Polymer Engineering 2: Verarbeitung, Oberflächentechnologie, Gestaltung [2. Aufl.] 9783662598405, 9783662598412

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Helmut Schüle Peter Eyerer Hrsg.

Polymer Engineering 2 Verarbeitung · Oberflächentechnologie · Gestaltung 2. Auflage

Polymer Engineering 2

Helmut Schüle Peter Eyerer (Hrsg.)

Polymer ­Engineering 2 Verarbeitung, Oberflächentechnologie, Gestaltung 2. Auflage

Hrsg. Helmut Schüle Campus Pirmasens Hochschule Kaiserslautern Pirmasens, Deutschland

Peter Eyerer Fraunhofer Institut für Chemische Technologie Pfinztal, Baden-Württemberg, Deutschland

ISBN 978-3-662-59840-5 ISBN 978-3-662-59841-2  (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-662-59841-2 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Ursprünglich erschienen in einem Band unter Eyerer, Peter, Hirth, Thomas, Elsner, Peter (Hrsg.) © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2008, 2020 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von allgemein beschreibenden Bezeichnungen, Marken, Unternehmensnamen etc. in diesem Werk bedeutet nicht, dass diese frei durch jedermann benutzt werden dürfen. Die Berechtigung zur Benutzung unterliegt, auch ohne gesonderten Hinweis hierzu, den Regeln des Markenrechts. Die Rechte des jeweiligen Zeicheninhabers sind zu beachten. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag, noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Springer Vieweg ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer-Verlag GmbH, DE und ist ein Teil von Springer Nature. Die Anschrift der Gesellschaft ist: Heidelberger Platz 3, 14197 Berlin, Germany

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Inhaltsverzeichnis 1

Verarbeitung von Kunststoffen zu Bauteilen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1



Helmut Schüle und Peter Eyerer Grundlagen Partikeltechnik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Polymerpartikel, Polymerpulver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Urformen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Aufbereitung, Compoundieren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Verarbeitung von Kunststoffschmelzen, Rheologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Verarbeitung von Thermoplasten (Urformen). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Verarbeitung von Faserverbundwerkstoffen zu Leichtbauteilen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 Verarbeitung von thermoplastischen Elastomeren (TPE) [342, 343, 457] (s. a. Band 1, Kap. 3.9) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 Verarbeitung von Elastomeren (gekürzt nach H. Bille [345]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 Verarbeitungseinflüsse auf Bauteileigenschaften. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 Mikrowellentechnologie in der Polymerverarbeitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354 Umformen – Weiterverarbeitung von polymeren Halbzeugen: Thermoformen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 Rapid Prototyping (3D-Druck, Additive Manufacturing [AM]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374 Rapid-Prototyping-Verfahren (. Abb. 1.477) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375 Simulation bei der Kunststoffverarbeitung am Beispiel Spritzgießen (siehe auch 7 Abschn. 3.3.2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385 Literatur zu Kap. 1, Bd 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389

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Oberflächentechnologie für Kunststoffbauteile. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415

1.1 1.1.1 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.2.5 1.2.6 1.2.7 1.2.8 1.3 1.4 1.4.1 1.5

Peter Eyerer 2.1 Einführung und Übersicht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416 2.2 Ausgewählte Oberflächentechnologien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417 2.2.1 Molded Interconnected Devices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417 2.2.2 Plasmatechnologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435 2.2.3 Trocknungsverfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442 2.2.4 Verschiedene Oberflächentechnologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449 Literatur zu Kap. 2, Bd 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451 3

Gestalten, Design, Fügen, Auslegung, Berechnungsansätze, Simulation, EDV-unterstützte Konstruktion und Kosten von Kunststoffbauteilen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455

Peter Eyerer und Martin Keuerleber Konstruieren und Gestalten mit Kunststoffen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457 3.1 3.1.1 Einführung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457 3.1.2 Die neun goldenen Konstruktionsregeln für Kunststoffbauteile. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459 3.1.3 Konstruieren von Bauteilen aus Faserverbundkunststoffen, hergestellt mit der 3-D-Skelett-Wickeltechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490 3.2 Fügen und Verbinden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508 3.2.1 Kunststoffschweißen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508 3.2.2 Dimensionierung von Schnapphaken. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519 3.2.3 Schrauben. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524 3.2.4 Klettverschlüsse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527 3.2.5 Kleben (siehe auch Band 1). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527 3.2.6 Filmscharniere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528

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3.3 Bauteilauslegung und Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529 3.3.1 Bauteilauslegung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531 3.3.2 Berechnungsansätze und Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532 3.4 Verantwortlichkeiten bei der Formteilentwicklung in der Automobilindustrie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542 3.4.1 Aufgabenverteilung im Entwicklungsprozess. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542 3.5 Maschinenelemente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546 3.5.1 Gleitlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546 3.5.2 Rollen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546 3.5.3 Zahnräder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546 3.5.4 Kunststoffrohre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548 3.6 Bauteilkosten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556 3.6.1 Ziele der praktischen Kostenerfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557 3.6.2 Die Gliederung der Kosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557 3.6.3 Personalkosten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557 3.6.4 Materialkosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559 3.6.5 Maschinenkosten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560 3.6.6 Weitere Kostenarten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562 3.6.7 Abdeckung der Kosten in der Kalkulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564 3.7 Datenbanken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564 3.7.1 Datenbankanbieter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564 3.7.2 Patentdatenbanken. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565 3.7.3 Weitere Internetquellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565 Literatur zu Kap. 3 Bd 2 Gestalten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 567 Serviceteil Stichwortverzeichnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581

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Verarbeitung von Kunststoffen zu Bauteilen Helmut Schüle und Peter Eyerer 1.1 Grundlagen Partikeltechnik – 2 1.1.1 Polymerpartikel, Polymerpulver – 2

1.2 Urformen – 14 1.2.1 Aufbereitung, Compoundieren – 14 1.2.2 Verarbeitung von Kunststoffschmelzen, Rheologie – 18 1.2.3 Verarbeitung von Thermoplasten (Urformen) – 24 1.2.4 Verarbeitung von Faserverbundwerkstoffen zu Leichtbauteilen – 177 1.2.5 Verarbeitung von thermoplastischen Elastomeren (TPE) [342, 343, 457] (s. a. Band 1) – 266 1.2.6 Verarbeitung von Elastomeren (gekürzt nach H. Bille [345]) – 274 1.2.7 Verarbeitungseinflüsse auf Bauteileigenschaften – 295 1.2.8 Mikrowellentechnologie in der Polymerverarbeitung – 354

1.3 Umformen – Weiterverarbeitung von polymeren Halbzeugen: Thermoformen – 366 1.4 Rapid Prototyping (3D-Druck, Additive Manufacturing [AM]) – 374 1.4.1 Rapid-Prototyping-Verfahren (. Abb. 1.477) – 375

1.5 Simulation bei der Kunststoffverarbeitung am Beispiel Spritzgießen (siehe auch 7 Abschn. 3.3.2) – 385 Literatur zu Kap. 1, Bd 2 – 389

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 H. Schüle, P. Eyerer (Hrsg.), Polymer Engineering 2, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59841-2_1

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H. Schüle und P. Eyerer

1.1  Grundlagen Partikeltechnik 1.1.1  Polymerpartikel,

Polymerpulver

Ulrich Teipel

Partikulären Produkten und dispersen Systemen wie Pulvern, Granulaten, Tabletten, Suspensionen, Emulsionen, Gelen, Pasten oder Polymerdispersionen kommt in den verschiedensten industriellen Bereichen, wie z. B. der Pharmazie, der Lebensmittel- und Kosmetikindustrie, der Agrar-, der Chemie-, der Keramik- und der Polymerindustrie eine immer größer werdende Bedeutung zu. Partikel sind Produkte mit einer Größe von einigen Hundert Mikrometern bis zu wenigen Nanometern. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar misst im Durchmesser ca. 80 μm. Um ein Partikel oder eine Faser mit einem Durchmesser von 1 nm zu erzeugen, müsste dieses Haar 80.000 Mal gespalten werden. Partikuläre Produkte werden in den unterschiedlichsten Industriezweigen sowohl als Voroder Zwischenprodukte, aber in immer größer werdenden Maße als Endprodukt eingesetzt. Typische Beispiele hierfür sind die Bereitstellung hochwirksamer Pharmazieprodukte in Form feinster Partikel mit besonderen Eigenschaften, Partikel mit funktionalisierten Oberflächen, mit Metall gecoatete Polymerpartikel, mikroverkapselte Pharmazeutika mit definiertem ­Wirkstoff-Freisetzungsverhalten, nanoskalige Cadmiumsulfid-Partikel für die Halbleiterindustrie oder Nanopartikel für neue Hochleistungskeramikbauteile. Um diese und andere innovative partikuläre Produkte bzw. disperse Systeme am Markt erfolgreich platzieren zu können, müssen die anwendungs- und verbrauchsorientierten Eigenschaften gezielt gesteuert werden [1]. Im Bereich der Polymertechnik sind zwei Produktgruppen sehr wesentlich. Zum einen die Gruppe der Vorprodukte, die mit den verschiedensten Pulververarbeitungsprozessen z. B. zu Compounds verarbeitet werden, und zum anderen die Gruppe der Polymerdispersionen. Beispiele für Polymerpulververarbeitungsprozesse sind Sinterprozesse, Spritzguss- und Extrusionsprozesse oder der Coatingprozess [2]. Polymerdispersionen sind im Gegensatz

zu klassischen Kunststoffprodukten nach ihrer Anwendung für den Verbraucher meist nicht erkennbar. Die Effekte, die durch Polymerdispersionen (Polymerpartikel sind in einer Flüssigkeit suspendiert) erzielt werden können, lassen sich mit „Schützen, Verbinden oder Veredeln“ umschreiben. Oberflächen aus Metall, Holz, Leder, Folien etc. können durch eine Beschichtung mit Polymerdispersionen geschützt oder veredelt werden. Polymerdispersionen werden auch als Bindemittel in Farben und Lacken oder für Fasern in der Textilindustrie eingesetzt. Des Weiteren werden diese Dispersionen als Rohstoffe in der Klebetechnik oder zur Eigenschaftsverbesserung z. B. von Stärkeprodukten, Bitumen oder Zement verwendet [3]. Eine sehr häufig eingesetzte Methode zur Herstellung von Polymerdispersionen ist die Emulsions- oder Suspensionspolymerisation. Nach erfolgter Synthese der Polymerpartikeln sind für die Verarbeitung, das Handling, die Modifizierung und Funktionalisierung von Polymerpulvern die Kenntnisse über allgemeine sowie spezielle Eigenschaften, wie das Agglomerationsverhalten, die Partikelgrößenverteilung, die spezifische Oberfläche, das Fließund Dosierverhalten, die mechanischen und rheologischen Eigenschaften, das Verhalten der Polymerpartikel bei der Lagerung z. B. in einem Silo, das Verhalten bei einer pneumatischen Förderung oder einem Mischprozess und die Wechselwirkungen mit ihrer Umgebung von entscheidender Bedeutung für alle nachfolgenden Prozesse [4, 5]. Im Folgenden soll beispielhaft eine Möglichkeit zur Größenreduktion von partikulären Polymerrohprodukten für die Weiterverarbeitung in praxisrelevanten Polymerpulververarbeitungsprozessen vorgestellt werden. 1.1.1.1  Zerkleinerung –

Größenreduktion partikulärer Feststoffe

Die Größenreduktion partikulärer Feststoffe durch Zerkleinerung erfolgt durch Zufuhr mechanischer Energie. Zerkleinern ist das Zerteilen eines festen Körpers in mehrere Teilkörper durch äußere Beanspruchung bis zum Bruch [6]. Ein wichtiges Ziel der Zerkleinerung ist die

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3 Verarbeitung von Kunststoffen zu Bauteilen

Erzeugung einer größeren spezifischen Oberfläche. Durch die mechanische Beanspruchung von außen durch das Werkzeug wird in den Partikeln ein Spannungsfeld aufgebaut, welches nach Überschreitung der molekularen Bindungskräfte den Bruchvorgang auslöst. Die räumliche Verteilung der lokalen Spannungsfelder und die Rissausbreitungsgeschwindigkeit hängen sehr entscheidend von der eingebrachten Energie und dem Materialverhalten ab. Modelle aus der Bruchmechanik zeigen, dass die Spannungen an der Rissspitze ein Vielfaches der von außen angelegten Spannung betragen können; sie werden umso größer, je kleiner der Krümmungsradius der Rissspitze wird. Die Zerkleinerungsarbeit bzw. der Energieeintrag bis zum Erreichen des Bruchs stellt sich wie folgt dar:  Wσ = σ (ε)dε

Verformungen und Spannungen in Partikeln sind über die mechanischen Stoffgesetze miteinander verknüpft. Es lassen sich die drei Grenzfälle elastisches, plastisches und viskoses Verhalten unterscheiden. So ist z. B. von sehr spröden Stoffen wie Glas bekannt, dass kleine Materialbereiche an der Rissspitze sich plastisch deformieren. Das Materialverhalten eines Stoffes ist u. a. stark temperaturabhängig. Eine Temperaturerhöhung verändert das Verhalten in Richtung plastisch/viskos, während eine Temperaturabsenkung versprödend wirkt. Diesen Effekt macht man sich beispielsweise bei der Zerkleinerung von Kunststoffen zunutze, indem man das Material durch flüssigen Stickstoff vor der Zerkleinerung durch Abkühlen versprödet. Formmassen mit einem hohen Elastizitätsmodul deformieren nur sehr wenig bis es zum Bruch kommt. Bei kleinem Elastizitätsmodul folgt auch bei geringer Spannung eine hohe Deformation. In . Abb. 1.1 werden Beanspruchungsarten zur Zerkleinerung von Partikeln vorgestellt. Die große Anzahl der Feststoffe und technischer Zerkleinerungsvorgänge haben eine Vielzahl an Zerkleinerungsapparaten unterschiedlicher Arbeitsweise, Bemessung und Leistungsfähigkeit entstehen lassen. Bewegte Mahlorgane zerkleinern das Gut durch Druck, Schlag, Prall, Scheren, Knicken, Reiben oder Schleifen. Meist treten mehrere dieser Kräfte gleichzeitig auf. . Tab. 1.1 gibt einen Überblick über Feststoffeigenschaften und Anwendbarkeit der Beanspruchungsarten.

. Abb. 1.1  Beanspruchungsarten zur Zerkleinerung von Partikeln

. Tab. 1.1  Zur Wechselwirkung von Feststoffeigenschaften und Beanspruchungsarten Materialeigen­ schaft

Schlag

Druck

Prall

Scheren

Hart

++

++

−

−

Spröde

++

++

++

−

Mittelhart

++

++

++

−

Weich

+

+

++

++

Elastisch

−

−

++

++

Zäh

−

−

++

++

Faserig

+

−

+

++

ThermischEmpfindlich

−

−

++

+

++ sehr gut; + gut; − ungeeignet

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H. Schüle und P. Eyerer

Zerkleinerungsmaschinen kann man nach der Härte des zu zerkleinernden Materials, nach der Beanspruchungsart, nach der gewünschten Partikelgröße und nach ihren Einsatzbereichen einteilen. Für Kunststoffe sollten vor allem Zerkleinerungsapparate, welche die Materialien auf Prall und Scherung beanspruchen, ins Kalkül gezogen werden. Solche Apparate sind z. B. Schneidmühlen (. Abb. 1.2) und verschiedenste Prallmühlen (z. B. Hammermühlen, . Abb. 1.3, oder Pralltellermühlen). . Abb. 1.2 zeigt eine typische Schneidmühle mit einem rotierenden Schneidwerkzeug, das zentral gelagert ist. Solche Mühlen werden

. Abb. 1.2 Schneidmühle

. Abb. 1.3 Hammermühle

typischerweise zur mittelfeinen Zerkleinerung plastischer und gummielastischer Stoffe sowie zum Aufschluss von Materialverbünden (z. B.  Kunststoff/Kunststoff) mittels Scher- und Schneidbeanspruchung verwendet. Dabei wird das Aufgabegut zwischen dem Rotor- und Statormesser zerkleinert. Das Mahlgut wird solange im Mahlraum umgewälzt, bis die erforderliche Granulatgröße erreicht ist und das Gut durch die den Mahlraum begrenzende Siebfläche klassiert wird. . Abb. 1.3 zeigt eine Hammermühle in der das Aufgabegut durch Schlag und Prall beansprucht wird. Die benötigte Energie wird durch einen bewegten Rotor in

5 Verarbeitung von Kunststoffen zu Bauteilen

das Aufgabegut eingeleitet. Hammermühlen bestehen aus einer Rotortrommel mit horizontaler Achse und gelenkig gelagerten Hämmern. Es werden Rotorumfangsgeschwindigkeit zwischen 20–70 m/s realisiert. Der Rotor hat typischerweise einen Durchmesser von 200  mm bis 800 mm. Um eine Zerkleinerung von Kunststoffen in den Bereich feinerer Produktgröße zu erleichtern, kann das Material z. B. mit flüssigem Stickstoff versprödet werden. Prinzipiell bleibt die Zerkleinerungsapparatur unverändert, nur die Mahlluft wird durch ein Kältemedium ersetzt. 1.1.1.2  Beschichtung von partikulären

Materialien

Die Technologie der Mikroverkapselung von partikulären Materialien wird häufig z. B. bei pharmazeutischen und agrartechnischen Produkten oder zum Zweck der kontrollierten Wirkstofffreigabe, eingesetzt. Hierbei wird um die einzelnen Wirkstoffpartikel eine Schicht erzeugt, welche üblicherweise semipermeabel ausgeführt ist, sodass der Wirkstoff in Abhängigkeit der Zeit durch die Coatingschicht permeiert. Eine andere Möglichkeit der kontrollierten Freigabe besteht darin, Beschichtungen derart herzustellen, dass diese bei bestimmten Umgebungseinflüssen durchlässig werden bzw. sich auflösen. Zu nennen ist hier die magensaftresistente Beschichtung von Medikamenten, deren Stabilität vom pH-Wert abhängt. Eine weitere technische Anwendung ist die Mikroverkapselung von Farboder Klebstoffen, wobei eine undurchlässige Beschichtung durch gezielte mechanische Belastung zerstört wird und somit ihren Inhalt freigibt.

. Abb. 1.4  Verfahrensvarianten der Mikroverkapselung

1.1.1.2.1   Grundlagen der

Mikroverkapselung

Unter Mikrokapseln versteht man Partikel mit einem mittleren Durchmesser von 1–5000 μm, die aus einem Kern und einer festen Hülle bestehen [7]. Der Kern kann ein Gas, eine Flüssigkeit oder ein Feststoff sein. Die feste Hülle wird vor allem aus natürlichen oder synthetischen Polymeren aufgebaut. Die äußere Form der Mikrokapseln ist vom Kernmaterial und der Abscheidungsart des Wandmaterials abhängig. Mikroverkapselte Flüssigkeiten behalten in der Regel ihre sphärische Form. Bei beschichteten Feststoffen (z.  B. Kristallen) ist deren äußere Gestalt weitgehend von der Wandstärke der Kapsel abhängig. Es werden mechanisch-physikalische und chemische Verfahren der Mikroverkapselung unterschieden. Bei den mechanisch-physikalischen Verfahren werden Flüssigkeits- oder Feststoffpartikel im Gasraum verkapselt. Die chemischen Verfahren arbeiten in flüssiger (kontinuierlicher) Phase, also in Emulsionen oder Suspensionen. Die Verkapselung erfolgt hierbei durch Abscheidung des im Kontinuum gelösten Wandmaterials an der Grenzfläche zwischen Kernmaterial und kontinuierlicher Phase. In . Abb. 1.4 sind verschiedene Verfahren bzw. Kapselbildungsmechanismen aufgeführt. Als grundlegendes Unterscheidungsmerkmal wird der Aggregatzustand des Trägermediums betrachtet. Bei den Coatingverfahren in der Gasphase muss das zu beschichtende Partikelkollektiv fluidisiert werden, wobei das flüssige Beschichtungsmaterial (Schmelze oder Lösung) mittels Zerstäubung auf die bewegten Partikel aufgebracht wird. Zur Erzeugung und Erhaltung einer Wirbelschicht werden große Gasvolumenströme benötigt, wobei je nach Auslegung der

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H. Schüle und P. Eyerer

Abluftfilter Feinanteile des Partikelkollektivs in den Abluftstrom mitgerissen werden. 1.1.1.2.2   Wirbelschichtverfahren

Bei der Mikroverkapselung mittels Wirbelschichtverfahren werden die zu coatenden Partikel in einer Wirbelschicht fluidisiert und anschließend das Beschichtungsmaterial, welches sich dann aufgrund von Wechselwirkungspotenzialen zwischen den Partikeln und dem Fluid auf der Oberfläche niederschlägt und einen Oberflächenfilm bildet, eingedüst. . Abb. 1.5 zeigt schematisch einen Wirbelschichtreaktor. Das feste, feinteilige Kernmaterial wird dabei von einem vertikalen Luftstrom in Schwebe gehalten und schließlich die Wandmateriallösung zerstäubt. Nach Verdunsten des Lösungsmittels liegt das Wandmaterial als feste Schicht auf dem Kern vor. 1.1.1.2.3   Chemische Verfahren

Neben den physikalischen Verfahren eignen sich die nachfolgend aufgeführten chemischen Verfahren für eine Vielzahl von technischen Anwendungen. Je nach der Art des Abscheidungsmechanismus des Wandmaterials unterscheidet man folgende Verfahren [7].

. Abb. 1.5 Wirbelschichtreaktor

Wandbildung durch Polykondensation oder -addition: Die Grenzflächen-Polymerisation beinhaltet eine Reaktion von verschiedenen Monomeren an der Grenzschicht zwischen zwei nicht mischbaren Flüssigphasen, wobei ein Polymerfilm entsteht [8]. Das Verfahren wird bei Emulsionen eingesetzt, wobei jeweils die kontinuierliche und die disperse Phase eine Monomerkomponente enthalten, die beim Zusammentreffen an der Grenzfläche polymerisieren und somit die disperse Phase einschließen. 5 Verkapselung mittels In-situ Polymerisation: Der Prozess der In-situ Polymerisation unterscheidet sich von der Grenzflächen-Polykondensation darin, dass nur ein Monomer oder Vorkondensat in der dispersen oder der kontinuierlichen Phase vorliegt. Ausgelöst durch einen Katalysator bildet sich eine unlösliche Polymerschicht, die das Kernmaterial einschließt [8, 9]. 5 Koazervation, Phasenseparation [9] Während der Begriff Koazervation für die Phasentrennung in wässrigem Medium gebraucht wird, versteht man üblicherweise unter Phasenseparation die Polymerentmischung (Koazervation) in nichtwässrigen Medien [10]. Es können unterschiedliche Prinzipien zur Einleitung der Phasentrennung eingesetzt werden (die Wechselwirkung inkompatibler Stoffe, die Zugabe eines Nichtlösungsmittels oder das Aufprägen eines Temperaturgradienten) [11]. Ein Koazervat kann als Zwischenprodukt bei der Überführung eines gelösten bzw. kolloidal verteilten Polymers in ein festes Präzipitat entstehen, wobei das Koazervat eine noch lösungsmittelhaltige Phase ist, in welcher sich die gelösten Moleküle bzw. kolloiden Anteile anreichern und zu größeren Verbänden aggregieren. Das Koazervat ist hierbei in der verbleibenden Restlösung (Gleichgewichtsphase), die wenig kolloide Anteile des Polymers enthält, nicht mehr löslich. . Abb. 1.6 zeigt die für ein Koazervationsverfahren typischen Schritte: a) Das Kernmaterial wird in einer Lösung des polymeren Beschichtungsmaterials dispergiert. b) Beginn der Koazervation durch Zugabe von Hilfsstoffen oder Änderung der Versuchsparameter.

