Werkstoffe 3 FHNW FS 2018

Relaxation: Dehnung konstant, Spannung nimmt ab. Wird eine Deformation ε₀ auf einen Prüfkörper oder Bauteil aufgebracht und anschließend eine definierte Zeit gehalten, dann reagiert der Prüfkörper oder das Bauteil zunächst mit einem spontanen Anstieg der Spannung auf den Wert σ₀. In Abhängigkeit von der Haltezeit t der Belastung und der Temperatur T stellt sich dann eine zeitabhängige Abnahme der Spannung ein, die als Spannungsrelaxation σ(t) bezeichnet wird (Abbau von Spannungen durch molekulare Platzwechsel).

Retardation: Kraft konstant, Dehnung steigt. Kriechen/ Retardation bezeichnet bei Werkstoffen die zeit- und temperaturabhängige, plastische Verformung unter konstanter Last. Da Kunststoffe aus großen (im Fall von Thermoplasten und Elastomeren verknäulten) Molekülketten bestehen, gleiten bzw. entknäueln sich diese unter äußerer Belastung, woraus eine Dehnung resultiert. (Verzögertes Abklingen von Spannungen elastischer Deformationen)

Zeit-Temperatur-Superpositionsprinzip zur Modellierung von Zeit- und Temperaturabhängigkeiten

Grundlage ist, dass sich das Material sich thermorheologisch einfach verhält. Das bedeutet, dass das Verhalten bei kurzen Zeit und hohen Temperaturen gleich dem Verhalten bei langen Zeiten und niedrigen Temperaturen ist.

I: Primäres / Übergangskriechen
• anfangs hohe Kriechgeschwindigkeit, die schnell abnimmt
• von verfestigenden Vorgängen (Versetzungsaufstau) bestimmt
• bei tiefen Temperaturen vorherrschender Prozess
II: Sekundäres / Stationäres Kriechen
• konstante Kriechgeschwindigkeit
• Gleichgewicht von entfestigenden (Klettern von Stufenversetzungen)
und verfestigenden Vorgängen (Versetzungsaufstau)
• Bildung von irreversiblen Schädigungen (Poren,..)
• Bei höheren Temperaturen vorherrschender Prozess
III: Tertiäres / beschleunigtes Kriechen
• Steigende Kriechgeschwindigkeit aufgrund von Rissschädigung
• endet mit Bruch

Messung mittels Pendelschlagwerke nach DIN 51 222

Typische Vertreter eines spröden Bruchverhaltens sind EP, MF, PF, PMMA, PS, SAN, UF.

Typische Vertreter eines duktilen und zähen Bruchverhaltens sind z. B. PP, PE oder auch PA.

Schneckenextruder

Bei dieser Bauform wird der Druck mittels einer Schneckenwelle, auch Schnecke genannt, erzeugt. Sie steckt in dem sogenannten Schneckenzylinder, dessen Nenndurchmesser gleich dem Außendurchmesser der Schnecke ist. Am vorderen Ende des Schneckenzylinders befindet sich die formgebende Auslassöffnung. Am hinteren Ende des Zylinders befindet sich der Antrieb, in den meisten Fällen ein Elektromotor mit Getriebeeinheit, der für die Rotation der Schnecke sorgt.

Die zu verarbeitenden Materialien werden der Schnecke meist kontinuierlich über einen Trichter von oben zugeführt. Weitere Komponenten können über Seitenbeschickung, Nadelventile etc. in den Schneckenzylinder eingebracht werden. In der Kunststoffverarbeitung sind dies z. B. sogenannte Masterbatches oder Flüssigfarben (Färbemittel), Verstärkungsfasern, Alterungsschutzmittel oder Weichmacher.

Die Schnecke selbst wird im Allgemeinen in drei Zonen aufgeteilt, die unterschiedliche Aufgaben übernehmen. Im hinteren Bereich des Schneckenzylinders befindet sich die "Einzugszone". In dieser wird das zu extrudierende Material, das z. B. als Feststoff in Form von Granulat oder Pulver vorliegt, über einen Trichter eingespeist („Fütterung“) und gegebenenfalls aufgeschmolzen (bei Thermoplasten). Durch die Drehung der Schnecke wird das Material weiterbefördert. An diese schließt sich die "Kompressionszone" an, in der das Material durch die verringerte Gangtiefe der Schnecke weiterverdichtet und damit der für den Austrag im Werkzeug notwendige Druck aufgebaut wird. Abschließend sorgt die "Austragszone" bzw. Meteringzone für einen homogenen Materialstrom zum Werkzeug hin.

