Ziel dieser Arbeit war es, ein tieferes Verständnis der Permeationsvorgänge durch poröse Beschichtungen zu generieren und dominierende Diffusionsmechanismen durch Poren zu identifizieren. Dafür wurde eine Methodik zur Bestimmung der Poren und Porenverteilungen in Beschichtungen mithilfe von drei komplementären Verfahren sowie ein Simulationstool zur Modellierung des Stofftransports durch Kunststoffe entwickelt. Die Untersuchungen zeigen, dass die Freie Diffusion durch Makroporen (dp ≥ 50 nm) den größten Einfluss auf den Gesamtstofftransport besitzt. Es konnte weiterhin nachgewiesen werden, dass Poren in dieser Größenordnung bei den gängigen Barrierebeschichtungen aufgrund der geschlossenen Beschichtung nach Erreichen der kritischen Schichtdicke nahezu ausgeschlossen werden können. In diesem Fall teilen sich die Anteile der Diffusion durch die Beschichtung in die Knudsen- und konfigurelle Diffusion durch Meso- (2 nm ≤ dp ≤ 50 nm) und Nanoporen (dp ≤ 2 nm) sowie die Festkörperdiffusion auf Molekülgitterebene auf. Die vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass die Knudsen-Diffusion den größten Anteil an Diffusionsvorgängen einnimmt.
Mithilfe einer Modellierung des Stofftransports konnte der Einfluss von Einzelporen unterschiedlicher Größe sowie die Beeinflussung aufgrund benachbarter Poren beschrieben werden. Die Validierung mit experimentellen Messungen von mikrogebohrten Edelstahlfolien als Substitut der Barrierebeschichtung zeigt eine gute Übereinstimmung der Tendenzen mit der OTR durch PET in Abhängigkeit des Porenabstands. Insgesamt überschätzt die Simulation des Stofftransports unter Annahme eines Kontinuums sowie der Gesetze von Henry und Fick die Transmissionsraten geringfügig. Es konnte gezeigt werden, dass der Diffusionskoeffizient D entscheidend für die Höhe der Beeinflussung benachbarter Poren ist, während die Löslichkeit S eine untergeordnete Rolle spielt, solange die Permeationsraten hoch sind. Weitere Berechnungen bestätigen die Eignung der Simulation für die Beschreibung des Stofftransports verschiedener Gas/Polymer-Paarungen. Die grundlegenden Mechanismen des porenbehafteten Stofftransports lassen sich unter Berücksichtigung der numerisch notwendigen Annahmen mithilfe des entwickelten Simulationstools sehr gut beschreiben. Die Korrelation der experimentellen OTR mit der Superposition der berechneten Sauerstofftransmissionsraten durch Makroporen bestätigt die Annahme, dass die Freie Diffusion bei deren Existenz dominiert. Der Stofftransport aufgrund der Freien Diffusion überwiegt trotz deutlich geringerer Gesamtporenfläche eindeutig über dem Stofftransport der anderen Diffusionsmechanismen. Weiterführende Modellierungen der Diffusion unter Berücksichtigung der undurchdringbaren kristallinen Bereiche des Kunststoffs und Wechselwirkungen der Gasmoleküle mit der Oberfläche der Porenwand werden zu dem Verständnis der Permeationsvorgänge beitragen.
Aktualisiert: 2023-06-30
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Ziel dieser Arbeit war es, ein tieferes Verständnis der Permeationsvorgänge durch poröse Beschichtungen zu generieren und dominierende Diffusionsmechanismen durch Poren zu identifizieren. Dafür wurde eine Methodik zur Bestimmung der Poren und Porenverteilungen in Beschichtungen mithilfe von drei komplementären Verfahren sowie ein Simulationstool zur Modellierung des Stofftransports durch Kunststoffe entwickelt. Die Untersuchungen zeigen, dass die Freie Diffusion durch Makroporen (dp ≥ 50 nm) den größten Einfluss auf den Gesamtstofftransport besitzt. Es konnte weiterhin nachgewiesen werden, dass Poren in dieser Größenordnung bei den gängigen Barrierebeschichtungen aufgrund der geschlossenen Beschichtung nach Erreichen der kritischen Schichtdicke nahezu ausgeschlossen werden können. In diesem Fall teilen sich die Anteile der Diffusion durch die Beschichtung in die Knudsen- und konfigurelle Diffusion durch Meso- (2 nm ≤ dp ≤ 50 nm) und Nanoporen (dp ≤ 2 nm) sowie die Festkörperdiffusion auf Molekülgitterebene auf. Die vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass die Knudsen-Diffusion den größten Anteil an Diffusionsvorgängen einnimmt.
Mithilfe einer Modellierung des Stofftransports konnte der Einfluss von Einzelporen unterschiedlicher Größe sowie die Beeinflussung aufgrund benachbarter Poren beschrieben werden. Die Validierung mit experimentellen Messungen von mikrogebohrten Edelstahlfolien als Substitut der Barrierebeschichtung zeigt eine gute Übereinstimmung der Tendenzen mit der OTR durch PET in Abhängigkeit des Porenabstands. Insgesamt überschätzt die Simulation des Stofftransports unter Annahme eines Kontinuums sowie der Gesetze von Henry und Fick die Transmissionsraten geringfügig. Es konnte gezeigt werden, dass der Diffusionskoeffizient D entscheidend für die Höhe der Beeinflussung benachbarter Poren ist, während die Löslichkeit S eine untergeordnete Rolle spielt, solange die Permeationsraten hoch sind. Weitere Berechnungen bestätigen die Eignung der Simulation für die Beschreibung des Stofftransports verschiedener Gas/Polymer-Paarungen. Die grundlegenden Mechanismen des porenbehafteten Stofftransports lassen sich unter Berücksichtigung der numerisch notwendigen Annahmen mithilfe des entwickelten Simulationstools sehr gut beschreiben. Die Korrelation der experimentellen OTR mit der Superposition der berechneten Sauerstofftransmissionsraten durch Makroporen bestätigt die Annahme, dass die Freie Diffusion bei deren Existenz dominiert. Der Stofftransport aufgrund der Freien Diffusion überwiegt trotz deutlich geringerer Gesamtporenfläche eindeutig über dem Stofftransport der anderen Diffusionsmechanismen. Weiterführende Modellierungen der Diffusion unter Berücksichtigung der undurchdringbaren kristallinen Bereiche des Kunststoffs und Wechselwirkungen der Gasmoleküle mit der Oberfläche der Porenwand werden zu dem Verständnis der Permeationsvorgänge beitragen.
