Two-Stage-GITBlow
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Two-Stage-GITBlow
Moritzer, Schäfers, Plugge Two-Stage-GITBlow Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Zeitschrift Kunststofftechnik Journal of Plastics Technology © 2012 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com archivierte, peer-rezensierte Internetzeitschrift des Wissenschaftlichen Arbeitskreises Kunststofftechnik (WAK) archival, peer-reviewed online Journal of the Scientific Alliance of Polymer Technology www.kunststofftech.com; www.plasticseng.com eingereicht/handed in: angenommen/accepted: 06.05.2011 23.09.2011 Prof. Dr.-Ing. Elmar Moritzer, Dr.-Ing. Martin Schäfers, Dipl.-Wirt.-Ing. Thorsten Plugge Kunststofftechnik Paderborn (KTP), Universität Paderborn Two-Stage-GITBlow – Herstellungsverfahren für komplexe und multifunktionale Spritzgießbauteile Die Grundidee beim Two-Stage-GITBlow-Verfahren besteht darin, die Vorteile der Spritzgießtechnik mit dem Prozess des Blasformens zu kombinieren. Dabei wird ein mittels Gasinjektionstechnik (GIT) hergestellter Preform im Spritzgießwerkzeug aufgeblasen. In den letzten Jahren konnten auf Grundlage umfangreicher experimenteller Befunde eine Fülle spezifischer GITBlow-Verfahrensphänomene im Bereich der aufgeblasenen Hohlraumanbindung detektiert werden. Basierend auf den vorliegenden Ergebnissen werden in diesem Beitrag erste Rückschlüsse auf die entstehende Wanddickenhomogenität im Fertigteil getroffen. Hierfür werden die physikalischen Effekte mit den wesentlichen Einflussparametern in einen allgemeingültigen Zusammenhang gebracht. Two-Stage-GITBlow – a process for complex and multifunctional injection molding parts The GITBlow process combines the advantages of two established processes of gas injection technique (GIT) and blow moulding "inline", i.e. integrated in the injection moulding process. A hollow core in the part, which has been created through GIT, is inflated further, enhancing a 2nd inflation of gas. In recent years, based on extensive experimental findings, a large number of specific GITBlow process phenomena relating to the inflation of moulded-on hollow areas have been identified. On the basis of these findings, this contribution shows wide-ranging conclusions about the residual wall thickness homogeneity in the final part. For this purpose physical effects and basic parameters are taken into general consideration. © Carl Hanser Verlag Zeitschrift Kunststofftechnik / Journal of Plastics Technology 8 (2011) 1 © 2012 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Moritzer, Schäfers, Plugge Two-Stage-GITBlow Two-Stage-GITBlow – Herstellungsverfahren für komplexe und multifunktionale Spritzgießbauteile E. Moritzer, M. Schäfers, T. Plugge 1 EINLEITUNG UND AUSGANGSSITUATION Die Grundidee beim Two-Stage-GITBlow-Verfahren (im Folgenden als „GITBlow“ bezeichnet) besteht darin, die Vorteile der Spritzgießtechnik mit dem Prozess des Blasformens zu kombinieren. Dabei wird ein mittels Gasinjektionstechnik (GIT) hergestellter Preform im Spritzgießwerkzeug aufgeblasen. In Bild 1.1 ist auf der linken Seite ein derartiger Preform abgebildet, der auf die entsprechende, größere Fertigteilgeometrie (rechts) verstreckt wird. Bild 1.1: GIT-Preform (links) und GITBlow-Fertigteil (rechts) Durch die Verstreckung und die damit resultierende (vergrößerte) Hohlraumgeometrie ist dieses Verfahren z.B. für Tankbauteile in Waschmaschinen oder Medienleitungen im Automobilbau geeignet. Die gegenüber GIT-Geometrien vergrößerten und je nach Funktion und Wunsch auch komplexeren Hohlraumgeometrien sind ein GITBlow-Alleinstellungsmerkmal im Rahmen der Spritzgießsonderverfahren. Darüber hinaus können funktionale Elemente an den Hohlraum angebunden werden. Einzelheiten zu bereits erfolgreich umgesetzten funktionalen Details werden in Kapitel 2.3 aufgeführt. Weiterführende Informationen zum Blasformen und zur Gasinjektionstechnik können in [4], [7] und [11] nachgelesen werden. In Analogie zur Anwendung von Blaskörperbauteilen ist auch beim GITBlow die Wanddickenhomogenität der Hohlraumgeometrie das entscheidende Kriterium. Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 1 24 © 2012 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Moritzer, Schäfers, Plugge Two-Stage-GITBlow Ungleichmäßige Wanddickenverteilungen in einem Tankbauteil sind Schwachstellen, die es zu verhindern gilt. Die Zielsetzung dieser Veröffentlichung liegt darin, den Aufblasvorgang dahingehend zu analysieren, dass eine erste auf Parametereinflüssen beruhende Vorhersage zur Wanddickenhomogenität getroffen werden kann. Dabei sind die physikalischen Effekte mit den wesentlichen Einflussparametern in einen Zusammenhang zu bringen. Die Problemstellungen und Herausforderungen, die sich aus der Zielsetzung ergeben, lassen sich mit dem folgenden, dreistufigen GITBlow-Prozessschema verdeutlichen. Bild 1.2: GITBlow-Prozessschema Abgebildet ist in Bild 1.2 von links nach rechts der Weg vom Spritzgussteil zum GITBlow-Fertigteil inklusive der wirkenden Einflussparameter. Durch das abgebildete Prozessschema wird die Komplexität des Prozesses verdeutlicht. GITBlow unterscheidet sich dabei sowohl von der Anzahl der Einflussparameter, der einzelnen Prozessstufen als auch im Aufblasverhalten von allen anderen, bereits etablierten Umformverfahren. Es stellt sich die Herausforderung, das obige Prozessschema mit der Zielgröße (Wanddickenhomogenität) auf einen „Nenner“ zu bringen. Hierfür werden in Kapitel 3 zunächst die wesentlichen Grundüberlegungen zum Aufblasverhalten vorgestellt. Im Anschluss werden die Ansätze aus Kapitel 3 mit den experimentellen Ergebnissen in Kapitel 4 verglichen und in Kapitel 5 in einen Zusammenhang gebracht. Durch den entstehenden Gesamtzusammenhang können zum Ende der Veröffentlichung erste prozessoptimierende Gesetzmäßigkeiten zur entstehenden Wanddickenhomogenität abgeleitet und aufgezeigt werden. Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 1 25 © 2012 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Moritzer, Schäfers, Plugge 2 Two-Stage-GITBlow GRUNDLAGEN ZUM VERFAHREN Im Folgenden werden die verfahrenstechnischen Grundprinzipien des GITBlowVerfahrens erläutert. 2.1 Prozessablauf Bild 2.1: Prozessablauf zum Two-Stage-GITBlow-Verfahren Mit Schmelze- und anschließender Gasinjektion wird zunächst der GIT-Preform hergestellt (1). Nach Ablaufen der Gashaltezeit, welche die Funktion des Nachdrucks übernimmt, und der Restkühlzeit wird das Werkzeug geöffnet. Mittels Drehteller oder einer Indexplatte wird das Bauteil um 180° gedreht und vor die Aufblaskavität bewegt (2). Nach Ablauf der sogenannten Handlingzeit (Bewegungszeiten des Werkzeugs) wird das Werkzeug wieder geschlossen (3). Während in der ersten Kavität der Preform für den nächsten Schuss produziert wird, erfolgt in der Aufblaskavität der Aufblasvorgang vom Preform zum Fertigteil durch Gasdruck (4). Nach Abkühlung des neuen Preforms und des entstehenden Fertigteils erfolgen die Werkzeugöffnung und die Entformung (5). Die Aufblaskavität funktioniert wie in Bild 2.1 abgebildet über einen Backenmechanismus. Der Backenmechanismus erlaubt die Erzeugung und Entformung von Hinterschnitten. Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 1 26 © 2012 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Moritzer, Schäfers, Plugge 2.2 Two-Stage-GITBlow Anwendungsgebiete Mit Hilfe von GITBlow ist es möglich, großvolumige Leitungen für flüssige und gasförmige Medien im Spritzgießverfahren herzustellen. Des Weiteren wird mit der Expansion der Hohlraumgeometrie das polare Widerstandsmoment erhöht, was zu höheren Bauteilsteifigkeiten führt. Gepaart mit zusätzlichen ins Werkzeug eingelegten Verstärkungsstrukturen sind in Zukunft auch hybride Tragstrukturen denkbar. Ein typisches, potentielles GITBlow-Anwendungsbeispiel für große Volumenströme ist das Bauteil in Bild 2.2. Es handelt sich um ein Luftführungsrohr aus einem Wäschetrockner. Es ist etwa 400 mm lang, die größere Nennweite (links) beträgt 95 mm, die kleinere (rechts) 80 mm. Bild 2.2: Luftführung aus einem Wäschetrockner Dieses Rohr wird bereits im Spritzgießverfahren hergestellt, mit Hilfe von GITBlow könnten aber ganz neue Geometrien realisiert werden. So wird das Bauteil bisher durch Ziehen eines großvolumigen Kernes entformt, der sich während des Spritzgießvorgangs im Hohlraum befindet und ihn vor dem Entformen freigibt. Umlenkungen lassen sich mit dieser Technik im Gegensatz zum GITBlow nicht realisieren, da der Hohlraum entweder nur gerade oder mit einem konstanten Radius konstruiert werden kann. Durch die GITBlow-Technik wird damit der Freiheitsgrad in der Hohlraumgeometriegestaltung im Vergleich zur Kernzugtechnik deutlich erhöht. Zur übersichtlichen Abgrenzung von anderen, etablierten Verfahren und GITBlow, werden in Tabelle 2.1 die wesentlichen Einschränkungen gegenübergestellt. Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 1 27 © 2012 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Moritzer, Schäfers, Plugge Two-Stage-GITBlow Etablierte Verfahren Standard-Spritzgießen [2] Standard-Gasinjektionstechnik [7,10] Wasserinjektionstechnik [9,12] Streckblasformen [4,11] Spritzgießen mit anschließendem Fügen Thermoformen [13] Einschränkung gegenüber GITBlow Nur sehr einfache, offene Hohlräume möglich (Kernzug) Größere Wanddicken und kleinere Gasblasenquerschnitte Größere Wanddicken und kleinere Gasblasenquerschnitte, Wassereinsatz notwendig Keine komplexen, „spritzgießtypischen“ kompakten Bauteilbereiche möglich Zusätzlicher Arbeitsschritt, Zusatzteile wie Clipse o.ä. notwendig Keine komplexen, „spritzgießtypischen“ kompakten Bauteilbereiche möglich Tabelle 2.1: Abgrenzung von GITBlow zu anderen Verfahren Aus den beschriebenen Abgrenzungen können diverse Anwendungsgebiete generiert werden. Bild 2.3 zeigt hierzu eine Übersicht. Die Beispiele der einzelnen Klassen sind das Ergebnis einer durchgeführten Industriestudie. Medienleitungen Kfz GITBlow Klassen • Stoßfänger (Wischwasser) • Befüllkanal (Waschwassertank) • Klimaanlage • Ansaugkrümmer • diverse Funktionsbauteile Kfz • Stoßfänger • Cockpit • Innenverkleidung • Motorraum Sonstiges Weißgeräte • Abluftrohr (Trockner) • Kondenswassertank (Trockner) • Wasserzuleitung (Waschmaschine) • Einspülkasten (Waschmaschine) • Wasserableitung • Sprüharm (Spülmaschine) • Wärmetauscher (Spülmaschine) • Wasserzu- und ableitung (Spülm.) Kabelkanäle Design • großvolumige Kanten (Möbel, Braungeräte) Weißgeräte • Blenden • Gehäuse Braungeräte • Resonator (Lautsprecher) • Transparenter Kanal für Lichtschlauch • Blenden • Gehäuse Sonstiges • Tank (Kaffeemaschine) • Wärmekachel (Fußbodenheizung) Bild 2.3: Einteilung möglicher GITBlow-Bauteile in Klassen Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 1 28 © 2012 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Moritzer, Schäfers, Plugge 2.3 Two-Stage-GITBlow Anwendungsnahe