7 Verarbeitung von Kunststoffen zu Bauteilen

. Abb. 1.6  Verfahrensschritte bei der Mikroverkapselung durch Koazervation [8]

c) Allmähliche Abscheidung der Koazervattropfen an der Kernmaterialoberfläche. d) Koaleszenz der Koazervattropfen zu einer geschlossenen Mikrokapsel. e) Vernetzung und Trocknung der Koazervatschicht zu einer festen Kapsel. 1.1.1.3  Charakterisierung von

Polymerpulvern

Neben der Partikelsynthese und der Verarbeitung von Polymerpartikeln ist deren Charakterisierung von besonderer Bedeutung. Ein sehr wichtiges Produktmerkmal ist hierbei die Partikelgröße und die Größenverteilung einer Pulverschüttung bzw. einer Polymerdispersion. Im Folgenden werden einige ­ Analyseverfahren und ihre Besonderheiten vorgestellt. Die Einteilung der unterschiedlichen Messverfahren erfolgt aufgrund ihres physikalischen Messprinzips. Sie lassen sich in Trennverfahren (Sieben, Impaktoren), in Sedimentationsverfahren (Schwerkraft-Sedimentation, Zentrifugieren), in ­ Zählverfahren (Coulter Counter, Extinktionsmessungen, automatische Bildanalyse), in optische Verfahren (Laserbeugungsspektrometrie, dynamische Lichtstreuung, Lichtextinktionsverfahren) und andere Methoden (z. B. differentielle elektrische Mobilitätsanalyse, Röntgendiffraktometrie, Kleinwinkelstreuung) einteilen. Ein wichtiges Merkmal jedes Verfahrens ist der mögliche Messbereich (siehe . Abb. 1.7). Die Größenangaben stellen nur Richtwerte dar.

Im Folgenden werden beispielhaft das Verfahren der Laserbeugungsspektrometrie, die Sedimentationsanalyse und die Partikelgrößenanalyse mittels Coulter-Counter (Zählverfahren) vorgestellt. 1.1.1.3.1   Laserbeugungsspektrometrie

Trifft eine Lichtwelle (Wellenlänge λ) auf ein Partikel (Durchmesser x, Brechungsindex n), so ändert sich die Ausbreitungsrichtung der Lichtwelle. Die Ursachen dieser Streuung können Beugung, Brechung und Reflexion sein (. Abb. 1.8). Die Intensität I des an einem Partikel gestreuten Lichts im Verhältnis zur Intensität I0 des einfallenden Lichts hängt vom Streuwinkel θ, vom Brechungsindex n, von der Lichtwellenlänge λ und vom Partikeldurchmesser x ab:

l = f (θ , n, , x) l0 Der Mie-Parameter α beschreibt die Einflüsse von l und x durch das Verhältnis von Kugelumfang π X zur Wellenlänge λ:

α=

π ·X 

Es werden drei Bereiche unterschieden: a ≪ 1 - Bereich der Rayleigh-Streuung

0,5 65

6

6

4

6

PS

6

–

3

>65

6

6

6

6

PPO/PS mod

6

–

3

>45

6

6

6

6

PBT

6

–

2

>65

6

6

4

6

PC

6

–

2

>70

6

6

4

6

SAN

6

–

2

>65

6

6

6

6

PET

6

–

2

>65

6

6

6

6

ABS/PC

6

–

2

>65

6

6

6

6

PC/PBT

6

–

2

>65

6

6

6

6

1 = ausgezeichnete Haftung – Kohäsionsbruch; 2 = sehr gute Haftung – Adhäsionsbruch; 3 = gute Haftung; 4 = ausreichende Haftung; 5 = geringere Haftung; 6 = keine Haftung

Scherung) ist jedoch auch in nicht zu unterschätzender Weise von der vorgegebenen Formteilgeometrie und insbesondere von der Verbindungsfläche abhängig (. Abb. 1.358). Aufgrund der meist vorliegenden leichten Verformbarkeit der TPE-Formmassen ist grundsätzlich zu prüfen, inwieweit eine rein formschlüssige Verbindung überhaupt gewählt werden kann (ggf. zusätzliche Verbindungselemente vorsehen). Die Herstellung von Hart-Weich-Bauteilen (Mehrkomponenten-Spritzgießen) im Spritzgießprozess erfolgt in praxi mit verschiedenen Werkzeugkonzepten. In . Abb. 1.359 ist dargestellt: A) das Drehtischverfahren, bei welchem der auf einem Werkzeugdorn aufgeschrumpfte Spritzling mithilfe eines Drehteils zur

­ ächsten Einspritzstation weitertransn portiert wird. B) das Umsetzverfahren, bei welchem der Spritzling in ein zweites Werkzeug eingelegt und schließlich angespritzt wird (z. B. Schraubenzieherherstellung mit guter Griff-Haptik). C) das Indexplattenverfahren, bei welchem der Vorspritzling in ein zweites, kern- und matrizenangepasstes Werkzeug einschließlich Indexplatte eingeführt wird. D) das Schieberverfahren, bei welchem ein zurückfahrender Einsatz (Absperrkern) für den zweiten Spritzvorgang die Kavität vergrößert. Da das Werkzeug nicht geöffnet werden muss, erfolgt die Anbindung bzw. Verschweißung der verschiedenen Polymermassen bei sehr hohen Massetemperaturen (günstige Schweißfestigkeitswerte).

272

H. Schüle und P. Eyerer

1

. Abb. 1.358  Prinzipielle Verbindungsmöglichkeiten bei einer Formmassenpaarung TPE/Thermoplast

. Abb. 1.359  Verschiedene Werkzeugkonzepte zur Herstellung von Hart-Weich-Bauteilen nach Netstal

Das Coinjektionsverfahren (Sandwich- oder Mehrschichtspritzgießen) ermöglicht mehrschichtige Bauteile (. Abb. 1.360 und 1.361) herzustellen (siehe 7 Abschn. 1.2.3.1.1).

Grundsätzlich ist festzuhalten, dass eine Verarbeitung von TPE-Formmassen mit allen gängigen Sonderverfahren (Prägen, Hinterspritzen, Gasinnendruckverfahren) möglich ist.

273 Verarbeitung von Kunststoffen zu Bauteilen

. Abb. 1.360  Laufrad mit dämpfender schwarzer Zwischenlage aus TPE. (Foto: Fraunhofer ICT)

. Abb. 1.361  Spritzgegossener Haltegriff aus PP GF30, hergestellt in Mehrkomponenten-Technik mit Antirutschauflage aus TPE. (Foto: Fraunhofer ICT)

z Verarbeitung im Extrusionsverfahren

TPE-Formmassen können unter Verwendung von Pinolen- und Stegdornhalterwerkzeugen

sowie Breitschlitzdüsen verarbeitet werden. Da die meisten TPE-Schmelzen beim Austritt aus der Düse geringe Formstabilität aufweisen, muss die Kühlungseinheit bzw. die Kalibrierung unmittelbar an die Düse herangeführt werden ohne die Temperaturführung am Düsenkopf zu beeinflussen. Zur Kühlung können Wasserbäder, Wassersprühdüsen, Luftduschen oder Kombinationen dieser Systeme angewendet werden. Die, bei harten Thermoplasten, üblichen Kalibrierungssysteme, wie Ziehscheiben, fliegender Stopfen und Vakuumkalibrierung, können nur angewendet werden, wenn sich zwischen Extrudat und Kalibrierfläche ein Gleitfilm ­aufbaut. TPE-Monoprofilanlagen (. Abb. 1.362) für die Herstellung von Profilen aus einem TPEGranulat benötigen formmassenspezifisch ausgelegte Mischplastifizierschnecken. Zur Herstellung von geschäumten TPE-Halbzeugen wird mittels einer prozessoptimierten Einspritztechnologie das Treibmittel (chemisch, physikalisch; insbesondere aber Wasser) zugeführt. Mit TPE-Coextrusionsanlagen lassen sich beliebig mehrschichtig aufgebaute Halbzeuge (TPE kompakt/TPE geschäumt; PP/TPE geschäumt) herstellen. Auch die Coextrusion von T ­PE/Stahlarmierung-Bauteilen ist möglich. Neuere Entwicklungen sind GummiHybridanlagen. Dabei wird in einem Verarbeitungsschritt ein Zweikomponentenprofil aus Gummi und einem TPE-Werkstoff hergestellt. Nach der Extrusion und Kalibrierung wird die Kautschukkomponente durch Vulkanisation in einem Mikrowellenkanal vernetzt.

. Abb. 1.362  TPE-Monoprofilanlage für die Herstellung von geschäumten Profilen nach Berstorff [338]

1

274

1

H. Schüle und P. Eyerer

Vorteilhaft ist hierbei der Umstand, dass der Gummi einen geringen Druckverformungsrest aufweist und die günstigen Eigenschaften des TPE-Werkstoffs in die Bauteilfunktion miteinfließen. Die Flachfolienextrusion wird vorzugsweise bei Foliendicken größer als ca. 0,5 mm angewendet. Geeignet sind Chill-Roll-Verfahren oder Abzugskalander. Beim Kalander ist der erste Walzenspalt so einzustellen, dass die Folienbahn beidseitig geglättet wird. Werden matte Oberflächen gewünscht, sind mattierte, PTFE-beschichtete oder mit Silikongummi belegte Walzen zu wählen. Die Walzentemperaturen sollten zwischen 5 und 40 °C liegen. Mit dem Blasfolienverfahren können Folien im Bereich von 0,02 bis ca. 1 mm Dicke gefertigt werden. Die Zugabe von Funktionskonzentraten (z. B. Antiblockmittel) erleichtert die Weiterverarbeitung. Durch Coextrusion von TPE-Formmassen mit harten Thermoplasten wird das Eigenschafts- und Anwendungsspektrum der ­ daraus hergestellten Artikel erweitert (verbessert die Kratzfestigkeit von Oberflächen, erzeugt eine angenehme Haptik und dämpft Geräusche). Die Herstellung von geblasenen Hohlkörpern ist mit speziell entwickelten TPU-Typen nach bekannten Techniken möglich (Faltenbälge).

. Abb. 1.363  Aufbau einer Kautschukmischung [346]

1.2.6  Verarbeitung von Elastomeren

(gekürzt nach H. Bille [345])

Bei der Gummiverarbeitung finden viele Stoffe Verwendung. Dem Kautschuk werden Füllstoffe, Weichmacher und Verarbeitungshilfen beigemischt. Je nach geforderter Spezifikation des Gummis ist eine Vielzahl unterschiedlicher Chemikalien bei einem modernen Industrieunternehmen im Einsatz (. Abb. 1.363 und 1.364, s. a. Band 1, Kap. 3.10). Die Bestandteile der Kautschukmischung (. Abb. 1.363) können in unterschiedlichen Lieferformen vorliegen: 5 als Feststoff in Form von Ballen, Krümeln, Granulaten, Chips, Pulver 5 als Paste oder Flüssigkeit. Die Elastomerverarbeitung umfasst die drei (wesentlichen) Verfahrensschritte (. Abb. 1.364) 5 Wiegen und Mischen 5 Formgebung (Rohlingsverarbeitung) und 5 Vernetzung (Vulkanisation). Elastospezifische Prüfungen zur Ermittlung wichtiger Kenngrößen, siehe auch Band  3, Abschn. 1.3.2 1.2.6.1  Wiegen und Mischen

Die Mischungsherstellung erfolgt batchweise; alle Zuschlagsstoffe (. Abb. 1.363) werden vor dem

1

275 Verarbeitung von Kunststoffen zu Bauteilen

. Tab. 1.36  Rezeptur und Mischvorschrift für eine Lkw-Laufflächenmischung [110]

. Abb. 1.364  Gummiverarbeitung [347]

Mischvorgang abgewogen bereitgestellt oder während des Mischprozesses automatisch zudosiert. . Tab. 1.36 zeigt am Beispiel einer LkwLaufflächenmischung eine Rezepturzusammenstellung auf. Mischungsherstellung 5 Vormischen nur für extrem hohe Füllgrade und/oder das Verschneiden bedingt verträglicher Polymere 5 Mastifizieren wird bei naturkautschukhaltigen (NR) Mischungen häufig dem Grundmischen vorgeschaltet 5 Grundmischen Hier wird durch das Einarbeiten der Hauptkomponenten eine Wechselwirkung mit den Polymeren erzeugt. Dies gilt besonders für verstärkende Zusatzstoffe. Das Grundmischen ist ein dispersiver Mischvorgang. 5 Nachzwicken Bei hochgefüllten sehr harten/zähen Mischungen (insbesondere für Reifen) werden durch einen oder mehrere zusätzliche Arbeitsgänge nach dem Grundmischen (Nachzwicken) die Viskosität und Elastizität für die Weiterverarbeitung erniedrigt. 5 Fertigmischen In die hochviskose Grundmischung werden die verformungs- und fließfähigen Vernetzungschemikalien laminar eingemischt.

Mischungskom­ ponenten

Rezeptur Kautschuk­ prozente %

Mischungs­ prozente %

Naturkautschuk (RSS 3)

100

60,432

Ruß N 220

50

30,212

Weichmacher (Mineralöl)

3

1,813

Alterungsschutz IPPD

1

0,604

Alterungsschutz TMQ

1

0,604

Lichtschutzwachs

1,5

0,906

Stearinsäure

3

1,813

Zinkoxid

3

1,813

Beschleuniger MBS

1,5

0,906

Schwefel

1,5

0,906

Endwerte

165,5

100

Das distributive Mischen muss dem laminaren Mischen überlagert werden. Die zur Mischungsherstellung in einem kautschukverarbeitenden Betrieb eingesetzten Mischverfahren lassen sich in 5 diskontinuierliche, batchweise arbeitende Verfahren in Innenmischern (Kneter) und auf Walzwerken sowie in 5 kontinuierliche Verfahren in Mischextrudern unterteilen. Innenmischer (Kneter)

In einer temperierten Kneterkammer, . Abb. 1.365 werden die Zuschlagstoffe mithilfe des Stempels in den Arbeitsbereich der Knetschaufeln gepresst und vermischt. Zur Zerteilung der Füllstoffe und zum Aufschließen mit dem hochviskosen Kautschuk werden hohe Scherkräfte und daher große Antriebsleistungen benötigt. Durch die intensive Knetarbeit wird Wärme erzeugt, die durch die Manteltemperierung abgeführt werden muss. Vorteile der Mischungsherstellung im Innenmischer (Kneter), . Abb. 1.366, sind:

276

H. Schüle und P. Eyerer

1

. Abb. 1.365  Kneterbauarten [345]

. Abb. 1.366  Schematische Ansicht eines Innenmischers [345]

5 kurze Mischzyklen (2 bis 6 min) durch intensive Erfassung und Bearbeitung des Materials 5 wegen der geschlossenen Kammer geringe Staub- und Dampfbelastung der Umgebung. Walzwerk

Obwohl Mischungsherstellung auch allein auf Walzwerken möglich ist, arbeitet man in der

Regel zweistufig: Zunächst wird im Kneter mit hohem Energieeintrag in kurzer Zeit die Grundmischung ohne Vernetzungschemikalien hergestellt. Hierbei wird ein starker Temperaturanstieg in Kauf genommen. Anschließend wird die Mischung auf einem Walzwerk fertig gemischt: Zunächst wird die heiße Mischung auf den relativ großflächigen Walzen abgekühlt

277 Verarbeitung von Kunststoffen zu Bauteilen

und schließlich die Vernetzungschemikalien zugegeben. Zur Erzeugung einer homogenen Mischung kann mit einem sogenannten Stockblender, . Abb. 1.367, das Mischungsfell kontinuierlich von der Walze abgenommen, zusammengerafft und oszillierend wieder auf den Walzenspalt aufgegeben werden. Die Handhabung von Mischungsansätzen auf Walzwerken wird oberhalb von Batchmassen von 60 kg zunehmend schwieriger, sodass dann andere Techniken angewandt werden müssen, z. B. Stopfextruder. Mischextruder

Hohe Investitionskosten für große Innenmischerlinien zur Mischungsherstellung aus kompakten Kautschukballen führten zum Einsatz pulver- und krümelförmiger Polymere in Mischextrudern. Zwei Systeme werden bevorzugt in der Praxis eingesetzt: 5 MVX-Anlagen (M-Mixing, V-Venting, X-Extruding) von Fa. Farrel und 5 Doppelschneckenextruder (z. B. Leistriz, Coperion W&P). Vertiefungen siehe Röthemeyer und Sommer [348]. Halbzeug (Rohlings)herstellung

Die fertige Mischung muss zur Abkühlung und zur weiteren Handhabung zerteilt, abgekühlt und zwischengelagert werden. Hierbei kann z. B. durch Extrusion eine spezielle Formgebung (Rohling) erfolgen.

. Abb. 1.367  Walzwerk mit Stockblender [110]

1.2.6.2  Formgebung

(Rohlingsverarbeitung) und Vernetzung (Vulkanisation)

Vor der Vulkanisation muss die Kautschukmischung in die gewünschte Form gebracht werden. Die Formen sind in der Regel beheizt, um im gleichen Schritt die Vulkanisation durchzuführen. Hierbei gibt es eine Vielfalt von Methoden, u. a.: 5 Pressverfahren (Kompressionsverfahren) Der mit Volumenüberschuss hergestellte Rohling wird in eine Form mit Klappdeckel eingelegt und zwischen zwei Heizplatten verpresst. 5 Transferpressverfahren Die Mischung wird in einer oberen Kammer des Presswerkzeuges wie durch einen Presskolben durch ein Angusssystem in den unteren Teil des Werkzeuges (Kavität) transferiert. 5 Spritzgießverfahren Die Mischung wird durch einen Kolben in eine auf Vulkanisationstemperatur beheizte Form eingespritzt. Die Form muss dann bis zur Erreichung des gewünschten Vulkanisationsgrades geschlossen gehalten werden. Um die Maschinen optimal auszunutzen, werden hierbei extrem schnelle Vulkanisationssysteme eingesetzt. 5 Kontinuierliche Vulkanisation Ein Extruder erzeugt einen Profilstrang, der mit einem Förderband durch einen Temperierkanal geführt wird. Zur schnellen Aufheizung kann die

1

278

1

H. Schüle und P. Eyerer

Mikrowellenerwärmung, ein Heißluftkanal, Dampfkanal oder Salzschmelzebad eingesetzt werden. Nach der erforderlichen Haltezeit wird der Strang in der Regel durch ein Wasserbad abgekühlt und aufgewickelt oder abgelängt. Neben den drei genannten Verfahrensgruppen für die Herstellung von Elastomerformteilen, . Abb. 1.368, seien weitere Herstellungsarten wenigstens aufgezählt. Sie können bei Röthemeyer und Sommer [348] vertieft werden. 5 Verfahren zur Herstellung von Gummilösungen 5 Kalandrieren von Bahnen und gummierten Geweben 5 Verfahren zur Herstellung von Gummihalbzeugen durch Streichen 5 Verfahren zur Herstellung von Gummi-Verbundkörpern wie Festigkeitsträger (Garne, Cord, Fasern, Fäden) und Gummi-MetallVerbunde 1.2.6.2.1  Pressverfahren

(Kompressionsverfahren) (CM Compression Molding)

Beim Pressverfahren (CM) werden durch Extrusion mit anschließendem Stanzen oder Zerschneiden aus der unvulkanisierten Kautschukmischung Rohlinge hergestellt. Diese werden in die Kavitäten des auf Vulkanisationstemperatur beheizten Werkzeugs eingelegt und unter Anwendung von Druck und Wärme in die gewünschte Formteilgeometrie ausgeformt. Nach der Formgebung setzt mehr oder weniger schnell die Vulkanisation ein, . Abb. 1.369. Der Fließprozess setzt sich nach vollständigem Schließen des Werkzeugs fort, da das spezifische Volumen der Mischung durch Erwärmen ansteigt und dadurch ein Druckausgleich herbeigeführt wird. Im pvT-Diagramm einer Kautschukmischung ist dieser Vorgang darstellbar [348]. Spritzprägeverfahren

Mittels einer Spritzgießmaschine, deren Schließeinheit als Presse genutzt wird und deren Einspritzeinheit die Vorplastifizierung übernimmt, lassen sich durch wesentlich genauere Dosierung der vorplastifizierten Mischung geringere Formteiltoleranzen einhalten.

Beim Spritzprägen wird die dosierte, vorplastifizierte Masse ins geöffnete Tauchkanten-Werkzeug eingespritzt. Durch Zufahren des Werkzeuges füllt die fließende Masse die Formnester. Für das Spritzprägen eignen sich vor allem „flächige“ Präzisionsteile wie Flachdichtungen, Membranen, flache Warenträge. 1.2.6.2.2  Transferpressen (TM Transfer

Molding)

Ein Transfer-Presswerkzeug ist dreiteilig, . Abb. 1.370. Der Rohling wird zwischen die beheizten Ober- und Mittelteile gelegt. Beim Schließen des Werkzeuges fließt die Kautschukmischung durch die Einspritzkanäle in die im Unterteil befindlichen Formnester. Nach der Vulkanisation öffnet die Presse das Werkzeug, die Formnester werden entleert, der Restkuchen im Oberteil und in den Einspritzzylindern ist Abfall. Hält man jedoch die Werkzeugoberplatte und den oberen Teil des Mittelstückes auf Temperaturen deutlich unter dem Vernetzungsbeginn, lässt sich der Restkuchen beim nachfolgenden Zyklus mitverarbeiten (Transferpressen mit Kaltkanal). 1.2.6.2.3  Transferspritzpressen

Eine Weiterentwicklung des Transferpressverfahrens besteht darin, die Kautschukmischung in einem fest mit der Presse verbundenen Schneckenextruder zu plastifizieren, aufzuwärmen und in den Transferzylinder einzuspritzen. Durch Zufahren der Schließeinheit werden dann die Formnester wie beim normalen TM gefüllt, . Abb. 1.371 [348]. Auch hierbei ist die projizierte Artikelfläche stets größer als die Kolbenfläche des Transferzylinders, sodass ein druckbedingtes Überspritzen der Formnester nicht möglich ist [348]. 1.2.6.2.4  Spritzgießverfahren

Das Spritzgießverfahren bietet gegenüber dem Press- und auch dem Transferpressverfahren deutlich kürzere Vulkanisations- und Zykluszeiten sowie eine bessere Automatisierung. Die Werkzeugkosten sind dagegen so hoch, dass nur größere Serien infrage kommen. . Abb. 1.372 [348] zeigt das Prinzip des Spritzgießverfahrens für Elastomere, dass dem des Spritzgießens von Thermoplasten grundsätzlich identisch ist. Lediglich die Prozessparameter (Einspritzzeit, Nachdruckzeit, Plastifizierzeit,

279 Verarbeitung von Kunststoffen zu Bauteilen

. Abb. 1.368  Verfahren zur Herstellung von Elastomerformteilen (nach Röthemeyer und Sommer [349]) ϒ neutrale Aussage; + Hauptvorteile; − Hauptnachteile

Zykluszeit, Einspritzdruck, Nachdruck, Standdruck, Schneckendrehzahl, Einspritzgeschwindigkeit, Zylinder-, Düsen-, Werkzeugtemperatur, Schließkraft, Auftreibkraft, Zuhaltekraft,

­estschließkraft, Einspritzweg, Nachdruckweg, R Resthub, Dosierweg) sind – verfahrensbedingt – unterschiedlich. Gänzlich anders sind die benötigte Vulkanisationszeit und das Beheizen

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280

H. Schüle und P. Eyerer

1

. Abb. 1.369  Prinzipdarstellung des Pressverfahrens. a Rohling, b Werkzeug, c Heizplatten, d Austriebsnut

. Abb. 1.370  Transferpressverfahren. a Rohling, b Werkzeug, c Heizplatten, d Austriebsnut

. Abb. 1.371  Transferspritzpressverfahren [350]

281 Verarbeitung von Kunststoffen zu Bauteilen

. Abb. 1.372  Prinzip des Spritzverfahrens mit dem Schneckenkolbenprinzip [351]. a Werkzeugträgerplatten, b Heizplatten, c Werkzeugplatten, d Formnest, e Angusskanal, f variables Volumen für plastifizierte Mischung, g Zylinder, h Schnecke

des ­ Werkzeuges während des Ablaufs der Vernetzungsreaktion. Der Einspritztemperatur kommt beim Spritzgießen von Elastomeren insbesondere bei dickwandigen Teilen eine hohe Bedeutung für die Zykluszeit zu. Dabei gilt die Faustformel ΔT = 4 bis 5 K pro 100 bar. Die Temperaturerhöhung ΔT erhöht sich je 100 bar Einspritzdruck um 4 bis 5 K. Bei 1000  bar stellt sich somit eine Temperaturerhöhung von ca. 45 K ein. . Abb. 1.373 [348] zeigt den enormen Einfluss der Einspritztemperatur auf die Zykluszeit beim Pressen, Transferpressen und Spritzgießen von 12 mm dicken Scheiben. Ausführliche Vertiefungen bieten Röthemeyer und Sommer [348].

