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 versteht sich vorrangig als Plattform zur Publikation von Ergebnissen aktueller Forschung aus dem Bereich der 

. Ihr Ziel ist es, wissenschaftlich qualifizierte, deutsch- und englischsprachige Beiträge aus den Bereichen Werkstoffe, Konstruktion und Fertigung von Kunststoffen einer breiten Öffentlichkeit schnell und kostenfrei zugänglich zu machen.

Die Einsatzmöglichkeit von wärmeleitfähigen Kunststoffen im Zusammenhang mit dem Integrierten Metall/Kunststoff-Spritzgießen (IMKS) ist noch nicht geklärt. Im Beitrag werden Empfehlungen entwickelt.

IMKS-Probekörper mit spiralförmiger Leiterbahngeometrie

Elektrotechnik

Mehrkomponenten-Spritzgießen

Statistik

Wärmeleitfähigkeitsmessung

SPC, Statistische Prozesssteuerung

Einflüsse von Material- und Prozessparametern beim IMKS unter Verwendung von wärmeleitfähigen Kunststoffen

In der Arbeit werden die Prozesse Schaumspritzgießen und Co-Injektion vereint, um Hart-Weich-Verbunde aus TPS und geschäumtem Polypropylen herzustellen.

Thermoplastische Elastomere

Polypropylen

Co-Injektion (Barriere-/Sandwich-Spritzgießen)

Schäumwerkzeuge

Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von Leichtbauteilen produziert durch Co-Injektion und Schaumspritzgießen

Mittels angeregter Lockin-Thermografie und neuronalen Netzen kann erstmals eine quantitative Charakterisierung von oberflächennahen Defekten in isotropen und faserverstärkten Kunststoffen erfolgen.

Darstellung des experimentellen Versuchsaufbaus: Thermografiekamera (links unten), Photodiode (links oben), VCSEL Array (rechts), CFK-Prüfkörper (Mitte)

Industrie 4.0 für die Qualitätssicherung

Künstliche Intelligenz für die Qualitätssicherung

Faserverbundwerkstoffe

Polymethylmethacrylat

Defektcharakterisierung in isotropen und faserverstärkten Kunststoffen mittels aktiver Thermografie und neuronalen Netzen

Dieser Beitrag beschreibt einen Herstellungsprozess für umweltfreundliche und ressourceneffiziente Formteile aus neuartigen Holz-Kunststoff-Verbunden (HKV).

Der Vergleich von Holz-Kunststoff-Verbunden HKV mit konventionellen Werkstoffen verdeutlicht, dass HKV die vorhandene Vakanz im Bereich der Dichte um 1 g/cm³ und einem Elastizitätsmodul über 10 GPa besetzen können

Duroplastische Werkstoffe

Thermoplaste

Produktentwicklung(sprozess)

Entwicklung eines Herstellungsprozesses für umweltfreundliche und ressourceneffiziente Formteile aus lastgerecht verstärkten Holz-Kunststoff-Verbunden

Bislang sind die für eine Haftung zwischen thermoplastischen Kunststoffen und Metalloberflächen relevanten Wechselwirkungen in der Grenzfläche nicht vollständig erforscht. Dieser Beitrag beschreibt mögliche intermolekulare Wechselwirkungen zwischen Thermoplasten und Metalloberflächen, die für eine Haftung zwischen den Materialien wichtig sind. Die erreichbare Haftung zwischen Kunststoff und Metalloberfläche wird experimentell an spritzgegossenen Verbunden aus Polyamid 6 bzw. Polybutylenterephthalat und Aluminium untersucht und durch Ausreißversuche quantifiziert.

Intermolekulare Wechselwirkungen durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen einer Carbonylgruppe in Polyamid und einer Metallhydroxidoberfläche

Polybutylenterephthalat

Hybridwerkstoffe

Polyamide

Aluminium

Kupfer

Oberflächentechnik

Hybrid-Spritzgießen (Metall / Kunststoff)

Optische Mess- und Prüfverfahren

Intermolekulare Wechselwirkungen und deren Einfluss auf die Haftung zwischen Kunststoffen und Metalloberflächen

Durch einen drehenden Werkzeugkern beim Spritzgießen kann während des Einspritzens Scherung in tangentiale Richtung induziert werden, die sich mit der einspritzbedingten Scherung überlagert. Dies führt bei faserverstärkten Thermoplasten zu einer Umorientierung der Fasern in tangentiale Richtung. Im Rahmen des Beitrags wird vorgestellt, wie sich das Werkzeugsystem mit drehendem Kern auf die Faserorientierung und die Berstdruckfestigkeit von kurzfaserverstärktem Polypropylen und Polyamid auswirkt.

