Einführung in die Kunststofftechnik

• höhere Beanspruchungsgeschwindigkeit -> sprödes Werkstoffverhalten
• höhere Temperatur -> zäh/duktiles Werkstoffverhalten

siehe Bild

siehe Bild

• der spontanen elastischen Verformung (εel) (reversibel)
• der zeitabhängigen, viskoelastischen Verformung (εr) (reversibel)
• der zeitabhängigen, irreversibel viskosen Verformung (εv)

• Elastizität: Momentane, reversible Reaktion auf eine mechanische Beanspruchung.
  • Hook‘sche Elastizität: Deformation ist zur Belastung proportional
• Viskoelastizität: Verzögerte, aber noch vollständig reversible Elastizität, die auf dem zeitlich verzögerten Rückstellvermögen der Makromoleküle beruht.
  • Linear viskoelastisch: bei sehr kleinen Deformationen kann das Verformungsverhalten durch ein lineares Modell beschrieben werden. 
• Viskosität: Vollständig irreversible Reaktion auf eine mechanische Belastung.
  • Newtonsche Plastizität: Schubspannung ist zur Schergeschwindigkeit proportional

Kriechen: Zeitabhängige Dehnung bei konstanter Belastung

1. Primäres Kriechen: Kriechgeschwindigkeit sinkt, Kunststoff verfestigt sich
2. Sekundäres Kriechen: Kriechgeschwindigkeit ist Konstant
3. Tertiäres Kriechen: Kriechgeschwindigkeit steigt nichtlinear bis zum Bruch

Crazing:

• Normalspannungsfließzonen
• „Silver Cracks“
• Volumenvergrößerung 
• sehr klein
• Lösungsmittel unterstützt
• im deutschen auch Weißbruch
• mikroskopisch kleine Bereiche niedriger Dichte
• extrem verstreckte Materialstränge (Fibrillen) und lokale Hohlräume
• Vorschädigung des Werkstoffs, kann Beginn eines Bruchs darstellen
• in amorphen Thermoplasten und in unpolaren Kunststoffen
• wird durch relativ große Teilchen ausgelöst

Scherfließen (Shear Yielding):

• durch Schubspannung ausgelöst
• Translation von Molekülen 
• irreversibel
• absorbiert Energie
• in teilkristallinen Thermoplasten und in polaren Kunststoffen
• wird durch relativ kleine Teilchen ausgelöst

Scherfließen (Shear Yielding)

• Molekulares Abgleiten durch das Netzwerk begrenzt
• hohe Defekt(Kerb)-Empfindlichkeit verhindert jedoch hohe Scherspannungen

• 3-D Polymer-Netzwerk verhindert Ausrichtung der Ketten
• frei Kettensegmente zu kurz

• Rheologie ist die Wissenschaft vom Fließen.
• Fließen ist eine fortwährende Deformation eines Materials unter Einwirkung äußerer Kräfte. Wie ein Stoff auf eine bestimmte Deformation reagiert, wie man diese Reaktion beschreiben, erklären und messen kann, das sind Fragen der Rheologie.
• Die Herstellung von Produkten aus Kunststoff ist praktische Rheologie (zb. Extruder)

Scherströmung:

• parallele Stromlinien
• transversaler Geschwindigkeitsgradient 

Dehnströmung:

• konvergente Stromlinien
• longitudinaler Geschwindigkeitsgradient 

siehe Bild

Die Nullviskosität ist die Viskosität eines ruhenden Fluids. Sie wird durch Verschlaufungen der Makromoleküle und den physikalischen Bindungen zwischen den Ketten verursacht

• Temperatur steigt -> physikalische Bindungen werden schwächer -> Nullviskosität sinkt
• Molekulargewicht steigt -> längere Ketten -> mehr Verschlaufungen -> Nullviskosiät steigt
• Füllstoffe/Verstärkungsstoffe erhöhen die Nullviskosität, da sie nicht an der Scherdeformation beteiligt sind

siehe Grafik

• 200-2500bar
• typisch: 1000bar

Schwindung ist die Maßänderung gegenüber der Kavität eines kalten Werkzeugs

• Fördern von Feststoff und Schmelze
• Plastifizieren
• Homogenisieren

Einschnecke:

• überwiegend Rohr- Profil- und Folienextrusion
• Förderprinzip: Schleppkräfte
• Vorteil: Preis/Leistungsverhältnis & hohe Lebensdauer

Doppelschnecke: (gleich und gegenläufig)

• zur Rohstoffaufbereitung (gleichläufig) und zum Plastifizieren (gegenläufig)
• Förderprinzip: Schleppkräfte (gleichläufig) & Kammerförderung (gegenläufig)
• Vorteil: Rohstoffpreis und spezifiescher Energieverbrauch

Spritzgießen:

• linearbewegung der Schnecke zum aufbringen des nötigen Drucks
• Kunststoff wird nur intervallweise in das Werkzeug gespritzt

Extrudieren:

• Schnecke bewegt sich rein rotatorisch
• permanenter Kunststofffluss durch Werkzeug

siehe Bild

Flachfolienherstellung:

• Kunststoff wird über Breitschlitzdüse mit elastischer Gummilippe auf eine Walze extrudiert
• Folie wird über Walzen geglättet und gestreckt
• Ränder werden beschnitten und fertige Folie wird aufgewickelt

Blasfolienextrusion:

• Kunststoff wird (meist von mehreren Extrudern) über Ringdüse extrudiert und mittels Luft aufgeblasen
• Folie wird dadurch gestreckt und nach oben abtransportiert
• nach Abkühlung über Walzen aufgewickel

1. Schmelze wird über Schlauchdüse extrudiert
2. Schmelzeschlauch wird mit Blasdorn in Werkzeug gebracht
3. Ausformen über Druckluft
4. Kühlen
5. Auswerfen

Anstatt des Schmelzeschlauchs können auch spritzgegossene Vorformlinge verwendet werden

Umformenverfahren für thermoplastische Halbzeuge 

Umformtemperatur:

• amorph: oberhlab der Glasübergangstemperatur
• teilkirstallin: knapp unter der Kristallitschmelztemperatur

Verfahrensvarianten:

• Warmumformen
• Tiefziehen
• Vakuumformen
• Druckluftformen

Verfahren werden häufig kombiniert!

Typische Produkte: Blisterferpackung, Joghurtbecher

Der Werkstoff entsteht erst bei der Verarbeitung

Sehr große Vielfalt durch variation der:

• Grundkomponenten
• Hilfs- und Zusatzstoffe (Fasern, Flammschutzmittel, Mineralmehl, Farbstoffe)
• Art des Schäumprozesses

Anwendungsbereiche:

• Weichschaum (Sitzmöbel, Matratzen)
• Kompaktsystem (Sanitärteile, Gehäuseteile)
• Integralschaum (Armlehnen, Lenkräder)
• Hartschaum (Wärmeisolierung, Schutzhelme)

GMT:

• GlasMatteverstärkter Thermoplast
• Heißes Thermoplast“paket“ in gekühltes Werkzeug

SMC:

• ShieldMoldingCompund
• Erwärmtes Duroplast“paket“ in geheiztes Werkzeug

Mögliche Prozessverkürzung: umgehung des GMT Halbzeuges -> direktes einlegen des kurzfaserverstärkten Thermoplasten aus dem Extruder

Werkstoffe aus verschiedenartigen, miteinander fest verbundenen Materialien, bei denen die wesentlichen Eigenschaften der Komponenten vorteilhaft kombiniert sind.

Verstärken ist das Erhöhen der Festigkeit eines Grundwerkstoffs durch Einbetten von Verstärkungsmaterial.   Dabei müssen

• die Verstärkungsfasern eine höhere Festigkeit
• und eine höhere Steifigkeit als die Matrix haben
• Die Matrix sollte nicht vor den Fasern brechen

natürliche Verbundwerkstoffe:

• Holz - Lange Zellulosefasern in einer Matrix aus Zellulose/Lignin 
• Granit - ein Gemisch aus Feldspat, Quarz und meist dunkler Minerale wie Glimmer, Hornblende, Pyroxen. 
• Wirbeltiere - ein Verbund aus harten Knochen und weichem Gewebe.

künstliche Verbundwerkstoffe:

• Damaszenerstahl - ein Gemisch von weichem und harten Eisen (Stahl), von den Kelten schon ca. 500 v.Ch. erfunden (nicht in Damaskus!) 
• Reflexbogen; engl. "compound bow" (= Verbundbogen), ein Bogen aus verschiedenen Holzsorten und Horn; dem einfachen Holzbogen überlegen.
• Beton (gab es schon bei den Römern; die Kuppel des Pantheon, immer noch eine der größten Kuppeln der Welt ist aus einer Art Beton). Beton ist ein Gemisch aus größeren harten Kieselsteinen in einer Zementmatrix, die deutlich andere mechanische Eigenschaften hat als die Steine 
• Stahlbeton - d.h. Stahlstäbe oder -geflecht eingebettet in Beton 
• "GFK" und "CFK", d.h. Glasfaser oder Carbonfaser eingebettet in Kunststoff. 

Festigkeit sinkt mit steigendem Durchmesser bzw steigender Einspannlänge, da die wahrscheinlichkeit von Fehlern damit steigt.

• Faser:  aufnehmen der Last, erhöhen der Steifigkeit
• Matrix: schutz der Fasern, einleiten von Kräften
• Interphase: verbessern der Faser-Matrix Haftung, einleiten der Kräfte in die Fasern über Schubspannung

• Geringe Wärmedehnung: Fasern haben sehr geringe oder teilweise negative Wärmeausdehnungskoeffizienten, Anwendung im Satellitenbau
• Anisotropie: Fasern können in Hauptbelastungsrichtung ausgerichtet werden, Anwendung im Behälterbau (Bratuwurstformel!)
• Medienbeständigkeit: Matrixmaterial hat oft sehr gute Korrosionswiederstände, Anwendung im Anlagenbau
• Integrationstiefe/Multifunktionsbauweise: Bauteil entsteh in situ, Integralbauweise, Anwendung in Sportgeräte und Automobilbau
• Hohe Steifigkeit bei geringem Gewicht: geringe Dichte, ideraler Leichtbaustoff, Anwendung in Luft&Raumfahrt

Glasfaser:

• Zugfestigkeit: 3500MPa  E-Modul: 72000Mpa
• Bruchdehnung: 4%
• Filamentdurchmesser: 15µm
• Dichte: 2,6 g/cm^3
• isotrop

Kohlenstofffaser:

• unterscheidung in HT (High-Tension) und HM (High-Modulus)
• Zugfestigkeit: HT: 4000MPa - HM: 2000MPA
• E-Modul: HT: 260000MPa - HM: 425000MPa
• Bruchdehnung: HT: 1% - HM: 0,5%
• Filamentdurchmesser: 7-8µm
• Dichte: 1,8-1,9 g/cm^3
• anisotrop (Zugfestigkeit/E-Modul/ Wärmeausdehnungskoefftizient sind Richtungsabhängig, senkrecht oder parallel zur Faser)

Aramidfasern (Kevlar):

• Zugfestigkeit: 3500MPa  E-Modul: 150000Mpa
• Bruchdehnung: 4%
• Filamentdurchmesser 12µm
• Dichte: 1,45g/cm^3
• Schlechte Druckeigenschaften & Teuer

1. Thermische Anforderungen
2. Chemische Beständigkeit
3. Mechanische Anforderungen
4. Spezielle Bauteilanforderungen

1. Wanddicke so dünn wie möglich auslegen
2. Gleiche Wanddicken vorsehen
3. Massenanhäufungen vermeiden
4. Ecken und Kanten mit Radien versehen
5. Rippen spritzgießgerecht gestalten
6. Ebene Flächen vermeiden
7. Ausreichende Konizitäten vorsehen
8. Hinterschneidungen vermeiden
9. Keine genauere Bearbeitung als nötig vorsehen
10. Das Potenzial der Spritzgießverarbeitung ausschöpfen

• Die Wandstärke geht quadratisch in die Abkühlzeit ein, welche wiederum aussschlaggebend für die Zykluszeit beim Spritzguss ist.
• Unterschiedliche Wandstärken führen zu erhöhten Abkühlzeiten (dickste Wand bestimmt Abkühlzeit) und Verzug im Bauteil