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Ziel dieser Arbeit war es, ein tieferes Verständnis der Permeationsvorgänge durch poröse Beschichtungen zu generieren und dominierende Diffusionsmechanismen durch Poren zu identifizieren. Dafür wurde eine Methodik zur Bestimmung der Poren und Porenverteilungen in Beschichtungen mithilfe von drei komplementären Verfahren sowie ein Simulationstool zur Modellierung des Stofftransports durch Kunststoffe entwickelt. Die Untersuchungen zeigen, dass die Freie Diffusion durch Makroporen (dp ≥ 50 nm) den größten Einfluss auf den Gesamtstofftransport besitzt. Es konnte weiterhin nachgewiesen werden, dass Poren in dieser Größenordnung bei den gängigen Barrierebeschichtungen aufgrund der geschlossenen Beschichtung nach Erreichen der kritischen Schichtdicke nahezu ausgeschlossen werden können. In diesem Fall teilen sich die Anteile der Diffusion durch die Beschichtung in die Knudsen- und konfigurelle Diffusion durch Meso- (2 nm ≤ dp ≤ 50 nm) und Nanoporen (dp ≤ 2 nm) sowie die Festkörperdiffusion auf Molekülgitterebene auf. Die vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass die Knudsen-Diffusion den größten Anteil an Diffusionsvorgängen einnimmt.
Mithilfe einer Modellierung des Stofftransports konnte der Einfluss von Einzelporen unterschiedlicher Größe sowie die Beeinflussung aufgrund benachbarter Poren beschrieben werden. Die Validierung mit experimentellen Messungen von mikrogebohrten Edelstahlfolien als Substitut der Barrierebeschichtung zeigt eine gute Übereinstimmung der Tendenzen mit der OTR durch PET in Abhängigkeit des Porenabstands. Insgesamt überschätzt die Simulation des Stofftransports unter Annahme eines Kontinuums sowie der Gesetze von Henry und Fick die Transmissionsraten geringfügig. Es konnte gezeigt werden, dass der Diffusionskoeffizient D entscheidend für die Höhe der Beeinflussung benachbarter Poren ist, während die Löslichkeit S eine untergeordnete Rolle spielt, solange die Permeationsraten hoch sind. Weitere Berechnungen bestätigen die Eignung der Simulation für die Beschreibung des Stofftransports verschiedener Gas/Polymer-Paarungen. Die grundlegenden Mechanismen des porenbehafteten Stofftransports lassen sich unter Berücksichtigung der numerisch notwendigen Annahmen mithilfe des entwickelten Simulationstools sehr gut beschreiben. Die Korrelation der experimentellen OTR mit der Superposition der berechneten Sauerstofftransmissionsraten durch Makroporen bestätigt die Annahme, dass die Freie Diffusion bei deren Existenz dominiert. Der Stofftransport aufgrund der Freien Diffusion überwiegt trotz deutlich geringerer Gesamtporenfläche eindeutig über dem Stofftransport der anderen Diffusionsmechanismen. Weiterführende Modellierungen der Diffusion unter Berücksichtigung der undurchdringbaren kristallinen Bereiche des Kunststoffs und Wechselwirkungen der Gasmoleküle mit der Oberfläche der Porenwand werden zu dem Verständnis der Permeationsvorgänge beitragen.
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Das Spritzgießen ermöglicht eine kostengünstige Fertigung verschiedenster Formteile bei vielen konstruktiven Freiheitsgraden. Zentrales formgebendes Element ist das Spritzgießwerkzeug, welches meist ein komplexes Unikat ist. Dabei bildet das Temperiersystem den entscheidenden Faktor hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit und der resultierenden Qualität der Formteile. Eine gezielte und reproduzierbare Auslegung ist somit essenziell, um eine hohe Qualität in der Produktion zu erreichen. Ziel der vorliegenden Untersuchungen ist es, die thermische Werkzeugauslegung mithilfe eines inversen Ansatzes weiter zu verbessern und weitgehend zu automatisieren. Durch diesen inversen Ansatz wird eine Abhängigkeit vom jeweiligen Konstrukteur minimiert.
Zentrales Element der inversen thermischen Werkzeugauslegung ist ein Zielfunktional, welches die Qualität des Formteils bewertet. Auf Basis dieser Bewertung kann eine Optimierungssoftware den optimalen thermischen Haushalt im Spritzgießwerkzeug berechnen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein vorgeschlagenes Zielfunktional auf Basis von Ergebnissen aus Spritzgießversuchen kritisch analysiert und überarbeitet. Ziel des neuen, überarbeiteten Zielfunktionals ist eine homogene Temperaturverteilung im Formteil zum Ende der Kühlphase sowie das Erreichen einer homogenen Morphologie des Kunststoffes. Die inverse thermische Werkzeugauslegung wird erstmals auf ein praxisrelevantes Formteil angewandt. Eine Nutzbarkeit der Methodik auch für komplexe Geometrien kann gezeigt werden. Aus den Ergebnissen wird deutlich, dass mit dem neuen Ansatz eine Verzugsminimierung insbesondere für den Eckenverzug erreicht werden kann. Bedingt durch Limitationen in der Werkstoffwahl für additiv gefertigte Spritzgießwerkzeuge haben konventionell ausgelegte Kühlsysteme meist eine gleichwertige Leistungsfähigkeit, wenn sie durch erfahrene Konstrukteure auslegt werden.
Weiterhin wird eine Methodik entwickelt, um basierend auf der zuvor weiterentwickelten thermischen Optimierung die Ableitung eines Temperierlayouts zu automatisieren. In dieser Arbeit wird ein Konzept entwickelt, mit dem die gestalterischen Freiheiten der additiven Fertigung effektiv genutzt werden. Auf Basis von Pfadplanungsalgorithmen wird ein komplexes und strömungsoptimiertes Temperiersystem generiert. Das Ergebnis ist ein vom Anwender unabhängiges Temperierlayout mit einer zu einem manuell erstellten Temperierlayout vergleichbaren Leistungsfähigkeit hinsichtlich des Verzugs der produzierten Formteile.
Aktualisiert: 2023-06-30
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Das Spritzgießen ermöglicht eine kostengünstige Fertigung verschiedenster Formteile bei vielen konstruktiven Freiheitsgraden. Zentrales formgebendes Element ist das Spritzgießwerkzeug, welches meist ein komplexes Unikat ist. Dabei bildet das Temperiersystem den entscheidenden Faktor hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit und der resultierenden Qualität der Formteile. Eine gezielte und reproduzierbare Auslegung ist somit essenziell, um eine hohe Qualität in der Produktion zu erreichen. Ziel der vorliegenden Untersuchungen ist es, die thermische Werkzeugauslegung mithilfe eines inversen Ansatzes weiter zu verbessern und weitgehend zu automatisieren. Durch diesen inversen Ansatz wird eine Abhängigkeit vom jeweiligen Konstrukteur minimiert.
Zentrales Element der inversen thermischen Werkzeugauslegung ist ein Zielfunktional, welches die Qualität des Formteils bewertet. Auf Basis dieser Bewertung kann eine Optimierungssoftware den optimalen thermischen Haushalt im Spritzgießwerkzeug berechnen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein vorgeschlagenes Zielfunktional auf Basis von Ergebnissen aus Spritzgießversuchen kritisch analysiert und überarbeitet. Ziel des neuen, überarbeiteten Zielfunktionals ist eine homogene Temperaturverteilung im Formteil zum Ende der Kühlphase sowie das Erreichen einer homogenen Morphologie des Kunststoffes. Die inverse thermische Werkzeugauslegung wird erstmals auf ein praxisrelevantes Formteil angewandt. Eine Nutzbarkeit der Methodik auch für komplexe Geometrien kann gezeigt werden. Aus den Ergebnissen wird deutlich, dass mit dem neuen Ansatz eine Verzugsminimierung insbesondere für den Eckenverzug erreicht werden kann. Bedingt durch Limitationen in der Werkstoffwahl für additiv gefertigte Spritzgießwerkzeuge haben konventionell ausgelegte Kühlsysteme meist eine gleichwertige Leistungsfähigkeit, wenn sie durch erfahrene Konstrukteure auslegt werden.