1.2.6.2.5  Vulkanisation beim Extrudieren

von Elastomeren

Helmut Schüle Zur Herstellung von Gummiprofilen und Schläuchen werden verschiedene Extrusionsstrategien verfolgt. z Salzbad-Vulkanisationsanlagen

Diese Anlage ist modular aufgebaut und besteht aus einem Einlaufband, einer Salzberieselung (Sprühstrecke), Tauchrollenstrecke, Rüttelstation (Abklopfvorrichtung) und Heißluftabblasung. Bei Abzugsgeschwindigkeiten bis zu 60 m/min werden Profile und Schläuche mit ausgezeichneter Oberflächenqualität hergestellt. Eine nachhaltige Vorreinigung des aus dem Salzbad austretenden Halbzeugs führt zu einem geringen Salzaustrag. Diese Salzreste

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282

H. Schüle und P. Eyerer

sind Temperaturen bis zu 300 °C erforderlich. Auch führt diese Art der Wärmeübertragung und den daraus resultierenden Verweilzeiten in einem Heißluftkanal zu sehr langen und teuren Produktionslinien.

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z Ultrahochfrequenzanlagen (UHF-Anlagen)

. Abb. 1.373  Temperatur- und Reaktionswertverlauf (RRW) (Prinzipdarstellung mit Produkt Ø 50 × 12) beim CM, TM, IM. a Pressverfahren (CM), b Transferpressverfahren™, c Spritzgießverfahren (IM) [352]

werden schließlich in einer nachgeschalteten Intensiv-Waschstrecke vom Profil vollständig abgespült. Die dabei anfallende konzentrierte Salzlösung wird mit einer zugeschalteten Salzrückgewinnung aufbereitet, verdampft und im geschlossenen Kreislauf als Schmelze in die Salzwanne und somit in den Produktionsprozess vollständig zurückgeführt. Bedingt durch den sich im Profil eingestellten Vernetzungsgrad sind weitergehende Nachfolgeeinheiten aus werkstofflicher Sicht nicht mehr notwendig. z Anlagen zur Heißluft-Vulkanisation

Die Heißluft-Vulkanisation ist mit das älteste Verfahren der kontinuierlichen Vulkanisation. Innerhalb der Heißluftanlage werden Schläuche und Dichtungsprofile aus kompakten, meist schwefelvernetzbaren Kautschukmischungen mit und ohne Metallgerüstband in einen – je nach Vernetzung – mehr oder wenig elastischen Gummi chemisch umgewandelt. Eine peroxidische Vernetzung ist bei dieser Technologie nicht möglich. Bei diesem Verfahren werden insbesondere poröse Formteile mit geringer spezifischen Dichte und glatter Oberfläche verarbeitet. Bedingt durch den mäßigen Wärmeübergang von der Heißluft (erzwungene Konvektion) auf das Halbzeug

Deutlich größere wirtschaftliche Bedeutung haben Ultrahochfrequenzanlagen. Bei dieser Verfahrenstechnik wird die Energieeinbringung in die zu vernetzenden Halbzeuge durch Einwirkung mittels ultrahochfrequenter Strahlung vorgenommen. Je polarer dabei der Kautschuk oder die Mischungsbestandteile sind, desto schneller erfolgt die Erwärmung der Kautschukmischung im UHF-Feld. Bei guter Mikrowelleneignung können hierbei Mikrowellen-Wirkungsgrade von ca. 60–80 % erreicht werden. Die Anlagen sind für Mikrowellenleistungen bis zu 6 KW vorgesehen. Da die eindringenden Hochfrequenzstrahlen zeitgleich das gesamte Formteil durch „innere Reibung“ erhitzen und so zu einer einheitlichen Vulkanisationstemperatur im Halbzeug führen, werden insbesondere großvolumigen Profile sicher und qualitativ hochwertig verarbeitet. z Anlagen zur Infrarot-Vulkanisation

Infrarot-Vulkanisationsanlagen, ausgestattet mit Hochleistungs-Infrarotstrahlern, kommen vorzugsweise bei Halbzeugen auf Silikonbasis zur Anwendung. Auch hier dringt die Strahlung uneingeschränkt in das Halbzeug ein. Vorteile sind eine schnell ablaufende Vulkanisation, günstige Verhältnisse hinsichtlich Formstabilität und Qualität sowie eine hohe Produktivität. Auch kommen bei Vulkanisieranlagen zwischen der Extrudereinheit und der eigentlichen Vulkanisationsanlage ein sogenannter Schockkanal zum Einsatz. Diese zwischengeschalteten Kanalsysteme sind mit leistungsstarken Strahlern (Temperaturen bis zu 2000 °C) ausgestattet und führen zu einer „schockartigen“ Anvulkanisation (Vorvulkanisation) der durchlaufenden Profile und Schläuche. Dabei stellt sich eine Anvulkanisation (Vorvulkanisation) von Profilen und Schläuchen ein. Neben einer Profilverfestigung und einer verbesserten Formstabilität ergibt sich eine verbesserte Oberflächenqualität.

283 Verarbeitung von Kunststoffen zu Bauteilen

1.2.6.2.6  Tauchbadverfahren

Ein im Tauchbadverfahren hergestellter Neopren-Handschuh ist in . Abb. 1.374 abgebildet. 1.2.6.3  Verarbeitung von Elastomeren

am Beispiel Reifen

Andreas Rohr

1.2.6.3  Allgemeines zum Reifen Im Gegensatz zum Rad wird beim Reifen hinsichtlich Herstellungsverfahren und Werkstoffe kaum unterschieden. Vielmehr sind die hauptsächlichen Unterscheidungsmerkmale beim Reifen der jeweilige Einsatzzweck (Sommer- und Winterreifen), der Reifentyp bzw. -bauart (Diagonalreifen und Radial- oder Gürtelreifen) und das Lastkollektiv je nach Fahrzeugart und -motorisierung (u. a. LoadIndex, Speed-Index, Luftdruck). Die wesentlichen Unterschiede bei Sommer- zu Winterreifen sind die Profilierung der Lauffläche sowie die Gummimischung. Sommerreifen besitzen eine Gummimischung, welche auch bei hohen Temperaturen kaum weich wird und somit eine hohe Geschwindigkeit zulässt. Winterreifen sind mit einer kälteresistenten Gummimischung und zusätzlichen Lamellen ausgestattet, wodurch eine bessere Haftung auf losem Untergrund, z. B. Schnee, realisiert werden kann. Diese Lamellen sind kleine Einschnitte, welche sich beim Abrollen öffnen und somit zusätzlich für Traktion sorgen [353]. Der Diagonalreifen wurde in der Frühzeit des Automobils produziert und verbaut. 1946 erhält Michelin das Patent für den Radial- oder

. Abb. 1.374  Naturgummi (Neopren)-Handschuh als Einmal-Produkt. (Foto: Fraunhofer ICT)

Stahlgürtelreifen, was eine revolutionäre Entwicklung war. Dieser Radialreifen verdrängte den Diagonalreifen aus der heutigen Serienfertigung. Diagonalreifen werden lediglich bei Oldtimern, älteren Motorrädern und teilweise noch im O ­ ffroad-Bereich eingesetzt. Auch im Rennsport werden viele Diagonalreifen verbaut, allerdings sind diese nicht mit dem damaligen Diagonalreifen zu vergleichen [353]. Die Vorteile des Radialreifens liegen vor allem in der wesentlich größeren Laufleistung und des geringeren Rollwiderstandes aufgrund gleichmäßiger Druckverteilung und geringerer Relativbewegungen in der Aufstandsfläche, auch Latsch genannt. Weitere Vorteile sind die höhere Tragfähigkeit bei geringerer Masse, bessere Aquaplaning-Eigenschaften, besseres Nassbremsverhalten und eine höhere übertragbare Seitenkraft. In . Abb. 1.375 ist der Unterschied in der Aufstandsfläche eines frei rollenden Diagonalreifens gegenüber einem Radialreifen bei 60 km/h Fahrgeschwindigkeit zu sehen. Es ist gut zu erkennen, dass der Radialreifen eine wesentlich gleichmäßigere Druckverteilung und somit eine bessere Anbindung an die Fahrbahn aufweisen kann [354]. Zum besseren Verständnis des Radialreifenaufbaus folgt ein kurzer Exkurs über den allgemeinen Reifenaufbau mit seinen unterschiedlichen Materialschichten. In . Abb. 1.376 ist ein in aufgesplitterter Form dargestellter Reifen zu erkennen. Eine weitere Beschreibung der wichtigsten Reifenkomponenten wird im folgenden Absatz über den Vergleich der einzelnen Cordlagen bei einem Diagonal- und einem Radialreifen abgehandelt. In . Abb. 1.377 sind die unterschiedlichen Richtungen der Cordfäden bei einem Diagonalund einem Radialreifen zu erkennen. Die Fadenwinkel der einzelnen Cordlagen eines Diagonalreifens bestimmen u. a. die Eigenschaften eines Reifens. Ein stumpfer oder großer Fadenwinkel erhöht den Fahrkomfort, verringert aber die Seitenstabilität. Ein spitzer Fadenwinkel erhöht die Fahrstabilität zulasten des Fahrkomforts [355]. Beim Radialreifen unterscheidet man den Aufbau in Laufband und Karkasse. Das Laufband besteht aus einem Laufstreifen, Spulbandagen und Stahlcord-Gürtellagen. Der Laufstreifen dient der guten Straßenhaftung und

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. Abb. 1.375  Druckverteilung (Aufstandsfläche) eines Radial- (links) und eines Diagonalreifens (rechts) [354]

. Abb. 1.376  Reifenquerschnitt mit einzelnen Materialschichten, Continental 2003

. Abb. 1.377  Winkelstellung der Cordlagen eines Diagonal- (links) und eines Radialreifens (rechts) [355]

285 Verarbeitung von Kunststoffen zu Bauteilen

­ asserverdrängung. Die Spulbandagen ermögW lichen hohe Geschwindigkeiten. Die StahlcordGürtellagen ermöglichen das Aufbringen von ausreichenden Querkräften bei Kurvenfahrt sowie Umfangskräfte beim Beschleunigen. Diese Kräfte sind von der Karkasse aufgrund ihrer 90° Cordfadenwinkel zur Laufrichtung nicht aufzubringen, weshalb Stahlcord-Gürtelfäden (verlaufen unter einem spitzen Winkel) notwendig sind. In . Abb. 1.378 ist eine beispielhafte Stahlcordkonstruktion zu sehen. Die Karkasse besteht aus einer Textilcordeinlage, Innenschicht, Seitenstreifen, Kernprofil, Stahlkern und einem Wulstverstärker. Die Textilcordeinlage hat die Aufgabe, den Reifen auch bei hohem Innendruck in Form zu halten. Die Innenschicht hält den Reifen luftdicht verschlossen. Der Seitenstreifen verstärkt die Seitenflanke und schützt den Reifen vor seitlicher Beschädigung. Das Kernprofil begünstigt die

. Abb. 1.378  Stahlcordkonstruktion [354]

Fahrstabilität sowie das Lenk- und Komfortverhalten des gesamten Fahrzeuges. Der Stahlkern sorgt hierbei für festen Sitz auf dem Rad. Der Wulstverstärker unterstützt die Fahrstabilität und begünstigt ein präzises Lenkverhalten. Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal bei Reifen ist die bereits erwähnte Belastung des Reifens je nach Fahrzeugart und -motorisierung. Eines dieser Merkmale ist der Speed-Index, welcher in Form von Kennbuchstaben auf dem Reifen zu finden ist. Jeder Kennbuchstabe gibt die entsprechend zugelassene Höchstgeschwindigkeit des jeweiligen Reifens an. Ein weiteres Merkmal ist der sogenannte Load-Index (LI). Dieser Index gibt an, welche maximale Tragfähigkeit ein Einzelreifen besitzt. Die Tragfähigkeitskennzahl ist ebenfalls auf der Seitenwand des Reifens zu finden. Der Speed- und Load-Index bilden zusammen die Betriebskennung eines PkwReifens. Diese ist Bestandteil der vollständigen, genormten Dimensionsbezeichnung, welche auf jedem Reifen zu finden ist. Im Gegensatz zum Speed- und Load-Index ist die Angabe des Luftdrucks nicht auf dem Reifen zu finden. Je nach Betriebsbedingung des Fahrzeuges (Belastung, Geschwindigkeit) muss ein optimaler Reifenfülldruck eingestellt werden. Bei zu geringem Fülldruck kann eine übermäßige Erwärmung in der Walkzone des Reifens entstehen und eine Beschädigung der Bereifung zur Folge haben. Welcher Luftdruck eingestellt werden muss, ist anhand einer entsprechenden Luftdruckplakette zu erkennen. Diese ist entweder in der Tankklappe oder am Türschweller der Fahrertüre zu finden. Die gesamten Daten über die einzelnen Räder- und Reifenkombinationen, Luftventile, Belastungen und Luftdrücke werden von der Organisation ETRTO kommuniziert, organisiert und dokumentiert. Die European Tire and Rim Technical Organisation (ETRTO) fördert die Angleichung nationaler Normen von Reifen, Räder und Ventilen in Europa hinsichtlich Montage, Anwendung und Austauschbarkeit. Des Weiteren werden Abmessungen, Last- und Luftdruckzuordnungen sowie Anwendungsleitlinien festgelegt. Auch der ungehinderte Austausch von technischen Informationen bezüglich Reifen, Räder und Ventilen wird gefördert [353].

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1.2.6.3.2  Die verschiedenen

Werkstoffkomponenten und deren Funktionen

Allgemein soll noch erwähnt werden, welche Grundmaterialien laut Continental zur Herstellung eines Reifens verwendet werden. 5 Natur- und Synthesekautschuk (41 %) 5 Füllstoffe wie Ruß, Silika, Kohlenstoff, Kreide (30 %) 5 Festigkeitsträger wie Stahl, Rayon, Nylon (15 %) 5 Weichmacher wie Öle und Harze (6 %) 5 Chemikalien für 5 Vulkanisation wie Schwefel, Zinkoxid, Stearinsäure (6 %) und 5 als Alterungsschutzmittel gegen Ozoneinwirkung und Materialermüdung (1 %) 5 Sonstige (1 %) z Polymer (Synthese- und Naturkautschuk)

Die chemische Zusammensetzung des Naturkautschuks ist wie (. Abb. 1.379) zeigt. Der Naturkautschuk, welcher aus dem südamerikanischen Baum Hevea brasiliensis gewonnen wird, enthält meist mehr Doppelbindungen als Synthesekautschuk, weshalb die Vulkanisationsgeschwindigkeit bei Naturkautschuken wesentlich höher ist. Die Inhaltsstoffe wie Proteine, Amine und Harze wirken als Stabilisatoren und Vulkanisationsbeschleuniger, welche bei Synthesekautschuk erst hinzugefügt werden müssen. Der Aufbau der Moleküle des Naturkautschuks ist meist linear und kaum verzweigt. Einer der hauptsächlich verwendeten Synthesekautschuke in der Reifenindustrie ist der Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR). Dieser besteht üblicherweise aus 23,5 % Styrol und 76,5 % Butadien. Die chemische Zusammensetzung ist wie (. Abb. 1.380) zeigt. Der SBR mit seiner kugelförmigen Molekularstruktur wird durch radikalische Polymerisation hergestellt. Die Emulsionspolymerisation oder Kaltpolymerisation wird bei

. Abb. 1.379  Chemische Zusammensetzung von Naturkautschuk

5 °C durchgeführt. Nach der Polymerisation wird der SBR durch Vulkanisation vernetzt und es entsteht eine elastische Masse. Weiterhin wird der Synthesekautschuk Polybutadien (BR) verwendet. Dieser setzt sich wie folgt zusammen (. Abb. 1.381): Polybutadien-Kautschuk wird mittels der Lösungspolymerisation aus 1,3 Butadien hergestellt. Dieser besitzt auch ohne Füllstoffe eine sehr gute Elastizität und wird zur besseren Verarbeitung mit SBR und/oder Naturkautschuk versetzt [356]. z Ruß und Silika

In der Reifenindustrie werden bis zu 10 verschiedene Ruße verwendet. Die Herstellung erfolgt nach dem Furnace-Prinzip. Bei diesem Prinzip wird in Heißgas Rußrohstoffe (Ruß-Öle) eingesprüht. Dabei kommt es zur unvollkommenen Verbrennung und Spaltung (Pyrolyse) des Rußrohstoffs und Ruß entsteht. Beispielsweise wird in der Reifenindustrie für den Laufstreifen der Füllstoffruß lntermediate S.A.F. (Abkürzung: ISAF, amerikanischer ASTM-Norm-Code: N220) verwendet. Der Einsatz von Silika (Kieselsäure) stabilisiert das Netz der Verbindungen zwischen den einzelnen Stoffen der Gummimischung. Im Vergleich zur herkömmlichen Struktur mit zwei Knoten (Schwefel und Kohlenstoff) erhöht die Dreiknoten-Struktur (Schwefel, Kohlenstoff, und Silikat) die Festigkeit des Materials. Dadurch wird eine höhere Reißfestigkeit bewirkt, der Abrieb gesenkt und die Laufleistung gesteigert. Auch haftet der Reifen besser auf der Fahrbahn, da die Mischung wegen der höheren Festigkeit weicher ausgelegt werden kann. Nachteilig wirkt sich bei der Verwendung von Silica die nichtleitende Eigenschaft des Materials aus. Die elektrische Energie muss somit mit anderen Mitteln abgeleitet werden [357]. z Weichmacher

Um die Flexibilität des Materials während des Herstellungsprozesses und im späteren Einsatz zu erhalten, werden Weichmacher wie Harze und Mineralöle hinzugesetzt. Es werden paraffinische, naphthenische und aromatische Prozessöle sowie Bitumen und Cumaron-IndenHarze verwendet. Diese lagern sich in den

287 Verarbeitung von Kunststoffen zu Bauteilen

. Abb. 1.380 Chemische Zusammensetzung von Styrol-Butadien-Kautschuk

. Abb. 1.381  Chemische Zusammensetzung von Polybutadien

Zwischenräumen der Polymerketten ab und bewirken ein erleichtertes Aneinandervorbeigleiten der Ketten innerhalb des Netzwerkes. z Schwefelbrücken

Schwefel wird bei der Vulkanisation beigesetzt und unter Druck erhitzt. Während der Vulkanisation entstehen dreidimensionale, elastische Netzwerkverbindungen zwischen Schwefelbrücken und den langen Polymerketten (Kautschukmolekülen), wodurch ein späteres Fließen oder Verformen des Materials ausgeschlossen wird. Die Kunst liegt darin, einen Kompromiss zwischen Reißfestigkeit (sehr viele Schwefelbrücken) und Elastizität (wenige Schwefelbrücken) für den optimalen Reifen zu finden. z Weitere Materialien

Neben den detailliert beschriebenen Materialien und Werkstoffen werden des Weiteren Vulkanisationsaktivatoren wie Zink, Stearinsäure und Sulfonamid (Beschleuniger) verwendet und sorgen für die Vernetzung bei der Vulkanisation im Heizofen. Zum Schutz vor Ozon und UV-Strahlen werden diverse Alterungs(N-(1,3-Dimethylbuty1)-NI-phenyl-p-phenylendiamin (GPPD)) und Lichtschutzmittel (Ruß, Wachse, GPPD) eingesetzt.

(wird im weiteren Verlauf definiert). Die Reifenproduktion wird anhand des Beispiels der Continental AG dargestellt. Die erste Bauphase des Reifens verläuft zweigliedrig. Die äußeren Reifenschichten (Laufstreifen, Bandage, Gürtel) werden zum Gürtelpaket, die inneren Reifenschichten (Seitenwand, Verstärker, Kern + Apex, Einlage, Innenschicht) zur Karkasse zusammengebaut. In der zweiten Bauphase werden das Gürtelpaket sowie die Karkasse zusammengeführt und anschließend bei hoher Temperatur in der Vulkanisation miteinander verbunden. In der Endkontrolle wird bei Continental der Reifen visuell und sensorisch lückenlos auf Mängel kontrolliert (siehe . Abb. 1.382). Die Gummimischung besteht aus dem Grundmaterial natürlicher und synthetischer Kautschuke sowie aus Verstärkerfüllstoffen wie Ruß und Silika, welche auf nasser Fahrbahn für äußerst kurze Bremswege sorgen. Dieses Material ist somit von hoher Bedeutung für den Laufstreifen. Die chemischen Zusätze wie Antioxidationsmittel sind für die Haltbarkeit des Reifens verantwortlich. Weiterhin werden Kreide, Öle, Harze, Beschleuniger, Verzögerer, Mischhilfen, Aktivatoren sowie Schwefel verwendet (siehe . Abb. 1.383 und 1.384). Reifenkomponenten (. Abb. 1.385, 1.386, 1.387, 1.388, 1.389, 1.390, 1.391, 1.392, 1.393, 1.394, 1.395, 1.396, 1.397, 1.398 und 1.399) Die einzelnen

Die Zutaten für die Gummimischung oder das Mischungsfell werden gemischt, gespritzt, gewalzt, geschnitten und zur Weiterverarbeitung gesammelt (siehe folgende Abbildungen: Auszüge aus der Produktion bei Conti) [358]. Äußere Reifenschicht

Reifenherstellung Der Reifen ist ein komplexes Hightech-Produkt mit höchsten Ansprüchen. Er besteht aus mehr als 10 Gummimischungen und 15–20 Bauteilen je nach Anforderungen. Die Basiselemente eines Reifens sind die Grundstoffe Stahldraht, Textilcord und eine spezifische Gummimischung

Beim Laufstreifen spielt die Verwendung von Silika eine äußerst wichtige Rolle. Der Laufstreifen stellt den Kontakt zur Fahrbahn her und ist verantwortlich für gute Haftung, geringen Abrieb und einen niedrigen Rollwiderstand. Im allgemeinen Sprachgebrauch spricht man pro Reifen von einer postkartengroßen Fläche, welche beispielsweise für Seitenkräfte,

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. Abb. 1.382  Reifenproduktion bei Continental [355]

. Abb. 1.383  Reifen-Rohmaterialien [358]

Beschleunigung und Verzögerung zur Verfügung steht. Allerdings besteht bei mikroskopischer Betrachtung der Reifenaufstandsfläche zwischen Reifen und Fahrbahn lediglich eine Kontaktfläche von gerade mal 1 cm2 pro Reifen! Äußerst wenig Fläche, wenn man bedenkt, welche enormen Kräfte vom Fahrzeug bzw. Reifen auf die Fahrbahn aufgebracht werden müssen. Das Laufstreifenoberteil (Cap) beeinflusst die Abriebfestigkeit und Fahrstabilität und sorgt zusätzlich für Haftung auf der Fahrbahn. Das Laufstreifenunterteil (Base) beeinflusst die Stoßempfindlichkeit und Übertragung auf die Textilcordeinlage und verringert den Rollwiderstand.