Demonstratorgeometrie Die in Bild 2.3 gesammelten Ergebnisse der Industriestudie wurden zusammen mit den erwähnten technischen Verfahrensvorteilen (Freiheitsgrade in der Hohlraumkonzeptionierung und Anbindung funktionaler Details) bei der Umsetzung einer GITBlow-Demonstratorgeometrie berücksichtigt, Bild 2.4. Die Demonstratorgeometrie selbst ist mit keinem anderen Spritzgießverfahren herstellbar. Gleichzeitig ist sie die Grundlage der in dieser Veröffentlichung aufgeführten Untersuchungen und Analysen. Überlauf zur Nebenkavität Trennstelle Preform Halteklammern Fertigteil Gasinjektionspunkt Außengewinde Ansicht von unten Bild 2.4: Preform- und Fertigteilgeometrie der anwendungsnahen Demonstratorgeometrie Linksseitig ist der GIT-Preform und rechtsseitig die GITBlow-Fertigteilgeometrie abgebildet. Neben der Hohlraumkonzeptionierung wurde darauf geachtet, über die Anbindung von funktionalen Details das Potential des Verfahrens zu unterstreichen; wie z.B. Einbringung eines Aussengewindes zum Schließen des Hohlraums über einen Deckel oder Halteklammeranbindungen zur einfachen Montage des Bauteils in einem Motorraum. Nach der erfolgten Vorstellung des Demonstratorbauteils wird dem Leser nun die Wanddickenbestimmung dargelegt. Das Verständnis zur Bestimmung und Definition der Wanddickenhomogenität ist eine wichtige Voraussetzung für die in Kapitel 4 und 5 durchgeführten Wanddickenanalysen. Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 1 29 2.4 Two-Stage-GITBlow Grundlagen zur Wanddickenbestimmung www.kunststofftech.com Zunächst werden in Bild 2.5 die Messstellen und Messpunkte an der Bauteilgeometrie gekennzeichnet. Bild 2.5: © 2012 Carl Hanser Verlag, München Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Moritzer, Schäfers, Plugge 1 n 17 n i1 Preformgeometrie quer geschnitten (links), Fertigteilgeometrie quer geschnitten (rechts) und Fertigteil längs geschnitten (unten) Zur Bestimmung der Wanddickenhomogenität in der Fertigteilgeometrie werden an einer Messstelle 17 Messpunkte festgelegt und ausgemessen. Mit den 17 gemessenen Werten zur Wanddicke wird die Wanddickenhomogenität (Ω) bestimmt, die in der folgenden funktionalen Beziehung dargestellt ist. x xi 2 Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 1 x Wanddickenmittelwert x Wanddicke i Messpunkt (Gl. 1) 30 © 2012 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Moritzer, Schäfers, Plugge Two-Stage-GITBlow Es lässt sich für die kommenden Ergebnisse festhalten: je niedriger der resultierende Wert für Ω, desto homogener liegt die Wanddickenverteilung im Fertigteil vor. Im Rahmen aller Parameterstudien wird mit Gl. 1 jeweils die Wanddickenhomogenität von fünf Bauteilen pro Versuchspunkt berechnet. Im nächsten Schritt wird aus diesen fünf Werten das arithmetische Mittel bestimmt. Zur Beurteilung der Wanddickenreproduzierbarkeit lässt sich an dieser Stelle sagen, dass die maximale Standardabweichung der fünf Ω-Werte pro Versuchspunkt bei 0,08 mm lag. Damit lässt sich eine gute Prozessreproduzierbarkeit detektieren. Für die kommenden Wanddickenerhebungen wurde exemplarisch Messstelle 2 festgelegt. 3 DAS AUFBLASVERHALTEN Auf Basis der verfahrenstechnischen Grundprinzipien aus Kapitel 2 sollen nun die wesentlichen, physikalischen Effekte zum Aufblasverhalten vorgestellt werden. Aus den Effekten werden Annahmen zur Wanddickenhomogenität abgeleitet, die dann mit den experimentellen Ergebnissen in Kapitel 4 verglichen werden. 3.1 Vergleich und Abgrenzung Das Aufblasverhalten im GITBlow-Prozess unterscheidet sich erheblich von den etablierten Aufblasverfahren, wie z.B. dem Streckblasformen oder dem Extrusionsblasformen. Um die wesentlichen Unterschiede zu verdeutlichen, sind in Bild 3.1 zunächst die qualitativen Temperaturverteilungen und die Grundgeometrien des GITBlow-, des Streckblasformund des Extrusionsblasformverfahrens dargestellt. Bild 3.1: Vergleich der qualitativen Temperaturverteilung und der Streckwinkel eines GITBlow-Preforms (rechts) im Vergleich zum Streckblasformen (Mitte) und zum Extrusionsblasformen (links). Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 1 31 © 2012 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Moritzer, Schäfers, Plugge Two-Stage-GITBlow Vier wesentliche Unterschiede können aus Bild 3.1 identifiziert werden: 1. Beim Extrusionsblasformen und beim Streckblasformen erfolgt die Verstreckung der kreisrunden Vorformlinge über 360° in die größere Aufblasgeometrie. Beim GITBlow dagegen wird der Preform über 180° in eine kreissymmetrische Aufblasgeometrie verstreckt. 2. Die GITBlow-Preformgeometrie ist im Gegensatz zu den beiden anderen Vorformlingen nicht kreisrund, sondern glockenförmig. Die Glockenformgeometrie setzt sich dabei aus einem Rechteck und einem Halbkreis zusammen. Diese Geometriefestlegung basiert auf Voruntersuchungen, in denen sich diese Struktur als eine geeignete Grundgeometrie herausstellte. Dreieckige oder viereckige Preformgeometrien konnten dagegen als nur bedingt bis schlecht geeignet bewertet werden [1]. 3. Die Temperaturverteilung über dem Umfang und innerhalb der Wand des Preforms ist aufgrund der Bodenplatte und der vorhandenen größeren Kühlangriffsfläche im Dach nicht homogen. Das Preformdach ist somit immer der Bereich mit dem niedrigsten Temperaturniveau. Das bedeutet, es liegt ein Temperaturgradient zwischen Preformdach und Preformflanke vor. 4. Im Unterschied zum Streckblasformen liegt beim GITBlow-Verfahren am äußeren Rand der Preformwand tendenziell ein niedrigeres Temperaturniveau vor als im Inneren. Aufgrund der aufgeführten geometrischen und thermischen Unterschiede ist die Ausgangssituation beim GITBlow vor dem Aufblasen nicht vergleichbar mit anderen Umformverfahren und somit vollkommen neu. 3.2 Theoretische Annahmen zum Aufblasverhalten Ein möglicher Ansatz, um das tatsächliche Aufblasverhalten im GITBlowProzess vorherzusagen, ist die Betrachtung über Dehndeformationen. Hierbei verfügt der Preform, seinem Temperaturniveau entsprechend, über einen materialspezifischen Widerstand gegen Verformung. Dieser Widerstand muss vom Aufblasdruck überwunden werden, um den Preform zu verstrecken. Je höher das Temperaturniveau und je niedriger die Wanddicke ist, desto geringer fällt der entgegengebrachte Widerstand aus. Diese Zusammenhänge scheinen zunächst trivial. Interessant und komplexer wird die Betrachtung im Zusammenspiel von Temperaturniveau und Temperaturgradient im Preform. Dieses Zusammenspiel soll nun erörtert werden. Mittels der Finiten Differenzen Methode (FDM) wird dafür zunächst die Temperaturverteilung im Preform eindimensional berechnet. Die mit dem Programm Microsoft Excel berechneten Ergebnisse sind für die wesentlichen Prozessphasen in Bild 3.2 dargestellt. Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 1 32 © 2012 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Moritzer, Schäfers, Plugge Bild 3.2: Two-Stage-GITBlow FDM-Temperaturverlaufberechnung über Preformwanddicke (0X) und Prozesszeit Die Berechnung der abgebildeten Temperatur- und Zeitverläufe ist über Hintereinanderschaltung der jeweiligen Randbedingungen möglich: Phase 1 und 2: Konstante Kontaktkühlung über Werkzeuginnenwand bei 60°C Werkzeugtemperatur Phase 3: konvektive Wärmeabfuhr über die ruhende Luft mit einem