Schematische Darstellung der rotationsbedingten Schergeschwindigkeit aufgrund des drehenden Werzeugkerns

Werkzeugkonstruktion

Beeinflussung der Faserorientierung von Polypropylen und Polyamid im Spritzgießprozess durch einen drehenden Werkzeugkern

Mit Hilfe von CFD-Simulationen wird im Rahmen dieses Beitrages ein Düsensystem (Aufsatz-Düse) für das Heißgasschweißen entwickelt, welches die Schweißnaht während der Erwärmung umschließt. Durch das wesentlich kontrolliertere Strömungsverhalten des Heißgases wird das Verarbeitungsfenster verbessert, die Reproduzierbarkeit erhöht und eine deutlich effizientere Erwärmungszeit der Kunststoffschweißnaht erreicht.

Hot gas welding station (left) and flow field of the investigated process (right)

Düsen, allgemein

Simulation Schweißen

Thermisches Fügeverfahren

Analyse von zwei verschiedenen Düsensystemen zum Heißgasschweißen mittels CFD-Simulationen und Messergebnissen

In diesem Beitrag wird eine neue Methode zur in situ-Verformungs- und Verschleißmessung von Polymerzahnrädern unter Betriebslast vorgestellt. Dieser Ansatz basiert auf der hochgenauen Messung und Verfolgung von Zeitdifferenzen in den Indeximpulsen von Encodern auf der An- und Abtriebsseite eines Zahnradprüfstandes.

Beispielpaarung zweier Zahnräder für die Bestimmung elastischer, plastischer und Verschleißverformungsanteile

Zahnräder

Verschleißprüfgeräte

Tribologie

Getriebe

Prüfstand zur In Situ-Messung der Verformungseigenschaften von Polymerzahnrädern

Das Auftreten von prozessspezifischen Fehlstellen im Nasswickelverfahren erfordert eine Überdimensionierung der Bauteile. Im vorgestellten Beitrag wird die Entwicklung einer Qualitätskontrolle zusammen mit einem Bildverarbeitungsalgorithmus auf Basis einer Industriekamera vorgestellt, mit welchen sich Fertigungsabweichungen im zylindrischen Bereich von Druckbehältern ermitteln lassen.

Mit einer Industriekamera wird ein Druckbehälter während des Einlaufens von Faserbändern auf Fertigungsabweichungen untersucht.

16:9

Bildverarbeitungs-Software

Qualitätssicherung

Wickelmaschinen

Qualitätssicherung Kunststoff

Einsatz einer Industriekamera zur Qualitätskontrolle bei der Herstellung des zylindrischen Bereichs von Typ-IV Druckbehältern im Nasswickelverfahren

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Algorithmus entwickelt und untersucht, der die automatisierte Optimierung von dynamischen Mischelementen ermöglichen soll. Hierzu werden an einem parametrisierten Wendelscherelement ausgewählte Geometrieparameter durch einen genetischen Algorithmus derart optimiert, dass sich misch-begünstigende Strömungsverhältnisse einstellen. Um eine manuelle Auswertung der Strömungsergebnisse zu vermeiden, werden Qualitätskriterien eingeführt, welche automatisiert berechnet werden. Insgesamt werden neun verschiedene Qualitätskriterien verwendet, die nicht nur das Potenzial des Strömungsfeldes zur Realisierung von distributiven und dispersiven Mischmechanismen bewerten, sondern auch verfahrenstechnische Aspekte, wie bspw. die Spülbarkeit des Systems, einbeziehen. Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen, dass mit den gewählten Qualitätskriterien eine automatisierte Optimierung vollzogen werden kann und sich weitere Verbesserungsmaßnahmen für den Algorithmus ableiten lassen.

Automatisierte Optimierung von dynamischen Mischelementen

In der vorliegenden Studie wurde die druckabhängige Orientierungsrelaxation durch Variation der Werkzeugtemperatur und des Werkzeuginnendrucks im Rahmen eines neuartigen dynamisch temperierten Spritzprägeprozesses untersucht. Hierzu wurde mittels isothermer pvT-Messungen ein Prozessfenster um den druckabhängigen Glasübergangsbereich abgesteckt, innerhalb dessen die Spritzprägeexperimente erfolgten. Über die Füllphase wurden zunächst gezielt Orientierungen ins Bauteil eingebracht und deren druck- und temperaturabhängige Relaxation während einer isothermen und isobaren Haltephase mittels spannungsoptischer Aufnahmen und Gangunterschiedsmessungen beobachtet. Es konnte eine eindeutige Druck- und Temperaturabhängigkeit der Orientierungsrelaxation gefunden werden, wobei mit zunehmender Werkzeugtemperatur und abnehmendem Werkzeuginnendruck geringere Gangunterschiede infolge von geringeren Orientierungen gemessen werden konnten.

Spritzprägen

Dynamische / variotherme Temperierung

Druckabhängige Orientierungsrelaxation im dynamisch temperierten Spritzprägen

Leckagen in Vakuumaufbauten zur Faserverbundherstellung sind ein häufig auftretender Fehler gerade bei der Herstellung von Bauteilen im Open Mould Verfahren. Die bisherigen Grenzwerte zur Beurteilung der Dichtigkeit eines Vakuumaufbaus sind meist historisch gewachsen und beruhen auf Erfahrungs-werten. In diesem Paper werden die Auswirkungen von Leckagen, die definiert in einen Vakuumaufbau eingebracht wurden untersucht. Die physikalischen Vorgänge, die während der Aushärtung innerhalb der undichten Vakuumstruktur auftreten, werden sowohl optisch als auch mittels Ultraschallprüfung und Dickenmessung analysiert und ein besseres Verständnis für die Auswirkungen auf die Laminatqualität geschaffen. Es stellt sich heraus, dass es einen generellen Unterschied zwischen Leckagen in der Vakuumfolie und der Trennfolie gibt.

Verbundwerkstoffe / Werkstoffverbunde

Einfluss von undichten Vakuumaufbauten auf die Qualität von Faserverbundteilen aus Prepreg Material

Im Rahmen des Beitrags wird eine Prozesssimulationsumgebung für das additive Schmelzschichtungs-verfahren vorgestellt. Diese erlaubt die Abbildung eines extrudierten Schmelzestranges abhängig von Prozessgrößen, die in der additiven Fertigung von der Anlage vorgegeben werden und deren Einfluss aktuell nicht prädiktiv und rechnergestützt bestimmt werden kann. Die Herausforderung liegt dabei auf der Implementierung druck- und temperaturabhängiger Eigenschaften, da diese in gängigen CFD-Umgebungen strömungsmechanisch nicht vorgesehen sind. Die Validierung der in OpenFOAM entwickelten Prozesssimulation erfolgt anhand von experimentellen Thermografieanalysen.

Verfahren für die additive Fertigung

Prozesssimulation

Entwicklung eines rechnergestützten Ansatzes zur Abbildung des Strangablegens in der extrusionsbasierten additiven Fertigung

Die Prozessstabilität beim Spritzgießen wird durch Störeinflüsse negativ beeinflusst. Eine adaptive, phasenvereinende Prozessführungsstrategie, welche den Sollwert-Verlauf für eine unterlagerte Werkzeuginnendruckregelung vorgibt, soll eine konstante Bauteilqualität ermöglichen. Die Einflüsse zyklischer Veränderungen werden durch die Auswertung der Prozessgrößenverläufe und des Bauteilgewichts während des Anfahrprozesses für verschiedene Regelungskonzepte untersucht. Abschließend wird bewertet, ob die untersuchten Prozessgrößen für die Prozessführung relevant sind und daher zyklische Anpassungen der Werkzeuginnendruckreferenz notwendig sind.

Werkzeuginnendrucksensoren

Auswirkungen zyklischer Prozesseinflüsse auf den Werkzeuginnendruckverlauf und die Bauteilqualität im Spritzgießprozess

Für die Simulation des mechanischen Verhaltens kurzfaserverstärkter Kunststoffe steht eine Vielzahl kommerzieller Softwaretools zur Verfügung. Das gegebene Angebot erfordert eine Entscheidung in der Planung moderner Entwicklungsprozesse hinsichtlich eines geeigneten Software-Tools. Für diese Auswahl ist eine geeignete Methodik notwendig. Mit der in dieser Untersuchung vorgestellten Methodik wird das mechanische Verhalten eines PP-GF30 durch vier kommerzielle Tools simuliert. Es zeigt sich, dass sich hinsichtlich des Materialversagens unter mehraxialer Belastung wesentliche Unterschiede zwischen den verwendeten Tools ergeben. Damit wird eine methodische Basis für die Auswahl einer am besten geeigneten Software für den jeweiligen Anwendungsfall gelegt.

Bewertungsmethodik kommerziell erhältlicher Homogenisierungs-Software für die optimierte Simulation des mechanischen Verhaltens kurzfaserverstärkter Kunststoffe

Aktuell wird zum Heißgasschweißen standardmäßig eine Düse aus aneinander gereihten runden Röhrchen (Rund-Düse) verwendet. Eine neu entwickelte Düse (Aufsatz-Düse), welche die Schweißnaht beim Erwärmen umschließt, ermöglicht es beim Heißgasschweißen, die Erwärmungszeit des Kunststoffes um bis zu 60 % zu reduzieren. Für PA66-GF35 z.B. kann die Erwärmungszeit, im Vergleich zu einer Rund-Düse, um bis zu 15 s reduzieren werden. Zudem ist die Aufschmelzung des Kunststoffes deutlich gleichmäßiger und weist keine kraterförmige Struktur an der Oberfläche auf. Die Reduktion der Erwärmungszeit führt zu einem geringeren Prozessgasverbrauch und letztendlich zu einer Reduktion des gesamten Energieverbrauchs und damit verbundenen niedrigeren Prozesskosten.

Reduktion der Erwärmungszeit beim Heißgasschweißen

Konventionelle additive Fertigungsverfahren wie die Fused Layer Manufacturing (FLM)-Technologie erlauben es, beliebige Strukturen aus den unterschiedlichsten Materialien werkzeuglos in sehr kurzer Zeit zu fertigen. Daneben werden bei schichtweise arbeitenden Verfahren die fertigungstechnischen Freiheitsgrade bezogen auf die Füllstrategie und vorhandene Anisotropie kaum genutzt. In der vorliegenden Veröffentlichung soll daher eine Optimalitätsstrategie für 2,5D-FLM-Strukturen vorgestellt werden, die auf einer Hauptnormalspannungsanalyse basiert. Ziel ist es, mithilfe simulationsbasierter Methoden einen beanspruchungs- und fertigungsgerechten Strukturentwurf zu generieren. Neben der methodischen Umsetzung dienen Versuche an generischen Lochplatten mit unterschiedlichen Füllstrategien zur Validierung und ersten Bestätigung der Methode.

Anwendung einer hauptnormalspannungs-orientierten Füllstrategie für Fused Layer Manufacturing Strukturen

Ergänzend zum bisherigen Stand der Wissenschaft und Technik wurden in dieser Veröffentlichung Fichtefasern aus einem thermo-mechanischen Aufschlussprozess über einen Spritzgusscompounder mit Polypropylen und Haftvermittler direkt compoundiert. Bei der direkten einstufigen Verarbeitung wurde ein steigender Holzfaseranteil bis 30 Gew.-% untersucht. Die Charakterisierung der Materialkombinationen erfolgte durch Zugversuche, Melt-Flow-Rate – Messungen, Dichtebestimmung, Mikroskopie und Kerbschlagbiegeversuche. Bei steigendem Holzfaseranteil wird eine Steigerung der Zugeigenschaften, der Viskosität und der Dichte festgestellt. Die Kerbschlagzähigkeit bleibt bei steigendem Holzfaseranteil im Rahmen der Standardabweichung konstant, ist jedoch im Vergleich zum unveränderten Grundpolymer geringer.

