝐤𝐨𝐬𝐢𝐭ä𝐭 = 𝛈 = [Pa*s] 𝛄ሶ Dr. Lutwin Spix 97 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststoff in der Schmelze Beispielwerte von 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 Prof. Dr. Chr. Barth 98 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Kunststoff in der Schmelze Viskosität und Strukturviskosität Dr. Lutwin Spix Quelle: 99 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! https://www.youtube.com/watch?v=PmJNh_ztQrA Kunststoff in der Schmelze Viskosität und Strukturviskosität Höhe der Flüssigkeitssäule bestimmt die Schubspannung τ in der Kapillaren. Mit geringerer Höhe der Wassersäule nimmt die Schubspannung ab. Fließgeschwindigkeit bestimmt die Scherung γ und damit die Schergeschwindigkeit γሶ in der Kapillaren. Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Eigenschaften: „blau“ Newton´sche Flüssigkeit: Viskosität η ist unabhängig von der Schergeschwindigkeit γ.ሶ Die Schubspannung τ und damit die Höhe der Wassersäule gibt die Abnahmegeschwindigkeit der Säulenhöhe vor. „grün“ strukturviskose Flüssigkeit: Viskosität η ist abhängig von der Schergeschwindigkeit γ.ሶ Bei hoher Schergeschwindigkeit γሶ ist die Viskosität η kleiner als bei niedriger Schergeschwindigkeit. Dr. Lutwin Spix 100 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststoff in der Schmelze Viskosität und Strukturviskosität Auf beiden Flüssigkeiten lastet zu Beginn die gleiche Flüssigkeitssäule, so dass von gleich hohen Schubspannungen τ und Schergeschwindigkeiten γሶ in den Kreiskapillaren ausgegangen werden kann. Bei sinkender Flüssigkeitssäule (und damit Schubspannung τ in den Kreiskapillaren) sinkt die Schergeschwindigkeit γሶ und die Viskosität η des grünen, strukturviskosen Mediums steigt an. Somit wird das grüne Medium überproportional langsamer, während das Newton’sche Medium immer den gleichen Fließwiderstand überwindet und nur proportional zur geringer werdenden Flüssigkeitssäule langsamer durchläuft. Dr. Lutwin Spix Quelle : Bonten Kunststofftechnik 101 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL!  Kunststoff in der Schmelze Viskosität und Strukturviskosität 10 10 lg Schubspannung 8 8 lg Viskosität Newtonsches 6 6 Verhalten 4 4 2 2 0 0 0 5 10 15 0 5 10 15 lg Schergeschwindigkeit lg Schergeschwindigkeit 12 10 10 lg Schubspannung 8 Strukturviskoses lg Viskosität 8 6 Verhalten 6 4 4 2 2 0 0 0 5 10 15 0 5 10 15 lg Schergeschwindigkeit lg Schergeschwindigkeit Dr. Lutwin Spix 102 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststoff in der Schmelze Viskosität und Strukturviskosität Versuch einer anschaulichen Beschreibung der „Strukturviskosität“ von Kunststoffschmelzen Dr. Lutwin Spix Quelle : Bonten Kunststofftechnik 103 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststoff in der Schmelze Flüssigkeit bis Festkörper strukturviskoses Fließen Quelle :Schröder Rheologie der Kunststoffe Dr. Lutwin Spix 104 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststoff in der Schmelze Einfluss auf die Viskosität von Kunststoffschmelzen Viskosität von Kunststoffschmelzen ist zusätzlich abhängig von Temperatur, Druck, Molmassen, Weichmacher, Füllstoffanteil, etc…. Quelle :Menges Werkstoffkunde der Kunststofftechnik Dr. Lutwin Spix 105 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Rheologie Einfluss der Temperatur auf die Viskosität Polycarbonatschmelze 300°C [Pa*s] 320°C Viskosität 340°C 360°C 101 10² 10³ Dr. Lutwin Spix 106 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststoff in der Schmelze Schergeschwindigkeit in Verarbeitungsprozessen Bei höheren Temperaturen zeigen die Kunststoffe einen größeren Schergeschwindigkeitsbereich mit Newtonschen Fleißeigenschaften. Die verschiedenen Verarbeitungsverfahren brauchen/erzeugen unterschiedliche Schergeschwindigkeitsbereiche und damit unterschiedliche Viskositäten Quelle :Menges Werkstoffkunde der Kunststofftechnik Dr. Lutwin Spix 107 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL!  Kunststoff in der Schmelze Messung der Viskosität (Kapillarviskosimetrie A (DIN 54811)) Schubspannung Hohlzylinder Viskosität  Heizband (scheinbare*) vSt Schergeschwindigkeit Stempel *nur für newtonsche Medien p  d Düse Kunststoffschmelze = ØdSt  4 LDüse = Druckaufnehmer s 32 V Messdüse s = p1   d Düse 3 LDüse ØdDüse austretender  Kunststoffstrang p0 St   2 p = p1 − p0  d V=  v St s 4 Prof. Dr. Chr. Barth 108 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik