17 Juni 2001

Diplomarbeit zum Thema “Schwindungsverhalten naturfaserverstärkter Thermoplaste” erschienen

Die vollständige Diplomarbeit, die hier in einer Zusammenfassung wiedergegeben wird, kann beim Autor, Dipl. Ing. Matthias Schrader, bezogen werden. E-Mail: 1m.Schrader@gmx.de

Einleitung

Das Interesse am Einsatz von pflanzlichen Naturfasern in Kunststoffteilen ist groß. Schlagunempfindlichkeit, geringe Dichte, Umweltaspekte und nicht zuletzt Kostenvorteile gegenüber z.B. Glasfaserverstärkung haben Naturfasern in der Kunststoff-Presstechnik einen festen Platz gesichert:
PKW Hutablagen, Türseitenverkleidungen, Formhimmel und LKW-Fahrerhausrückwände werden nicht selten mit Fasern wie Sisal, Jute oder Flachs verstärkt.

In der Spritzgießtechnik konnten sich Naturfaser-Thermoplast-Materialien noch nicht durchsetzen. Dies ist sicherlich in schwierigen Verarbeitungsbedingungen und für technische Formteile ungenügend große Schwankungen der Faserqualität begründet. Doch auch hier werden durch verbesserte Compoundiertechnik, Faserzüchtungen und Agrartechnik Verbesserungen erzielt, die einen Einsatz im nacharbeitsarmen Spritzguß möglich machen.
Dazu ist neben der Materialqualität und der Verarbeitbarkeit, auch die Kenntnis der Schwindung von großer Wichtigkeit.

  • Die Schwindung kennzeichnet die prozentuale Größenänderung des Formteils zu den Abmessungen der formenden Werkzeugkavität. Die Maßabweichung wird durch eine Volumenkontraktion der Schmelze bei Abkühlung verursacht.

Die Größenänderung muß vor der Anfertigung des Werkzeuges bekannt sein, um die gewünschten Formteilmaße erreicht
zu können.

Die Schwindung ist aber keine Konstante. Vielmehr ist sie von den Prozessparametern im Spritzguß, der
Formteilgeometrie, dem Meßort und den eingesetzten Faser-Matrix-Systemen abhängig.
Die Ausarbeitung untersucht genau diese Zusammenhänge und zeigt die Unterschiede zu unverstärkten und
glasfaserverstärkten Thermoplasten auf.

Auf dieser Seite können Sie nur eine kurze Zusammenfassung der Versuchsergebnisse betrachten.

Ausführliche Beschreibung zu

  • den Einflussmöglichkeiten durch die Prozesssteuerung
  • den theoretischen Grundlagen zur Schwindung im Vergleich zu beobachtbaren Schwindungswerten von verstärkten und unverstärkten Thermoplasten
  • dem Einfluß des Faseranteils
  • der Faserart (Einfluß der Dichte und des E-Moduls)
  • dem Wirken der Haftvermittler
  • der Ortsabhängigkeit der Schwindung und Faserverteilung
  • dem Verzug
  • den Verarbeitungsparametern
  • finden Sie nur in der vollständigen Ausarbeitung.

    Falls Sie Interesse an ihr haben sollten, so können Sie diese über mich beziehen.