Weiterhin wird eine Methodik entwickelt, um basierend auf der zuvor weiterentwickelten thermischen Optimierung die Ableitung eines Temperierlayouts zu automatisieren. In dieser Arbeit wird ein Konzept entwickelt, mit dem die gestalterischen Freiheiten der additiven Fertigung effektiv genutzt werden. Auf Basis von Pfadplanungsalgorithmen wird ein komplexes und strömungsoptimiertes Temperiersystem generiert. Das Ergebnis ist ein vom Anwender unabhängiges Temperierlayout mit einer zu einem manuell erstellten Temperierlayout vergleichbaren Leistungsfähigkeit hinsichtlich des Verzugs der produzierten Formteile.
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Das Spritzgießen ermöglicht eine kostengünstige Fertigung verschiedenster Formteile bei vielen konstruktiven Freiheitsgraden. Zentrales formgebendes Element ist das Spritzgießwerkzeug, welches meist ein komplexes Unikat ist. Dabei bildet das Temperiersystem den entscheidenden Faktor hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit und der resultierenden Qualität der Formteile. Eine gezielte und reproduzierbare Auslegung ist somit essenziell, um eine hohe Qualität in der Produktion zu erreichen. Ziel der vorliegenden Untersuchungen ist es, die thermische Werkzeugauslegung mithilfe eines inversen Ansatzes weiter zu verbessern und weitgehend zu automatisieren. Durch diesen inversen Ansatz wird eine Abhängigkeit vom jeweiligen Konstrukteur minimiert.
Zentrales Element der inversen thermischen Werkzeugauslegung ist ein Zielfunktional, welches die Qualität des Formteils bewertet. Auf Basis dieser Bewertung kann eine Optimierungssoftware den optimalen thermischen Haushalt im Spritzgießwerkzeug berechnen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein vorgeschlagenes Zielfunktional auf Basis von Ergebnissen aus Spritzgießversuchen kritisch analysiert und überarbeitet. Ziel des neuen, überarbeiteten Zielfunktionals ist eine homogene Temperaturverteilung im Formteil zum Ende der Kühlphase sowie das Erreichen einer homogenen Morphologie des Kunststoffes. Die inverse thermische Werkzeugauslegung wird erstmals auf ein praxisrelevantes Formteil angewandt. Eine Nutzbarkeit der Methodik auch für komplexe Geometrien kann gezeigt werden. Aus den Ergebnissen wird deutlich, dass mit dem neuen Ansatz eine Verzugsminimierung insbesondere für den Eckenverzug erreicht werden kann. Bedingt durch Limitationen in der Werkstoffwahl für additiv gefertigte Spritzgießwerkzeuge haben konventionell ausgelegte Kühlsysteme meist eine gleichwertige Leistungsfähigkeit, wenn sie durch erfahrene Konstrukteure auslegt werden.
Weiterhin wird eine Methodik entwickelt, um basierend auf der zuvor weiterentwickelten thermischen Optimierung die Ableitung eines Temperierlayouts zu automatisieren. In dieser Arbeit wird ein Konzept entwickelt, mit dem die gestalterischen Freiheiten der additiven Fertigung effektiv genutzt werden. Auf Basis von Pfadplanungsalgorithmen wird ein komplexes und strömungsoptimiertes Temperiersystem generiert. Das Ergebnis ist ein vom Anwender unabhängiges Temperierlayout mit einer zu einem manuell erstellten Temperierlayout vergleichbaren Leistungsfähigkeit hinsichtlich des Verzugs der produzierten Formteile.
Aktualisiert: 2023-06-30
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Für die simulative Abbildung werden, trotz des sehr ähnlichen visko-elasto-plastischen Materialverhaltens der thermoplastischen Elastomere (TPE) zu klassischen Elastomeren, bisher nur Speziallösungen verwendet. Diese sind lediglich für ein bestimmtes TPE gültig. Im Rahmen dieser Arbeit wird daher eine Methodik zur Modellierung des visko-elasto-plastischen Materialverhaltens der TPE auf Basis etablierter Materialmodelle unter Berücksichtigung des Beanspruchungszustandes und der Temperatur gezeigt. Dazu wird im experimentellen Teil zunächst das visko-elasto-plastische Materialverhalten für verschiedene TPE-Materialien ermittelt und die Einflüsse aus molekularem Aufbau und Zusammensetzung werden bewertet. Anhand eines TPS mit Shore-Härte 80A werden dann die Untersuchungen zum Einfluss der Temperatur und des Beanspruchungszustandes durchgeführt. Diese dienen als Grundlage für den theoretischen und simulativen Teil der Arbeit.
Für die Modellierung der einzelnen Bestandteile des visko-elasto-plastischen Materialverhaltens des TPS 80A wird das hyperelastische Neo-Hooke-Modell in Form eines Potenzansatzes (nichtlineares Materialverhalten), der Formulierung der Schädigungsvariable aus der Theorie der Pseudoelastizität (Spannungserweichung) sowie eine Verfestigungsfunktion für den Ansatz der multiplikativen Zerlegung des Deformationstensors (Restverformung) verwendet. Um den Einfluss der Temperatur und des Beanspruchungszustandes in den Materialmodellen zu berücksichtigen, werden die Modellparameter über eine zweidimensionale Ansatzfunktion erweitert. Dies erfordert eine Implementierung der Materialmodelle über diverse USER-Subroutinen in das kommerzielle FE-Programm ABAQUS. Zusätzlich müssen diese miteinander gekoppelt werden.
Die Validierung der entwickelten Materialbeschreibung erfolgt anhand eines Praxisbauteils.
Durch die komplexe Geometrie des Dichtrings treten lokal unterschiedliche Beanspruchungszustände auf, sodass die Funktionsfähigkeit und Abbildungsgüte anhand von komplexen Gegebenheiten und Randbedingungen beurteilbar ist. Durch einen Vergleich mit zugehörigen Versuchen am realen Praxisbauteil wurde eine Anwendbarkeit und Funktionsfähigkeit für einzelne Temperaturen sowie für definierte Beanspruchungszustände im mittleren Streckungsbereich nachgewiesen. Die Effekte der Spannungserweichung und Restverformung werden unabhängig von den Randbedingungen deutlich unterschätzt. Des Weiteren wurde die Übertragbarkeit der entwickelten Materialbeschreibung auf ein anderes TPE belegt.
Aktualisiert: 2023-06-30
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Für die simulative Abbildung werden, trotz des sehr ähnlichen visko-elasto-plastischen Materialverhaltens der thermoplastischen Elastomere (TPE) zu klassischen Elastomeren, bisher nur Speziallösungen verwendet. Diese sind lediglich für ein bestimmtes TPE gültig. Im Rahmen dieser Arbeit wird daher eine Methodik zur Modellierung des visko-elasto-plastischen Materialverhaltens der TPE auf Basis etablierter Materialmodelle unter Berücksichtigung des Beanspruchungszustandes und der Temperatur gezeigt. Dazu wird im experimentellen Teil zunächst das visko-elasto-plastische Materialverhalten für verschiedene TPE-Materialien ermittelt und die Einflüsse aus molekularem Aufbau und Zusammensetzung werden bewertet. Anhand eines TPS mit Shore-Härte 80A werden dann die Untersuchungen zum Einfluss der Temperatur und des Beanspruchungszustandes durchgeführt. Diese dienen als Grundlage für den theoretischen und simulativen Teil der Arbeit.
Für die Modellierung der einzelnen Bestandteile des visko-elasto-plastischen Materialverhaltens des TPS 80A wird das hyperelastische Neo-Hooke-Modell in Form eines Potenzansatzes (nichtlineares Materialverhalten), der Formulierung der Schädigungsvariable aus der Theorie der Pseudoelastizität (Spannungserweichung) sowie eine Verfestigungsfunktion für den Ansatz der multiplikativen Zerlegung des Deformationstensors (Restverformung) verwendet. Um den Einfluss der Temperatur und des Beanspruchungszustandes in den Materialmodellen zu berücksichtigen, werden die Modellparameter über eine zweidimensionale Ansatzfunktion erweitert. Dies erfordert eine Implementierung der Materialmodelle über diverse USER-Subroutinen in das kommerzielle FE-Programm ABAQUS. Zusätzlich müssen diese miteinander gekoppelt werden.
Die Validierung der entwickelten Materialbeschreibung erfolgt anhand eines Praxisbauteils.
Durch die komplexe Geometrie des Dichtrings treten lokal unterschiedliche Beanspruchungszustände auf, sodass die Funktionsfähigkeit und Abbildungsgüte anhand von komplexen Gegebenheiten und Randbedingungen beurteilbar ist. Durch einen Vergleich mit zugehörigen Versuchen am realen Praxisbauteil wurde eine Anwendbarkeit und Funktionsfähigkeit für einzelne Temperaturen sowie für definierte Beanspruchungszustände im mittleren Streckungsbereich nachgewiesen. Die Effekte der Spannungserweichung und Restverformung werden unabhängig von den Randbedingungen deutlich unterschätzt. Des Weiteren wurde die Übertragbarkeit der entwickelten Materialbeschreibung auf ein anderes TPE belegt.
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Für die simulative Abbildung werden, trotz des sehr ähnlichen visko-elasto-plastischen Materialverhaltens der thermoplastischen Elastomere (TPE) zu klassischen Elastomeren, bisher nur Speziallösungen verwendet. Diese sind lediglich für ein bestimmtes TPE gültig. Im Rahmen dieser Arbeit wird daher eine Methodik zur Modellierung des visko-elasto-plastischen Materialverhaltens der TPE auf Basis etablierter Materialmodelle unter Berücksichtigung des Beanspruchungszustandes und der Temperatur gezeigt. Dazu wird im experimentellen Teil zunächst das visko-elasto-plastische Materialverhalten für verschiedene TPE-Materialien ermittelt und die Einflüsse aus molekularem Aufbau und Zusammensetzung werden bewertet. Anhand eines TPS mit Shore-Härte 80A werden dann die Untersuchungen zum Einfluss der Temperatur und des Beanspruchungszustandes durchgeführt. Diese dienen als Grundlage für den theoretischen und simulativen Teil der Arbeit.
Für die Modellierung der einzelnen Bestandteile des visko-elasto-plastischen Materialverhaltens des TPS 80A wird das hyperelastische Neo-Hooke-Modell in Form eines Potenzansatzes (nichtlineares Materialverhalten), der Formulierung der Schädigungsvariable aus der Theorie der Pseudoelastizität (Spannungserweichung) sowie eine Verfestigungsfunktion für den Ansatz der multiplikativen Zerlegung des Deformationstensors (Restverformung) verwendet. Um den Einfluss der Temperatur und des Beanspruchungszustandes in den Materialmodellen zu berücksichtigen, werden die Modellparameter über eine zweidimensionale Ansatzfunktion erweitert. Dies erfordert eine Implementierung der Materialmodelle über diverse USER-Subroutinen in das kommerzielle FE-Programm ABAQUS. Zusätzlich müssen diese miteinander gekoppelt werden.
Die Validierung der entwickelten Materialbeschreibung erfolgt anhand eines Praxisbauteils.
Durch die komplexe Geometrie des Dichtrings treten lokal unterschiedliche Beanspruchungszustände auf, sodass die Funktionsfähigkeit und Abbildungsgüte anhand von komplexen Gegebenheiten und Randbedingungen beurteilbar ist. Durch einen Vergleich mit zugehörigen Versuchen am realen Praxisbauteil wurde eine Anwendbarkeit und Funktionsfähigkeit für einzelne Temperaturen sowie für definierte Beanspruchungszustände im mittleren Streckungsbereich nachgewiesen. Die Effekte der Spannungserweichung und Restverformung werden unabhängig von den Randbedingungen deutlich unterschätzt. Des Weiteren wurde die Übertragbarkeit der entwickelten Materialbeschreibung auf ein anderes TPE belegt.
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Mikrostrukturierte Kunststoffformteile werden für optische Anwendungen im Bereich des Lichtmanagements, für Plagiatschutz, zur Fluidmischung und -leitung in Labs-on-a-Chip und im Tissue Engineering verwendet. Für viele Anwendungen ist eine genaue Reproduzierung von definierten Geometrien notwendig. Dies stellt Entwickler und Produzenten von mikrostrukturierten Formteilen insbesondere im Spritzgießprozess vor Herausforderungen. Die
in Kunststoff replizierten Strukturen entsprechen meist nicht den als Negativ in die Oberfläche des Spritzgießwerkzeugs eingebrachten Strukturen. Dies weckt den Wunsch nach einer Simulation des Abformprozesses bzw. nach der Vorhersage der abformbaren Strukturhöhen. Zu diesem Zweck werden Untersuchungen an mikrostrukturierten Formteilen durchgeführt, die für die Abformung relevanten Effekte identifiziert und die Wechselwirkung zwischen werkzeugseitiger Oberflächenstrukturierung, Abformung und Kavitätsfüllung betrachtet. Zur Vorhersage der Strukturabformung wird eine integrative Methode vorgestellt: Mittels einer kommerziell erhältlichen Simulationssoftware wird eine Füllsimulation der unstrukturierten Kavität durchgeführt. Als Ergebnis sind die simulierten Schmelzeeigenschaften vor dem Eintritt in die Mikrohohlräume bekannt und berücksichtigen die Einflüsse der Werkzeuggeometrie und des Materialverhaltens. Dazu wird ein physikalisches Modell für eine Kegel- und eine Linienstruktur hergeleitet, das den für die Strukturabformung notwendigen
Schmelzedruck beschreibt. Mit der Definition des Abformpotenzials wird eine dimensionslose Kenngröße eingeführt, die die Fähigkeit von Kunststoffschmelze quantifiziert, Mikrostrukturen abzuformen. Eine Betrachtung der Auswirkung von mikrostrukturierten Werkzeugoberflächen liefert die Erkenntnis eines stark ausgeprägten und signifikanten Effekts der Struktur auf die Kavitätsfüllung. Bei einer geeigneten Wahl von Schmelzeviskosität und Strukturflächendichte
kann eine deutliche Fließwegverlängerung sowie eine Reduzierung des Druckverlusts erreicht werden. Dies ist auf die Abhängigkeit der Kontaktfläche zwischen Schmelze und Werkzeug von der strukturierten Fläche und der Fließfähigkeit der Schmelze zurückzuführen. Das Wissen darüber, wie Mikrostrukturen die erreichbaren Fließweglängen, Druckverluste und
Schmelzetemperaturen beeinflussen, kann in der Praxis genutzt werden, um bei gleicher Maschinentechnik längere Fließwege im Vergleich zu unstrukturierten Kavitäten zu erreichen.
