Im Vergleich zu herkömmlichen Thermoformwerkzeugen aus Epoxidharzen oder Aluminium lassen sich mit einem neuartigen Gießharzsystem temperaturbeständige und qualitativ hochwertige Tiefziehwerkzeuge nicht nur in deutlich kürzerer Zeit herstellen, sondern der Anwender kann die Werkzeuge selbst fertigen. Auch als Alternative zur Spritzgießtechnik lässt sich das System zum Formenbau einsetzen, um ein günstiges Preis-Leistungsverhältnis zu erreichen.

Leicht zu verarbeiten: Mit dem patentierten Gießharzsystem Mould D können Unternehmen Formen zum Tiefziehen selbst herstellen

Patentiertes Gießharzsystem zur Herstellung anspruchsvoller Thermoformwerkzeuge in nur wenigen Stunden

Tiefziehwerkzeug

Dienstleistungen

Werkzeug-, Formen- und Modellbau

Tiefziehwerkzeuge

Maschinen für die spanlose Fertigung

Werkzeuge

Warmformen / Thermoformen

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Modellbau

Thermoformwerkzeuge

Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung

Modellierung

Methoden und Werkzeuge

Formen Marke Eigenbau

Kurzfaserverstärkte Kunststoffe werden für viele technisch anspruchsvolle Anwendungen verwendet. Für eine hohe Produktqualität müssen die richtungsabhängigen Materialeigenschaften schon in der Bauteilauslegung mitberücksichtigt werden. Vor- und Nachteile zweier Vorgehensweisen werden in diesem Artikel diskutiert.

Wasserpumpe bFlow C als Beispiel einer mit kurzglasfaserverstärktem Kunststoff hergestellten Komponente.

16:9

Berücksichtigung der Faserorientierung in der strukturmechanischen Simulation

Universal-Prüfmaschinen für Zug, Druck und Biegung

Messtechnik

Werkstoffprüfung

Simulation

Software

Spritzgießsimulation

Analysetools, FEM

Faserverbundwerkstoffe

Andere Werkstoffe

Qualitätssicherung Kunststoff

Qualitätssicherung

Anisotrope Simulation kurzfaserverstärkter Kunststoffe

Um vor Herzoperationen ein besonders realistisches Kathetertraining zu ermöglichen, entwickelte die Universität München 3D-gedruckte Modelle von Kinderherzen. Das Klinikteam nutzte dafür die Software Mimics Innovation Suite von Materialise.

Test mit einem pulsierenden Herzmodell am LMU Klinikum.

3D-gedruckte Modelle mit Herzfehlern

Silikone

Kunststoff Werkstoffe

Virtual Reality für die Qualitätssicherung

Industrie 4.0

Industrie 4.0 für die Qualitätssicherung

Additive Fertigung

Medizintechnik

Kathetertraining mit pulsierenden Kinderherzen

 Die Dissertation behandelt die Erstarrung von thermoplastischen Kunststoffen nach dem Formgebungsprozess.

Machine Learning

Datenanalyse

Rheologie

Beitrag zur Vorhersage des spezifischen Volumens während des Erstarrungsvorgangs bei der Verarbeitung von Kunststoffschmelzen

Während die Schmelze im Extruder und im Werkzeug primär auf Scherung belastet wird, kommt es bei der Schaumextrusion beim Aufschäumen des Kunststoffs zu einer biaxialen Dehnbeanspruchung des Materials. Ein auf Basis eines iterativen Verfahrens entwickelter Fließkanal führt zu einer konstanten biaxialen Verstreckung der Schmelze und eröffnet als Inline-Dehnrheometer neue Möglichkeiten hinsichtlich der Materialcharakterisierung unter Verarbeitungsbedingungen.

Bild 1. Biaxiale Deformation eines Volumenelements und schematische Darstellung des Ein- und Austrittsquerschnitts des Rheometers

Inline-Dehnrheometer ermöglicht Verstreckung treibmittelbeladener Schmelzen

Extrusion

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Materialcharakterisierung

Verstreckung messen, Schaum verbessern

Die Verarbeitung hochreaktiver Harzsysteme erfordert ein detailliertes Verständnis des Materialverhaltens während der Bauteilherstellung. Die bisherige Charakterisierung der Systeme mittels DSC stößt vor allem bei Polyurethanen an seine Grenzen. Eine speziell dafür entwickelte Messzelle liefert hingegen bessere Ergebnisse.