    Matthias Schrader
    E-Mail: 1m.Schrader@gmx.de

    Aufgabenstellung

    Zielsetzung

    Das in der Thermoplastverarbeitung gebräuchlichste Verfahren ist der Spritzguß. Es eignet sich für einen weiten Bereich an Formteilen: Vom Millimeter großen Zahnrad bis zum 1,5 Meter großen Müllbehälter, vom hochgenauen technischen Formteil bis zur Massenware. Wegen dieser Vielfältigkeit und der weiten Verbreitung ist es von besonderem Interesse, naturfaserverstärkte Thermoplaste auch hier einsetzen zu können.
    Im Spritzgußprozeß wird die zumeist granulatförmige Kunststoffmasse erwärmt und im plastischen Zustand in ein Werkzeug eingespritzt, welches das Negativ des Formteiles darstellt. Dabei kühlt die Schmelze ab und kann im erstarrten Zustand aus dem Werkzeug entnommen werden. Das Formteil ist fertig. Dies ist die verkürzte Darstellung des Spritzgießverfahrens. Der Prozeß ist weitestgehend automatisiert. Eine große Bedeutung für die Qualität des Produktes
    kommt der Maschineneinstellung und der Konstruktion des Werkzeuges zu. Beide – insbesondere aber letztere – entscheiden über die Gestalt des Formteiles.
    Problematisch für die Werkzeugauslegung ist die Vorhersage des Schwindungsverhaltens eines Kunststoffes. Unter dem Begriff Schwindung wird die prozentuale Abnahme des Formteilmaßes zum Werkzeugmaß verstanden. Die Abnahme wird hauptsächlich durch die thermische Kontraktion des Kunststoffes beim Abkühlen der Schmelze im Werkzeug hervorgerufen. Um die geforderten Abmessungen des Spritzgußteiles einzuhalten, muß das Werkzeug genau um den prozentualen Schwindungsanteil größer hergestellt werden. Der Schwindungswert ist nicht allein vom eingesetzten Material, sondern auch von den Prozeßparametern beim Spritzguß abhängig. Dies läßt einerseits keine konkreten Angaben zum Schwindungswert zu, sondern nur Schwindungsbereiche, andererseits ermöglich es dem Maschineneinrichter, durch gezielte Beeinflussung des Spritzgußprozesses die Formteilmaße einzustellen.
    Ziel dieser Arbeit ist es, das Schwindungsverhalten von naturfaserverstärktem Thermoplasten zu quantifizieren und
    dessen Abhängigkeit von Prozeßparametern im Spritzguß aufzuzeigen.

    Präzisierte Aufgabenstellung

    Aufgrund der Vielzahl der Faserarten, Thermoplasten, Verarbeitungseinstellungen und den daraus resultierenden
    Kombinationsmöglichkeiten, muß eine Auswahl getroffen werden.

    Matrixmaterial

    Wegen der Temperaturempfindlichkeit cellulosehaltiger Fasern sind nur wenig Polymere als Matrixmaterial geeignet. In
    Frage kommen nur Thermoplaste mit geringen Verarbeitungstemperaturen. Polypropylen (PP) ist einer hiervon und preisgünstig. Schließlich ist er einer der meist verwendeten Kunststoffe, der zudem auch für technische Anwendungen immer mehr an Bedeutung gewinnt. Aus diesen Gründen wird PP als Matrixmaterial gewählt und das Schwindungsverhalten exemplarisch an diesem Polymer aufgezeigt.

    Faserart

    Als Verstärkungsfasern dienen Sisal- und Grünflachskurzfasern. Flachs wird in Deutschland angebaut, besitzt gute
    mechanische Eigenschaften und ist Gegenstand zahlreicher Ausarbeitungen im Zusammenhang mit
    Polypropylenverstärkung.
    Um den Einfluß der Faserart abschätzen zu können, soll eine zweite Fasertype untersucht werden. Sisal (Blattfaser) wird gewählt, weil es sich deutlich in den physikalischen Eigenschaften von den Flachsfasern (Stengelfaser) unterscheidet.
    Schon die äußerliche Erscheinung der Sisalfaser weicht von der Flachsfaser ab: Sie erscheint starrer und eher holzartig im Vergleich zum wolle-ähnlichen Flachs.

    Prozeßparameter

    In der Literatur [1, 6, 7, 8] werden folgende Prozeßparameter als besonders einflußreich auf die Schwindung beschrieben:

    • Nachdruck
    • Massetemperatur
    • Einspritzgeschwindigkeit
    • Werkzeugtemperatur

    Die Einstellgrößen und ihre Wirkungsweise werden in Kapitel 5.4 beschrieben. Wegen der Unterschiedlichkeit der Materialien kann aus diesen Betrachtungen nicht auf das Schwindungsverhalten der Naturfasercompounds geschlossene
    werden. Daher sind Untersuchungen nötig, die den Einfluß der einzelnen Größen aufzeigen. Dazu werden die Prozeßparameter separat um einen festgelegten “Einstellungspunkt” (vgl. Kapitel 8.6) herum verändert und die Auswirkungen auf die Schwindung beobachtet. Da die Massetemperatur durch die Zersetzung der Cellulose und die Schmelztemperatur des PP eng begrenzt ist, kann sie nicht variiert werden (vgl. Kapitel 8.1).