Aktualisiert: 2023-06-30
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Mikrostrukturierte Kunststoffformteile werden für optische Anwendungen im Bereich des Lichtmanagements, für Plagiatschutz, zur Fluidmischung und -leitung in Labs-on-a-Chip und im Tissue Engineering verwendet. Für viele Anwendungen ist eine genaue Reproduzierung von definierten Geometrien notwendig. Dies stellt Entwickler und Produzenten von mikrostrukturierten Formteilen insbesondere im Spritzgießprozess vor Herausforderungen. Die
in Kunststoff replizierten Strukturen entsprechen meist nicht den als Negativ in die Oberfläche des Spritzgießwerkzeugs eingebrachten Strukturen. Dies weckt den Wunsch nach einer Simulation des Abformprozesses bzw. nach der Vorhersage der abformbaren Strukturhöhen. Zu diesem Zweck werden Untersuchungen an mikrostrukturierten Formteilen durchgeführt, die für die Abformung relevanten Effekte identifiziert und die Wechselwirkung zwischen werkzeugseitiger Oberflächenstrukturierung, Abformung und Kavitätsfüllung betrachtet. Zur Vorhersage der Strukturabformung wird eine integrative Methode vorgestellt: Mittels einer kommerziell erhältlichen Simulationssoftware wird eine Füllsimulation der unstrukturierten Kavität durchgeführt. Als Ergebnis sind die simulierten Schmelzeeigenschaften vor dem Eintritt in die Mikrohohlräume bekannt und berücksichtigen die Einflüsse der Werkzeuggeometrie und des Materialverhaltens. Dazu wird ein physikalisches Modell für eine Kegel- und eine Linienstruktur hergeleitet, das den für die Strukturabformung notwendigen
Schmelzedruck beschreibt. Mit der Definition des Abformpotenzials wird eine dimensionslose Kenngröße eingeführt, die die Fähigkeit von Kunststoffschmelze quantifiziert, Mikrostrukturen abzuformen. Eine Betrachtung der Auswirkung von mikrostrukturierten Werkzeugoberflächen liefert die Erkenntnis eines stark ausgeprägten und signifikanten Effekts der Struktur auf die Kavitätsfüllung. Bei einer geeigneten Wahl von Schmelzeviskosität und Strukturflächendichte
kann eine deutliche Fließwegverlängerung sowie eine Reduzierung des Druckverlusts erreicht werden. Dies ist auf die Abhängigkeit der Kontaktfläche zwischen Schmelze und Werkzeug von der strukturierten Fläche und der Fließfähigkeit der Schmelze zurückzuführen. Das Wissen darüber, wie Mikrostrukturen die erreichbaren Fließweglängen, Druckverluste und
Schmelzetemperaturen beeinflussen, kann in der Praxis genutzt werden, um bei gleicher Maschinentechnik längere Fließwege im Vergleich zu unstrukturierten Kavitäten zu erreichen.
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Mikrostrukturierte Kunststoffformteile werden für optische Anwendungen im Bereich des Lichtmanagements, für Plagiatschutz, zur Fluidmischung und -leitung in Labs-on-a-Chip und im Tissue Engineering verwendet. Für viele Anwendungen ist eine genaue Reproduzierung von definierten Geometrien notwendig. Dies stellt Entwickler und Produzenten von mikrostrukturierten Formteilen insbesondere im Spritzgießprozess vor Herausforderungen. Die
in Kunststoff replizierten Strukturen entsprechen meist nicht den als Negativ in die Oberfläche des Spritzgießwerkzeugs eingebrachten Strukturen. Dies weckt den Wunsch nach einer Simulation des Abformprozesses bzw. nach der Vorhersage der abformbaren Strukturhöhen. Zu diesem Zweck werden Untersuchungen an mikrostrukturierten Formteilen durchgeführt, die für die Abformung relevanten Effekte identifiziert und die Wechselwirkung zwischen werkzeugseitiger Oberflächenstrukturierung, Abformung und Kavitätsfüllung betrachtet. Zur Vorhersage der Strukturabformung wird eine integrative Methode vorgestellt: Mittels einer kommerziell erhältlichen Simulationssoftware wird eine Füllsimulation der unstrukturierten Kavität durchgeführt. Als Ergebnis sind die simulierten Schmelzeeigenschaften vor dem Eintritt in die Mikrohohlräume bekannt und berücksichtigen die Einflüsse der Werkzeuggeometrie und des Materialverhaltens. Dazu wird ein physikalisches Modell für eine Kegel- und eine Linienstruktur hergeleitet, das den für die Strukturabformung notwendigen
Schmelzedruck beschreibt. Mit der Definition des Abformpotenzials wird eine dimensionslose Kenngröße eingeführt, die die Fähigkeit von Kunststoffschmelze quantifiziert, Mikrostrukturen abzuformen. Eine Betrachtung der Auswirkung von mikrostrukturierten Werkzeugoberflächen liefert die Erkenntnis eines stark ausgeprägten und signifikanten Effekts der Struktur auf die Kavitätsfüllung. Bei einer geeigneten Wahl von Schmelzeviskosität und Strukturflächendichte
kann eine deutliche Fließwegverlängerung sowie eine Reduzierung des Druckverlusts erreicht werden. Dies ist auf die Abhängigkeit der Kontaktfläche zwischen Schmelze und Werkzeug von der strukturierten Fläche und der Fließfähigkeit der Schmelze zurückzuführen. Das Wissen darüber, wie Mikrostrukturen die erreichbaren Fließweglängen, Druckverluste und
Schmelzetemperaturen beeinflussen, kann in der Praxis genutzt werden, um bei gleicher Maschinentechnik längere Fließwege im Vergleich zu unstrukturierten Kavitäten zu erreichen.