Die Bandage oder auch Spulbandage besteht aus dem Material Nylon. Die Bandage erhöht die Hochgeschwindigkeitsperformance, Laufleistung, Form- sowie Fahrstabilität und verbessert den Rollwiderstand. Der Gürtel besteht aus hochfesten Stahlcorden. Diese sind für hohe Laufleistungen, Formund Fahrstabilität und geringen Rollwiderstand verantwortlich. Sie dienen auch der Kraftübertragung in Längs- und Querrichtung und verringern den Abrieb. Die einzelnen Stahlcorde werden zu einer feinen Stahlcordlage zusammengeführt und in einem Kalander von einer Mischungsschicht umgeben. Innere Reifenschicht

Die Seitenwand besteht hauptsächlich aus Synthesekautschuk. Die Seitenwand nimmt eine schützende Funktion hinsichtlich der Einlage vor Beschädigungen und Witterungseinflüssen ein. Des Weiteren enthält die Seitenwand sämtliche gesetzlich vorgeschriebenen Parameter zur Identifikation des Reifens und dessen Einsatzund Belastungsmöglichkeiten. Der Kern besteht aus mehreren Stahldrähten und gewährleistet den festen Sitz des Reifens auf der Felge. Der Stahldrahtkern wird zu einem

289 Verarbeitung von Kunststoffen zu Bauteilen

. Abb. 1.384  Konstruktion – Mischungsbestandteile [359]

. Abb. 1.385  Detailbilder aus der Reifenproduktion bei Continental

. Abb. 1.386  Laufstreifen [358]

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. Abb. 1.387  Laufstreifenproduktion, hier zur Abkühlung im Wasserbad [358]

Ring aufgerollt und mit dem Apex (Kernprofil) verbunden, welcher auch als Hülle des Kerns bezeichnet werden kann. Er besteht hauptsächlich aus Synthesekautschuk und ist für ein gutes Lenk- und Komfortverhalten bzw. Federungsverhalten sowie Fahrstabilität verantwortlich. Die Fäden der Textilcordeinlage werden quer zur Fahrtrichtung, also radial, in den Reifen eingebaut. Diese besteht entweder aus Rayon oder Polyester und übernimmt als zweite Lage im Reifen die Funktion des Festigkeitsträgers und beeinflusst somit wesentlich die Tragfähigkeit und Komfortmerkmale eines Reifens. ­ Darüber

. Abb. 1.388  Bandage [358]

. Abb. 1.389  Stahlcorde bei der Verarbeitung zum Gürtel [358]

. Abb. 1.390  Gürtel [358]

291 Verarbeitung von Kunststoffen zu Bauteilen

. Abb. 1.391  Seitenwand links: schwarz, rechts: orange [358]

hinaus leistet diese den nötigen Widerstand gegen den Reifeninnendruck. Die Innenschicht des Reifens besteht aus Butylkautschuk und wird als erste Lage im Reifen bezeichnet. Diese luftundurchlässige Innenschicht ersetzt den früher verwendeten Schlauch und hält den Innendruck im Reifen. Anwendungsbeispiel (Forschung)

. Abb. 1.392  Stahlkern [358]

. Abb. 1.393  Stahlkern mit Apex [358]

. Abb. 1.394  Kern [358]

Elastomere ausgetrickst – Materialtuning mit Druck bringt enorme Dämpfungen. Aus: Thema des Monats, Kunststoffe 8/2017 Einen Durchbruch kündigte Prof. Dr. Igor Emri vom Zentrum für experimentelle Mechanik (CEM) der Universität Ljubljana/Slowenien beim 2. WAK-Symposium Ende Februar 2017 in Fürth an: Um mehrere Größenordnungen bessere Schallund Vibrationsdämpfung als bislang lasse sich mit der von ihm patentierten Technik erreichen.

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. Abb. 1.395  Apex [358]

. Abb. 1.396  Textilcordeinlage für einen Radialreifen [358]

. Abb. 1.397  Cordeinlage [358]

. Abb. 1.398  Produktion der Innenschicht bei Conti [358]

Sie verwendet keine neuen Materialien, sondern setzt existierende unter hohen Druck, um ihr Dämpfungsverhalten zu verbessern. Grundlage dafür ist, dass die Energiedissipation eines Werkstoffs nicht vom Material an sich abhängt, sondern vom Druck, dem es ausgesetzt ist. Das Problem bei Elastomeren ist jedoch, dass sie sehr hohen uniaxialen Belastungen nicht standhalten. Emris Trick besteht nun darin, mit Granulat zu arbeiten. Wird die Partikelgrößenverteilung richtig gewählt, verhalte es sich wie ein Fluid. So lasse sich theoretisch eine um etwa 10.000-fach

293 Verarbeitung von Kunststoffen zu Bauteilen

. Abb. 1.399  Innenschicht [358]

verbesserte Absorption bei einem Druck von 6000 bar erreichen – praktisch beherrschbar sind allerdings nur Drücke bis 1000 bar. Zum Nachweis der Funktionstüchtigkeit hat Emri mit einfachen Mitteln einen Prototyp aufgebaut, in dem ein Stempel geschredderte Reifenabfälle in einem schlauchartigen Faserbehälter komprimiert. Damit erreichte er nach eigenen Angaben bei 109 bar eine um den Faktor 12 verbesserte Energieabsorption. Anwendungen sieht Emri dort, wo keine harmonischen Schwingungen, sondern Impulsanregungen wie bei Erdbeben auftreten, oder schon im Normalbetrieb an Bahnschwellen, Waschmaschinen oder industriellen Maschinen. Derzeit arbeitet er an einem Feldtest; eine spätere Vermarktung des Systems ist geplant.

1.2.6.3.4  Reifenverwertung

Peter Eyerer Übersicht Gummireifen jeder Art (Pkw, Lkw, Busse, Motorräder, Mopeds, Fahrräder, Flugzeuge, Agrar- und Baumaschinen, usw.), die in der Regel älter als sechs Jahre (max. 10) sind [7 https://reifenqualität.de/sicherheit/reifencheck/reifenalter (eingesehen am 27.12.2018)] und in Deutschland ein Restprofil bei Pkw von Viskositätsverhalten)

Einfallstellen in dickwandigen Bereichen

a) Nachdruckzeit erhöhen b) N  achdruck erhöhen bzw. Nachdruckprofil optimieren c) Werkzeugwandtemperatur absenken d) Massetemperatur erhöhen

Einfallstellen in dünnwandigen Bereichen

a) Nachdruckzeit überprüfen b) Nachdruckprofil optimieren, Anfangswerte erhöhen c) Massetemperatur erhöhen d) Einspritzgeschwindigkeit erhöhen e) Werkzeugwandtemperatur deutlich anheben

Werkzeugänderung

a) Anschnitt vergrößern b) Anschnittlage in den Bereich maximaler Wandstärke verlagern c) Getrennte Werkzeugtemperaturkreisläufe, lokale Temperierelemente einsetzen d) V  ariotherme Werkzeugtemperierung wählen (Kosten!) e) E ntlüftungswege optimieren, neu schaffen f) Konturgetreue Werkzeugkühlung vorsehen

5 zu starke Absenkung der Werkzeugwandtemperatur → Lunker, Bindenahtfestigkeit, Schallplatteneffekt, Abblätterungen 5 zu starke Erhöhung der Werkzeugwandtemperatur → Überspritzung, Blasen, Lunker 5 zu starke Absenkung der Massetemperatur → Bindenahtfestigkeit, kalter Pfropfen, Freistrahleffekt 5 zu starke Erhöhung der Massetemperatur → Verbrennungsschlieren, Blasen, Überspritzungen, Abblätterungen 5 zu starke Absenkung der Einspritzgeschwindigkeit → Bindenahtfestigkeit, Schallplatteneffekt 5 zu hoher Nachdruck → Spannungsrisse, Überspritzungen, Auswerferabdrücke, Auswurfverformungen

Lufteinschlüsse (Blasenbildung) In praxi muss stets unterschieden werden in Bauteilhohlräume, welche mit eingezogener Luft (→ selten Gasbildung) gefüllte Löcher (→ Blasen) sind, und in Lunker (→ Vakuolen), welche durch eine ausgeprägte stoffspezifische Volumenschwindung (vorzugsweise im Bereich der plastischen Seele von Masseanhäufungen am Ende des Erstarrungsvorgangs aufgrund fehlender, nicht nachgedrückter Polymerschmelze) als luftleere Mikrozellen entstehen. Schleppt die Thermoplastschmelze Luft in die Kavität, so entstehen in aller Regel eine Vielzahl von Blasen, welche fein bis grobe Strukturen aufweisen können. Die Hohlräume, welche auch wandnah auftreten können, spiegeln nicht selten die Schmelzeströmungsrichtung wider (→ Ovalität).

In der Praxis ist es schwierig, zwischen Lufteinschluss und Lunker zu unterscheiden. Vorgeschlagen wird z.  B. durch Anbohren des Loches unter eingefärbtem Wasser zu prüfen, ob Wasser eindringt (Lunker) oder nicht (Gasblasen). Durchführung!

341 Verarbeitung von Kunststoffen zu Bauteilen

. Tab. 1.47  Qualitätsverbessernde Maßnahmen bei Lufteinschlüsse

. Tab. 1.48  Qualitätsverbessernde Maßnahmen bei anzutreffender Freistrahlbildung

Fragestellung

Lösungsvorschlag

Fragestellung

Lösungsvorschlag

Maschineneinstellungen

a) K  ompressionsentlastung verringern. Rückhub der Schnecke langsamer einstellen b) Materialeinzug verbessern. Schnecke bewegt sich ruckend und nicht gleichförmig Nach hinten, dann Staudruck erhöhen

Verfahrenstechnik

a) Einspritzgeschwindigkeit verringern, langsam beginnen, umschalten auf schnell b) Polymerschmelze direkt nach dem Anschnitt auf ein Hindernis (Bremshilfe, Werkzeug­ wandung) treffen lassen c) Anschnittdurchmesser vergrößern d) Anschnitt in einen Formteilbereich mit einem kleineren Fließquerschnitt verlegen

Qualitätsverbessernde Maßnahmen bei Vorliegen von Lufteinschlüsse sind in . Tab. 1.47 angegeben. Freistrahlbildung Wird eine thermoplastische Polymerschmelze mit sehr hoher Einspritzgeschwindigkeit und einem sehr kleinen Anschnittdurchmesser in eine Kavität mit großem Querschnitt eingespritzt, wird die Schmelze (→ extrem hohe Schergeschwindigkeit) in Form einer Strahlbewegung vergleichbar mit Wasser in den Hohlraum gedrückt. Der hierbei auftretende Schmelzestrang ist charakterisiert durch ein schlangenähnliches Aussehen und weist eine zerklüftete, aufgerissene Oberfläche auf. Durch zufällige, mehr oder weniger ausgeprägten Kontaktierung mit der Werkzeugwandung wird der Strang lokal deformiert, umgelenkt und gleichzeitig signifikant abgekühlt. Insgesamt kühlt die eingespritzte Schmelzemenge nachhaltig ab und es kann zu örtlich vorliegenden Erstarrungen kommen. Da der eingespritzte Massestrang andererseits mit seiner Eigenmasse (→ Fließbremse) wiederum die Zufuhr bzw. das Einspritzen der nachfolgend einzuspritzenden Schmelze verringert, reicht die sich dadurch neu einstellende, niedrigere Einspritzgeschwindigkeit nicht mehr aus, um die Freistrahlströmung aufrecht zu erhalten. Die Schmelze drückt schließlich quellend-schiebend in Form einer Quellströmung in die Kavität, umfließt den bereits abgekühlt oder erstarrten Freistrahlstrang und füllt die Kavität. Trifft die nachdrückende, heiße Polymerschmelze auf den erkalteten Strang, so erfolgt prinzipiell ein Verschweißen der beiden Oberflächen. Nach den Gesetzen der Schweißtechnik

ist die hierbei entstehende Schweißnahtqualität in hohem Maße von dem in der Schweißebene anzutreffenden Beanspruchungskollektiv – Temperatur und Druck – abhängig. Nachteilig beeinflusst werden durch das Vorliegen eines Freistrahls vorzugsweise mechanische als auch optische Eigenschaften, siehe auch Bindenaht, . Tab. 1.48. Achtung! Einige der genannten Regelgrößen können zu Folgefehlern führen:

5 zu starke Erhöhung der Einspritzgeschwindigkeit → dunkle Punkte, Verbrennungsschlieren, Lunker, Überspritzungen 5 zu starke Absenkung der Einspritzgeschwindigkeit → Bindenahtfestigkeit, Schallplatteneffekt

Bindenaht Treffen während des Formfüllvorgangs zwei Polymerschmelzefronten aufeinander, so entsteht eine sogenannte Bindenaht, siehe . Abb. 1.455 und 1.456. Die Qualität dieser Ver­ bindung ist dabei – wie die Schweißtechnologie beschreibt – von den vorliegenden Werkstoffeigenschaften (→ Polymerwerkstoff­ verträglichkeit) als auch dem vorliegenden Beanspruchungskollektiv (→ Temperatur, Schweißdruck) abhängig. Beim Verschweißen (→ Diffusionsvorgang) von hochviskosen Polymerschmelzen ist darüber hinaus zu beobachten, dass die Fließfronten beim Zusammentreffen signifikant (→ Schweißlinie) zusammengedrückt werden, die Rand- bzw.

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. Abb. 1.455  Dreiteiliger Pkw-Lüfterflügel aus PA6 GF30 mit Stangenanguss und Angusskanalteilung. Die Lage der drei Füllschmelzeströme ist so zu optimieren, dass die drei Bindenähte außerhalb der Flügelfüße zu liegen kommen; außerdem sieht man gut die amorphen, glasfaserarmen Randbereiche an den Flügeln. (Foto: Fraunhofer ICT)

. Abb. 1.456  Spritzgussteil aus PC-ABS, etwa 1,50 m breit verrippt mit fünf Anspritzpunkten. Die Formfüllung wird durch Rest-Rußgehalte in der Vorgänger-Spritzgussmasse deutlich. Vier Bindenähte belasten bei unsachgemäßer Prozessführung die mechanischen Eigenschaften. (Foto: Fraunhofer ICT)

Eckbereiche der Fließfronten jedoch nicht vollständig als Schweißlinie ausgebildet werden. Es sind – wie mikroskopische Aufnahmen bestätigen – immer Mikrokerben (→ nachteilig hinsichtlich Einreißfestigkeit bzw. Schlagzähigkeit) am Ende der Verbindungslinie anzutreffen. Festzuhalten ist, dass die bestehende Bindenaht (→ Schweißnaht) bei einer hohen Schmelzetemperatur (→ vorteilhaft: Verarbeitungs-(Einspritz-)temperatur – maximal 10  K) und ausreichendem Schmelze-„Füll“-Druck in der Regel für die Praxis eine ausreichende mechanische Qualität aufweist. Letztere Aussage ist insbesondere bei einer FEM-Füllstudienberechnung

von großem Nutzen. Da neben den Fließfronten bzw. Fließwinkeln auch die Temperatur und der lokal anzutreffende Fülldruck bestimmt werden kann, ist eine gute Abschätzung (praxistauglich!) der zu erwartenden Qualität (→ Ausschlusskriterium) möglich. Problematisch erweist sich eine Bindenahtbildung bei der Verarbeitung von faserverstärkten Polymeren. Die sich hier einstellenden Festigkeitswerte in der Schweißnaht können in aller Regel nur mit viel Erfahrung vor Ort abgeschätzt werden. Zeigen Bindenähte beim Verschweißen von eingefärbten Polymerschmelzen (→ Masterbach, anorganische bzw. organische Pigmente in Agglomeratgröße) in der Praxis üblicherweise hinsichtlich mechanischen Eigenschaften keine Nachteile, so kann dies bei optischen Anforderungen aufgrund von möglichen Farbortverschiebungen, Glanzunterschieden eine andere Sachlage ergeben. Aussagen über auftretende Farbverschiebungen oder Glanzverteilungen für die Bindenaht können derzeit anhand von FEM-Berechnungen nicht quantitativ vorgenommen werden. Verfahrenstechnische Maßnahmen, um die Qualität einer Bindenaht (→ Schweißnahtfestigkeit, Optik) zu verbessern, sind . Tab. 1.49 zu entnehmen.

. Tab. 1.49  Qualitätsverbessernde Maßnahmen bei Vorliegen einer Bindenaht (-> Schweißnahtfestigkeit, Optik) Fragestellung

Lösungsvorschlag

Grundsätzliches

a) Einspritzgeschwindigkeit erhöhen c) Massetemperatur erhöhen d) Nachdruck und/oder Nachdruckzeit erhöhen e) Entlüftungswege überprüfen (→ Füllstudie durchführen) Durch Verlegung des Anschnitts und ggf. Veränderung der Wanddickenverhältnisse lässt sich der Weg der Polymerschmelze in der Kavität und damit die Lage der Bindenähte beeinflussen. Da dies mit Werkzeugänderungen verbunden ist, sollte die Wirksamkeit der Maßnahme über eine vorgeschaltete Füllsimulation abgesichert werden

343 Verarbeitung von Kunststoffen zu Bauteilen

Achtung! Einige der genannten Regelgrößen können zu Folgefehlern führen:

5 zu starke Erhöhung der Werkzeugtemperatur → Überspritzungen, Lunker 5 zu starke Erhöhung der Massetemperatur → dunkle Punkte, Verbrennungsschlieren, Lunker, Überhitzungen, Abblätterungen 5 zu starke Erhöhung der Einspritzgeschwindigkeit → Freistrahlbildung, matte Stellen, Abblätterungen 5 zu hoher Nachdruck → Spannungsrisse, Überspritzungen, Auswurfverformungen

Glanz/Glanzunterschiede Trifft ein Lichtstrahl auf die Oberfläche eines Spritzgussbauteiles, so wird die sich daraus resultierende Reflexion als Glanz wahrgenommen. Ein maximal möglicher Glanz stellt sich ein, wenn der vom Licht getroffene Ort keine Rauigkeiten aufweist (→ poliert) und gleichzeitig kein Licht in das Polymerteil (→ Werkstoffeigenschaften, Spannungssituation, Zuschlagstoffe u. a.) eindringt. Somit hängt der maximal erreichbare Glanzgrad in hohem Maße von der Oberflächeneigenschaft der Werkzeugwandung (→ Hochglanzpolitur, minimalste Unebenheiten) ab. Darüber hinaus muss die Polymerschmelze (möglichst niedrigviskos zwecks optimaler Benetzungssituation) an die Wandung gepresst werden, um so eine möglichst hohe Abbildungsgenauigkeit bzw. optimale Abformung zu erreichen. In einem weiteren Schritt ist die Polymerformmasse dann so unter Druck abzukühlen (→ lokale Massetemperatur, Werkzeugtemperatur, Nachdruck u.  a.), dass das vorliegende Eigenschaftsprofil (→ Gefüge, Eigenspannungen, Molekülverstreckungen u. a.) des Polymers definiert vorliegt. Um Glanzunterschiede am ebenen Bauteil zu vermeiden, muss strenggenommen an jedem Ort der Bauteiloberfläche der gleiche Zustand vorliegen. Ergänzend sei vermerkt, dass durch strukturierte Oberflächen und der dadurch erreichten Lichtbrechung eine matt wirkende Oberfläche eingestellt werden kann. Somit ist es leicht nachvollziehbar, dass mittels FEM-Berechnungen eine direkte Berechnung des „Glanzgrads“ derzeit und in absehbarer Zeit nicht möglich sein wird. Für den betrieblichen Alltag können die theoretisch dargestellten Zusammenhänge einer FEM-Studie jedoch in

. Tab. 1.50  Qualitätsverbessernde Maßnahmen bei Glanz/Glanzunterschiede Fragestellung

Lösungsvorschlag

Zu geringer Glanz an der Formteiloberfläche

a) Werkzeugwandtemperatur erhöhen b) Massetemperatur erhöhen c) Einspritztemperatur erhöhen d) Werkzeugwand nachpolieren

Glanzunterschiede an polierten Oberflächen

a) Schmelzemassetemperatur erhöhen b) Staudruck erhöhen, Schmelzequalität verbessern c) Einspritzgeschwindigkeit erhöhen d) Werkzeugtemperierung überprüfen

Form von Strategien zur Qualitätsverbesserung sicherlich herangezogen werden. Zeigen die oben gemachten, vereinfachten Darstellungen einerseits die komplexen Zusammenhänge hinsichtlich der Frage über Glanzproblem auf, können trotz allem wesentliche Verbesserungsmaßnahmen für den betrieblichen Alltag abgeleitet werden, siehe . Tab. 1.50. Achtung! Einige der genannten Regelgrößen können zu Folgefehlern führen:

5 zu starke Absenkung der Werkzeugwandtemperatur → Lunker, Bindenahtfestigkeit, Schallplatteneffekt, Abblätterungen 5 zu starke Erhöhung der Werkzeugwandtemperatur → Überspritzungen, Blasen 5 zu starke Absenkung der Massetemperatur → Bindenahtfestigkeit, kalter Pfropfen 5 zu starke Erhöhung der Massetemperatur → Verbrennungsschlieren, Überspritzungen, dunkle Punkte, 5 zu starke Absenkung der Einspritzgeschwindigkeit → Schallplatteneffekt, Bindenahtfestigkeit 5 zu starke Erhöhung der Einspritzgeschwindigkeit → Freistrahlbildung, matte Stellen, Abblätterungen 5 zu hoher Nachdruck → Spannungsrisse, Überspritzungen, Auswerferabdrücke 5 zu niedriger Nachdruck → Einfallstellen, Lunker

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. Tab. 1.51  Qualitätsverbessernde Maßnahmen bei Schallplatteneffekt

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. Abb. 1.457  „Schallplatteneffekt“ bei spritzgegossenem Probekörper. (Foto: Fraunhofer ICT)