In der Tat gibt es eine ganze Reihe von Produktfamilien, die sowohl im Spritzgießen als auch im Thermoformen hergestellt werden oder hergestellt werden könnten. Dabei hängt es sehr davon ab, welchem Aspekt des Herstellungsprozesses mehr Bedeutung zugemessen wird;

Eine exponierte Stellung nimmt das Spritzgießen ein, weil es der Produktform fast keine Grenzen setzt und darüber hinaus die höchste geometrische Präzision hervorbringt.
Die Kosten für Spritzgusswerkzeuge sind in fast allen Fällen höher als vergleichbare Thermoformwerkzeuge, da erstere aus 2 geometrietragenden, oftmals gehärteten und polierten Hälften bestehen, währenddessen beim Thermoformwerkzeug nur eine Seite die geforderte Geometrie aufweist und nicht zwangsweise poliert werden muss. Bei großen Bauteilen (größer 50 Liter) ist es zudem nicht unüblich bei kleinen bis mittleren Stückzahlen mit Holzwerkzeugen zu arbeiten, was die Kosten nochmals erheblich reduziert.

Da im Thermoformen nur ein einteiliges Werkzeug Verwendung findet, ist die der Werkzeugkontur abgewandte Seite geometrisch von der Halbzeugdicke und dem Verstreckungsgrad abhängig. Produkte müssen deshalb so designed werden, dass dieser Umstand ausgeglichen werden kann.

Die Extrusion von Kunststoff ähnelt dem Spritzguss Verfahren, welches das zur Schmelze gebrachte Material in einen Hohlraum spritzt und diesem anpasst, wobei der Kunststoff die Form nach dem Abkühlen beibehält.
Der Unterschied zwischen dem Kunststoffspritzguss und dem Extrudieren von Kunststoffen liegt in der Methode der Formgebung, da diese bei der Extrusion bereits durch die jeweils eingesetzte Düse vorgegeben wird.
Der geschmolzene Kunststoff erhält seine Form also nicht wie beim Spritzguss durch das Einspritzen in einen Hohlkörper, sondern durch das Auspressen mittels einer Düse, wobei diese auch als Mundstück oder Matrize bezeichnete Öffnung die nachherige Form des Produkts bestimmt.

Als Blasformen wird die Herstellung von Hohlkörpern aus thermoplastischen Kunststoffen bezeichnet. Dabei wird ein extrudierter oder spritzgegossener Vorformling durch Innendruck an die Konturen des Blaswerkzeugs geformt. Auf diese Weise lassen sich Verpackungsartikel wie Flaschen, Kanister oder Fässer herstellen. Außerdem werden technische Teile wie Lüftungskanäle, Kraftstofftanks oder Kofferhalbschalen durch Blasformen produziert.

Um die Moleküle dazu zu bringen, sich ausgestreckt aneinanderzulagern und Fasern zu bilden, ist nach der Synthese des Kunststoffes das "Verstrecken" nötig: Beim Erstarren wird der hergestellte Kunststoff einem Zug ausgesetzt, sodass sich die Molekülketten, die vorher ohne bestimmte, gleichmäßige Ordnung vorlagen, in Zugrichtung strecken und anordnen und schließlich Fasern bilden.

Es ist notwendig, das vom Rohstoffhersteller meist in Granulat- oder Pulverform (Elastomere üblicherweise in Form von Streifen) angelieferte Material so umzuwandeln, dass es in einen fließfähigen Zustand überführt wird. Dafür wird zunächst das Material durch Rotation der Schnecke plastifiziert. Nach Schließen des Werkzeuges (Schritt 1), welches einen Hohlraum entsprechend dem Formteil aufweist, wird das plastifizierte Material durch axialen Vorschub der Schnecke in das Werkzeug eingespritzt (Schritt 2).

Bei thermoplastischen Materialien wird die Schmelze anschließend im Werkzeug gekühlt (Schritt 3). Im Falle vernetzender Materialien (Duroplaste, Elastomere) wird das Werkzeug beheizt und somit der Vernetzungsvorgang initiiert. Der letzte Verfahrensschritt umfasst das Öffnen des Werkzeugs und Auswerfen des Formteils (Schritt 5).

Je nach Art der Wärmeeinbringung kommen unterschiedliche Methoden zum Einsatz:

• Gaskonvektionsschweißen
• Heizelement(stumpf)schweißen
• Hochfrequenzschweissen
• Infrarotschweißen
• (2-Stufen-)Laserschweissen
• Laserdurchstrahlschweißen
• Lichtstrahlextrusionsschweissen
• Rotationsreibschweißen
• Ultraschallschweißen
• Vibrationsschweißen
• Warmgassschweißen
• Zirkularschweißen

Allgemein lassen sich jedoch nur Kunststoffe mit thermoplastischen Eigenschaften schweißen. Dazu gehören auch PVC, PE oder PP. Diese können wiederholt schmelzen und sich verfestigen.