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Mikrostrukturierte Kunststoffformteile werden für optische Anwendungen im Bereich des Lichtmanagements, für Plagiatschutz, zur Fluidmischung und -leitung in Labs-on-a-Chip und im Tissue Engineering verwendet. Für viele Anwendungen ist eine genaue Reproduzierung von definierten Geometrien notwendig. Dies stellt Entwickler und Produzenten von mikrostrukturierten Formteilen insbesondere im Spritzgießprozess vor Herausforderungen. Die
in Kunststoff replizierten Strukturen entsprechen meist nicht den als Negativ in die Oberfläche des Spritzgießwerkzeugs eingebrachten Strukturen. Dies weckt den Wunsch nach einer Simulation des Abformprozesses bzw. nach der Vorhersage der abformbaren Strukturhöhen. Zu diesem Zweck werden Untersuchungen an mikrostrukturierten Formteilen durchgeführt, die für die Abformung relevanten Effekte identifiziert und die Wechselwirkung zwischen werkzeugseitiger Oberflächenstrukturierung, Abformung und Kavitätsfüllung betrachtet. Zur Vorhersage der Strukturabformung wird eine integrative Methode vorgestellt: Mittels einer kommerziell erhältlichen Simulationssoftware wird eine Füllsimulation der unstrukturierten Kavität durchgeführt. Als Ergebnis sind die simulierten Schmelzeeigenschaften vor dem Eintritt in die Mikrohohlräume bekannt und berücksichtigen die Einflüsse der Werkzeuggeometrie und des Materialverhaltens. Dazu wird ein physikalisches Modell für eine Kegel- und eine Linienstruktur hergeleitet, das den für die Strukturabformung notwendigen
Schmelzedruck beschreibt. Mit der Definition des Abformpotenzials wird eine dimensionslose Kenngröße eingeführt, die die Fähigkeit von Kunststoffschmelze quantifiziert, Mikrostrukturen abzuformen. Eine Betrachtung der Auswirkung von mikrostrukturierten Werkzeugoberflächen liefert die Erkenntnis eines stark ausgeprägten und signifikanten Effekts der Struktur auf die Kavitätsfüllung. Bei einer geeigneten Wahl von Schmelzeviskosität und Strukturflächendichte
kann eine deutliche Fließwegverlängerung sowie eine Reduzierung des Druckverlusts erreicht werden. Dies ist auf die Abhängigkeit der Kontaktfläche zwischen Schmelze und Werkzeug von der strukturierten Fläche und der Fließfähigkeit der Schmelze zurückzuführen. Das Wissen darüber, wie Mikrostrukturen die erreichbaren Fließweglängen, Druckverluste und
Schmelzetemperaturen beeinflussen, kann in der Praxis genutzt werden, um bei gleicher Maschinentechnik längere Fließwege im Vergleich zu unstrukturierten Kavitäten zu erreichen.
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Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass Bleche aus Magnesiumknetlegierungen mit verschiedenen Verfahren der In-Mould-Assembly durch Hinterspritzen mit technischen Thermoplasten zu Kunststoff/Magnesium-Hybridbauteilen gefügt werden können. Die mechanischen Eigenschaften der Verbindung können durch die Art der Verbindung, die Spritzgießparameter und die Werkstoffkombination beeinflusst werden. Durch eine gezielte Optimierung dieser Einflussfaktoren können Festigkeiten erreicht werden, welche die Verbindung für Strukturbauteile qualifizieren. Zur Untersuchung der Verbundfestigkeit mittels In-Mould-Assembly gefügter Kunststoff/Metall-Hybridbauteile wurden Zugscherprüfkörper für Metallklebungen erfolgreich modifiziert. Es konnte gezeigt werden, dass bei der Interpretation der Ergebnisse beachtet werden muss, dass der im Zugscherversuch auftretende Lastfall abhängig von der gewählten Materialkombination ist. Die Ergebnisse können daher vor allem aufgrund unterschiedlicher Materialsteifigkeiten nicht immer direkt auf andere Materialkombinationen übertragen werden.
Für das etablierte Fügeverfahren der Durchspritzpunkte konnten aus Richtlinien und Normen für Bolzenverbindungen verschiedene Dimensionierungsverhältnisse abgeleitet werden. Die Analyse zeigt, dass kleine Zapfendurchmesser eine höhere auf den Zapfenquerschnitt bezogene Kraft aufnehmen können und daher in der Anwendung zu bevorzugen sind. Neben der Dimensionierung spielt vor allem die Gestaltung der Anbindung eine entscheidende Rolle für die erzielbare Festigkeit und Reproduzierbarkeit. Durch die schlechte Kaltverformbarkeit von Magnesium bilden sich je nach Einbringungsart der Durchbrüche Grate an den Durchbruchrändern, was auch beim Zuschnitt von Magnesiumeinlegern zu beobachten ist. Da Grate die Festigkeit der Verbindung wahrscheinlich aufgrund von Kerbspannungen reduzieren können, sollten diese vor dem Hinterspritzen entfernt oder Verfahren eingesetzt werden, bei denen eine Gratbildung vermieden werden kann. Alle untersuchten Durchspritzpunkte versagen in der Verbindung zwischen Zapfen und Kunststoffkomponente. In diesem Bereich tritt eine Trennung der Schmelzeströme auf, was zu einer Umorientierung der Glasfasern in diesem Bereich führt. Es ist davon auszugehen, dass die Festigkeit in diesem Bereich reduziert wird.
Aktualisiert: 2023-06-30
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Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass Bleche aus Magnesiumknetlegierungen mit verschiedenen Verfahren der In-Mould-Assembly durch Hinterspritzen mit technischen Thermoplasten zu Kunststoff/Magnesium-Hybridbauteilen gefügt werden können. Die mechanischen Eigenschaften der Verbindung können durch die Art der Verbindung, die Spritzgießparameter und die Werkstoffkombination beeinflusst werden. Durch eine gezielte Optimierung dieser Einflussfaktoren können Festigkeiten erreicht werden, welche die Verbindung für Strukturbauteile qualifizieren. Zur Untersuchung der Verbundfestigkeit mittels In-Mould-Assembly gefügter Kunststoff/Metall-Hybridbauteile wurden Zugscherprüfkörper für Metallklebungen erfolgreich modifiziert. Es konnte gezeigt werden, dass bei der Interpretation der Ergebnisse beachtet werden muss, dass der im Zugscherversuch auftretende Lastfall abhängig von der gewählten Materialkombination ist. Die Ergebnisse können daher vor allem aufgrund unterschiedlicher Materialsteifigkeiten nicht immer direkt auf andere Materialkombinationen übertragen werden.
Für das etablierte Fügeverfahren der Durchspritzpunkte konnten aus Richtlinien und Normen für Bolzenverbindungen verschiedene Dimensionierungsverhältnisse abgeleitet werden. Die Analyse zeigt, dass kleine Zapfendurchmesser eine höhere auf den Zapfenquerschnitt bezogene Kraft aufnehmen können und daher in der Anwendung zu bevorzugen sind. Neben der Dimensionierung spielt vor allem die Gestaltung der Anbindung eine entscheidende Rolle für die erzielbare Festigkeit und Reproduzierbarkeit. Durch die schlechte Kaltverformbarkeit von Magnesium bilden sich je nach Einbringungsart der Durchbrüche Grate an den Durchbruchrändern, was auch beim Zuschnitt von Magnesiumeinlegern zu beobachten ist. Da Grate die Festigkeit der Verbindung wahrscheinlich aufgrund von Kerbspannungen reduzieren können, sollten diese vor dem Hinterspritzen entfernt oder Verfahren eingesetzt werden, bei denen eine Gratbildung vermieden werden kann. Alle untersuchten Durchspritzpunkte versagen in der Verbindung zwischen Zapfen und Kunststoffkomponente. In diesem Bereich tritt eine Trennung der Schmelzeströme auf, was zu einer Umorientierung der Glasfasern in diesem Bereich führt. Es ist davon auszugehen, dass die Festigkeit in diesem Bereich reduziert wird.