    Zusammenfassung

    Zusammenfassung der Versuchsergebnisse

    Die Verabeitungsschwindung (VS) wird radial (VSR) und tangential (VST) zur Spritzrichtung gemessen. Es wird auch von
    der Längs- (VSR) und Querschwindung (VST) gesprochen (vgl. Kapitel 5.1). Der Meßort hat großen Einfluß auf das Ergebnis, deshalb wird dieser für die Untersuchung der Schwindung in Abhängigkeit von Prozeßparametern festgelegt: In Querrichtung 40mm nach dem Anschnitt und in Längsrichtung formteilmittig. Es wird jeweils nur ein Verarbeitungsparameter der Standardeinstellung verändert. Deren Grundwerte sind 60ºC Werkzeugtemperatur, 700 bar Nachdruck (ca. 400 bar Innendruck), 83 mm/sec Fließfrontgeschwindigkeit, 30 Masseprozent Faseranteil und 195 ºC Massetemperatur. Für diese Grundeinstellungen weist Sisal eine Längsschwindung von 0,5% und eine Querschwindung von 1,0% auf. Flachs liegt mit 0,7% in Längs- und 1,1% in Querrichtung etwas darüber.
    Für die Verarbeitungsschwindung haben sich nicht alle in der Literatur angegebenen Parameter als einflußreich erwiesen.
    So läßt sich kein Zusammenhang zwischen der Einspritzgeschwindigkeit und der Schwindung nachweisen. Auch die Werkzeugtemperatur hat zwischen 40º und 60 ºC keinen nennenswerten Einfluß, ab 60º steigt die Schwindung jedoch merklich um 0,05 Prozentpunkte.
    Dagegen besteht eine starke Wechselbeziehung zwischen der Art der Faser, dem Faseranteil, dem Nachdruck bzw.
    Innendruckniveau und dem Meßort.

    Faserart

    Flachs-PP weist bei gleichem Fasermasseanteil und gleichen Verarbeitungsparametern eine höhere Schwindung als
    Sisal-PP auf. Der Unterschied ist in Längsrichtung mit 0,2 Prozentpunkten höher als in Querrichtung mit 0,1
    Prozentpunkten. Aus Modellen zur Faser-Matrix-Mechanik wird ein Zusammenhang zwischen dem Sinken der Schwindung
    mit steigendem Faservolumenanteil hergestellt [6]. Die Schwindungsunterschiede der Fasertypen sind im Vergleich bei
    identischem Volumenanteil geringer. Bei gegebenen Masseanteil aber unterschiedlicher Dichte der Fasern, besitzt die
    Faser mit geringerer Dichte den höheren Volumenanteil. Dies erklärt teilweise den Schwindungsunterschied zwischen Sisal (Dichte 1,2 g/cm³) und Flachs (Dichte 1,5 g/cm³). Eine weitere Einflußgröße ist die Fasersteifigkeit, die mit steigender Größe des E-Moduls die Schwindung hemmt. Dieser ist für Sisal tendenziell höher als für Flachs, eine genaue Aussage kann aber nicht getroffen werden, da die Schwankungsbreite der mechanischen Fasereigenschaften zu hoch ist.
    (Grundlagen der Faser-Matrix-Mechanik, Berechnungsformeln und Messergebnisse in der ungekürzten Ausarbeitung)

    Faseranteil

    Mit steigendem Faseranteil sinken die Schwindungswerte, die Anisotropie des Schwindungsverhaltens nimmt jedoch zu.
    Dies äußert sich nicht nur in einer größeren Differenz zwischen Längs- und Querschwindung, sondern auch bei Messungen in gleicher Richtung an unterschiedlichen Stellen des Probekörpers. Die Schwindungsunterschiede verursachen einen höheren Verzug als beim unverstärktem Material, doch nimmt dieser mit steigendem Faseranteil ab ca. 10% Masseanteil wieder ab. Die Minderung ist durch die Zunahme der Steifigkeit des Verbundes zu erklären.