Schallplatteneffekt Als Schallplatteneffekt werden feingeriffelte, ringförmige und/oder parallele Oberflächenstrukturen quer zur Fließrichtung der Thermoplastschmelze bezeichnet. Das makroskopische Aussehen dieser Gesamtstruktur ist insbesondere bei einer Schmelzepunktanspritzung vergleichbar mit dem Rillenabbild einer Schallplatte (siehe . Abb. 1.457). Ursache ist, dass sich die zähflüssige Schmelzefließfront aufgrund einer zu geringen Fließgeschwindigkeit signifikant abkühlt. Die eingefrorene Kunststoffrandschicht kann hierbei so dick werden, dass diese in Bereiche der Schmelzefront hineinreicht, die noch nicht an der Werkzeugwand anliegen. Diese Bereiche können bei weiter fortschreitender Formfüllung und zunehmendem Fülldruck nicht mehr vollflächig an die Werkzeugwandung angepresst werden. Vielmehr entstehen rillenartige Furchen, welche der Schmelzefließfront folgen. Der gleiche Effekt zeigt sich auch bei temporären Schmelzestillstand vor Kanalverengungen (→ Einlauf

Fragestellung

Lösungsvorschlag

Grundsätzliche Vorgehensweise

Massetemperatur erhöhen Werkzeugwandtemperatur erhöhen Einspritzgeschwindigkeit erhöhen Einspritzdruck anheben

in Rippen) oder bei zu früher Umschaltung auf Nachdruck (→ signifikante Reduzierung der Nachdrückgeschwindigkeit). Qualitätsverbessernde Maßnahmen bei Vorliegen des Schallplatteneffekts können der . Tab. 1.51 entnommen werden. Dieseleffekt Beim Spritzgießen ist in den zu füllenden Hohlräumen des Werkzeugs Luft (→ Umgebungsdruck) anzutreffen. Tritt Polymerschmelze über den Anschnitt in die Kavität ein, so wird die Luft vor der Schmelzefließfront angestaut und in den noch freien Kavitätsteil mit zunehmender Kompression hineingeschoben. Dieser u.  U. sehr schnell ablaufende Verdichtungsvorgang (→ Einspritzgeschwindigkeit) wird überlagert durch ein gleichzeitiges Entweichen der Luft durch „nicht ausreichend abdichtende“ Trennspalte (→ Werkzeugtrennebene, Auswerfer-, Kernzug-, Mess-Sensorenpassungen sowie definiert eingebrachte Entlüftungseinsätze (→ Kanalspaltweite, je nach Schmelzeviskosität 0,1 mm und deutlich weniger) aus dem Werkzeug. Liegt unmittelbar vor Ende des Formfüllvorgangs (→ volumetrische Füllung) noch Luft vor, wird durch das vollständige Füllen des Werkzeugs die

. Abb. 1.458  Motor-Abdeckhaube aus PA6 für Solo-Rasenmäher mit angussferner Fehlstelle Bindenaht mit Dieseleffekt. (Foto: Fraunhofer ICT)

345 Verarbeitung von Kunststoffen zu Bauteilen

. Abb. 1.459  Spritzgegossenes PE-Brillengestell mit „Dieseleffekt“ (mangelnde Entlüftung) angussfern. (Foto: Fraunhofer ICT)

bereits k­ omprimierte, nicht entwichene Luft weiter verdichtet bei einer gleichzeitig drastischen Zunahme der Temperatur. Schließlich kommt es zu einer explosionsartig verlaufenden, mit einem lautstarken Knall verbundenen Verpuffung. Es liegt eine Entzündung der Gase bei hohem Druck vor. Die hierbei entstehenden Reaktionsreste sind als schwarze, lokal begrenzte Schlieren- bzw. Wolkenstrukturen an der Spritzlingsoberfläche (→ Werkzeugbelag, Korrosion möglich) zu erkennen, (siehe . Abb. 1.458 und 1.459). In der Praxis kann neben diesem oben beschriebenen „Sacknuten-Dieseleffekt“ auch eine Verpuffung auftreten, sofern zwei Fließfronten sich im Gegenstromprinzip (→ Verbindungskanal, Steg, der gleichzeitig von beiden Seiten gefüllt wird) unter Ausbildung einer Bindenaht aufeinandertreffen. Soll der Dieseleffekt bei Bauteilen vermieden werden, so muss der Luft ausreichend Zeit zum Entweichen gegeben werden. Der Füllvorgang wird in der Praxis deshalb kurz vor der volumetrischen Werkzeugfüllung nur noch mit langsamer Einspritzgeschwindigkeit vorgenommen. Alternativ werden die betreffenden, nicht werkzeuggebundenen Trennebenen mit geringerer Kraft zusammengedrückt. Prinzipiell ist auch eine Optimierung der Entlüftungssysteme (→ Passungen) möglich. Achtung: Mittels einer FEM-Füllstudienberechnung können Bereiche, wo ein Dieseleffekt auftreten kann, prinzipiell detektiert werden. Inwieweit ein derartiges Ereignis tatsächlich auftritt, kann die Berechnung jedoch nicht vorhersehen. Hier entscheiden die Bedingungen unmittelbar an der Verarbeitungsmaschine. Grundsätzlich lässt sich durch die berechnete Lage von Bindenähten auch auf diese Dieseleffekt-Problematik Rückschlüsse ziehen. Auch

hier entscheidet letztendlich der Verarbeitungsfall. Anzumerken ist, dass von den während des Formfüllvorgangs entstehenden Bindenähte, welche mit dem Schmelzestrom „weiter mitschwimmen“ (→ Fließnähte) keine Gefahr eines Dieseleffekts ausgehen. Diese oft als Fließlinien wiedergegebenen FEM-Berechnungsergebnisse weisen hingegen auf die Bindenahtqualität während der Entstehung (!) hin. Achtung: Beim Spritzgießen von Mikrospritzgussteilen muss wegen schnellverlaufenden Abkühl- bzw. Einfriergeschwindigkeiten mit sehr hohen Einspritzgeschwindigkeiten gearbeitet werden. Um hierbei ggf. einen Dieseleffekt zu vermeiden, wird an das Werkzeug ein Vakuum angelegt (→ evakuiert). . Tab. 1.52 können qualitätsverbessernde Maßnahmen bei Vorliegen eines Dieseleffekts entnommen werden. Verbrennungsschlieren Bräunlich verfärbte Schlieren, zurückzuführen auf eine thermische Schädigung, treten meist aufgrund einer zu hohen Schmelzemassetemperatur in Verbindung mit einer sehr langen Schmelzeverweilzeit längs der Verarbeitungsmaschine auf. Zu einer nicht erwünschten Massetemperaturerhöhung führen u. a. eine zu . Tab. 1.52  Qualitätsverbessernde Maßnahmen bei Vorliegen eines Dieseleffekts Fragestellung

Lösungsvorschläge

Verfahrenstechnik

a) Schließkraft herabsetzen b) Einspritzgeschwindigkeit abstufen (schnell – langsam) c) Entlüftungssysteme optimieren

1

346

1

H. Schüle und P. Eyerer

hohe Einspritzgeschwindigkeit, ein zu hoher Staudruck, ein zu klein gewählter Anschnittkanal und insbesondere zu langen Verweilzeiten in der Düse. Einfluss kann auch die gewählte Plastifiziereinheit (→ Schneckendurchmesser, Drehzahl), mit welcher u. U. eine zu hohe Dissipation (→ Schneckenumfangsgeschwindigkeit, materialschädigend) während des Plastifizierprozesses eingebracht wird, sein. Abhilfemaßnahmen zur Vermeidung von Verbrennungsschlieren können . Tab. 1.53 entnommen werden. Feuchtigkeitsschlieren Feuchtigkeitsschlieren sind gekennzeichnet durch in Schmelzefließrichtung ausgerichtete, parabelförmige Schlieren, welche vorzugsweise an Spritzgussteiloberflächen auszumachen sind. Auch ist es möglich, dass Wasserdampfbläschen die Schmelzeoberfläche aufreißen und platzen. Aufgerissene und/oder mit wieder weggebügelten Blasenstrukturen modifizierte Oberflächen liegen vor. Als Ursache für die im/am Polymer vorhandene Feuchte kann eine falsche Silierung bzw. Lagerung (→ Kondenswasserbildung an Kunststoffoberflächen) der zu verarbeitenden

Formmassen und/oder eine unzureichende Vortrocknung von hykroskopischen Kunststoffgranulat bzw. Pulver angeführt werden. Je nach Betriebsstätte kann auch neben einer Undichtigkeit von Temperiersystemen eine Kon­ densatausbildung an den Werkzeugoberflächen (→ PET-Verarbeitung!) während der Produktion (→ Stillstand) genannt werden. Qualitätsverbessernde Maßnahmen bei Vorliegen von Feuchtigkeitsschlieren sind in . Tab. 1.54 angegeben. Farbschlieren Farbunterschiede (→ Farbortunterschiede) an Oberflächen von Formteilen mit wolkenähnlicher Verteilung werden in der Praxis als Farbschlieren bezeichnet. Hauptursache für Einfärbefehler, welche prinzipiell an jeder Stelle des Bauteils punktuell, eng begrenzt und/oder großflächig ohne Regelmäßigkeit auftreten können, sind meist auf einen unzureichenden Dispergiergrad, d. h. schlechte Zerkleinerung und/ oder Verteilung der verwendeten organischen und/oder anorganischen Pigmenten und Farbmitteln zurückzuführen. Die zur ­ Einfärbung

. Tab. 1.53  Qualitätsverbessernde Maßnahmen zur Vermeidung von Verbrennungsschlieren

. Tab. 1.54  Qualitätsverbessernde Maßnahmen bei Vorliegen von Feuchtigkeitsschlieren

Fragestellung

Fragestellung

Lösungsvorschläge

Schmelzetemperatur a) Zylindertemperaturprofil zu hoch optimieren, vorzugsweise absenken b) Schneckendrehzahl verringern c) Staudruck reduzieren d) Einspritzgeschwindigkeit/-Profil senken bzw. optimieren Maschinentechnik

Weitere Vorgehen

a) Plastifizierschnecke optimieren, Kompression reduzieren b) Schneckendurchmesser erhöhen c) Düsen-, Anschnittgeometrie optimieren a) Formmasse überprüfen b) Dosierverhalten der Maschine optimieren c) Plastifiziereinheit und Düse auf Ablagerungsstellen prüfen

Lösungsvorschläge

Wasser-/ a) Werkzeugtemperiersystem Kondensatbildung auf Leckage prüfen Bereich Werkzeug- b) Werkzeugeinheit gegen ebene Umgebung abkapseln (-> Taupunkt), PET Formmasse

a) Formmasse ordnungsgemäß bei niedriger Temperatur vortrocknen b) Silierung bzw. Vor-OrtLagerung der Formmasse überprüfen c) Einfülltrichter mit Vortrockner/Stickstoff-Kapselung versehen

Maschinentechnik

a) Entgasungsspritzgießmaschine einsetzen b) Scharfkantige Übergänge vermeiden c) Funktion der Verschlussdüse überprüfen d) Materialvortrocknung kontrollieren

347 Verarbeitung von Kunststoffen zu Bauteilen

eingesetzten Pigmente wurden nicht wie erforderlich vom Hersteller auf die Mindestgröße von wenigen µm großen Agglomerate ausreichend zerkleinert. Die meist vereinzelt vorliegenden Aggregate von 50 µm gelten somit als optische Störfallen und ermöglichen auch bei günstiger Verteilung der Pigmente – für das menschliche Auge – keinen ausreichend homogenen Farbeindruck. Grundsätzlich ist festzustellen, dass beim Durchlaufen bzw. Plastifizieren einer Spritzgießmaschine in aller Regel keine weitere Zer­ kleinerung von sich in der Schmelze befindenden Farbkomponenten möglich ist. Nur Verteil- und Homogenisieraufgaben können in begrenztem Umfang von solchen Plastifiziereinheiten übernommen werden. Dies ist auch der Grund, dass insbesondere zur Einfärbung von Formmassen Masterbachgranulate (→ hochkonzentrierte Pigmentkomponenten, eingebunden in modifizierten Polymerformmassen-Trägermaterialen, günstige Vorverteilung der Pigmente) verwendet werden, welche deshalb üblicherweise unproblematisch verarbeitet werden können. Zerkleinerungs- und/oder Verteilprobleme ergeben sich meist bei der Verarbeitung von Pulver- und Flüssigfarb-Direkteinfärbung! Neben der Wahl ungünstiger Verarbeitungsparameter (z.  B. niedrige Schmelzetemperatur) oder der Einarbeitung der Farbpigmente mit einer ungeeigneten Plastifiziereinheit (z.  B. falsches L/D-Verhältnis) kann auch die Unverträglichkeit von Träger- und Farbkomponenten mit dem einzufärbenden Thermoplast die Ursache für eine unzureichende Farbverteilung im Formteil sein. Zu hohe Verarbeitungstemperaturen können zu einem thermischen Abbau von organischen Farbmitteln führen.

. Tab. 1.55  Qualitätsverbessernde Maßnahmen zur Vermeidung von Farbschlieren Fragestellung

Lösungsvorschläge

Dispergierung, Farbverteilung verbessern

a) Staudruck erhöhen b) Schneckendrehzahl reduzieren c) Zylinderwandtemperaturen absenken

Maschinentechnik

a) Schneckengeometrie optimieren b) Masterbach verwenden

Qualitätsverbessernde Maßnahmen zur Vermeidung von Farbschlieren sind in . Tab. 1.55 aufgelistet. Spannungsrisse/Weißbruch Äußere oder innere Risse in einem Spritzgussteil, welche durch Belastungen hervorgerufen werden, die kleiner als die werkstoffspezifische Bruchspannung sind, werden als Spannungsrisse bezeichnet. Die Rissentstehung ist bei Polymeren die Bildung von rissähnlich aufgeweiteten Bereichen, die durch hochverstreckte Molekülstränge, die Fibrillen, zusammengehalten werden. Die Ausbildung dieser sogenannten „Crazes“ ist auf Abkühlspannungen sowie auf lokale Eigenspannungen (→ Bauteilentformung unter Restdruck) zurückzuführen. Das ursächliche Aufreißen (→ Quellen) der Crazes bzw. die Rissbildung wird durch äußere Zugbeanspruchung initiiert, wobei durch das Einwirken aggressiver Medien (→ Laugen, Lösungsmittel u. a.) das Auftreten von Weißbruch bzw. Spannungsrissen erst ermöglicht wird und u. U. erst nach langer Anwendungsdauer auftritt. Grundsätzlich kann je nach Medienwahl das Schadensbild auch innerhalb kürzester Zeit vorliegen. Als Beispiel sei hier die Behandlung eines dünnwandigen PMMA-Spritzgussteils mit Acton zu nennen. Qualitätsverbessernde Maßnahmen, um ein Auftreten von Weißbruch/Spannungsrisse an Formteilen zu minimieren, sind in . Tab. 1.56 angegeben.

. Tab. 1.56  Qualitätsverbessernde Maßnahmen bei Weißbruch/Spannungsrissen Fragestellung

Lösungsvorschläge

Grundsätzliches

a) Geringe Werkzeugtemperaturunterschiede anstreben b) Konstante Schmelzeeinspritztemperatur vorgeben c) Einspritzgeschwindigkeiten optimieren d) Nachdruck möglichst niedrig halten, Nachdruckprofil anpassen e) Spannungsarm volumetrisch füllen, früher umschalten f) Ausbalanciertes Werkzeugfüllen anstreben

1

348

1

H. Schüle und P. Eyerer

Sichtbare Auswerferabdrücke Auswerferelemente sind nach der Entformung optisch auffällig als Vertiefungen und/oder erhabene Abdrücke im Spritzling zu erkennen. In manchen Fällen können hierbei noch lokale Glanzunterschiede sowie spannungsinduzierte, weißliche Verfärbungen (z. B. PMMA → Weißbruch) zusätzlich ausgemacht werden. Zurückzuführen sind diese Erscheinungen neben verfahrenstechnischen Ursachen (-> Temperatur- bzw. Kühlsituation, zu frühes Entformen, Zwangsentformung) auch auf fertigungstechnisch bedingte Fehler am Werkzeug. Zu nennen sind fehlerhafte Dimensionierung einzelner Werkzeugbauteile und/oder übermäßiges axiales Spiel von Auswerfern bzw. anderen Bewegungselementen (→ Schmelzeviskositätsverhalten berücksichtigen, Wärmeausdehnungssituation zwischen sich zueinander bewegenden ­Werkzeugbauteilen/-wandung berücksichtigen). In Ausnahmefällen kann auch eine zu geringe Werkzeugsteifigkeit in Wechselwirkung mit extremen Verarbeitungsparametern als Ursache infrage kommen. Qualitätsverbessernde Maßnahmen zur Reduzierung von sichtbaren Auswerferabdrücken auf Formteilen sind in . Tab. 1.57 angegeben. Deformation beim Entformungsvorgang Das Spritzgussteil wird durch zu hohe oder ungünstig angreifende Kräfte, eingeleitet durch das Entformungssystem, während des Entnahme- bzw. Auswerfvorganges deformiert. Dies zeigt sich in aller Regel in Form von Rissen, Brüchen, Überdehnungen und/oder Abziehriefen. Anfällig sind vorzugsweise auch schlecht . Tab. 1.57  Qualitätsverbessernde Maßnahmen bei Vorliegen von Auswerferabdrücken Fragestellung

Lösungsvorschläge

Auswerfer

Auswerfersystem überprüfen -> Einbau, Passungen

Verfahrenstechnik

a) Kühlzeit erhöhen b) Schmelzetemperatur absenken c) Nachdruck- und/oder -zeit verringern d) U  mschaltzeitpunkt herabsetzen e) Werkzeugtemperierung optimieren

. Tab. 1.58  Qualitätsverbessernde Maßnahmen, um Deformationserscheinungen an Formteilen während des Entformungsvorgangs zu vermeiden Fragestellung

Lösungsvorschläge

Verfahrenstechnik

a) Nachdruck absenken bzw. früher umschalten b) Kühlzeit verlängern c) Entformungssystem optimieren

entformbare Hinterschneidungen (→ Kratzer, Abschabungen in Entformungsrichtung). Qualitätsverbessernde Maßnahmen, um nachteilige Deformationen beim Entformen von Spritzlingen zu vermeiden, sind in . Tab. 1.58 angegeben. Abblätterung der Oberflächenschicht Als Delamination bezeichnet man bei Thermo­ plastspritzgussteile das Aufspleißen bzw. Abblättern von Oberflächenbereichen. Zurückzuführen ist dieser Effekt auf eine nicht ausreichende Verbindung einzelner, neben-/ übereinanderliegender Polymerschichten. Die anzutreffenden Schichtebenen sind auf komplexe rheologische Strömungseffekte sowie spezifischen Abkühlbedingungen über dem Querschnitt zurückzuführen. Durch das Vorliegen von hohen Schubspannungen und/oder Inhomogenitäten wird der Zusammenhalt dieser Schichten so weit herabgesetzt werden, dass sich einzelne Oberflächenschichten ablösen können. Derartige Schubspannungen werden hervorgerufen durch hohe Einspritzgeschwindigkeiten, niedrige Werkzeugwandtemperaturen und niedrige Massetemperaturen. Als Inhomogenitäten wirken hierbei meist Verschmutzungen oder . Tab. 1.59  Qualitätsverbessernde Maßnahmen bei Vorliegen einer Abblätterung der Oberflächenschichten Fragestellung

Lösungsvorschläge

Maschineneinstellung

a) Schmelzemassetemperatur absenken b) Einspritzgeschwindigkeit verringern, Profil optimieren c) Werkzeugwandtemperatur erhöhen

349 Verarbeitung von Kunststoffen zu Bauteilen

Fremdmaterialien im Granulat, unverträgliches Farbmittel oder Masterbatch sowie Feuchtigkeit in/auf dem Granulat. Qualitätsverbessernde Maßnahmen, um Abblätterungen von der Oberflächenschicht zu vermeiden, sind in . Tab. 1.59 angegeben. Glasfaserschlieren Glasfaserschlieren können als raue (→ ungenügender Faser-Schmelze-Verbund), fleckige und unregelmäßige Oberflächenbereiche ausgemacht werden. Auch regelmäßige, den Fließfrontverlauf erkennen lassende, Oberflächenstörungen sind zu beobachten. Je nach einfallendem Licht entsteht ein matter, oft auch metallisch spiegelnder Eindruck. Häufig anzutreffen sind Glasfaserschlieren im Bereich von Durchbrüchen und Umlenkungen sowie an Fließ- und Bindenähten. Neben Verarbeitungsparametern wie Einspritzgeschwindigkeit, Werkzeug- und Massetemperatur haben die lokal anzutreffenden Formfüllströmungsvorgänge (-> Fließwinkel, Faserausrichtung) einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf die Qualität (. Tab. 1.60). Werkzeugbelag (Formbelag) Wird nach einer längeren Produktionsdauer das Auftreten von Mattstellen auf Spritzgussteilen beobachtet, ist dies in aller Regel die Folge eines sich allmählich aufbauenden, nur bedingt mit bloßem Auge zu erkennenden Belages auf der Werkzeugwandung. Ursache für diesen nicht erwünschten Effekt sind in aller Regel eine,

mit zu hoher Schmelzetemperatur verarbeitete, Formmasse. Bedingt durch hohe Verarbeitungstemperaturen und gleichzeitig anzutreffenden langen Maschinenverweilzeiten können insbesondere die, den Polymeren zugegebenen, Funktionsstoffe (→ Flammschutzmittel, Antioxidantien, UV-Absorber, innere und äußere Gleitmittel, Fließhilfsmittel) aufgrund chemischer Reaktionen zu Spalt- und/oder Zersetzungsprodukten abgebaut werden. Über die Spritzlingsoberfläche werden sie nach außen an die Werkzeugwandung abgegeben. Unabhängig hiervon ist zu klären, ob und inwieweit die zu verarbeitende Formmasse mit einem anwendungstauglichen Entformungshilfsmittel (→ Verträglichkeit mit der Formmasse überprüfen) ausgerüstet ist. Qualitätsverbessernde Maßnahmen zur Vermeidung von Werkzeugbelag sind in . Tab. 1.61 dokumentiert. Verzug Das Spritzgussteil zeigt auffällig Verwindungen, Verwerfungen, wellige Flächen und Winkelabweichungen. Als Ursache ist hierfür ein unterschiedliches Schwindungsbestreben (Schwindungspotenzial) verschiedener Formteilbereiche anzuführen. Die Schwindungsdifferenzen entstehen durch unterschiedliche Verdichtung der Formteilbereiche und Orientierungen (siehe auch . Tab. 1.62).