Folienherstellung: Blasfolien / Extrusion / Coextrusion

PE-Folien: Polyethylenfolien werden meist als Blasfolien hergestellt. Eine Schnecke presst die geschmolzenen Polymere durch eine ringförmige Düse. Die noch weiche, warme Blase aus Kunststofffolie wird durch Luftkühlung auf eine Temperatur gebracht, die unter dem Kristallitschmelzpunkt liegt. Dabei werden gleichzeitig die Orientierung in Maschinenlaufrichtung (MD) und in Querrichtung (CD) sowie der Durchmesser der Blase und die Foliendicke festgelegt.
Bei modernen Produktionsanlagen erfolgen die Regelung der Dicke und die übrigen Feineinstellungen automatisch. Am Koextrusionsprozess sind mehrere Düsen zugleich beteiligt, was die Herstellung von Mehrschichtfolien ermöglicht.

3D Druck mittels pulverbasierten Verfahren

• 3D-Druck mit Pulver (3DP)
• Selective Laser Sintering(SLS), Selektives Laserschmelzen
• Electron Beam Melting, Electron Beam Additive Manufacturing Elektronenstrahlschmelzen (EBM/EBAM)

3D-Druck mittels geschmolzenen Materialen

• Fused Filament Fabrication(FFF), Schmelzschichtung (z.B. FDM
• FusedDeposition Modeling)

3D-Druck mit flüssigen Materialien

• Stereolithografie (STL, SLA)
• Digital Light Processing (DLP)
• Multi Jet Modeling (MJM), Polyjet-Verfahren
• Film Transfer Imaging Verfahren (FTI)

Weitere Verfahren

Laserauftragsschweißen und das LaminatedObjectModeling (LOM) Verfahren

Die Formteile, die mit Spritzgießen hergestellt werden, lassen sich wie folgt kategorisieren: A-Teile – Präzisionsteile mit höchsten Anforderungen, B-Teile – technische Teile mit hohen Anforderungen und C-Teile – geometrisch einfache Formteile aus Standardkunststoffen mit geringen Anforderungen. Alle Kategorien besitzen unter anderem folgende wesentliche Qualitätsmerkmale: Formteilmaße und -gewicht, Festigkeit, Verzugserscheinungen und Oberflächenbeschaffenheit.

Aus der Vorlesung:

• Unvollständige Werkzeugfüllung

• Einfallstellen

• Gratbildung

• Sichtbare, schlechte Bindenähte

•Freistrahlbildung

• Rillenbildung

• Schlieren an der Oberfläche

• Brandstellen (Dieseleffekt)

Die Zykluszeit wird wesentlich durch die Abkühlzeit t_k bestimmt und ist von der Wandstärke abhängig.

Mit der Näherungsformel:

t_k=(2-3)*s_max²

wobei s_max die maximale Wandstärke ist.

Feuchte des Materials wirkt z.B. beim Spritzgiessen auf

• Prozesssicherheit
• Produktqualität  

Ursache ist das Verhalten des zu verarbeitenden Kunststoffs gegenüber Feuchtigkeit in der Luft

• hygroskopisch Kunststoffe nehmen Wasser auch innerhalb des Granulatkorns, also in ihrer Molekülstruktur auf. Dabei spricht man auch von Kernfeuchte.
• Bei nicht-hygroskopischen Kunststoffen lagert sich die Feuchtigkeit hingegen nur an der Oberfläche an. Die Füll- und Verstärkungsstoffe von nicht-hygroskopischen Kunststoffen können ihrerseits Feuchtigkeit aufnehmen.

Auswirkungen

• während des Verarbeitens Dampfbläschen Schaumbildung, Füll- und Entformungsprobleme, Viskositätsschwankungen, streuende Prozessparameter oder schwankende Durchsätze.
• bei der Weiterverarbeitung können Probleme beim Galvanisieren oder Lackieren.
• Bei bestimmten Kunststoffen löst Wasser während des Aufschmelzens eine chemische Reaktion aus, welche die Molekularstruktur verändert. Diese  Hydrolyse hat ein reduziertes Molekulargewicht zur Folge mit dem Ergebnis, dass die Viskosität sinkt.
• reduzierte mechanische Festigkeit
• Offensichtliche Fehler sind Schlieren, Hohlräume und Löcher, Blasen an der Oberfläche.