Bild 1. Thermogramme der Reaktionen eines Epoxids und zweier PUR mit systemabhängigen Heizraten unter nicht-isothermen Bedingungen: Das EP konnte vollständig charakterisiert werden. Bei den PUR ist das nicht der Fall.

Messzelle zur Charakterisierung von schnell reagierenden Polyurethanen und Epoxidharzen

Harze, Epoxid

Duroplaste

Polyurethan

Scharfer Blick auf reaktive Harze

Die Vorhersage des Langzeitkriechverhaltens von Kunststoffen stellt Konstrukteure häufig vor Probleme. Oft wird dabei auf Extrapolationen zurückgegriffen, die jedoch ungenau sind. Zwei neue Methoden ermöglichen nun die exakte Berechnung der notwendigen Werte.

Die Vorhersage des Langzeitkriechverhaltens von Kunststoffen kann je nach Bauteil auch große Auswirkungen auf die Sicherheit haben.

Neue Methoden zur Berechnung des Kriechverhaltens

Das LVR-Industriemuseum in Oberhausen zeigt noch bis 23. Dezember die vielfältigen Möglichkeiten des Werkstoffs Kunststoff: vom Panton-Stuhl bis zum „schlechtesten Fahrrad der Welt“.

Der Klassiker und Design Dauerbrenner: Panton Stuhl, Entwurf: Verner Panton, 1962, Herman Miller Furniture Company, Schweiz, 1971

Kunststoffverarbeitung

Lohnfertigung

Klasse und Masse. Kunststoffdesign im Alltag

Um den Rezyklatanteil in Produkten zu erhöhen, müssen deren Eigenschaften verbessert werden. SI hat dafür Additive zur Farbkontrolle bei PET vorgestellt.

Mit der Additive-Reihe ist eine verbesserte Farbkontrolle bei PET-Rezyklaten möglich.

Additive zur Stabilisierung und Farbkontrolle

Messe K-Kunststoffmesse

kunststoffe.de

Polyethylen

Thermoplaste

Stabilisatoren

Additive

Polyethylenterephthalat

Eigenschaften von PET- und PE-Rezyklaten verbessern

Die CO2-Bilanz von Kunststoffprodukten kann auch durch eine längere Lebensdauer verbessert werden. Dabei helfen auf der K 2022 vorgestellte Additive.

Durch den Lichtstabilisator können Mulchfolien länger im Einsatz bleiben.

Anti-Scratch-Additiv und Lichtstabilisator

Längere Lebensdauer für Mulchfolien

Mit mikrofibrillierter Cellulose können die Eigenschaften von Elastomeren verbessert werden. Eine Oberflächenmodifizierung erleichtert nun deren Einsatz.

Die Oberflächenmodifizierung soll den Einsatz von Cellulose anstatt von Aramidfasern ermöglichen.

Füll- und Verstärkungsstoff für Elastomere

Kautschuk / Elastomere

Fasern

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

Aramidfasern

Verstärkungsstoffe

Füllstoffe, allgemein

Füllstoffe für Kunststoffe

Cellulose anstatt Aramidfasern

Philip O. Krahn, CEO der Otto Krahn Gruppe, im Kunststoffe-Interview zur aktuellen Lage der Branche und den Aussichten für 2023.

Seit zwei Jahren leitet Philip O. Krahn die Otto Krahn Gruppe.

Gespräch zur wirtschaftlichen Entwicklung der Kunststoffindustrie

Streifinger, Florian

Recycling

Umweltmanagement

Wirtschaft

Distributionslogistik

Logistik

Kunststoff-Recycling

Kunststoff-Aufbereitung

„Es wird wesentlich rauer da draußen“

Das Thüringische Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung erhält 1 Mio. Euro EU-Fördergelder und plant damit eine neue Extruderlinie sowie eine Faseranlage zu realisieren.