. Tab. 1.61  Qualitätsverbessernde Maßnahmen zur Minimierung von Glasfaserschlieren . Tab. 1.60  Qualitätsverbessernde Maßnahmen zur Minimierung von Glasfaserschlieren

Fragestellung

Lösungsvorschläge

Fragestellung

Lösungsvorschläge

Zu hohe Massetemperatur

Verfahrenstechnik

a) Massetemperatur erhöhen b) Werkzeugwandtemperatur erhöhen, c) Einspritzgeschwindigkeitsprofil anpassen d) Schneckendrehzahl optimieren

a) Zylindertemperatur absenken b) Schneckendrehzahl absenken c) Staudruck verringern d) Einspritzgeschwindigkeit senken

Verweilzeitverhalten der Schmelze

a) Zykluszeit verkürzen b) Kleinere Maschine einsetzen

Werkzeug

a) Anschnittgeometrie optimieren b) Entlüftungssystem überprüfen

Werkzeugtechnik

a) V  ariotherme Werkzeugtemperierung b) Anschnittgeometrie optimieren, Kanal vergrößern

1

350

1

H. Schüle und P. Eyerer

. Tab. 1.62  Qualitätsverbessernde Maßnahmen bei Bauteilen mit Verzugserscheinungen Fragestellung

Lösungsvorschläge

Grundlegende Vorgehensweise

a) Schneckenvorlaufgeschwindigkeit erhöhen b) Massetemperatur absenken c) Werkzeugwandtemperatur erhöhen

Werkzeug

a) Balancierte Werkzeugfüllung b) Gleichmäßige und symmetrische Abkühlung des Formteils c) Wanddickenunterschiede und Masseanhäufungen verringern d) Zahl der Anschnitte erhöhen

Mischungszusammensetzung, sondern maßgeblich von den Prozessparametern im Innenmischer und auf dem Walzwerk beeinflusst. Auch die Lagerungsbedingungen zwischen den einzelnen Aufbereitungsschritten können zu unterschiedlichen Mischungseigenschaften und somit zu Verarbeitungsschwierigkeiten beim Spritzgießen von Elastomeren führen [109]. Im Folgenden werden einige typische Formteilfehler, welche beim Spritzgießen von Elastomeren auftreten, sowie mögliche Ursachen ihrer Entstehung zusammengefasst (. Abb. 1.461; . Tab. 1.63). z Spritzgießen von Elastomeren

In . Tab. 1.63 [109] sind tabellarisch einige immer wieder in der täglichen Produktionspraxis auftretende Probleme und entsprechende Lösungsansätze aufgelistet. Die Maßnahmen beziehen sich auf Maschine, Werkzeug und Kautschukmischung. Bei mehreren möglichen Ursachen ist die erwartete Bedeutung für das jeweilige Problem durch eine Nummerierung nach Prioritäten gekennzeichnet [109]. Die Nummern geben die Reihenfolge der Abhilfemaßnahmen an. z Extrudieren von Elastomeren

In . Tab. 1.64 [109] sind einige Praxisprobleme und Ansätze zu deren Lösung aufgelistet. 1.2.7.3.3  Verarbeitungsfehler –

Duroplaste

z Pressen und Spritzgießen von Duroplasten (. Tab. 1.65)

. Abb. 1.460  Einflussfaktoren auf die Formteilqualität beim Verarbeiten von Elastomeren [109]

Über Fehlermöglichkeiten beim Verarbeiten von duroplastischen Formmassen gibt es eine Reihe von Zusammenstellungen [379]. Die zitierte Arbeit befasst sich ausführlich mit den Fehlermöglichkeiten beim Pressen. Sie soll daher ergänzt werden durch eine kurze

1.2.7.3.2  Verarbeitungsfehler –

Elastomere

Im Verlauf der Elastomeraufbereitung gibt es zahlreiche Einflussparameter, die zunächst die Eigenschaften der Kautschukmischung und somit zuletzt auch die der spritzgegossenen Formteile beeinflussen (. Abb. 1.460 [109]). So wird die Mischungsqualität nicht nur von den Rohmaterialeigenschaften und der

. Abb. 1.461  Mögliche Fehlstellen am Formteil [109]

Maschine

2⇑

Dosierhub

Fütterung unterbrochen

Düsendurchmesser

Vulkanisations­ zeit

Zylindertemperatur

Staudruck

Schneckendrehzahl

3⇑

2⇓

2x

1⇑

1⇑

3⇑

4⇑

Nachdruckzeit

Umschaltpunkt Geschwindigkeits-/Drucksteuerung

2⇑

Porosität

3⇓

Blasen

Nachdruckhöhe 1 ⇑

Schwamm Brenner

1⇓

Artikel unter­ füllt

Einspritzgeschwindigkeit

Problem Mögliche Ursachen

3⇑

2⇑

Fließ­ nähte

1⇑

2⇑

Verfor­ mungen

5⇑

3⇑

4⇑

2⇑

Untervul­ kanisation

4⇓

1⇓

2⇓

3⇓

Anvulkanisation/ Knoten 2⇓

Raue Oberfl./ “Orangenhaut“

5⇑

1⇑

2⇓

4⇑

Überkneifer „backrinding“

. Tab. 1.63  Praxisprobleme beim Spritzgießen und Lösungsansätze: Zeichenerklärung: ⇑ Parameter erhöhen, ⇓ Parameter erniedrigen, x Parameter beachten [110]

4⇓

1⇓

3⇓

2⇓

Grat

(Fortsetzung)

1⇑

Kleben im Nest

Verarbeitung von Kunststoffen zu Bauteilen 351

1

Mischung

Werkzeug

4⇑

1⇓

Fließ­ nähte

5⇑

3⇓

Verfor­ mungen

7⇓

6⇑

6⇓

1⇑

Anvulkanisation/ Knoten

Untervul­ kanisation

5x

1⇓

Raue Oberfl./ “Orangenhaut“

3⇓

Überkneifer „backrinding“

3⇓

Kleben im Nest

3⇑

6⇑

Mindestlagerzeit

Höchstlagerzeit

4⇓

7⇓

Flüssige Bestandteile

Anvulkanisation

Viskosität

4⇓

8⇑

4⇑

3⇓ 5⇓

4x

5⇓

4⇑

Porosität

Werkzeugverschmutzung

5⇑

Blasen

2⇓

4⇑

Schwamm Brenner

Trennmittel

Vakuum

Werkzeugtemp.

Balancierung

Verteilerkanäle/ Anschnitte

Artikel unter­ füllt

5x

Grat

1

Problem Mögliche Ursachen

. Tab. 1.63 (Fortsetzung)

352 H. Schüle und P. Eyerer

1

353 Verarbeitung von Kunststoffen zu Bauteilen

. Tab. 1.64  Betriebspraxis Extrudieren [109] Problem

Mögliche Ursachen

Maßnahmen

1.  Extruder pumpt

1.1 Abstand zwischen Schnecke und Mundstück zu klein

1.1 Abstand vergrößern, Lochplatte einsetzen

1.2 Effektive Schneckenlänge (Druckströmung) schwankt aufgrund schwankender Förderung der Vorzonen, besonders bei Entgasungsextrudern

1.2 Fütterung verbessern, Toleranzen für Streifengeometrie einengen; Förderverhalten der Vorzonen bei Vakuumextrudern optimieren Band 1

1.3 Reibungskoeffizient insbesondere im Einzugsbereich zu niedrig

1.3  Zylindertemperatur optimieren

2.1 Ausstoßleistung der Vorzone zu groß

2.1.1 Leistung der Vorzone drosseln durch Anheben der Zylindertemperatur 2.1.2 Leistung der Austragszone erhöhen durch Erhöhen der Schneckentemperatur und Absenken der Zylindertemperatur 2.1.3 Drosselwiderstand am Ende der Vorzone erhöhen

2.2 Ausstoßleistung der Austragszone erhöhen

2.2.1 Werkzeugwiderstand erniedrigen (Bügellängen, Lochplatten, Vorzonen) 2.2.2 Schneckentemperatur gezielt erhöhen; Zylindertemperatur senken 2.2.3 Schneckengeometrie optimieren Band 1

3.1  Knoten in der Mischung

3.1  Band 1

3.2  Anvulkanisation im Extruder

3.2.1 Mischungstemperatur absenken durch Erniedrigen der Schneckendrehzahl 3.2.2 Werkzeugwiderstand erniedrigen 3.2.3 Werkzeugtemperatur herabsetzen 3.2.4 Mischungsviskosität erniedrigen durch Mischtechnologie oder „Nachzwicken“ 3.2.5 ggf. Rücklaufmischung eliminieren

4.1  Mischungstemperatur zu hoch

4.1 Mischungstemperatur absenken wie bei 3.2

4.2  Mischung enthält Wasser

4.2.1  Mischung trocknen 4.2.2 Wasserbindende Chemikalien aufmischen 4.2.3  Vakuumextruder einsetzen 4.2.4  Walzwerkentgasung einsetzen

4.3 Mischung enthält flüchtige Bestandteile

4.3.1  Vakuumextruder einsetzen 4.3.2  Siedepunkt WM überprüfen 4.3.3  Compoundierung überprüfen

4.4 Mischung enthält eingezogene Luft (NBR, Butyl)

4.4.1  Fütterung verbessern 4.4.2  Vakuumextruder einsetzen

2. Vakuumzone wird „überfahren“

3.  Knoten im Profil

4.  Blasen im Profil

(Fortsetzung)

354

1

H. Schüle und P. Eyerer

. Tab. 1.64 (Fortsetzung) Problem

Mögliche Ursachen

Maßnahmen

5. Stegmarkierungen im Profil

5.1  Druck nach Stegen zu niedrig

5.1  Druck durch Drosselelement erhöhen

5.2 Temperaturunterschiede Steg/ Mischung zu groß

5.2.1 Temperierung des Spritzkopfes optimieren 5.2.2  Stege temperieren

5.3 Steggeometrie nicht strömungsgünstig

5.3  Geometrie optimieren

5.4  Stegoberfläche zu rau

5.4  Stegoberfläche polieren

5.5 Eigenklebrigkeit der Mischung zu niedrig

5.5  Compoundierung überprüfen

6. Fließstrukturen im Profil

6.1 Fremdmischung

6.1  Charge verwerfen

6.2 Unterschiede in der Deformations- und Temperaturgeschichte zu groß

6.2.1  Temperierung optimieren 6.2.2 Erhöhen des Mischungsdruckes durch Verlängerung der Bügelzonen 6.2.3  Verwendung von Mischelementen 6.2.4 Erhöhung der Eigenklebrigkeit der Mischung

7. Raue Profiloberfläche

7.1 Dehnviskosität an der Oberfläche zu groß

7.1.1  Mundstücktemperatur erhöhen 7.1.2  Mischung nachzwicken 7.1.3  Fließhilfen verwenden 7.1.4  Compoundierung überprüfen

8. Profil verwirft sich, läuft schief, ist nicht maßhaltig

8.1  Fehlender Flussausgleich

8.1 Flussausgleich nach rheologischen Gesichtspunkten (Band 1)

8.2 Werkzeugtemperierung ungleichmäßig

8.2  Temperierung optimieren

8.3  Ablagerungen im Fließkanal

8.3  Werkzeug reinigen

9.1  Vorlaufkanal asymmetrisch

9.1.1  Vorlaufkanal korrigieren 9.1.2 Asymmetrische Vorlaufkanäle nach Möglichkeiten grundsätzlich vermeiden

9. Symmetrisches Profil ist einseitig dicker

Zusammenstellung von Fehlermöglichkeiten bei der Spritzgießverarbeitung von duroplastischen Formmassen, . Tab. 1.66 [360]. Außerdem sind von fast jedem Hersteller duroplastischer Formmassen solche Fehlertabellen zu erhalten [360]. Weitere Literatur zu Verarbeitungsfehlern siehe [380–390]. 1.2.8  Mikrowellentechnologie in der

Polymerverarbeitung

Rudolf Emmerich Grundlagen der Mikrowellen

Mikrowellen sind nichtionisierende elektromagnetische Wellen im Frequenzbereich von

300  MHz bis 300  GHz. Insbesondere werden Mikrowellen in der Kommunikations- und Radartechnik sowie zur Erwärmung von Materialien und zur Erzeugung von Plasmen angewandt. Die Mikrowellenerwärmung basiert auf verlustbehafteten Polarisationsvorgängen in den Materialien, welche durch Wechselwirkung des elektrischen Feldes mit freien oder gebundenen Ladungsträgern entstehen. Die Erwärmung durch Mikrowellen ist abhängig von der Frequenz ϖ, dem elektrischen Feld E, dem dielektrischen Verlust ε″ und der Dichte ρ sowie der Wärmekapazität c. Es gilt für die Erwärmung eines Produkts um die Temperatur ΔT in der Zeit Δt folgende Beziehung:

 �T ωε0 ε′′ |E|2 dt = �t pc

+

+

1.5 Kleine Blasen, aufgeplatzt, Teile glatt

Bei grobem Füllstoff inhomogene Masse

Formmasse

1.4 Große Blasen, Teile matt, verformt

+

1.2 Porosität

1.3 Wolken und Schlieren

+

1.1 Entmischung

1. Materialfehler

Fehlerursache

Fehlerortung

Fließeinstellung +

+

+

Härtungsgeschwindigkeit

+

+

+

+

+

+

Spritz- bzw. Press-Einheit

Massetemperatur

+

Dosierung

. Tab. 1.65  Fehler beim Verarbeiten duroplastischer Formmassen [364]

Zu feucht Zu viel Gleitmittel Zu hart Zu weich Zu hoch Zu niedrig Zu hoch Zu niedrig Zu hoch Zu niedrig

+

+

+

Zu hoch

+

Zu niedrig

Spritzgeschwinwdigkeit

+

+

+

Zu hoch

+

Zu niedrig

Spritzdruck

+

Nachdruck zu wenig

+

+

+ +

Werkzeugkonstruktion

+

+

+

Werkzeug und Schließeinheit

Fließwege zu eng sonst ungünstig Auswerfer nicht richtig Entlüftung ungenügend Zu hoch

+

Zu niedrig

+

(Fortsetzung)

+

Zu lang Zu kurz

Werkzeugtemperatur

Härtezeit

Schließdruck zu niedrig

Verarbeitung von Kunststoffen zu Bauteilen

1

355

2.6 Klebrig

2.5 Brandflecken

+

+

z. T. überhärtet, wärmeempfindlich

2.3 Matte Stellen

+

2.2 Zu geringer Glanz

2.4 Helle Flecken

+

Formmasse

2.1 Unruhig (Orangenhaut)

2.

Fehlerursache

Fehlerortung

. Tab. 1.65 (Fortsetzung)

Zu feucht Zu viel Gleitmittel

+

+

+

Zu hart Fließeinstellung

+

+

Zu weich

+

Zu hoch

+

Zu niedrig

Härtungsgeschwindigkeit

+

+

+

+

+

+

Spritz- bzw. Press-Einheit

Zu hoch Zu niedrig

Massetemperatur

Zu hoch +

Zu niedrig

Dosierung

+

+

Zu hoch Zu niedrig

Spritzgeschwinwdigkeit

+

+

Zu hoch Zu niedrig

Spritzdruck

Nachdruck zu wenig +

+ +

+

Werkzeugkonstruktion

+

+ +

Werkzeug und Schließeinheit

Fließwege zu eng sonst ungünstig Auswerfer nicht richtig Entlüftung ungenügend Zu hoch +

Zu niedrig

+

+

(Fortsetzung)

+

Zu lang Zu kurz

Werkzeugtemperatur

Härtezeit

1

Schließdruck zu niedrig

356

H. Schüle und P. Eyerer

+

3.7 Klemmen in der Form

3.8 Übermäßiger Grat

+

+ +

+

Formmasse

3.6 Kleben an der Form

3.4 Fließmarkierungen

3.5 Rippen durch markiert

3.3 Teile nicht voll

3.2 Lunker

3.1 Einfallstellen

3. Gestaltfehler

Fehlerursache

Fehlerortung

. Tab. 1.65 (Fortsetzung)

Zu feucht Zu viel Gleitmittel +

+

Zu hart Fließeinstellung

+

+

+

+

Zu weich

+

+

Zu hoch

+

+

+

Zu niedrig

Härtungsgeschwindigkeit

+ +

+

+

+

Spritz- bzw. Press-Einheit

Zu hoch Zu niedrig

Massetemperatur

+

Zu hoch +

Zu niedrig

Dosierung

Zu hoch Zu niedrig

Spritzgeschwinwdigkeit

+

+

Zu hoch

+

+

+

+

Zu niedrig

Spritzdruck

+

+

+

+

Nachdruck zu wenig

+

+

+

+

Werkzeugkonstruktion

+ +

+

+

+

Werkzeug und Schließeinheit

Fließwege zu eng sonst ungünstig Auswerfer nicht richtig Entlüftung ungenügend Zu hoch

+

+

+

+

Zu niedrig

(Fortsetzung)

+

Zu lang

+

+

+

+

Zu kurz

Werkzeugtemperatur

Härtezeit

Schließdruck zu niedrig

Verarbeitung von Kunststoffen zu Bauteilen

1

357

4.4 Masse in Metalleinlagen

+

4.2 Teile gerissen

4. Metalleinlagen beschädigt oder verbogen

+

Formmasse

4.1 Teile verzogen

4. Strukturfehler

Fehlerursache

Fehlerortung

. Tab. 1.65 (Fortsetzung)

Zu feucht Zu viel Gleitmittel

+

Zu hart Fließeinstellung +

+

Zu weich

+

+

Zu hoch Zu niedrig

Härtungsgeschwindigkeit Spritz- bzw. Press-Einheit

Zu hoch Zu niedrig

Massetemperatur

Zu hoch Zu niedrig

Dosierung

+

+

+

Zu hoch Zu niedrig

Spritzgeschwinwdigkeit

+

+

+

Zu hoch +

Zu niedrig

Spritzdruck

+

Nachdruck zu wenig

+

+

+

Werkzeugkonstruktion

+

Werkzeug und Schließeinheit

Fließwege zu eng sonst ungünstig Auswerfer nicht richtig Entlüftung ungenügend Zu hoch Zu niedrig +

+

Zu lang

+

+

Zu kurz

Werkzeugtemperatur

Härtezeit

1

+

Schließdruck zu niedrig

358

H. Schüle und P. Eyerer

359 Verarbeitung von Kunststoffen zu Bauteilen

. Tab. 1.66  Fehlererscheinungen, ihre Ursachen und ihre Beseitigung beim Spritzgießen von härtbaren Formmassen [358] Fehlererscheinung am Spritzgießteil

Etwaige Ursachen

Mögliche Beseitigung

1. Kleine Blasen am Zusammenfluss der Fließfronten, Brandflecken

Zu hohe Formfüllgeschwindigkeit, Werkzeugtemperatur zu hoch, mangelhafte Werkzeugentlüftung

Spritzgeschwindigkeit vermindern, Werkzeugtemperatur erniedrigen. Entlüftungsquerschnitte reinigen bzw. erweitern

2. Poröse, evtl. verbrannte Stellen (Dieseleffekt)

Zu hoher Spritzdruck, schlechte Werkzeugentlüftung,

Spritzdruck erniedrigen, Spritzgeschwindigkeit verringern, Werkzeug besser entlüften (über weitere Auswerfer o. Ä.), härtere Masse verwenden

3. Fließlinien auf der Oberfläche von Sichtteilen

Zu hohe Formfüllgeschwindigkeit, Viskosität der Masse zu niedrig

Kontrolle der Temperaturen, trockenere oder härtere Masse verwenden

4. Teile nicht ausgespritzt, Fließfronten nicht voll ausgeformt

Werkzeugtemperatur zu hoch oder zu niedrig, Masse zu feucht oder zu weich

Nachdruckhöhe kontrollieren, geringes Nachdruckpolster einstellen, Kontrolle der Werkzeugtemperaturen, Dosierung prüfen

5. Angussstange bleibt hängen

Werkzeugtemperatur zu hoch bzw. zu niedrig, Nachdruck zu gering, Nachdruckpolster fehlt, Dosierung verändert

Werkzeugfehler korrigieren, Werkzeugtemperatur spritzseitig anheben, um Schwindung zu erhöhen

6. Ungleichmäßige Teilefüllung, Dosierschwankungen

Buchse nicht auf Abzug poliert, Konizität zu gering, Auswerferkralle zu wenig hinterschnitten

Geringen Staudruck einstellen, Schneckendrehzahl zwischen 50 und 120 U/Min. wählen, Trichter ausreichend füllen

7. Größere Blasen, Teil verformt

Kein Staudruck eingestellt, Schneckendrehzahl zu hoch, Materialtrichter nicht genügend gefüllt, Schnecke besitzt keine Rückdrehsperre

Härtezeit verlängern, Werkzeugtemperatur erhöhen, Massetemperatur erhöhen, härtere Masse verwenden

8. Maße am Fertigteil stimmen nicht

Härtezeit zu kurz, Masse zu weich

Wenn Schwindung zu hoch: Massetemperatur erhöhen, besser Entgasen; härtere Masse verwenden

9. Teilentformung schlecht, Teil „klebt“ im Werkzeug

Schwindung zu hoch

Werkzeugtemperatur überprüfen, Werkzeugmängel beheben, mit Formenwachs arbeiten

10. Teile reißen nach dem Erkalten (besonders Aminoplaste)

Werkzeugtemperatur zu niedrig, schlechte Auswerferplacierung, mangelhafte Konizität, schlechte Politur, evtl. fehlende oder beschädigte Werkzeugverchromung

Änderung der Anspritzlage, evtl. Spritzprägeverfahren anwenden

11. Teile werden beim Abbrechen vom Verteiler stark beschädigt

Anspritzart ungünstig, zu starke Spannungen im Teil

Anschnittquerschnitte korrigieren möglichst auswechselbare Einsätze (Ferrotic, Sintermetall) vorsehen

12. Teile verziehen sich

Anschnitte zu stark ausgewaschen

Kontrolle von Beheizung und Härtezeit; härtere, trockenere Masse verwenden, Anspritzlage in dicke Wandstärke legen

1

360

1

H. Schüle und P. Eyerer

Erwärmung von Polymeren mit Mikrowellen – Beschleunigte Aushärtung von duromeren Faserverbundwerkstoffen

härtezeiten erzielt werden, da die Aufheizzeiten für Werkzeug und Bauteil kurz sind. Für sehr große Bauteile oder kleine Serien weicht man oftmals auf kostengünstigere Kunststoffformen aus, die schlecht Wärme leiten, z. B. beim low pressure RTM oder Vacuum Assisted Infusion. Die Aufheizung des Werkzeugs und des Bauteils durch Konvektion oder Wärmeleitung dauert lange und ist der größte Teil am RTM-Zyklus. Auch muss die gesamte Masse des Werkzeugs erwärmt werden, was viel Energie kostet. Für diese beiden Verfahren können Mikrowellenstrahlersysteme verwendet werden, die Aufheizzeiten, und damit die Zykluszeiten, zu reduzieren. Mikrowellenstrahlersysteme bestehen aus Antennen, die Mikrowellen kontrolliert auf eine bestimmte Zone des Bauteils bzw. Materials abstrahlen und diese dort erwärmen. Durch geschickte Formwahl und Anordnung der Antennen des Strahlersystems kann eine homogene Erwärmung erreicht werden. Beim Vakuuminfusionsverfahren findet die Aushärtung im unbeheizten Werkzeug statt. Das Harz ist aber so inhibiert, dass eine lange Verarbeitungszeit möglich ist, damit ist aber auch eine lange Aushärtezeit verbunden. Zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der Verfahren müsste dieser Verfahrensschritt verkürzt werden. In . Abb. 1.462, 1.463, 1.464, 1.465, 1.466 und 1.467 ist ein Mikrowellensystem dargestellt, die Aushärtezeiten zu verkürzen. Das System besteht aus zylindrischen Strahlern, die zu einem Linienstrahler kombiniert wurden. Dieser Linienstrahler wurde auf einen Roboter montiert, um damit ein flächiges auch dreidimensionales Bau-

Um jedoch einen Einsatz in der Massenfertigung zu ermöglichen, ist es notwendig, die Zykluszeit zur Herstellung der Bauteile zu verkürzen. Bauteile kleiner bis mittlerer Größe, insbesondere bei großen Stückzahlen, werden meist in Metallformen hergestellt. Durch die gute Wärmeleitung des Metalls können kurze Aus-

. Abb. 1.462  Aufbau des linienförmigen Mikrowellenstrahlersystems

Abhängig vom molekularen Aufbau eines Polymers kann dieses über seine polare Struktur oder seine elektrische Leitfähigkeit Mikrowellen absorbieren. Mikrowellensysteme zur Erwärmung von Materialien bestehen aus bestimmten Komponenten und Modulen, die bei jeder Mikrowellenanlage zu finden sind. Ein typischer Aufbau einer solchen Mikrowellenanlage besteht aus einem Magnetron, das die Mikrowellen erzeugt, einem Zirkulator, der Mikrowellen nur in eine Richtung transmittiert und damit als Weiche dient, einem Tuningelement und einem Einkoppelsystem. Das Magnetron hat die größte wirtschaftliche Bedeutung, da es die wirtschaftlichste Strahlungsquelle bei den gebräuchlichen Frequenzen von 5,8 GHz, 2,45 GHz oder 915 MHz ist. Mikrowellen erwärmen dielektrische Materialien,  unabhängig von deren Wärmeleitung. Dadurch ist es möglich, insbesondere schlecht Wärme leitende Materialien wie z. B. Polymere oder Keramiken in kurzer Zeit zu erwärmen. Die Schwierigkeit einer Mikrowellenerwärmung liegt in der Ausbildung eines inhomogenen elektromagnetischen Feldes insbesondere in sogenannten Multimodeöfen, was zu einer inhomogenen Erwärmung des Materials führt. Nur durch die Anpassung des Mikrowellensystems an das Material und die Prozessführung gelingt es, eine ausreichende Homogenität und Kontrollierbarkeit des Prozesses zu erzielen.