Auch übertrocknete Kunststoffe bereiten Probleme.

Mechanischer Verschleiß an Schnecken und Zylindern wird meistens durch Füllstoffe wie Glasfaser, Calcium-Carbonate oder Barium-Ferrite verursacht. Diese Materialien wirken wie Schmirgelpapier auf Stahl. Durch Einwirkung der kleinen, harten Partikel wird die Plastifiziereinheit kontinuierlich abgeschliffen.
Ein anderer Grund für Verschleiß ist Korrosion, verursacht durch flammhemmende Additive.

Beim Spritzstreckblasen von PET-Flaschen unterscheidet man zwischen dem einstufigen und dem zweistufigen Verfahren.

Im einstufigen Prozess wird zunächst ein zylindrischer Preform (Vorformling) im Spitzgussverfahren hergestellt. Der Preform besitzt schon die endgültige Hohlkörpermündung (Gewinde). Er wird direkt anschließend auf die optimale Weiterverarbeitungstemperatur gebracht um dann biaxial aufgeblasen und verstreckt zu werden.

Im zweistufigen Prozess werden die Preformlinge separat gespritzt, und erst zu einem späteren Zeitpunkt in einer getrennten Streckblasmaschine in die endgültige Form gebracht. So ist es möglich, nahezu alle am Markt verfügbaren Preformlinge weiterzuverarbeiten.

Compoundierung ist  die Aufbereitung von Kunststoffen durch Beimischung von Zuschlagstoffen (Füllstoffe,  Additive usw.) zur Erzielung erwünschter Eigenschaftsprofile. Die Compoundierung erfolgt überwiegend in Extrudern (hauptsächlich gleichläufige Doppelschneckenextruder, aber auch gegenläufige Doppelschneckenextruder, sowie durch Planetwalzenextruder und Ko-Kneter) und umfasst die Verfahrensoperationen Fördern, Aufschmelzen, Dispergieren, Mischen, Entgasen und Druckaufbau.

Verschiedene Schneckenformen sind wichtig, um unterschiedliche Ausgangsstoffe zu verarbeiten und diese zu Produkten mit unterschiedlichen Eigenschaften umwandeln zu können.

Nach der Polymerisierung und ggf. Compundierung liegt der Kunststoff im Extruder zunächst als Schmelze vor. Diese wird nun über Düsen zu Strängen geformt und in Luft oder Wasser abgekühlt. Anschließend schneidet ein rotierendes Messer die Stränge in wenige Millimeter lange Abschnitte, das Granulat. Dieses lässt sich nun in Rohrleitungen transportieren oder in Säcke oder andere Gebinde verpacken.

• Im allgemeinen begrenzte Festigkeit bei höheren Temperaturen.
• Zum Teil lange Aushärtezeiten.
• Kriechneigung bei andauernder Zugspannung.
• Grosse Sauberkeit erforderlich.
• Vorbehandlung erforderlich.
• Klebstoffalterung.
• Empfindlichkeit gegen:
  • Biegebeanspruchung
  • Schlagbeanspruchung
  • Spaltbeanspruchung
  • Schälbeanspruchung.

• Verbindungen verschiedenartiger Werkstoffe.
• Gleichmässige Spannungsverteilung über die gesamte Klebefläche ohne Spannungskonzentrationen, wie sie bei punktförmigen Verbindungen (Nieten, Punktschweissen) auftreten.
• Keine Wärmespannungen wie beim Schweissen.
• Gas- und Vakuumdichtheit.
• Fügeteile mit stark unterschiedlichen Wanddicken können verbunden werden.
• Meist kostengünstige Verbindungsart, vor allem bei kleineren Stückzahlen.
• Gute dynamische Festigkeit.
• Struktur der Fügeteile wird meist nicht verändert.
• Leicht erlernbares Arbeitsverfahren.
• Geringer Aufwand an Einrichtungen.
• Isolierwirkung der Klebfuge.
• Kraftübertragung kann mit schwingungsdämpfender Funktion kombiniert werden

Physikalisch abbindend

• Lösungsmittelkleber
• Dispersionskleber
• Schmelzkleber
• Kontaktkleber

Chemisch abbindend

• Polymerisationskleber
• Polyadditionskleber
• Polykondensationskleber

Am Beispiel BOSCH-Folienschweissen:

• Schnelligkeit des Schweissvorgangs
• Genauigkeit durch genauere Hitzeplatzierung gegenüber anderen Schweissverfahren
• Versiegelt auch feuchte Oberflächen
• Größere Dichtigkeit gegenüber konventioneller Hitzeversiegelung
• Kostengünstig (z.B. Energie) und materialsparend
• Hygienisch
• Kein Startup-Waste

Cyanacrylat-Klebstoffe sind im Allgemeinen besser bekannt unter dem Begriff Sekunden- oder auch Superkleber. Es handelt sich dabei um dünnflüssige oder bewusst eingedickte Ester der Cyanoacrylsäure, die in 1K-Form als Monomere in den Handel kommen und durch Polymerisationsreaktion im Fügespalt zum eigentlichen Klebstoffpolymer reagieren.