Aktualisiert: 2023-06-30
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Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass Bleche aus Magnesiumknetlegierungen mit verschiedenen Verfahren der In-Mould-Assembly durch Hinterspritzen mit technischen Thermoplasten zu Kunststoff/Magnesium-Hybridbauteilen gefügt werden können. Die mechanischen Eigenschaften der Verbindung können durch die Art der Verbindung, die Spritzgießparameter und die Werkstoffkombination beeinflusst werden. Durch eine gezielte Optimierung dieser Einflussfaktoren können Festigkeiten erreicht werden, welche die Verbindung für Strukturbauteile qualifizieren. Zur Untersuchung der Verbundfestigkeit mittels In-Mould-Assembly gefügter Kunststoff/Metall-Hybridbauteile wurden Zugscherprüfkörper für Metallklebungen erfolgreich modifiziert. Es konnte gezeigt werden, dass bei der Interpretation der Ergebnisse beachtet werden muss, dass der im Zugscherversuch auftretende Lastfall abhängig von der gewählten Materialkombination ist. Die Ergebnisse können daher vor allem aufgrund unterschiedlicher Materialsteifigkeiten nicht immer direkt auf andere Materialkombinationen übertragen werden.
Für das etablierte Fügeverfahren der Durchspritzpunkte konnten aus Richtlinien und Normen für Bolzenverbindungen verschiedene Dimensionierungsverhältnisse abgeleitet werden. Die Analyse zeigt, dass kleine Zapfendurchmesser eine höhere auf den Zapfenquerschnitt bezogene Kraft aufnehmen können und daher in der Anwendung zu bevorzugen sind. Neben der Dimensionierung spielt vor allem die Gestaltung der Anbindung eine entscheidende Rolle für die erzielbare Festigkeit und Reproduzierbarkeit. Durch die schlechte Kaltverformbarkeit von Magnesium bilden sich je nach Einbringungsart der Durchbrüche Grate an den Durchbruchrändern, was auch beim Zuschnitt von Magnesiumeinlegern zu beobachten ist. Da Grate die Festigkeit der Verbindung wahrscheinlich aufgrund von Kerbspannungen reduzieren können, sollten diese vor dem Hinterspritzen entfernt oder Verfahren eingesetzt werden, bei denen eine Gratbildung vermieden werden kann. Alle untersuchten Durchspritzpunkte versagen in der Verbindung zwischen Zapfen und Kunststoffkomponente. In diesem Bereich tritt eine Trennung der Schmelzeströme auf, was zu einer Umorientierung der Glasfasern in diesem Bereich führt. Es ist davon auszugehen, dass die Festigkeit in diesem Bereich reduziert wird.
Aktualisiert: 2023-06-30
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Das Ziel der Arbeit bestand in der Herstellung eigenschaftsoptimierter PUR-Formschäume durch den Einsatz von CO2 als Treibmittel, das sowohl ökologische als auch ökonomische Vorteile gegenüber herkömmlich eingesetzten Treibmitteln aufweist. Hierzu wird das Online-Gasgegendruck-Verfahren entwickelt, das eine Kombination aus der Gasgegendruck-Technologie aus [Lat16] und der Online-Dosierung von flüssigem CO2 in die Polyol-Zulaufleitung kurz vor dem Mischkopf darstellt. Für die drei untersuchten PURSchaumsysteme wurden geeignete Prozessparameter zur Herstellung vollwertiger Formteile mit einer homogenen Schaummorphologie und vollständiger Kavitätsfüllung identifiziert. Weiterhin ergeben sich systemspezifische mechanische Eigenschaften, die den Stand der Technik zum Schäumen von PUR mit reinem CO2 erweitern. Ebenfalls konnte gezeigt werden, dass die Kombination mit dem chemischen Treibmittel Wasser für ein elastomeres Schaumsystem zu vorteilhaften Eigenschaften führt.
Um auch weitere PUR-Systeme für die Technologie möglichst effizient zu befähigen, liegt im Rahmen dieser Arbeit ein weiterer Fokus auf der prozessnahen Charakterisierung von PURSystemen. Neben der Entwicklung einer neuen Charakterisierungsmethode, dem Reaktionsviskosimeter, wurden unterschiedliche Charakterisierungsstrategien mit konventionellen als auch innovativen Methoden für die drei PUR-Systeme angewandt und hinsichtlich der Möglichkeit zur Identifikation von Prozessparametern bewertet. Dabei können für den zukünftigen Einsatz neuer Materialien vor allem die Sorptionsmessung sowie die Schäumstudien bei über den Reaktionsprozess konstantem Gasgegendruck in dem hier genutzten RIM-Werkzeug mit Sichtfenster als zielführend empfohlen werden. Neben den hieraus abgeleiteten Prozessparametern Komponenten- und Werkzeugtemperaturen, CO2-Gehalt sowie Gasgegendruck bei Injektion kann die Vorreaktionszeit abgeschätzt werden. Die Gasgegendruck-Reduktionsrate muss weiterhin iterativ bestimmt werden, um eine homogene und feinzellige Schaummorphologie in den resultierenden Formteilen zu erreichen. Auch das entwickelte Reaktionsviskosimeter erweist sich als grundlegende vielversprechende Charakterisierungsmethode, allerdings müssen hierbei noch in weiteren Entwicklungsstufen die identifizierten Nachteile hinsichtlich des maximalen Gasgegendruckes sowie der Bestimmung des Aufschäumgrades behoben werden.
Aktualisiert: 2023-06-30
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Das Ziel der Arbeit bestand in der Herstellung eigenschaftsoptimierter PUR-Formschäume durch den Einsatz von CO2 als Treibmittel, das sowohl ökologische als auch ökonomische Vorteile gegenüber herkömmlich eingesetzten Treibmitteln aufweist. Hierzu wird das Online-Gasgegendruck-Verfahren entwickelt, das eine Kombination aus der Gasgegendruck-Technologie aus [Lat16] und der Online-Dosierung von flüssigem CO2 in die Polyol-Zulaufleitung kurz vor dem Mischkopf darstellt. Für die drei untersuchten PURSchaumsysteme wurden geeignete Prozessparameter zur Herstellung vollwertiger Formteile mit einer homogenen Schaummorphologie und vollständiger Kavitätsfüllung identifiziert. Weiterhin ergeben sich systemspezifische mechanische Eigenschaften, die den Stand der Technik zum Schäumen von PUR mit reinem CO2 erweitern. Ebenfalls konnte gezeigt werden, dass die Kombination mit dem chemischen Treibmittel Wasser für ein elastomeres Schaumsystem zu vorteilhaften Eigenschaften führt.