Faserverstärkte duroplastische Verbundwerk­stoffe finden zunehmend Einsatz in der A ­ uto­mobil- und Luftfahrtindustrie. In diesen Bereichen sollen die Metalle durch Verbundwerkstoffe ersetzt werden. Gründe hierfür sind: 5 geringe Masse, 5 die hohen spezifischen Eigenschaften sowie 5 die Eigenschaften der Verbundbauteile Maß zu schneidern.

361 Verarbeitung von Kunststoffen zu Bauteilen

. Abb. 1.463  GFK-Bauteil (Polyester) ausgehärtet mit Mikrowellen (Länge 2 m, Breite 0,7 m)

. Abb. 1.466  Polyesterbauteil hergestellt im RTM-Verfahren mit Mikrowellen ausgehärtet

. Abb. 1.464  Aufbau des flächigen Mikrowellenstrahlersystems

ausgehärtet. Die Aushärtezeit reduziert sich abhängig von den Harzeigenschaften um bis zu 70 % gegenüber konventioneller Aushärtung. Das linienförmige Strahlersystem wurde für den Einsatz im RTM-Verfahren zu einem flächigen System erweitert. Das mikrowellentransparente RTM-Werkzeug wird über dem flächigen System positioniert und mit Mikrowellen bestrahlt. Die Mikrowellen durchdringen das Kunststoffwerkzeug ungedämpft und erwärmen homogen das Harz. Mit diesem Verfahren wurden Bauteile aus Vinylesterharz und Epoxidharz hergestellt. Die Aushärtezeit verkürzt sich durch Mikrowellen drastisch bei Vinylesterharz um etwa 86 % und bei Epoxidharz um etwa 90 % bei vergleichbaren Eigenschaften des ausgehärteten Kunststoffs. Anwendungsbeispiel (Forschung)

. Abb. 1.465  Mikrowellentransparentes RTM-Werkzeug

teil zu erwärmen. Nach der Infusion des Harzes in die offene Form, wird das Harz direkt mit Mikrowellen bestrahlt und damit beschleunigt

1

362

H. Schüle und P. Eyerer

werkstoffen (bis zu 70 % reduzierte Aushärtezeit) 5 Schweißen von kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoffen (mit angepassten Antennenstrukturen gut möglich) 5 Plasmatechnologie 5 Kratzschutzschichten auf Polycarbonat 5 Korrosionsschutz (auch auf Metall bei nachträglichem Umformen, z. B. Al) 5 Nano-poröse Haftschicht

1

. Abb. 1.467  Mikrowelleneinheit zum beschleunigten Kleben

Schnelle Prozesse – Mikrowellen in der Verfahrenstechnik Emmerich R, Elsner P (2016) Schnelle Prozesse – Mikrowellen in der Verfahrenstechnik. In: WAK Jahresmagazin Kunststofftechnik 2016, S. 28–34 Mikrowellen wenden wir an beim 5 Erwärmen von Lebensmitteln 5 Telefonieren oder Surfen mit dem WiFi im Internet. Doch Mikrowellen können noch viel mehr: 5 Kunststoffe erwärmen (unabhängig von deren Wärmeleitung) 5 PET-Vorformlinge (Erwärmungszeit um ca. 90 % reduzieren) 5 Granulate trocknen 5 beschleunigte Aushärtung von Duroplasten, z. B. Klebstoffen oder Faserverbund-

Zusammenfassung [391] Mikrowellen können in vielen Anwendungen thermische Prozesse drastisch beschleunigen. Entscheidend hierbei ist, dass das Mikrowellensystem auf die Anwendung und das Material angepasst wird. Geschieht keine Anpassung, kann das enorme Einsparpotenzial nicht komplett ausgeschöpft, oder eine homogene und reproduzierbare Erwärmung kann nicht erzielt werden. Glasartige Schichten, aufgebracht mit dem mikrowellengenerierten PECVD-Prozess, veredeln Oberflächen und verändern deren Eigenschaften. Mit diesen Plasmen lassen sich sehr hohe Beschichtungsraten und damit kurze Beschichtungszeiten von weniger als 1 min realisieren. Da die Wirtschaftlichkeit im Wesentlichen von der Beschichtungszeit abhängt, bieten diese Verfahren eine wirtschaftliche und umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen Beschichtungsverfahren. Neuartige Haftschichten erlauben direkte Verbindung von Kunststoffen mit Metall oder Keramiken mit hohen Festigkeiten.

Beschleunigte Aushärtung von Klebstoffen

In der Fertigung, beispielsweise von Automobilen, werden ausgewählte Materialien eingesetzt, wodurch den Fügetechnologien eine Schlüsselfunktion zukommt. Eine stoffschlüssige Verbindung der unterschiedlichen Werkstoffe ist oftmals unmöglich, sodass mechanische oder adhäsive Fügetechniken eingesetzt werden müssen. Insbesondere die Verbindung von Karosserieteilen aus Kunststoff mit den metallischen Rahmen kann nur mithilfe von Schrauben oder Klebstoffen bewerkstelligt werden. Die Zykluszeit zur Montage einer Kunststoffbeplankung an den Rahmen ist jedoch so kurz, dass ein Einsatz von Klebstoffen ohne zusätzliche mechanische Fixierungen nicht möglich ist. Durch die zusätzliche Fixierung, beispielsweise mithilfe von Schrauben, werden aber

363 Verarbeitung von Kunststoffen zu Bauteilen

. Abb. 1.468  PE-Rohr (schwarz) mit gelber Rohrmuffe und schwarzer (rußgefüllt) Schweißpaste (PE) mittels Mikrowellen (2,45 GHz) verbunden (verschweißt). (Foto: Fraunhofer ICT)

entscheidende Vorteile der Klebetechniken, wie beispielsweise Ausgleich von Toleranzen, Design- und Montagefreiheit nicht genutzt. Mikrowellen bieten die Möglichkeit, einen Klebstoff schnell zu erwärmen und damit zu aktivieren. Mikrowellen können von außen durch ein Dielektrikum appliziert werden. Die Aushärtezeit kann durch Mikrowellen abhängig vom Klebstoff auf wenige Sekunden reduziert werden. Dies ermöglicht die Integration des Klebeprozesses in den Fertigungsprozess. Dafür werden Mikrowellenantennensysteme entwickelt, welche die Mikrowellen reproduzierbar und sicher applizieren (. Abb. 1.468). Als Beispiele ergeben sich insbesondere die Verbindung von Nichtmetallen wie Glas und Kunststoffe untereinander oder an Profile aus kohlenstofffaserverstärkten Compounds [392, 393]. Sintern von porösen Elementen mittels Mikrowellen

Poröse Elemente aus Polymeren finden in der Technik als Gas- oder Flüssigkeitsfilter, Schalldämpfer, Farbrollen, Dosierer etc. Verwendung. Die Teile bestehen meist aus ultra-

hochmolekularem Polyethylen (UHMWPE). Das Polyethylenpulver wird in eine Metallform gefüllt und in einem Umluftofen mehrere Stunden gesintert. Die lange Sinterzeit von mehreren Stunden ist nötig, um ein homogenes Erweichen der äußeren und inneren Partikel zu gewährleisten. Aufgrund der langen Sinterzeit benötigt man zur Herstellung poröser Elemente viele Sinterformen; dies erhöht die Produktionskosten deutlich. Auch ist eine kontinuierliche Fertigung von homogenen porösen Rohren oder Platten mit dem konventionellen Verfahren nicht möglich. Mikrowellen erlauben, die Sinterzeit drastisch auf wenige Minuten zu verkürzen und gleichzeitig die Homogenität der porösen Elemente zu verbessern. Dieses Verfahren eignet sich somit insbesondere zur Herstellung dickwandiger poröser Elemente, oder auch zum 3D Drucken. In . Abb. 1.469 ist das Verfahren schematisch dargestellt. Reines Polyethylen absorbiert keine Mikrowellen und lässt sich insofern mittels Mikrowellen nicht erwärmen. Um dennoch ein Sintern des Polyethylenpulvers mittels Mikrowellen zu erreichen, werden die einzelnen Partikel mit einer Substanz aus sehr gut absorbierendem Material beschichtet [394]. Das so behandelte Polyethylenpulver wird in eine Form gefüllt, verdichtet und mit Mikrowellen bestrahlt. Die Form besteht aus einem Material, das für Mikrowellen transparent ist. Die beschichteten Polyethylenpartikel absorbieren Mikrowellen, schmelzen an der Oberfläche und verbinden sich (. Abb. 1.470). Die Temperatur wird während des Sinterprozesses mithilfe eines faseroptischen Tempera­ turmesssystems erfasst. Schweißen von thermoplastischen Kunststoffen mittels Mikrowellen

Beim Mikrowellenschweißen [395] handelt es sich um ein nicht kommerziell verfügbares Verfahren. Es ist ein Verfahren, das sich in der Entwicklung

. Abb. 1.469  Prinzip des indirekten und direkten Mikrowellenschweißens

1

364

H. Schüle und P. Eyerer

1

. Abb. 1.470 Verfahrensskizze

befindet und sein Potenzial noch aufzeigen wird. Anhand der Art der Wärmeerzeugung bzw. Wärmeeinbringung in die Fügezone nimmt die DIN 1910, Teil 3 eine Einteilung der Schweißverfahren für Kunststoffe vor. So unterscheidet man thermische Verfahren, bei denen Wärme durch Leitung, Konvektion oder Strahlung in die Fügezone eingebracht wird, sowie Verfahren, bei denen die Wärme direkt in der Fügezone erzeugt wird. Zur Erzeugung der Wärme direkt in der Fügezone wird mechanische Energie oder elektromagnetische Energie angewandt. Das Schweißen mittels Mikrowellen ist ein direktes Verfahren,

bei dem elektromagnetische Energie direkt in die Fügezone eingebracht wird. Beim Mikrowellenschweißen erfolgt das Aufschmelzen der Fügezone durch dielektrische Erwärmung. Dabei unterscheidet man, abhängig von den dielektrischen Materialeigenschaften der Fügepartner, eine direkte und indirekte Methode (. Abb. 1.469). Beim direkten Mikrowellenschweißen werden die zu verschweißenden Fügeteile direkt durch Mikrowellen erwärmt. Beim indirekten Schweißen erfolgt die Erwärmung der Fügezone mittels eines einzulegenden Schweißzusatzes, wodurch die Erwärmungszone auf die Fügezone begrenzt bleibt. Das indirekte Mikrowellenschweißen nutzt als Schweißzusatz modifizierte Kunststoffe des zu verschweißenden Typs mit wesentlich höheren dielektrischen Verlusten als das reine Polymer. Aufgrund des selektiven Charakters der Mikrowellenerwärmung absorbiert praktisch nur dieser Zusatz Energie und erwärmt sich. Die Erwärmung der kompletten Fügezone erfolgt durch Wärmeleitung vom Zusatz. Als Schweißzusätze eignen sich beispielsweise ruß- und polyanilinmodifizierte Compounds, siehe . Abb. 1.471. Vorteil dieser Verfahrensvariante ist, dass unpolare Polymere mit sehr geringem dielektrischem Verlust (beispielsweise  PP) mit Mikrowellen verschweißt werden können. Mit der Einbringung des gesamten Bauteils in die Mikrowellenkavität entsteht die Möglichkeit, dreidimensionale oder verdeckte, innerhalb der Fügeteile befindliche Schweißgeometrien zu verschweißen. Die Bauteile werden einfach von den Mikrowellen durchstrahlt, nur die mit dem Schweißzusatz ausgestattete Fügezone erwärmt sich. In . Abb. 1.471 ist eine

. Abb. 1.471  Anlage zum indirekten Schweißen mit Mikrowellen

365 Verarbeitung von Kunststoffen zu Bauteilen

. Abb. 1.472  Anlage zum direkten Schweißen von PVDF-Rohren mit Mikrowellen

­ pparatur zum indirekten Schweißen dargestellt. A Auf diese Weise ist es gelungen Polyamid 6 mit 50 % Glasfasergehalt mit einem Schweißfaktor von 0,9 zu verschweißen. Voraussetzung für das direkte Mikrowellenschweißen ist ein polarer, ausreichend verlustbehafteter Thermoplast, der zusammen mit einer hohen Feldstärke entsprechende Heizraten ermöglicht. Um die Mikrowellenerwärmung auf die Fügezone zu begrenzen, ist eine Fokussierung durch spezielle Auslegung des Einkoppelsystems notwendig. In . Abb. 1.472 ist eine Mikrowellenanlage zum direkten Schweißen von PDF-Rohren abgebildet. Daher kommen für das direkte Mikrowellenschweißen [396] in der Regel nur definierte elektrische Feldzustände mit entsprechender Einschränkung der möglichen Schweißgeometrien infrage. Eine Ausnahme bilden kohlenstofffaserverstärkte Verbundwerkstoffe. Sie sind elektrisch leitfähig, reflektieren prinzipiell elektromagnetische Wellen und erwärmen sich deshalb eigentlich nicht in Wellenfeldern. Gelingt es jedoch, die magnetische Feldkomponente der Mikrowellen mit einer Antennenstruktur so zu applizieren, dass diese in den Verbundwerkstoff eindringt, dann wird in den Kohlenstofffasern ein  Wirbelstrom induziert, der zur Erwärmung führt. Die hohe

. Abb. 1.473  Stringer und lokale Verstärkung, noch nicht geschweißt

Frequenz der Mikrowellen ermöglicht dann ein schnelles Erwärmen der Fügezone. Diese Technik wurde eingesetzt, um eine lokale Verstärkung auf einen Stringer zu schweißen. Beide Bauteile bestanden aus Kohlenstofffaser verstärktem Polyetheretherketon (PEEK), dessen notwendige Schweißtemperatur etwa 400 °C beträgt. . Abb. 1.473 zeigt den Stringer und die lokale Verstärkung, noch nicht geschweißt. Die lokale Verstärkung wird auf den Stringer gelegt und fixiert. Eine Mikrowellenantenne wird darüber positioniert und die lokale Verstärkung aufgeschweißt (. Abb. 1.472).

1

366

1

H. Schüle und P. Eyerer

1.3  Umformen –

Weiterverarbeitung von polymeren Halbzeugen: Thermoformen

Helmut Schüle

Beim Warmformen wird ein thermoplastisches Halbzeug durch Wärmezufuhr in den thermoelastischen Zustand überführt, durch Einwirkungen von äußeren Kräften beansprucht und nach Vorliegen der gewünschten Formteilkontur durch Abkühlen fixiert. Ein Kaltumformen von feststoffförmig vorliegenden Thermoplasten hat im Gegensatz zur Metallverarbeitung (→ z. B. Gefügeverfestigungen beim Nachkalibrieren) derzeit keine wirtschaftliche Bedeutung. Untergliedert man die Möglichkeiten des Umformens bei thermoplastischen Formmassen in Anlehnung an DIN 8550 nach vorliegenden Hauptbeanspruchungsspannungen, so ergeben sich das Biegeumformen (→ Abkanten, Biegen, Bördeln), das Druckumformen (→ Prägen, Rändeln, Stauchen), das Zugumformen (→ Streckziehen zu gereckten Lichtkuppeln, Flaschen) und das Zugdruckumformen (→ Tiefziehen von Folien). Eine überragende wirtschaftliche Bedeutung kommt dem Tiefziehen (→ Thermoformen) zu. Wird das Umformverfahren dominierend durch vorliegende Zugspannungen bestimmt, ist insbesondere das diskontinuierliche Recken von technischen Halbzeugen (→ Platten) sowie das Spritzstreckblasformen von Flaschen (→ in zweiter Wärme) anzuführen. Obgleich das kontinuierliche Recken von Folien (→ Verarbeitung aus erster Wärme) nur bedingt nach Definition kein Thermoformverfahren darstellt, wird diese Technologie aufgrund der inhaltlichen Nähe im Beitrag Recken ergänzend aufgeführt. Thermoformen [397–407]

Thermogeformte Kunststoffteile finden sich in unserem täglichen Leben neben den tiefgezogenen Verpackungen (→ Trays) für Lebensmittel und Haushaltsartikel u. a. auch in der Automobil-/ Nutzfahrzeugindustrie, der Elektronikindustrie, Möbelfertigung, Medizin- und Klimatechnik Eingang. Als Beispiele sind transparente und

gefärbte Sichtverpackungen, Arretierung von Einlegeteilen in Montagekoffer, Zierblenden mit überragender Optik, ausgewählte Haptikoberflächen an Konsolen, hinterschäumte Stossabsorber oder Designverkleidungen zu nennen. Verfahrensschritte beim Thermoformen [400– 404] (s. a. Band 1, Kap. 3.2, Kap. 3.3) Um einen Becher im Thermoformverfahren herstellen zu können, muss eine thermoplastische Folie erwärmt werden. Bei einer geeigneten, materialabhängigen Temperatur des Halbzeugs erfolgt im einfachsten Fall eine Druck- und/oder Vakuumbeaufschlagung der umzuformenden Fläche. Die thermoelastisch, gummiähnlich vorliegende Folie wird hierbei mit wenig Kraftaufwand durch Dehnvorgänge verformt und bei der ersten Berührung mit einer gekühlten, metallischen Wandung sofort einfrieren. Ein formstabiles, dreidimensionales Funktionsbauteil ist entstanden. Überträgt man diese vereinfacht dargestellten Ausführungen auf eine in praxi produzierende Thermoformanlage, so sind weitergehende Wechselwirkungen hinsichtlich formmassenspezifische, verfahrenstechnische als auch maschinenbauliche Gegebenheiten zu berücksichtigen. Grundsätzlich sind amorphe sowie teilkristalline Thermoplaste ebenso wie bioabbaubare und biobasierte Formmassen für das Thermoformen geeignet. Entscheidend für eine Verwendbarkeit von Polymerformmasse in er­ ster Linie das Vorhandensein einer betragsmäßig hohen Scher- und somit auch Dehnviskosität, verbunden mit einer ausgeprägten Schmelzereißfestigkeit (→ maximales Dehnungsvermögen) während des Umformvorgangs (→ im thermoelastischen Temperaturbereich). Bei amorphen Polymeren tritt dieser verfahrensbezogen wichtiger Erweichungstemperaturbereich unmittelbar oberhalb der Glasübergangstemperatur auf. Bei teilkristallinen Kunststoffen findet sich dieses, hier nur wenige Kelvin breite Temperaturfenster unmittelbar unterhalb der Kristallitschmelztemperatur. In praxi werden aufgrund des daraus resultierenden, geringeren technischen Aufwandes vorzugsweise amorphe Kunststoffe

367 Verarbeitung von Kunststoffen zu Bauteilen

. Tab. 1.67  Umformtemperaturbereiche ausgewählter Thermoplasten Halbzeug

Glastemperatur [°C]

Schmelztemperatur [°C]

PC

~145

–

150–180

PS

~105

–

120–150

PP

~0

HD-PE

~−80

~135

140–170

PET

~75

~245

100–120

~165

(→ PC, ABS, PVC, PMMA, PS, A-PET) thermogeformt (. Tab. 1.67, siehe auch . Abb. 1.33). Um einen Trinkbecher durch Thermoformen herstellen zu können (. Abb. 1.474), muss eine thermoplastische Folie [923] in einem ersten Schritt durch Wärmezufuhr thermoformbar gemacht werden. Hierzu werden bei Produktionsanlagen derzeit üblicherweise IRStrahler (→ Keramikquarz-, Halogenstrahler), beidseitig von der Folie positioniert, eingesetzt. Bedingt durch die ausgesendeten,

Umformtemperatur (Oberfläche) [°C]

150–165

definierten Wellenlängenspektren (→ formmassenangepasst) werden Moleküle zu Schwingungen angeregt. Die hierbei entstehende innere (Molekül-)Reibung führt in kürzester Zeit zu der gewünschten Folienumformtemperatur. Treten beim Formgebungsvorgang unterschiedlich lange Verstreckwege für das Halbzeug auf, kann durch eine lokale Einzelfeldheizung (→ Pilotstrahlerregelung) die Temperatur hinsichtlich einer angestrebten, optimalen Streckfähigkeit des Materials eingebracht werden. Von

. Abb. 1.474  Prozessschritte beim stempelunterstützten Druckluftumformen mit Negativwerkzeug [407]

