Werkstoffcharakterisierung im Werkzeug

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108 SPRITZGIESSEN Messtechnik

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ie große Zahl von Anforderungen an Kunststoffe hat dazu geführt, dass heute mehr thermoplastische Kunststoffcompounds auf dem Markt sind als je zuvor. Dabei werden den Kunststoffen u. a. Zusatzstoffe beige- mengt, die deren Einsatz für die jeweili- ge Anwendung überhaupt erst möglich machen. Gerade beim Spritzgießen lassen sich Produkte mit einer hohen Bau- teilkomplexität herstellen. Allerdings ist das Spritzgießverfahren komplex und reagiert sensibel auf ein verändertes Werkstoffverhalten. Schon geringe An-

teile an speziellen Zusatzstoffen kön- nen die Prozessführung wesentlich beeinflussen [1].

Beispielsweise erhöhen Füll- und Ver- stärkungsstoffe häufig die Viskosität eines Kunststoffs und setzen deutlich hö- here Drücke zur vollständigen Formteil- füllung voraus. Andere Zusatzstoffe nei- gen dazu, sich an der Werkzeugwand abzulagern, sodass die Bauteile im Werk- zeug stärker anhaften und die Entfor- mung erschwert wird. Dadurch können die Bauteile geschädigt werden oder die Auswerferstifte im Werkzeug, die insbe-

sondere bei komplexen Bauteilen häufig klein dimensioniert sind, knicken ab oder brechen.

Prüfung von Kunststoffen unter Laborbedingungen

Materialhersteller versuchen bei neuen Kunststoffcompounds von vornherein, schlechtere Verarbeitungseigenschaften zu verhindern. Deshalb werden oft zu- sätzliche Funktionszusatzstoffe einge- setzt, z. B. Gleit- und Fließhilfsmittel oder Kristallisationsbeschleuniger.

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Spritzgießwerkzeug zur Inline-Werkstoffcharakte-

risierung: Eine neue Messmethode erfasst den Einfluss von Additi- ven auf die Verarbei- tungseigenschaften von

Kunst stoffen ^{(© IKT)}

Werkstoffcharakterisierung im Werkzeug

Einflüsse von Zusatzstoffen inline im Spritzgießprozess messen

Kunststoffen werden schon direkt nach der Polymersynthese Zusatzstoffe beigemischt, um ihre Verarbeitungs- und Bauteileigenschaften zu verbessern. Am IKT in Stuttgart wurde ein Inline-Messverfahren entwickelt, das die Einflüsse von Zusatzstoffen auf Werkstoffverhalten und Spritzgießprozess aufzeigt. Dieses erlaubt zugleich die Messung des Werkzeuginnendrucks sowie die Charakterisierung der Entformungseigenschaften mithilfe einer Entformungs- und Normalkraftmessung. So können auch geringste Eigenschaftsänderungen durch Zusatzstoffe beschrieben werden.

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ren. So können anwendungs nahe Werk- stoffdaten für eine gute Vergleichbarkeit bereitgestellt und ein störungsfreies pro- duktionseffizientes Spritzgießen erreicht werden.

Zusatzstoffe wie beispielsweise Gleit- mittel beeinflussen überwiegend das Füll- und Entformungsverhalten beim Spritzgießprozess. Sogenannte äußere Gleitmittel bilden eine Art Trennfilm auf der Formteiloberfläche, der die Reibung zwischen Kunststoffteil und Werkzeug- oberfläche reduziert.

Die Idee, das Entformungsverhalten über werkzeugintegrierte Sensoren zu charakterisieren, wird schon seit Jahren verfolgt [2–4]. Während der Entformung wird die dazu erforderliche Kraft FE gemessen. Die maximale Entformungskraft wird als Vergleichswert herangezogen, mit dem die Wirkweise der Gleitmittel le- diglich abgeschätzt werden kann (Glei- chung1).