Verstärkung von Polypropylen mit Holzfasern durch Direkt-Compoundierung

Lufteinschlüsse in faserverstärkten Kunststoffen (FVK) gehören zu den gängigsten Imperfektionen, die sowohl die resultierende Steifigkeit als auch die Festigkeit beeinflussen können. Für die Berechnung der Steifigkeit einer perfekten UD-Schicht können semi-empirische Mischungsregeln genutzt werden, welche gute Übereinstimmung zu experimentellen Daten zeigen. Da Lufteinschlüsse in der Regel gegenüber den Grundwerkstoffen einen niedrigen Anteil aufweisen, kann das Mori-Tanaka Schema in einem weiteren Schritt zur Homogenisierung von perfekter Phase und Lufteinschluss verwendet werden. Durch die Einführung einer Geometriefunktion im Mori-Tanaka Schema kann der Einfluss der Lufteinschlussform die Steifigkeit untersucht werden.

Berechnung der Steifigkeit von FVK mit Lufteinschlüssen unter Berücksichtigung ihrer Geometrie

Untersuchungen und Vorhersage der Aufschmelzprozesse in der Einschneckenextrusion sind bereits seit vielen Jahrzehnten von wissenschaftlichem Interesse. In dieser Arbeit wird erstmals die Aufschmelzzone eines Hochleistungsextruders mit einer durchgehend wendelgenuteten Plastifizierzone experimentell untersucht. Hierzu wurde ein axial-teilbarer Extruder entwickelt, um die Barriereschnecke samt der Kunststoffschmelze freizulegen. Durch eine visuelle Untersuchung der eingefrorenen Schmelze werden Annahmen des vorhandenen Aufschmelzmodells validiert. Zudem werden die Ergebnisse der experimentellen Untersuchung mit denen des analytischen Modells verglichen. Diese Untersuchungen bestätigen die wesentlichen mathematischen Modellannahmen und stehen in guter Übereinstimmung zu vorherigen Untersuchungen auf einem axial-genuteten Einschneckenextruder.

Untersuchung der Aufschmelzzone von Hochleistungsextrudern mit wendelgenuteter Plastifizierzone

In diesem Paper wird eine Recyclingmethodik für Carbonfaser-Composites mit einer neuartigen bei Raumtemperatur infundier- und aushärtbaren thermoplastischen Matrix ELIUM 150 des Herstellers Arkema aufgezeigt. Durch das Lösen der Composites in Aceton ist es möglich die Matrix von den Fasern zu trennen und sowohl die Matrix als auch die Fasern in Form eines Geleges wiederzuverwenden. Ein Vergleich der thermomechanischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften der Composites zeigt nur geringe Performanceverluste durch das Recycling.

Closed-loop Raumtemperatur Recycling von Elium CFK und dessen Auswirkung auf die Eigenschaften der 2. Generation Composites

Der vorliegende Beitrag untersucht systematisch den Einfluss einer thermischen Nachbehandlung mit Hilfe eines Wärmeschranks sowie einer Inline-Infraroterwärmung auf die Eigenschaften eines vibrationsgeschweißten Polypropylens und eines PP/SiO<sub>2</sub>-Nanokompositen. Die Ergebnisse zeigen, unabhängig von der Wärmequelle für die Temperung, eine Verbesserung von Elastizitätsmodul und Festigkeit der Verbindung. Trotz der kurzen für die Infraroterwärmung benutzen Zyklen sind hier die Resultate besser und der Aufwand geringer.

Einfluss verschiedener Wärmebehandlungen auf die mechanischen und thermischen Eigenschaften eines vibrationsgeschweißten Polypropylen/SiO<sub>2</sub>-Nanokomposits

Änderungen des spezifischen Volumens aufgrund chemischer Schwindung bei der Vernetzungsphase von duroplastischen Harzsystemen resultieren in einer verringerten Maßhaltigkeit der Bauteile durch Eigenspannungen und bei faserverstärkten Kunststoffen (FVK) in Oberflächenwelligkeiten. Zur prozessnahen Charakterisierung der chemischen Schwindung wird ein speziell entwickeltes Dilatometer verwendet. Die Untersuchungen zeigen einen signifikanten Einfluss des Mischungs-verhältnisses von Harz- und Härterkomponente, welches zu einer reduzierten chemischen Schwindung führt. Ein erhöhter Feuchtigkeitsgehalt in der Harzkomponente führt tendenziell zu einer geringeren chemischen Schwindung.