1

368

1

H. Schüle und P. Eyerer

außen wirkende Wärmequellen (→ erzwungene Konvektion, Konduktion) wie Heißdampf oder Kontaktheizplatten spielen aufgrund der „relativ langen“ Aufheizzeiten (→ sich einstellende Temperaturverteilung) beim Thermoformen derzeit keine Rolle. In einem zweiten Schritt wird die vorgewärmte Folie in eine geöffnete, beheizbare Formstation eingefahren. Durch ein Verfahren des Untertisches, auf welchem das Werkzeug montiert ist, wird die Formstation geschlossen. Ein in diese Station integrierter Spannrahmen übernimmt zeitgleich die Positionierung und Fixierung der im gummielastischen Zustand vorliegenden Folie. Durch Einbringen des Wirkmediums (→ Druckluft) kann – sofern erforderlich – ein geringer Überdruck aufgebaut werden. Die Folie wird vorgeblasen. Um eine Auslängung der sich kugelähnlich ausbildenden Blasen bei gleichzeitiger verbesserten Materialverteilung zu erreichen, muss die dehnfähige Folie einerseits vor jedem sofortigen Kontakt mit der gekühlten Werkzeugwandung bewahrt werden, andererseits mittels eines mechanischen Hilfsmittels (→ Stempel o. Ä.) von außen richtungsdefiniert geführt werden. Ein im Obertisch angebrachter Stempel wird nach unten gefahren. Zeitgleich zu dieser Bewegung erfolgt eine Entlüftung der Kavität unterhalb der Folie. Der Strecker setzt punktuell bzw. linienförmig (→ Berührungsstellen erstarren sofort) auf und verdrängt noch verformbare Polymermasse ohne weiteren, direkten Kontakt in das Negativwerkzeug (→ die Produktaußenseite liegt an der metallischen Wandung an). Nach Erreichen eines definiert vorgegebenen Verstreckwegs wird in den Spalt zwischen Stempel und gelängter Folie weiter Druckluft zugegeben (→ Aufblasvorgang). Die noch gummielastisch vorliegende Polymermasse wird dabei weiter in Längs- und Umfangsrichtung ungleichförmig biaxial gedehnt und schließlich an die wassergekühlten Werkzeugwandungen (→ aluminiumausgeführt) angepresst. Das herzustellende Formteil erhält seine Konturen. Durch die spontane Abkühlung frieren die Orientierungen der Molekülketten schließlich ein und behalten ihre gereckten, ggf. hochorientierten Ausrichtungen bei. Mit dem Thermoformverfahren  können großflächige, bis 20 mm dicke Bauteile ohne großen Werkzeugaufwand/-kosten (→ sehr niedrige Arbeitsdrücke, bei Werkzeugen mit

geringer Eigenmasse keine Hydraulik) preisgünstig hergestellt werden. Auch sind geringe Stückzahlen aufgrund niedriger Werkzeuggestehungskosten wirtschaftlich möglich; Werkzeug- bzw. Formmassenumstellungen benötigen kurze Umrüstarbeiten. Nachteilig ist, dass Formteilen keine definiert gleichmäßige Wanddickenverteilung (→ Vorversuche erforderlich) vorgegeben werden können. Formteile mit Hinterschneidungen bzw. engen Maßtoleranzen sind nur begrenzt und mit hohem technischem Aufwand umsetzbar. Verfahrensvarianten

Thermoformverfahren werden in praxi hinsichtlich der Art der Umformung und Einsatz von Vorstreckhilfen unterteilt. So unterscheidet man in Positivformung (→ Kontur auf der Innenseite des Formteils) und Negativformung (→ Kontur auf der Außenseite des Formteils). Auch mit einbezogen werden bei einer erweiterten Betrachtung die möglichen Vorstreckverfahren (mechanisches Vorstrecken, Vorblasen) sowie Ausformmöglichkeiten (→ Druckluft, Vakuum, Profilstempel). Grundsätzlich ist jede beliebige Kombination der erwähnten Verfahrensschritte möglich! Positiv-Negativ Vakuumformung mit Vorblasen (. Abb. 1.475)

Bei diesem kombinierten Verfahren wird durch Vorblasen die Folie definiert vorgestreckt. Die sich einstellende Blasenhöhe wird in praxi oft mit Laser ausgemessen und zur Produktionsüberwachung herangezogen. In einem weiteren Verfahrensabschnitt wird das zweiteilige Werkzeug geschlossen. Ein angelegtes Vakuum formt die gewünschte Fertigteilkontur aus. Nach dem Abkühlen kann das Produkt entnommen werden. Sollen Konturen (→ Ecken, Nutaussparungen) an Formteilen genau abbildet werden, sind im Werkzeug integrierte, bewegliche Schieber vorzusehen. Bei zweiteiligen (→ Matrize-Patrize-)Werkzeugen kann synchron zum Formen unmittelbar ein Freistanzen (→ Bandstahlschnitt, Durchfallstanzen) des Fertigteils erfolgen. Bedingt durch die im Werkzeug in kürzester Zeit auftretenden, sehr großen Temperaturunterschiede, ergeben sich hierbei höchste Präzisionsanforderungen an Stanzschnitt-Spalttoleranzen (→ Werkzeugverschleiß). Eine Entformung der Thermoteile

369 Verarbeitung von Kunststoffen zu Bauteilen

. Abb. 1.475  Verfahrensablauf beim Positiv-Negativ-Vakuumformen

erfolgt meist durch konventionelle, mechanische Auswerfersysteme (→ integriert im Werkzeug), mittels Luftausblasdüsen oder roboterunterstützte Vakuumgreifsysteme. Thermoformmaschinen

Für die Verarbeitung von Platten- und Folienmaterial kommen üblicherweise Thermoformmaschinen zum Einsatz. Eine Unterteilung bzw. Bezeichnung dieser Technologie wird in praxi einerseits hinsichtlich der vorliegenden Formteilwandstärke (→ eigenstabile Platte, aufrollbare Folie) und andererseits der zum Einsatz kommenden Wirkmedien (→ Druckluft, Vakuum, mechanische Verstreckeinheit und deren Kombinationen) vorgenommen. Im Verpackungsbereich unterscheidet man mit Blick auf die spezifischen Anwendungen des verpackten Endprodukts in FFS-Anlagen (→ Formen-FüllenStanzen), Blister (→ Durchsicht) Verpackungen und Skin (→ Haut)-verpackungen. Formteile mit technisch anspruchsvollen (→ mechanischen) Eigenschaftsprofilen werden mit TwinSheet-Anlagen hergestellt. Auch unterscheidet man in praxi in Einstationen- und Mehrfachstationen.

Bei Einfachstationen fährt meist das umzuformende Kunststoffteil in die Umformeinheit, Heizstrahler fahren sowohl über und unter dem Halbzeug ein. Bei Erreichen der Umformtemperatur wird die Wärmequelle zurückgezogen, das Werkzeug fährt in Formgebungsposition und das Bauteil wird mittels Wirkmedien ausgeformt. Nach dem Abkühlen erfolgt das Entformen. Bei Mehrfachstationen sind die Heiz- und der eigentliche Formautomat üblicherweise baulich getrennt und mit Nachfolgeeinheiten (→ Bearbeitung, Verpackung) prozessverkettet. Allgemeines zu Platten- und Folienthermoformanlagen

Charakteristische Merkmale dieser Anlage sind eine für flexible Folien vorgeschaltete Beschickungsanlage (→ kontinuierliche Rollenabwicklung) und eine sich anschließende Heizstation mit nachfolgender Formgebungseinheit (→ Wirkmedien, Tiefziehwerkzeug). Weiter anlagenabwärts sind in aller Regel Stapelvorrichtungen (→ z. B. Becherentnahme) sowie eine Schnittgutentsorgung (→ Stanzgitterrückführung) anzutreffen.

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Eine Plattenformanlage, welche ebenfalls durch das Vorhandensein einer unmittelbar an eine Heizstation folgende Ausformeinheit, gekennzeichnet ist, muss insbesondere dem bei Plattenware vorliegende Eigenschaftsbild (→ Eigensteifigkeit, Wanddicke üblicherweise >0,5  mm) gerecht werden. Anlagenspezifisch bedeutet dies, dass insbesondere für die Beschickung, die Formteilentnahme sowie den Weitertransport der Kunststoffteile zu nachfolgenden Bearbeitungs- und Versorgungstationen prozesskonforme Robot- und Handlingssysteme herangezogen werden müssen. Basierend auf definiert vorgenommenen, umfangreichen Kombinationen verschiedenster Ausbaumodule der oben erläuterten Maschinenkonzepte sind in praxi sogenannte Universalthermoformanlagen anzutreffen. Sowohl Folien- als auch Plattenware können innerhalb bestimmten vorliegenden Wanddicken (→ formmassenabhängig) verarbeitet werden. z Ergänzende Ausführungen zu Universalthermoformmaschinen z z Beschickungseinrichtungen

Werden Folien verarbeitet, so werden diese in Rollen angeliefert (→ „Arbeiten von der Rolle“). Alternativ hierzu können Folien auch unmittelbar in einer Chill-Roll-Extrusion mit nachgeschalteten Glättwalzen vor Ort hergestellt werden. Vorteilhaft ist hierbei, dass anfallende Stanzgitterabfälle, Seitenrandstreifen unmittelbar in Linie oder als sortenreines, aufbereitetes Recyclat (→ Mahlgut) dem Extruder zugeführt werden können. Das Durchlaufen von Folien durch die Anlage erfolgt im durchlaufenden Band (→ Rollenbahn). Platten (→ Zuschnitte) werden üblicherweise in eine beheizbare Vorstation mit einem Wagen eingefahren oder von mit Robotern angesteuerten Hebegeräten geordnet eingelegt. Eingebaute Ober- und Unterheizungen, ausgestattet mit einer Vielzahl an lokal ansteuerbaren IR-Keramikstrahler (→ segmentiertes Heizfeld), ermöglichen sowohl bei Folien- als auch bei Plattenware ein beidseitiges Vor- und/ oder Fertigbeheizen (→ Taktzeitreduzierung möglich). Formmaschine

Während des Formvorganges spielt das Eintauchen der Form in das vorgestreckte Material eine besondere Rolle. Das Zusammenspiel

zwischen pneumatischem Vorstrecken und der exakten synchronen Tischfahrbewegung beeinflusst sowohl die gleichmäßige Materialverteilung sowie die Qualität des Ziehteiles hauptsächlich in den Eckbereichen. Folgemaschine

Das erkaltete Tiefziehteil wird von dem Formwerkzeug getrennt und im folgenden Arbeitstakt der Ausstanzstation zugeführt. Dort werden mittels Bandstahlschnitt die Außenmaße sowie (Euro-)Löcher in das fertige Werkstück gestanzt. Mit Greifern ausgestattete Robotsysteme übernehmen schließlich die Tiefziehteile aus dem Werkzeug (→ Kippausführung) und geben diese an Folgeeinrichtungen ab (→ Betriebsfertigungszellen, Bedruckanlagen, Logistikstationen). Skinpack

Eine Skinverpackung ist eine aus zwei Komponenten bestehende, passgenaue Verpackung. Die Unterseite der Verpackung bildet ein Skinbogen, welcher meist ein luftdurchlässiger, stabile SpezialSkinkarton und gleichzeitig der Produktträger (→ Werbeträger, EAN-Code) ist. Die gut dehnbare thermoplastische Folie (→ PO, PS, SyrlinFolie) wird dabei wie eine Haut (engl. „Skin“) an/über das Produkt einschließlich Untergrundkarton nahezu ohne Hohlraumbildung anschmiegt/gepresst. Der stoffschlüssige Halt zwischen beschichteter Unterlage und Polymerfolie erfolgt meist über einen thermoempfindlichen Haftvermittler. Die Herstellung der Gesamtverpackung erfolgt unter Einwirkung von Wärmezufuhr, Ansaugen durch Vakuum und ein sich unmittelbar einstellendes Abkühlen. Skinverpackungen beanspruchen nur minimalen Materialeinsatz und sind aufgrund fehlender, komplexer Werkzeuge günstig herzustellen. So hergestellte Verpackungseinheiten können in größere Einheiten zusammengefasst werden und erneut, mit einer „zweiten Haut“, abgepackt werden. Eine Skinverpackung weist in aller Regel eine gute Haptik, eine hohe Durchstoßfestigkeit auf, ist transparent (→ dann Blisterverpackung genannt). Die Inhaltsartikel sind somit sofort erkennbar, überprüfbar und tastbar. Darüber hinaus liegt ein Schutz gegenüber Feuchtigkeit und Schmutz vor. Auch erschwert diese Verpackungsart die Entnahme bzw. den Diebstahl einzelner Kleinteile.

371 Verarbeitung von Kunststoffen zu Bauteilen

Verfahrensbeispiel FFS-Anlagen

Bei FFS-Anlagen, auch Form-/Stanz-/Abfüllanlagen genannt, wird die meist von Rolle kommende Folie (→ PS, PP, PET, auch geschäumt) mittels eines Transportbandes/-halterung ruhig laufend, ruckfrei eingezogen und fortbewegt. Im Ausformwerkzeug wird die Folie mit den Formatvertiefungen versehen (→ Vakuumansaugung). In der sich anschließenden Füllstrecke erfolgt längs eines speziellen Tunnels mittels Füllersystemen unter Einhaltung der geforderten Hygieneklasse (→ Sterilluftüberlagerung bzw. Peroxid-Besprühung im Fülltunnel, Entkeimung der Deckelfolie) das Abfüllen (→ pro Füllschichtmasse ein Füller) des Lebensmittelgutes. Daran anschließend erfolgt das Aufdrücken der Deckfolie (→ Alu/Polymerverbund) und Versiegeln der Seitenränder. Das nachfolgende Stanzen erfolgt mit einfachem Durchfallschnitt bzw. ­ Stern-/Messerschnitt. Variable Füllstrecken bis zu bis 7 m Länge ermöglichen z. B. den Einbau von bis zu 3 Fülleinrichtungen (→ Mehrschicht-Produkte im Dessertbereich) auf der Maschine. Nachgeschaltete Austragsysteme erlauben eine direkte Verkettung mit automatischen Endverpackern bzw. Logistikfolgeeinheiten. Bei In-Mold-Labeling-Forderungen werden vorgestanzte Etiketten direkt in das Formwerkzeug mit Handlingsystemen eingelegt. Die Becher können so volldekorativ gestaltet werden (→ Brillianz, Seitenwandversteifung, Bodenetikett für EAN-Code). Bottleformer [408]

Mit der Technologie „Bottleformer“ werden Flaschen hergestellt, wie sie z. B. für Getränke bzw. Joghurt benötigt werden. Anwendungsrelevant wirkt sich bei diesem thermogeformten Artikel insbesondere ein im Vergleich zum Blasformen um ca. 50 % geringere Behältermasse bei vorliegenden Wanddicken von bis zu 1,5 mm aus. Darüber hinaus ist eine hohe Formteilsteifigkeit anzutreffen. Durch die charakteristische Flaschengestaltung (→ ausgeprägte Hinterschneidungen) ist beim Ausformvorgang der Einsatz von konventionell auf-/zufahrenden Werkzeugen, welche in u. a. noch in bewegliche, ansteuerbare Funktionssegmente unterteilt sind, erforderlich. Durch Synchronisierung der Bewegungsverhältnisse innerhalb des Formwerkzeugs mit einem servogesteuerten Oberstempel

einerseits und einer parallel dazu abgestimmten definierten Zufuhr von steriler Formdruckluft andererseits gelingt es, die gewünschte Flasche qualitativ hochwertig auszuformen. Die erzielbare Längs- und Querstabilität der Flasche ist trotz der geringen Masse aufgrund der günstigen, gleichmäßigen Wanddickenverteilung in praxi ausreichend für die geforderten Anforderungen (→ nachgeschaltete Arbeitsvorgänge wie Füllen, Versiegeln, laserkontrolliertes Ausformen und Stanzen, Transportieren). Anzumerken ist, dass die geforderte Werkzeugbeweglichkeit und der anzutreffende Einzugsbereich der Folie grundsätzlich eine Reihenanordnung der Flaschen quer zur Durchlaufrichtung erfordert. Twin-Sheet-Formen mit 2 Platten) [409]

(­ Vakuum-Thermoformen

Werden zwei Polymerteile nacheinander tiefgezogen und zusammengefügt, so erhält man das Twin-Sheet-Verfahren. Die Werkzeughälften können in ihrer Formausbildung (→ negativ, positiv) beliebig geschaltet bzw. Hohlkörper (→ Tanks negativ-negativ) oder beliebige Gehäuseformen (Oberplatte und Unterplatte ineinander geschachtelt werden [→ Negativ-Positivkombination]). So hergestellt ­ werden z. B. Duschtassen, Traktordächer oder Wassertanks in Flugzeugen. Werden beide Halbzeugteile im Werkzeug (→ beide Hälften mit Negativform) liegend, zeitgleich verformt und zusammengefügt, so erhält man das Simultan-Twin-Sheet-Verfahren. Bei diesem Verfahren werden in einem ersten Fertigungsschritt zwei vorgewärmte Platten gleicher Formmasse in das geöffnete Werkzeug (→ hydraulisch betätigt) eingelegt, fixiert und mittels IR-Heizstrahler auf Umformtemperatur gebracht. Die geschwindigkeitsgeregelten Formhälften fahren schließlich zusammen und bilden u. a. im Seitenrandbereich eine Schweißnaht aus. Zeitgleich wird ein Vakuum (→ Inertgas) angelegt. Die im thermoelastischen Zustand vorliegenden Platten werden unabhängig voneinander nach unten bzw. oben ausgeformt und anschließend gekühlt. Nach mechanischem und/oder pneumatischem Entformen erfolgt eine konturgenaue Entgratung (→ CNC-Bearbeitungszelle), ggf. eine Oberflächenveredlung (Bedrucken, Etikettieren u. a.) sowie eine logistische Weiterversorgung (→ Versandbereitschaft). Anzumerken

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ist, dass die umzuformenden Halbzeuge grundsätzlich beliebige Geometrien aufweisen können, sofern diese beim Einlegen der Teile in das Werkzeug eine ausreichende Eigenformbeständigkeit aufweisen. Auch können bei der Paarung von Halbzeugen hinsichtlich der Fertigung von dreidimensionalen Formteilen artfremde Polymerformmassen (→ Verbundschichtsysteme, Bioformmassen) herangezogen werden. Besondere Beachtung gilt auch der Verbindungstechnik zwischen Ober- und Unterteil. Sofern stoffschlüssiges Verbinden, meist Schweißen oder Kleben, nicht durchführbar ist, können auch formschlüssige Verbindungstechniken (Schrauben, Schnapphaken, Klemmringe) eingesetzt werden. Die Vorteile von Twin-Sheet-Hohlkörperformteilen gegenüber aus konventionell aufgebauten Thermoformteilen liegen in einer günstigen Eigensteifigkeit bei gleichem Materialeinsatz und einer maßhaltigen Außengeometrie auf beiden Seiten. Befestigungselemente (→ Hybridwerkstoffaufbau ist möglich) wie Gewindebuchsen, Halterungen aber auch Einlegeteile/Inserts mit Bauteilfunktionsaufgaben (→ Füllstutzen, Flüssigkeitsstandanzeiger) können ohne sonstige Montageschritte eingebracht werden. Große Bauteile, welche mit Blasformen nicht gefertigt werden können oder aufgrund der Werkzeugkosten zu kostenintensiv sind, sind herstellbar. Mehrschichtig aufgebaute Halbzeuge (→ definierte Barriereeigenschaften) sind u. a. bei Tanks für Chemikalien (→ Gefahrgut) anzutreffen. Praxisrelevant ist, dass Formmassen-Halbzeugteile mit unterschiedlichsten Eigenschaftsprofilen (→ Farbe, Transparenz, Chemikalienbeständigkeit u. a.) nahezu beliebig kombinierbar sind. z Recken von Folien und Platten [410–413] z z Diskontinuierliches Recken

Bei diesem Verfahren wird ein Halbzeug – vorzugsweise Platten – in einem beheizten, meist quadratisch ausgeführten Spannrahmen eingebracht, mit beweglichen Kluppen (→ Kältebrücken) gegriffen und fixiert. IR-Strahler werden über die zu erwärmende Platte geschoben. Sobald die Platte im

thermoelastischen Zustand vorliegt, wird der Strahler abgezogen. Die den Spannrahmen bildenden Kluppen werden in x- und y-Richtung schlagartig nach außen gezogen. Das Halbzeug wird gereckt und nach Erreichen der Verstreckendposition sofort eingefroren. Hergestellt werden u.  a. hochfeste, einbruchsichere und lichtdurchlässige PC- bzw. PMMA-Platten. z Kontinuierliches Herstellen von biaxial gereckten Folien (. Abb. 1.476) z z Kontinuierliche Reckanlagen/Brückner

Die Verarbeitung der Polymermassen (→ PP, PET) erfolgt üblicherweise mit Ein- oder Doppelschneckenextruder. Beim Austritt aus der Breitschlitzdüse wird der dünnwandige Schmelzevorhang (→ Mehrschichtaufbau möglich) von einer Folienabzugseinrichtung gegriffen und sofort mittels einer wassergekühlten Walze, einer zugeschalteten Luftdusche und in einem folgenden  Wassertauchbad intensiv gekühlt. Die so entstandene Vorfolie (→ Castfolie) wird anschließend an die Verstreckeinheit übergeben. In der folgenden Längsstreckmaschine (→ MDO, Machine Direction Orientierer) wird nach einem erneuten Aufheizen die im thermoelastischen Zustand vorliegende Castfolie gereckt. Die Längsstreckung wird hierbei durch eine Geschwindigkeitserhöhung der in Produktionsrichtung nachgeschalteten Walzen erreicht (→ Friktion). Aus dem Verhältnis von Zu- und Ablaufgeschwindigkeit kann unmittelbar auf das sich nominell einstellende Streckverhältnis bzw. den Reckgrad geschlossen werden. Um Folien quer zur Maschinenrichtung zu verstrecken, wird im unmittelbar nachgeschalteten Prozessabschnitt die Polymerbahn mit mechanischen Greifern (→ Kluppen, Klemmen) an den Seitenrändern festgehalten (→ Gefahr von Kältebrücken). Die mit einer links bzw. rechts zur Folienbahn umlaufenden Haltekette verbundenen Kluppen werden hierbei in Produktionsrichtung nach vorne weiterbewegt. Durch ein definiert vorgegebenes, gleichzeitiges Auseinanderlaufen der Haltekluppen erfolgt unmittelbar eine Breitenverstreckung der Folie. Die TDO (→ Transversal Direction Orientierer) ist nach Brückner [413] eine langgezogene, bereichsweise beheizbare (mit Gas,

373 Verarbeitung von Kunststoffen zu Bauteilen

. Abb. 1.476  Verfahrensvarianten zur Herstellung biaxial orientierter Folien [413]

Dampf, Wärmeträgeröl, elektrisch) oder kühlbare Temperierkammer, in welcher fünf charakteristische verfahrenstechnische Prozesse nacheinander ablaufen. Es handelt sich hierbei um das Nacheinanderschalten von Vorheizen, Recken, Annealing, Neutralisieren und Abkühlen. Ausdampfende, sublimierende Funktionsstoffe bzw. Oligomere müssen über Spülluftaustausch von der zu reckenden Folie ferngehalten werden. Die fertiggestreckte Folie wird von den Seitenrändern (→ Dickenübermaß, Kluppenabdrücke) getrennt und es erfolgt durch eine Inline-Extrusion eine unmittelbare Rückführung der Randstreifenabschnitte in den Verarbeitungsprozess. Der Wickler wickelt die Endfolie schließlich zu Jumborollen auf (siehe 7 Abschn. 1.2.3.2). Extrem dünne Kunststofffolien (-> DVDVerpackungen) werden auf biaxialen Reckanlagen produziert. Dabei wird der Rohstoff (→ granulatförmiges PP, PET, PA oder PLA) meist in einem Doppelschneckenextruder aufgeschmolzen und unmittelbar auf eine Kühlwalze „abgegossen“ (-> extrudiert). Diese Primärfolie (→ Dicke Abzugsgeschwindigkeit 500 m/min, Ausstoß bis 6000 kg/h). Die so erzeugten Folien werden als BOPP (biaxial-oriented PP) bezeichnet und für Verpackungszwecke vorwiegend im Lebensmittelbereich, als Klebebänder oder Farbträger verwendet. Typische Anwendungsfolienstärken sind 10 μm bis 30 μm (→ Spezialfolien