    Bild 1: Einfluß des Fasermasseanteiles auf Längs- und Querschwindung am Beispiel des Sisal-Verbundes.
    Bild 1

    Radial zur Spritzrichtung nimmt die Schwindung annähernd linear mit dem Masseanteil ab. Bei Flachs um ca. 0,02
    Prozentpunkte und beim Sisal um ca. 0,03 Prozentpunkte pro Masseprozent der Fasern. Tangential bzw. quer zur
    Spritzrichtung flacht der Schwindungsverlauf ab und scheint einem Grenzwert von ca. einem Prozent entgegen zu streben.
    (Ausführliche Untersuchungen der Schwindung und des Verzugs in Abhängigkeit vom Faseranteil in der vollständigen
    Arbeit)

    Nach- bzw. Innendruck

    Ein höherer Nachdruck bewirkt auch einen höheren Innendruck im Werkzeug. Die Druckübertragungsfunktion ist linear und die Druckverluste durch die Fasern sind sehr ähnlich. Flachs-PP weist aber eine geringfügig bessere Druckübertragung als Sisal-PP auf. Eine Erhöhung des Nach- bzw. Innendruckes hat großen Einfluß auf die Schwindung. Sie sinkt für beide Fasern und Meßrichtungen progressiv, d.h. bei höheren Drücken ist eine größere Minderung der Schwindung festzustellen als bei geringen. Im mittleren Druckbereich von ca. 200-400 bar sinkt die Querschwindung um ca. 0,1 Prozentpunkt pro 100 bar Innendruck, die Längsschwindung um ca. 0,05 Prozentpunkte. Die Schwindungsunterschiede zwischen den Fasertypen und Meßrichtungen werden mit größerem Druck geringer.

    Bild 2: Einfluß des Innendruckes auf das Schwindungsverhalten von naturfaserverstärkten Polypropylen.
    Bild 2

    Die verminderte Schwindungsdifferenz ist durch den Schwindungsausgleich durch verbesserten Schmelzetransport zu
    erklären. Aber auch die ortsabhängigen Schwindungsunterschiede werden mit größerem Druck geringer. Grund hierfür sind die Druckübertragungsverluste und unterschiedlich schnelle Erstarrung der Schmelze über der Querschnittsgeometrie. Hohe Schwindungspotentiale befinden sich gerade in der Formteilmitte und am Anfang des Fließweges. Dies sind die Bereiche wo der Nachdruck am längsten und stärksten wirkt und so die Schwindung verhältnismäßig besser ausgleichen kann als am Rand oder am Ende des Fließweges.
    (In der Ausarbeitung finden Sie zusätzlich den Vergleich zu anderen Thermoplasten, Druckübertragungsfunktionen und Nachdruckwirkung auf die ortsabhängige Schwindung)

    Ortsabhängigkeit der Schwindung

    Durch die unterschiedlichen Faserorientierungen und Abkühlverhältnisse an verschiedenen Orten der Probeplatte ergeben sich starke Schwindungsabweichungen an verschiedenen Meßstellen. Parallel zur Faserlängsachse wird die niedrigste Schwindung senkrecht dazu die höchste Schwindung gemessen. Die Längsschwindung ist in der Fließwegmitte am größten und sinkt zum Seitenrand um ca. 0,4 Prozentpunkte ab. Dort wird die geringste Schwindung festgestellt, weil sich hier die Fasern parallel zur Meßrichtung anordnen. In der Mitte sind sie quer zur Fließ- und Meßrichtung ausgerichtet.

    Bild 3: Längsschwindung als Funktion des Meßortes (30 Masseprozent Sisal).
    Bild 3

    Bei der Untersuchung der Schwindung quer zur Spritzrichtung werden die geringsten Schwindungswerte am
    Fließwegende (0,5 Prozentpunkte unter dem Referenzwert) gefunden, in der Mitte herrscht ein annähernd konstantes Schwindungsniveau und direkt am Anschnitt eine um 0,15 Prozentpunkte erhöhte Schwindung. Dieses ist wiederum auf die Faserausrichtung zurückzuführen. Am Fließwegende stoppt die Fließfront und richtet des­wegen schlagartig die Fasern parallel zur Wand aus. In der Mitte werden die Faseranteile, die senkrecht zur Fließrichtung ausgerichtet sind, durch eine Dehnströmung mit fortschreitendem Fließweg größer. Dies kann die nachlassende Nachdruckwirkung ausgleichen.

    Bild 4: Querschwindung als Funktion des Meßortes (30 Masseprozent Sisal).
    Bild 4

    (Die Arbeit enthält weiterhin Untersuchungen zum Einfluß von Nachdruck, Faseranteil, Faserorientierung auf die ortsabhängige Schwindung und den Vergleich zu unverstärkten Thermoplasten)

    Source:

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