Untersuchungen zum Schwindungsverhalten eines schnellhärtenden Epoxidharzsystems in Abhängigkeit des Feuchtigkeits- und Gasgehalts sowie des Mischungsverhältnisses

Im Gegensatz zur Plastifizierung beim Spritzguss wird bei der Verarbeitung mit einem Doppelschneckenextruder duroplastische Formmasse durch höhere Scherung über die Vernetzungsstarttemperatur erhitzt. Neben der Schneckendrehzahl besitzt die Schneckenkonfiguration einen entscheidenden Einfluss auf die scherinduzierte Energie und das Massetemperaturprofil entlang des Extruders. Ziel dieser Untersuchung ist es, eine Analysemethodik zu entwickeln, die es ermöglicht, den Einfluss unterschiedlicher Prozesspunkte auf das Fließhärtungsverhalten vergleichend zu untersuchen und die mögliche Auswirkung auf spätere Eigenschaften der geschäumten Halbzeuge zu diskutieren.

Analyse des Fließhärtungsverhaltens von chemisch schäumbaren Phenol-Formmassen im Extrusionsprozess

In dieser Untersuchung wurde eine Möglichkeit zur Verkürzung der Zykluszeit bei der Herstellung dickwandiger optischer Bauteile durch Druckverfestigung simulativ betrachtet und experimentell auf ihre Gültigkeit geprüft. Die mit verkürzter Zykluszeit hergestellten Probekörper wurden mit den für derartige Bauteile gängigen Herstellverfahren Spritzgießen, Spritzprägen sowie konventionelle Druck-verfestigung hinsichtlich Maßhaltigkeit, inneren Spannungen und Mikrostrukturabformung verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass durch ein verzögertes Heizen des Werkzeugs die Angleichzeit und damit die Zykluszeit des Prozesses um bis zu 55 % reduziert werden kann, bei gleichbleibend hoher Qualität der Bauteile.

Anwendungsoptimierte Druckverfestigung

Eine flexible Luftführungseinheit in der Blasfolienextrusion ermöglicht Massedurchsatzsteigerungen von mehr als 60 %. Die Entwicklung ummantelt dabei die Schlauchbildungszone und erzeugt einen Strömungsspalt zwischen Folienblase und einer flexiblen Membran. In diesem Spalt erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft, was zu einem erhöhten Wärmeentzug führt. Diese Erhöhung erzeugt im Spalt als Sekundäreffekt einen lokalen Unterdruck. Als Folge ergibt sich eine frühere Aufweitung der Folienblase im Vergleich zum konventionellen Prozess, wodurch der Wärmeentzug durch eine größere Oberfläche weiter gesteigert werden kann. Der Strömungsspalt lässt sich während des Extrusionsprozesses prozesspunktunabhängig an die aktuelle Blasengeometrie anpassen.

Erhöhung der Kühlleistung durch den Einsatz einer flexiblen Luftführungseinheit unter Ausbildung des Venturi-Effekts bei der Blasfolienextrusion

Bei der Gestaltung von Extrusionswerkzeugen wird auf bewährte Geometrien, wie beispielsweise Wendelverteiler für die Blasfolienextrusion, zurückgegriffen. Mit den Möglichkeiten der additiven Fertigungstechnik ergeben sich jedoch Potentiale, diese Auslegung der schmelzeführenden Kanäle thermo-rheologisch zu optimieren.

Blasfolienextrusion

Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung

Neuartige Werkzeuggeometrien für die Blasfolienextrusion unter Verwendung additiver Fertigungstechnik

Im MERCUR-Forschungsvorhaben „Analyse des Produktentstehungsprozesses bei der Kombination additiver und subtraktiver Fertigungsverfahren für die Herstellung von Multimaterialprodukten“ werden verschiedene Fertigungs- und Nachbehandlungsverfahren zur Verbindung der jeweiligen Vorteile miteinander kombiniert.

Filamente für additive Verfahren

Untersuchung des Einflusses verschiedener Nachbehandlungsmethoden auf die Eigenschaften additiv gefertigter FDM Nylon 12 Proben