Thüringens Wirtschaftsminister Wolfgang Tiefensee (r.) übergibt TITK-Direktor Benjamin Redlingshöfer den Förderbescheid über 1,04 Millionen Euro.

UD-Tapes

Neuer Schub für Entwicklung nachhaltiger Werkstoffe

In diesem Jahr findet das renommierte Stuttgarter Kunststoffkolloquium in zwei Varianten statt: einmal in Präsenz und einmal virtuell.

Das virtuelle Stuttgarter Kunststoffkolloquium 2021 war so erfolgreich, dass die Veranstalter daran festhalten. Innerhalb von zwei Wochen stellen sie diesmal zwei Veranstaltungen auf die Beine: eine in Präsenz und eine virtuell. 

Biokunststoffe

Kreislaufwirtschaft

Das doppelte IKT-Kolloquium

Die Additive Fertigung schafft immer öfter den Sprung in die Serienfertigung. Gut zu sehen war das im vergangen Jahr auf der Formnext.

Nachtsichtkamera T-Crow: Bis auf die Komponenten der Elektronik erfolgt die Herstellung der Stative komplett additiv. 

Polyetherketon

Verfahren für die additive Fertigung

Anlagen für die Additive Fertigung

3D-Druck-Anlage, pulverbettbasiert, Metall

Anlagen Additive Fertigung / 3D-Druck, Metall

Ehrhardt, Melanie

3D-Drucker (für FDM, FFF, etc.)

Hochleistungskunststoffe

Druckreif für die Serienfertigung

Medieneinfluss auf Kunststoffe schneller und einfacher modellieren

Kunststoffbauteile sind während ihres Gebrauchs oft verschiedenen Medien ausgesetzt. Das kann zu einer starken Reduktion der mechanischen Eigenschaften führen. Bisher ist die Untersuchung dieser Änderungen in Form von Kriechkurven mit hohem Zeitaufwand verbunden. In einem Forschungsprojekt wurde am Institut für Kunststoffverarbeitung der RWTH Aachen eine Methodik entwickelt, mit der sich entsprechende Kriechkurven schneller und mit geringerem Aufwand erstellen lassen.

Kunststoffbauteile sind oft Medien ausgesetzt. Eine neue Methode ermöglicht die einfachere Kriechkurvenmodellierung um den Medieneinfluss zu bestimmen.

Die Bestimmung des Medieneinflusses auf die mechanischen Eigenschaften von Kunststoffen ist sehr zeit- und kostenintensiv. Das liegt vor allem an der Vielzahl der möglichen Medien- und Kunststoffkombinationen und den aufwendigen Prüfverfahren. Besonders gilt das für die Ermittlung von Kriechkurven der Kunststoffe unter Medieneinfluss. Zur Verbesserung der Bauteilauslegung ist es jedoch notwendig, diese Beeinflussungen zu berücksichtigen und den Werkstoff sowohl zeit- als auch kostenoptimiert charakterisieren zu können [1]. Die aktuell notwendigen Prüfungen sind für Unternehmen mit begrenzten Entwicklungsbudgets und überschaubarer Prüfausrüstung nur bedingt durchführbar, wodurch sich diese einem hohen wirtschaftlichen Risiko durch einen möglichen vorzeitigen Ausfall ihrer Produkte aussetzen.

Um dieses Risiko zu verringern, werden in der industriellen Praxis Kunststoffbauteile unter Medieneinfluss häufig unter Zuhilfenahme von Abminderungs- und Sicherheitsfaktoren ausgelegt. Diese führen aber meist zu einer Überdimensionierung der Bauteile [2, 3]. Die damit verbundenen negativen Effekte wie erhöhte Werkstoff- und Energiekosten sowie ein höheres Bauteilgewicht führen zu einer Reduzierung der Wirtschaftlichkeit.