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F_E: Entformungskraft; μ: Reibungskoeffizient;

F_N: Flächenpressung (Normalkraft wirkt auf den Formkern);

A_F: Mantelfläche des Formkerns

Eine genauere Einstufung der Gleitmit- tel durch den Reibungskoeffizienten ist aufgrund der nicht bekannten Flächen- pressung FN nicht möglich. Diese wird durch eine Vielzahl an Faktoren wie beispielsweise die Formteilgeometrie, die Schwindung und den E-Modul des Kunststoffs sowie die Verarbeitungs- bedingungen beeinflusst und lässt

FE= µ ⋅FN⋅AF

Meist werden die Wirkmechanismen zwischen Zusatzstoffen und Kunststoff unter Laborbedingungen geprüft. Die Er- gebnisse lassen sich auf den realen Spritz- gießvorgang allerdings nicht immer voll- ständig übertragen, sodass Verarbeiter bei der Serienproduktion einen erhöhten Ausschuss oder Wartungsaufwand in Kauf nehmen müssen. Am Institut für Kunst- stofftechnik (IKT) in Stuttgart wurde aus diesem Grund eine Inline-Messmethode entwickelt, die es ermöglicht, einen Werk- stoff direkt an der Spritzgießmaschine unter realen Bedingungen zu charakterisie-

Bild 1. Entformungskraftoktaeder: Mit dieser speziellen Bauteilgeometrie werden die Entformungs- und Normalkraft bestimmt

Schließseite Düsenseite

Entformungskraftsensor

Entformungssystem Entformungsrichtung Normalkraftsensor

Formteil Entformungswegsensor

Bild 2. Schnittdarstellung des entwickelten Inline-Messwerkzeugs mit integrierten Sensoren

(Quelle: [5], IKT)

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© Kunststoffe

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sich daher nicht ohne Weiteres ab- schätzen.

Neue Inline-Messtechnik für den Entformungsvorgang

Am IKT wurde nun erstmals eine neue Messmethode entwickelt, um die Entfor- mungskraft FE sowie die Normalkraft FN zu bestimmen. Dabei handelt es sich um ein spezielles Entformungskraftwerkzeug (Titelbild).

Dazu wurde ein Entformungskraft- oktaeder (Bild 1) mit einer Höhe von 60 mm entwickelt. Auf eine Entformungs- schräge verzichten die Konstrukteure, damit das Bauteil über den gesamten Ent-

Die Autoren

Tristan Koslowski, M.Eng., ist wissen- schaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Verarbeitungstechnik des Instituts für Kunststofftechnik (IKT) der Universität Stuttgart;

tristan.koslowski@ikt.uni-stuttgart.de Alexander Geyer, M.Sc., ist wissen- schaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Verarbeitungstechnik des IKT;

alexander.geyer@ikt.uni-stuttgart.de Univ. Prof. Dr.-Ing. Christian Bonten leitet das IKT in Stuttgart.

Dank

Die Autoren danken der Keim-Additec Surface GmbH für die enge Kooperation im Rahmen des Projekts sowie der Arburg GmbH + Co KG für die Unterstützung bei der Versuchsdurchführung. Dieses For- schungs- und Entwicklungsprojekt wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) innerhalb des Förderprogramms AiF-ZIM gefördert.

Service

Literatur & Digitalversion

B Das Literaturverzeichnis und ein PDF des Artikels finden Sie unter www.kunststoffe.de/3161744

formungsweg im Flächenkontakt mit dem Werkzeugkern steht. Bei der Kons- truktion des Bauteils wurde auf eine mög- lichst zylindrische Form geachtet, damit der Kunststoff gleichmäßig auf den Form- kern aufschwindet und die gleichzeitig ebene Flächen beinhaltet, um die Mes- sung der Normalkraft zu erleichtern.

Im Werkzeugkern ist ein Normal- kraftsensor eingebaut. Dieser erfasst die Normalkräfte, die das Formteil während des Spritzgießzyklus auf den Kern ausübt (Bild 2). Im Entformungssystem wurde ein Sensor integriert, der die Entformungs- kraft aufzeichnet, die nötig ist, um das Bauteil mittels einer Abstreifplatte voll- ständig auszuwerfen. Zudem zeichnet ein Wegsensor die Position des Auswer- fers auf. Über einen Messstand lassen sich so direkt an der Spritzgießmaschine (Typ hier: Allrounder 520S 1600-400; Hersteller:

Arburg) Entformungskraft-Weg-Kurven darstellen.

In Versuchen (Bild 3) wurde zum einen die Normalkraft, die während des Abkühl- vorgangs auf den Kern wirkt, und zum anderen die Entformungskraft über dem entsprechenden Entformungsweg des Abstreifrings gemessen und mit einem Messwertprogramm aufgezeichnet.