Als Kohäsion bezeichnet man die Bindungskräfte zwischen Atomen sowie zwischen Molekülen innerhalb eines Stoffes. Die Kräfte sorgen für seinen Zusammenhalt. Sie führen an den Oberflächen eines Stoffes zur Oberflächenspannung (schwache, elektrostatische Wechselwirkungen wie Van-der-Waals oder Wasserstoffbrückenbindungen). Die Adhäsion beruht hingegen auf Bindungskräften zwischen zwei unterschiedlichen Phasen bzw. Stoffen Stoffen (auch hier wirken elektrostatische Kräfte oder z.B. bei der mechanischen Adhäsion mechanische Kräfte wegwn der Oberflächenrauheit).

Das Deformationsverhalten von Klebstoff und Fügeteilwerkstoffen muss aufeinander abgestimmt sein
Gestaltung von Klebeverbindungen: Kunststoffe sollten bevorzugt auf Scherung belastet werden (möglichst nicht auf Zug und keinesfalls auf Biegung)

• Heizelement (durch festen Körper)
• Warmgas
• Lichtstrahl-Extrusions
• Ultraschall (durch Bewegung)
• Reib (durch Bewegung)
• Hochfrequenz (durch Strom)

Temperatur, Temperaturwirkzeit (Schweissgeschwindigkeit), Druck

Ob ein Kunststoff oberhalb oder unterhalb seiner Glasübergangstemperatur verwendet werden kann, hängt von der Art des Kunststoffs ab (dabei ist zu beachten, dass die Glasübergangstemperatur eines Kunststoffes bzw. Elastomers mit seiner Vernetzungsdichte steigt, d. h. die Glasübergangstemperatur eines Duroplasts ist deutlich höher als die eines Thermoplasts):

• Amorphe Thermoplaste können nur unterhalb der Glasübergangstemperatur eingesetzt werden. Die Verarbeitung erfolgt üblicherweise oberhalb derer.
• Teilkristalline Thermoplaste werden sowohl unterhalb als auch oberhalb der Glasübergangstemperatur eingesetzt. Teilkristalline Thermoplaste, deren Glasübergangstemperatur höher ist als ihre Einsatztemperatur (z. B. PET) sind eher steif und erweichen beim Glasübergang unterschiedlich stark (je nach Kristallinitätsgrad). Teilkristalline Thermoplaste, deren Glasübergangstemperatur unter der Einsatztemperatur liegt (z. B. PE), sind hingegen auch bei der Einsatztemperatur relativ weich und werden spröde, wenn die Glasübergangstemperatur unterschritten wird. In beiden Fällen ist ein Einsatz oberhalb der Schmelztemperatur nicht sinnvoll.
• Elastomere werden grundsätzlich im gummielastischen Bereich, also oberhalb der Glastemperatur eingesetzt. Unterhalb der Glasübergangstemperatur verspröden sie stark, wodurch ein Einsatz nicht sinnvoll ist. Die obere Temperaturgrenze dieser Materialien ist ihre jeweilige Zersetzungstemperatur.
• Duroplaste werden sowohl unterhalb als auch oberhalb der Glasübergangstemperatur eingesetzt. Duroplaste, deren Glasübergangstemperatur unter der Raumtemperatur liegt, sind allerdings zu den Elastomeren zu zählen. Die obere Temperaturgrenze von Duroplasten ist ihre jeweilige Zersetzungstemperatur.

Im Extruder befindet sich die Förderschnecke, auf dem Zylinder sitzt die Heiz- und Kühleinheit. Im vorderen Teil des Extruders wird schliesslich das Werkzeug befestigt. Prozess

• Der Materialtrichter wird mit Pulver oder Granulat befüllt.
• Die Schnecke transportiert das noch lose Material durch den Zylinder
• Durch hohe Temoeraturen und Scherung schmilzt das Material und plastifiziert zu einer homogenen Masse.
• Die Schmelze wird durch das Werkzeug gepresst und erhält die entsprechende Form.
• Der ausgetretene Strang wird in einer Kalibrierung abgekühlt.
• Das ausgekühlte Profil wird vom endlosen Strang getrennt.