Am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) der RWTH Aachen wird deshalb nach einer Methodik gesucht, die die Bestimmung des Medieneinflusses auf Kunststoffbauteile vereinfacht. Ziel des Projekts ist die aufwandsoptimierte Modellkalibrierung unter Verwendung einer Zeit-Temperatur-Verschiebung (ZTV) für die beschleunigte Charakterisierung des Materialverhaltens von Kunststoffen unter Medieneinfluss. Anhand von Kurzzeitzugversuchen bei verschiedenen Temperatur- und Dehnratenniveaus wird dabei das allgemeine Deformationsverhalten werkstoffgerecht charakterisiert. Das ermöglicht die Modellierung von extrapolierten Kriechkurven für Materialien unter Medieneinfluss für lange Beanspruchungsdauern.

Optimierte Kalibrierung des  Materialmodells

Viskoelastisches Materialverhalten wird in Bezug auf Retardation und Relaxation häufig über eine Kombination von Feder-Dämpfer-Elementen beschrieben. Eine der einfachsten Varianten ist dabei das sogenannte Maxwell-Element, das aus einer Reihenschaltung einer Feder und eines Dämpfers besteht [4]. Um das komplexe zeitabhängige Verhalten des Werkstoffs beschreiben zu können, wird in der Regel auf mehrere, parallel zu einer Prony-Reihe verschaltete Maxwell-Elemente zurückgegriffen. Für Kunststoffe kann im Allgemeinen von einem nicht linearen viskoelastischen Verhalten ausgegangen werden. Das zeitabhängige Verhalten des Werkstoffs hängt also zum einen von der Beanspruchungszeit und zum anderen von der Beanspruchungshöhe ab [4]. Für eine werkstoffgerechte Modellierung von Kunststoffen sollten aus diesem Grund nicht lineare viskoelastische Ansätze verwendetet werden.

Kriechverhalten von PC unter  Wassereinfluss

Dafür stehen verschiedene Methoden zur Verfügung. Am IKV wird der Ansatz nach Küsters verfolgt (Bild 1), dessen Modell die nicht lineare viskoelastische Beschreibung des Materialverhaltens sowie die Modellierung des Langzeitverhaltens über den Einsatz einer ZTV unter Verwendung einer modifizierten Van’t-Hoff-Gleichung ermöglicht [5]. Für diesen Ansatz existiert außerdem eine Routine zur aufwandsoptimierten Modellkalibrierung auf Grundlage von Kurzzeitzugversuchen in einer Klimakammer [5]. Die Verwendung einer ZTV ermöglicht die Erstellung von Masterkurven, die wiederum eine Extrapolation des Werkstoffverhaltens im Langzeitbereich erlauben. Die Kriechkurvenmodellierung am IKV wurde an einem Polycarbonat (PC) untersucht, da dieses in Kombination mit Wasser anfällig für Spannungsrisse ist. Auf Grundlage dieses Ansatzes wurde das Kriechverhalten unter Einfluss von Wasser modelliert. Dafür ist eine Modellkalibrierung für PC in Kurzzeitzugversuchen notwendig unter gleichzeitiger Beeinflussung des PC durch Wasser. Zur Prüfung wurden Schulterstäbe aus PC (Typ: Makrolon 2405, Hersteller: Covestro) verwendet.

Für die Erzeugung der Masterkurven über den Ansatz der ZTV ist die Durchführung von dehnungsgeregelten Kurzzeitzugversuchen (Dehngeschwindigkeit 10, 100, 1000 und 10 000 %/h) bei verschiedenen Temperaturen (23, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 und 100 °C) notwendig. Zur Einstellung einer konstanten Temperatur wurde bei den Versuchen eine Klimakammer verwendet. Durchgeführt wurden die Versuche auf einer Universalprüfmaschine Z100 der Firma ZwickRoell. Für die Dehnungsmessung wurden Wegaufnehmer vom Typ Multixtens (Hersteller: ZwickRoell) verwendet, die eine gleichzeitige Ermittlung und Regelung der Dehnung ermöglichen. Auf diese Weise lassen sich Spannungs-Dehnungs-Kurven generieren, mit denen anschließend eine Modellkalibrierung möglich ist.