Um auch weitere PUR-Systeme für die Technologie möglichst effizient zu befähigen, liegt im Rahmen dieser Arbeit ein weiterer Fokus auf der prozessnahen Charakterisierung von PURSystemen. Neben der Entwicklung einer neuen Charakterisierungsmethode, dem Reaktionsviskosimeter, wurden unterschiedliche Charakterisierungsstrategien mit konventionellen als auch innovativen Methoden für die drei PUR-Systeme angewandt und hinsichtlich der Möglichkeit zur Identifikation von Prozessparametern bewertet. Dabei können für den zukünftigen Einsatz neuer Materialien vor allem die Sorptionsmessung sowie die Schäumstudien bei über den Reaktionsprozess konstantem Gasgegendruck in dem hier genutzten RIM-Werkzeug mit Sichtfenster als zielführend empfohlen werden. Neben den hieraus abgeleiteten Prozessparametern Komponenten- und Werkzeugtemperaturen, CO2-Gehalt sowie Gasgegendruck bei Injektion kann die Vorreaktionszeit abgeschätzt werden. Die Gasgegendruck-Reduktionsrate muss weiterhin iterativ bestimmt werden, um eine homogene und feinzellige Schaummorphologie in den resultierenden Formteilen zu erreichen. Auch das entwickelte Reaktionsviskosimeter erweist sich als grundlegende vielversprechende Charakterisierungsmethode, allerdings müssen hierbei noch in weiteren Entwicklungsstufen die identifizierten Nachteile hinsichtlich des maximalen Gasgegendruckes sowie der Bestimmung des Aufschäumgrades behoben werden.
Aktualisiert: 2023-06-30
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Das Ziel der Arbeit bestand in der Herstellung eigenschaftsoptimierter PUR-Formschäume durch den Einsatz von CO2 als Treibmittel, das sowohl ökologische als auch ökonomische Vorteile gegenüber herkömmlich eingesetzten Treibmitteln aufweist. Hierzu wird das Online-Gasgegendruck-Verfahren entwickelt, das eine Kombination aus der Gasgegendruck-Technologie aus [Lat16] und der Online-Dosierung von flüssigem CO2 in die Polyol-Zulaufleitung kurz vor dem Mischkopf darstellt. Für die drei untersuchten PURSchaumsysteme wurden geeignete Prozessparameter zur Herstellung vollwertiger Formteile mit einer homogenen Schaummorphologie und vollständiger Kavitätsfüllung identifiziert. Weiterhin ergeben sich systemspezifische mechanische Eigenschaften, die den Stand der Technik zum Schäumen von PUR mit reinem CO2 erweitern. Ebenfalls konnte gezeigt werden, dass die Kombination mit dem chemischen Treibmittel Wasser für ein elastomeres Schaumsystem zu vorteilhaften Eigenschaften führt.
Um auch weitere PUR-Systeme für die Technologie möglichst effizient zu befähigen, liegt im Rahmen dieser Arbeit ein weiterer Fokus auf der prozessnahen Charakterisierung von PURSystemen. Neben der Entwicklung einer neuen Charakterisierungsmethode, dem Reaktionsviskosimeter, wurden unterschiedliche Charakterisierungsstrategien mit konventionellen als auch innovativen Methoden für die drei PUR-Systeme angewandt und hinsichtlich der Möglichkeit zur Identifikation von Prozessparametern bewertet. Dabei können für den zukünftigen Einsatz neuer Materialien vor allem die Sorptionsmessung sowie die Schäumstudien bei über den Reaktionsprozess konstantem Gasgegendruck in dem hier genutzten RIM-Werkzeug mit Sichtfenster als zielführend empfohlen werden. Neben den hieraus abgeleiteten Prozessparametern Komponenten- und Werkzeugtemperaturen, CO2-Gehalt sowie Gasgegendruck bei Injektion kann die Vorreaktionszeit abgeschätzt werden. Die Gasgegendruck-Reduktionsrate muss weiterhin iterativ bestimmt werden, um eine homogene und feinzellige Schaummorphologie in den resultierenden Formteilen zu erreichen. Auch das entwickelte Reaktionsviskosimeter erweist sich als grundlegende vielversprechende Charakterisierungsmethode, allerdings müssen hierbei noch in weiteren Entwicklungsstufen die identifizierten Nachteile hinsichtlich des maximalen Gasgegendruckes sowie der Bestimmung des Aufschäumgrades behoben werden.
Aktualisiert: 2023-06-30
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Die Robustheit und die Stabilität des Spritzgießprozesses durch das Regeln des Werkzeuginnendrucks zu erhöhen, ist mittlerweile Stand der Technik und wurde von vielen Untersuchungen belegt. Bisherige Strategien regeln bspw. den Werkzeuginnendruck. Aufgrund des komplexen Materialverhaltens von Kunststoffen kann nicht auf Standardregler zurückgegriffen werden. Das Materialverhalten von Kunststoffschmelzen ist zeit-, druck- und temperaturabhängig, sodass höhere Regelungsstrategien verwendet werden müssen. Obwohl die Regelungen die Formteilqualität verbessern und eine höhere Reproduzierbarkeit ermöglichen, werden die Werkzeuginnendruckregelungen in der industriellen Praxis kaum eingesetzt. Die bestehenden Hürden sollen durch die Entwicklung einer Heißkanaldruckregelung überwunden werden. Mit den präsentierten Ergebnissen soll die Forschungsfrage beantwortet werden, ob durch das Anpassen des Fließquerschnitts im Heißkanal durch die Nadelbewegung der Werkzeuginnendruck in dem Maße beeinflussen kann, dass natürliche Schwankungen im Prozess ausgeglichen werden können. Dafür wird anhand von Versuchen überprüft, in wieweit durch das Zufahren der Nadel der Werkzeuginnendruck reduziert wird. Anschließend wird bei einer Langzeitüberwachung des Prozesses durch einen Vergleich zwischen der konventionellen Maschinenregelung und der Heißkanaldruckregelung die Robustheit und die Stabilität untersucht. Final werden durch Störungen Schwankungen im Prozess provoziert, die durch verschiedene Standardregler anhand einer Sollkurve ausgeregelt werden, um das Potenzial der Heißkanaldruckregelung zu untersuchen. Das Regelverhalten wird anhand der aufgezeichneten Werkzeuginnendruckkurven, dem mittleren Werkzeuginnendruck sowie dem Formteilgewicht untersucht.
Obwohl die Strategie aufgrund noch Schwächen aufweist, kann auf Basis der Ergebnisse eine Antwort auf die Forschungsfrage erarbeitet werden. Durch den Nadelweg kann beim verwendeten Versuchsaufbau der Werkzeuginnendruck um bis zu 50 bar reduziert werden. Die vorgegebene Sollkurve kann durch einen PID-Regler nachgeregelt werden und die Prozessstabilität kann erhöht werden. Die Standardabweichung der Bewertungskriterien verringert sich im Vergleich zur konventionellen Prozessführung bei der Regelung am angussfernen Sensor.
Insgesamt kann die Regelstrategie den Spritzgießprozess verbessern. Da durch die Anpassung des Fließquerschnitts der Druck in der Kavität nur reduziert werden kann, muss von der Maschine ein höherer Nachdruck bereitgestellt werden. Mögliche Verfeinerungen der Regelstrategie sollen in Zukunft die niedrige Nadelgeschwindigkeit und die Vernachlässigung des Materialverhaltens berücksichtigen.
Aktualisiert: 2023-06-30
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