Vorhersage der Bindenahtfestigkeit in ungefüllten amorphen Thermoplastbauteilen

Bei der Herstellung von Spritzgießbauteilen ist die Bildung von Bindenähten meist unvermeidbar. Bindenähte stellen zum einen optische Defekte, zum anderen eine mechanische Schwächung des Bauteils dar. Konstruktive Maßnahmen und Sonderverfahren können zu einer Minimierung der Bauteilschwächung durch Bindenähte führen. Jedoch wird deren Notwendigkeit meist erst spät im Entwicklungsprozess festgestellt und kann nur kosten-, zeit- oder ressourcenintensiv umgesetzt werden. Die Vorhersage der Bindenahtfestigkeit in einem frühen Entwicklungsstadium führt somit zu einer Vermeidung von aufwendigen Iterationsschleifen in der Produktentwicklung.
Aktuell kann mit kommerziell verfügbarer Spritzgießsimulationssoftware nur die Lage von Bindenähten bestimmt werden, für die quantitative Vorhersage der mechanischen Eigenschaften existieren keine Berechnungsmethoden. Daher wird in der vorliegenden Arbeit eine integrative Berechnungsroutine zur Vorhersage der Bindenahtfestigkeit in ungefüllten amorphen Thermoplasten entwickelt. Für die Berechnung der Festigkeitsabminderung in der Bindenaht werden semiempirischer Modelle entwickelt. Die Grundlagen der Modelle stellen das Reptationsmodell von de Gennes und das Interdiffusionsmodell von Kim und Suh dar. Eine Erweiterung der Modelle erfolgt anhand Beobachtungen, welche in ausführlichen Untersuchungen der prozess- und fließhindernisgeometrieabhängigen Zug- und Schubfestigkeit von Bindenahten angestellt werden. Des Weiteren werden simulative Analysen des Formfüllvorgangs zur Betrachtung des Verlaufs des thermischen und rheologischen Zustands in der Bindenaht durchgeführt und für die Modellierung herangezogen. Die Untersuchungen erfolgen anhand von Polystyrol, Polymethylmethacrylat und Polycarbonat.
Die entwickelte Berechnungsroutine erlaubt die Berechnung lokaler Faktoren, die die Materialfestigkeit in der Bindenaht beschreiben. Die Berechnungsroutine wird mittels der Prüfung von Zugproben mit Bindenaht kalibriert und validiert. Eine zusätzliche Validierung erfolgt durch die Prüfung eines praxisnahen Bauteils. Die Berechnung der Bindenahtfestigkeit führt bei PS und PMMA zu guten Ergebnissen. Bei PC treten größere Abweichungen zwischen Simulation und Referenz bei einem rechteckigen Fließhindernis auf. Dies ist ein Indiz dafür, dass eine Geometrieabhängigkeit des Modells noch nicht vollständig gegeben ist.
Insgesamt bietet die entwickelte Methode erstmalig die Möglichkeit, Bindenahtfestigkeiten im Rahmen einer integrativen Berechnungsroutine mit kommerzieller Simulationssoftware zu bestimmen. Allerdings werden die Modellierungs- und Berechnungsmöglichkeiten derzeit noch durch die von kommerzieller Spritzgießsimulationssoftware bereitgestellten Daten limitiert.