Um den Einfluss des Wassers auf das Materialverhalten des PC berücksichtigen zu können, ist vor den Versuchen eine Präparation der Probekörper notwendig. Diese Präparation findet in zwei Schritten statt. Zunächst werden die Proben getempert, um die Eigenspannungen in den Probekörpern zu verringern. Das ist notwendig, da sich in früheren Untersuchungen gezeigt hat, dass die Eigenspannungen einen wesentlichen Einfluss auf das Verhalten von PC unter Einfluss von Wasser haben [6]. Für diesen Tempervorgang werden die Proben auf eine Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur (120 °C) aufgeheizt, für ca. 1 h auf dieser Temperatur gehalten und anschließend mit 10 °C/h wieder auf Raumtemperatur abgekühlt.

Prüfungen auch außerhalb des  Mediums möglich

Im zweiten Schritt der Probenpräparation werden die Probekörper bis zur Sättigung in Wasser eingelagert. Um mögliche Überlagerungen zu vermeiden und nur die Wirkung des Wassers zu betrachten, wird dazu deionisiertes Wasser verwendet. Da mit der Sättigung der Diffusionsprozess abgeschlossen ist und das System sich in einem Gleichgewicht befindet, kann auf diesem Weg eine Medienbelastung des Werkstoffs erzeugt werden. Für die Prüfungen selbst müssen die Proben aus dem Medium entnommen werden. Aufgrund der kurzen Prüfzeiten kann allerdings davon ausgegangen werden, dass während der Prüfung keine signifikante Menge an Medium aus dem Probekörper hinaus diffundiert. Um ein solches Ausdiffundieren noch weiter zu reduzieren, sollte die Luftfeuchtigkeit in der Klimakammer auf das für die jeweilige Temperatur erreichbare Maximum eingestellt werden.

Aus den unter Medieneinfluss ermittelten Spannungs-Dehnungs-Kurven für die untersuchten Versuchsparameter wurde in den Versuchen jeweils der E-Modul (E0) bestimmt (Bild 2). Wie zu erwarten steigt der E-Modul bei höheren Dehngeschwindigkeiten an und nimmt bei steigender Temperatur ab. In der Dehngeschwindigkeit sind die zeitabhängigen Einflüsse implizit enthalten, so dass mithilfe des ZTV-Prinzips aus den einzelnen Kurvenstücken eine Masterkurve erzeugt werden kann. Die Masterkurve wird dabei durch das Verschieben dieser Kurven generiert und ermöglicht die Materialmodellierung und somit die Extrapolation über lange Zeiträume hinweg (Bild 3).

Modellierte und gemessene Kriechkurven stimmen gut überein

Auf Basis dieser Materialkennwerte lassen sich anschließend die Kriechkurven von PC unter Einfluss von Wasser modellieren. Um diese validieren zu können, wurden klassische Medien-Zeitstand-Zugversuche durchgeführt, die eine direkte Messung von Kriechkurven unter Einfluss von Wasser ermöglichen. Es wurden Versuche bei 60 °C für drei Lasten von jeweils 10, 20 und 30 N/mm² durchgeführt.

Grundsätzlich stimmen die modellierten Kriechkurven mit den gemessenen für das entsprechende Lastniveau gut überein (Bild 4). Allerdings zeigt sich eine leichte Überschätzung der Dehnungsantwort des Modells, die allerdings im Maximum bei einer um 0,16 % höheren Dehnung liegt. Neben der Höhe der Dehnungsantwort auf die entsprechende Belastung stimmen auch die Steigungen der modellierten und gemessenen Kriechkurven gut überein. Insgesamt konnte somit eine hohe Genauigkeit der modellierten Kriechkurven erreicht werden.

Eine Erklärung für die leichte Überschätzung der Dehnungsantwort innerhalb des Modells könnte in der Anfahrphase liegen. Wie Bild 4 zeigt, beginnen die Daten für das Modell zu kleineren Zeiten als im Fall der gemessenen Daten. Das geht darauf zurück, dass es bei den Medien-Zeitstand-Zugversuchen nach dem Anlegen der Gewichte zu einer augenblicklichen Dehnungsantwort des Materials kam, die messtechnisch nicht aufgelöst werden konnte. In der Simulation kommt es hingegen nicht zu einer sofortigen Lastaufbringung. Stattdessen gibt es eine Anfahrphase in der das eingestellte Lastniveau erzeugt wird. Dadurch kann es zu einer Überschätzung der Dehnungsantwort kommen.