Erkenntnisse der Auswertung

Der über den gesamten Spritzgießzyklus erfasste Verlauf der Normalkraft unter- scheidet sich zwischen einem teilkristalli-

Bild 3. Verfahrensab- lauf zur Messung der

Entformungs- und Normalkraft im Spritzgießzyklus

(Quelle: [5], IKT)

Entformungskraft-, Entformungsweg- messung

Entformen

Ende Start

Werkzeug öffnen

Kühlen

Dosieren Nachdrücken

Normalkraftmessung Werkzeug

schließen Einspritzen

Bild 4. Die Normalkraftverläufe auf den Werkzeugkern für einen teilkristallinen und einen amorphen Thermoplasten innerhalb eines Spritzgießzyklus zeigen einen erneuten Anstieg in der Restkühlphase (Quelle: IKT)

0

Zeit 800

700 600 500 400 300 200 100 0 N

Normalkraft FN

5 10

teilkristallin

amorph

15 20 25

Restkühlphase

Auswerferseite Düsenseite Nachdruckphase

Einspritzphase

30 FN

AS DS

Aufschwindungsvorgang auf den Kern

35 40 s 45

© Kunststoffe

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nen und einem amorphen Thermoplas- ten erkennbar (Bild 4). Der typische Werk- zeuginnendruckverlauf erlaubt bereits während der Formfüllung erste Aussagen über das Fließverhalten und während der Nachdruckphase über das Kristallisations- verhalten des Kunststoffs. Abweichend von den bisherigen Werkzeuginnendruck- messungen lässt sich während der Rest- kühlzeit zusätzlich das Aufschwinden des Kunststoffs auf den Formkern aufzeigen.

Der gemessene maximale Wert kurz vor dem Entformungsvorgang wird als FN,max

bezeichnet.

In einem charakteristischen Kurven- verlauf nimmt die Entformungskraft, nachdem die Maximalkraft FE,max über- wunden ist, bis zum Auswurf des Teils an- nähernd linear ab (Bild 5). Die Schwankun- gen in der Messkurve können sowohl auf ein Sensorrauschen als auch auf Oberflä- cheneinflüsse des Werkzeugs zurückge- führt werden.

Mit dieser Messmethodik können die Normal- und die Entformungskräfte ver- schiedener Kunststoffe ermittelt werden (Bild 6). Die unterschiedlichen Entfor- mungskräfte sind dabei auf die Adhäsi- onskräfte, Oberflächenspannung und Reibungskräfte zwischen dem Kunststoff und dem Werkzeugstahl zurückzufüh- ren. Beispielsweise bewirkt das verwen- dete Polyamid (PA6) eine größere Nor- malkraft als ein Polypropylen (PP), wobei jedoch gleichzeitig eine geringere Ent- formungskraft erforderlich ist. Aufgrund der in Gleichung1 vorgestellten Zusam- menhänge spricht dies für eine geringere Anhaftung des PA an die Werkzeug- oberfläche. Bei dem verwendeten glasfa-

serverstärkten PA (PA6-GF30) ist diese noch niedriger.

Zusätzlich wurden dem PP unter- schiedliche Anteile eines Gleitmittels (GM) zugeführt. Dadurch konnte die Ent- formungskraft verringert werden. Über die zusätzliche Messung der Normalkraft lässt sich der Wirkmechanismus des Gleit- mittels weiter spezifizieren. So ist zu er- kennen, dass mit Zugabe des Gleitmittels nicht nur die Entformungskraft sinkt, son- dern gleichzeitig die Normalkraft steigt.

Anhand von Kristallinitätsmessungen konnte eine nukleierende Wirkung des Gleitmittels festgestellt werden.

Demzufolge besitzt das zugegebene Hilfsmittel eine Gleitwirkung und zusätz- lich einen kristallisationsbeschleunigen- den Effekt. Dies kann zum einen eine er-

höhte Verarbeitungsschwindung hervor- rufen, zum anderen liegt zum Entfor- mungszeitpunkt eine höhere Steifigkeit des Bauteils vor, sodass eine größere Kraftübertragung auf den Sensor mög- lich wird. Bei einem höheren Anteil des Additivs tritt dieser Vorgang verstärkt auf (Bild 6). Somit kann man auch Eigenschafts- änderungen, die durch kleinste Anteile an Zusatzstoffen ausgelöst werden, mit der neuen Inline-Messtechnik hochauflösend charakterisieren.