Die Beschreibung des Kriechverhaltens von PC unter dem Einfluss von Wasser ist mit dem untersuchten Materialmodell mit hoher Genauigkeit möglich. In den durchgeführten Versuchen erfolgten die aufwandsoptimierten Kurzzeitzugversuche zur Kalibrierung des Materialmodells unter Verwendung einer Klimakammer. Dadurch konnte gezeigt werden, dass zur Beschreibung des mechanischen Verhaltens von PC kein direkter Medienkontakt während der Kurzzeitprüfungen notwendig ist. Es ist lediglich eine Einlagerung der Proben in das gewünschte Medium bis zur Sättigung erforderlich, um auf diese Weise das vorhandene Materialmodell zu kalibrieren. Gegenüber dem Medien-Zeitstand-Zugversuch wird für die Durchführung eine geringere Menge an Medium benötigt. Das ist insbesondere bei der Untersuchung von sicherheitskritischen Medien von großem Vorteil. Ob sich das Modell auf andere Kunststoffe übertragen lässt, soll künftig in weiteren Untersuchungen ergründet werden.

[1] Schoeffl, P. F.; Bradler, P. R.; Lang, R. W.: Yielding and crack growth testing of polymers under severe liquid media conditions. Polymer Testing 40 (2014), S. 225–233

[2] Ezrin, M.: Plastics Failure Guide. München: Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG, 2013

[3] Kahlen, S.; Wallner, G. M.; Lang, R. W.: Aging behaviour and lifetime modeling for polycarbonate. Solar Energy 84 (2010), S. 755–762

[4] Dahlmann, R.; Haberstroh, E.; Menges, G.: Menges Werkstoffkunde Kunststoffe. München: Carl Hanser Verlag, 2022

[5] Küsters, K.: Modellierung des thermo-mechanischen Langzeitverhaltens von Thermoplasten. Institut für Kunststoffverarbeitung, RWTH Aachen, Dissertation 2012 – ISBN: 9783861305132, 3861305135

[6] Borchmann, N.: Innere Einflussgrößen auf die Spannungsrissbildung von Polycarbonat in Wasser. RWTH Aachen, Dissertation, 2018 – ISBN: 978–3–95886–252–4

Institut für Kunststoffverarbeitung IKV in Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen

https://www.ikv-aachen.de

Ausgabenartikel KU08-23

Bild 1. Schematische Darstellung des zur Kriechkurvenmodellierung verwendeten Ansatzes: Die Zeit-Temperatur-Verschiebung ermöglicht die Erstellung von Masterkurven. Mit diesen lässt sich das Werkstoffverhalten im Langzeitbereich extrapolieren.

Bild 2. E-Modul von PC in Wasser abhängig von Temperatur und Dehnrate: Höhere Temperaturen führen zu einem verringerten E-Modul. Mit zunehmender Dehnrate steigt dieser an.

Bild 3. Verschiebung der Teilkurven und der entsprechende Fits der Masterkurve

Wasser und andere Medien beeinflussen die Eigenschaften von Kunststoffen.

Bild 4. Vergleich zwischen modellierten und gemessenen Kriechkurven für PC bei einer Temperatur von 60 °C und drei verschiedenen Lasten: Die gemessenen und die modellierten Werte stimmen gut überein.

KU 8-23_IKV_Melzer - Hauptartikel

Felix Melzer, M. Sc., beschäftigt sich am IKV seit 2020 mit der Alterung und Multiskalensimulation von Kunststoffen.

Prof. Dr. Christian Hopmann ist seit 2011 Inhaber des Lehrstuhls für Kunststoffverarbeitung und Leiter des Instituts für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen.

Prof. Dr. Rainer Dahlmann ist Leiter des Zentrums für Kunststoffanalyse und -prüfung (KAP) und wissenschaftlicher Direktor am IKV.

Das IGF-Forschungsvorhaben 21295 N der Forschungsvereinigung Kunststoffverarbeitung wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags gefördert. Der untersuchte Werkstoff wurde von Covestro bereitgestellt. Die Autoren bedanken sich für die Unterstützung.