Effektiver Vergleichswert

Quantitativ lässt sich die Wirkung der Zu- satzstoffe über einen repräsentativen Entformungsreibwert μE aus der schon erwähnten maximalen Normalkraft in

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Entformungsweg 2000

1600

1200

800

400

0 N

0

Entformungskraft

10 20 30 40 50 60 mm 70

Auswerferseite Düsenseite

FE

Bild 5. Der Entformungskraftverlauf beim Auswerfen des Bechers aus dem Werkzeug nimmt über dem Entformungsweg ab (Quelle: IKT)

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der Restkühlphase FN,max (Bild 4) und der maximalen Entformungskraft FE,max (Bild 5) beschreiben (Gleichung2).

(2) Dieser Wert ähnelt dem Gleitreibungs- koeffizienten μ aus der klassischen Tribo- logie und ermöglicht generelle Aussagen über die Trennwirkung zugegebener Ad-

µ_E=FE, max

FN, max

ditive. Dabei stimmen die mit dem Werk- zeug ermittelten Reibwerte tendenziell mit den in Labor gemessenen Reibwer- ten überein (Bild 7). Zur besseren Ver- gleichbarkeit wurden diese auf die Werte des PP normiert. Die auftretenden Abwei- chungen sind auf verarbeitungstechni- sche Effekte zurückzuführen, die im La- bor nicht ohne Weiteres nachgestellt werden können.

Dieser Entformungsreibwert kann somit als Vergleichswert herangezogen werden, um das Entformungsverhalten von Werkstoffen genauer als bisher zu beschreiben. Mit ihm können Einflüsse von Trennmitteln schnell benannt und verglichen werden. Des Weiteren lassen sich Auswirkungen von Prozessparame- tern auf den Entformungsschritt nun ef- fektiv beschreiben, sie helfen so, den Pro- zess effizienter zu gestalten. Im laufenden Prozess stellt der Wert außerdem einen guten Vergleichswert für die Qualitätssi- cherung dar.

Ausblick

Eine neue, am IKT entwickelte Inline- Messmethode erlaubt mithilfe ins Werk- zeug integrierter Druck- und Kraftsenso- ren eine Aussage darüber, wie sich Zu- satzstoffe auf das Entformungsverhalten auswirken. Wie bereits von konventio- nellen Spritzgießwerkzeugen bekannt, kann die absolute Entformungskraft ermittelt werden. Mit einer speziell kons- truierten Oktaedergeometrie kann nun zusätzlich die Normalkraft erfasst werden, die entsteht, wenn der Kunststoff auf den Werkzeugkern aufschwindet.

Aus den Werten lässt sich ein Entfor- mungsreibwert μE gewinnen, der eine charakteristische, werkstoffspezifische Größe für die Reibung zwischen Bauteil und Werkzeug während des Entformens darstellt.

Aktuell arbeitet das IKT daran, die Er- kenntnisse auf weitere Bauteilgeometrien zu übertragen. Eine verfeinerte Messsen- sorik verspricht dabei noch genauere Messwerte. So soll es zukünftig ermög- licht werden, schon während der Werk- zeugkonstruktion die Entformungskräfte noch präziser vorherzusagen, um eine reibungslose Serienproduktion zu ge- währleisten. W

Bild 7. Der Vergleich der jeweils auf PP normierten Rei- bungskoeffizienten zeigt eine gute Übereinstimmung zwischen konven- tioneller und Inline-Messung

(Quelle: [6], IKT)

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2

0 PP PC POM

normierte Reibwerte

gemessener Reibwert, normiert

µE, normiert

160 N 120 100 80 60 40 20 00

Normalkraft

200 400 600 800 1000 1200 1400 N 1600

PP PA6 PA6-GF30 PP + 0,2% GM PP + 0,5% GM

Bild 6. Die Entformungs- und Normalkräfte der verschiedenen Kunststoffe (GM = Gleitmittel) zeigen große Unterschiede (Quelle: [5], IKT)

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