Wärmeübergangskoeffizienten α = 4,95 W/m2 K Materialkennwerte für PS: Wärmeleitfähigkeit λ = 0,165 W/m K, Wärmekapazität cP = 2290 J/kg K, Dichte ρ = 1030 kg/m3 Die innenliegende Gasblase wird als adiabat angenommen. Während der Werkzeugöffnung (Phase 2 bis Phase 3) dominieren die Wärmeausgleichsvorgänge im Kunststoff im Vergleich zur konvektiven Wärmeabfuhr mit der Luft. Hierdurch erhöht sich die Temperatur in der äußeren Randschicht der Preformwand (Phase 3). Erst durch diese Ausgleichsvorgänge wird ein Aufblasen theoretisch möglich. Dabei sollte sich die Temperaturkurve nach Abschluss der Ausgleichsphase über der materialspezifischen Mindestumformtemperatur befinden. Bild 3.2 unterscheidet darüber hinaus Temperaturverläufe bei drei unterschiedlichen Gasverzögerungszeiten (tv,GIT). Die Gasverzögerungszeit ist die Zeitdauer zwischen Schmelzeinjektion und Gasinjektion. Wichtig bei der Betrachtung der Temperaturkurvenverläufe ist der Hinweis, dass die Kühlzeit (t Kühl) konstant gehalten wird und dabei die Gasverzögerungszeit beinhaltet. Das bedeutet, je höher die Gasverzögerungszeit, desto geringer ist die verbleibende Restkühlzeit. Eine steigende Gasverzögerungszeit führt dabei gleichzeitig zu einer Wanddickenzunahme (x0), einer Wärmeenergiezunahme (aufgrund der ver- Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 1 33 © 2012 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Moritzer, Schäfers, Plugge Two-Stage-GITBlow kürzten Restkühlzeit) und damit zu einer Temperaturniveauerhöhung im Preform. In diesem Zusammenhang wurde für jedes untersuchte Material eine maximale Gasverzögerungszeit tv,GIT,max detektiert. Das bedeutet, ab tv,GIT,max wird der Widerstand für eine Dehndeformation zu groß. Als Zwischenfazit der FDM-Betrachtungen ist anzunehmen, dass die Gasverzögerungszeit zwei Dehndeformationsaspekte beeinflusst (Temperaturniveau und Wanddickenzunahme). Damit zählt die Gasverzögerungszeit sicherlich zu den wichtigen Parametern die das GITBlow-Aufblasverhalten und damit die Wanddickenhomogenität im Fertigteil beeinflussen. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist der Einfluss des physikalischen Zusammenhangs von Temperaturniveau und Temperaturgradient auf die Dehndeformationen im Preform (Gemeint ist hier der Temperaturgradient zwischen Preformdach und Preformflanke). Dieser Zusammenhang wird über einen mit Bild 3.3 dargestellten, theoretischen Ansatz erläutert. Bild 3.3: Einfluss unterschiedlicher Temperaturniveaus und konstanter Temperaturgradienten auf die Bruchdehnung und Bruchfestigkeit bei amorphen Kunststoffen Zunächst wird in Bild 3.3 mit Kenntnis der berechneten FDMTemperaturverläufe aus Bild 3.2 der Fall von zwei unterschiedlichen Preformtemperaturniveaus angenommen (grünes T 1 und T2 = niedriges Temperaturniveau; blaues T1 und T2 = höheres Temperaturniveau). Beide Niveaus liegen innerhalb des beige markierten idealen Umformtemperaturbereichs in Bild 3.3. Der Temperaturgradient wird konstant angenommen. Der Dehndeformationsunterschied Δε nimmt laut Kurvenverlauf bei steigendem Temperaturniveau ab (Δε2 < Δε1). Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 1 34 Two-Stage-GITBlow Mit diesem Ansatz folgt als erste Annahme, dass die Verstreckung im „kälteren“ Preformdachbereich bei einem niedrigen Temperaturniveau nicht bzw. nur minimal erfolgt. Die Verstreckung wird also im Fall von T1T2 (grün) fast ausschließlich aus den wärmeren Preformflanken erfolgen, was zu einer schlechten Wanddickenhomogenität im Fertigteil führen müsste, Bild 3.3 (unten). Dabei wird im Gegensatz dazu im Fall von T 1T2 (blau) die zu erwartende Wanddickenhomogenität verbessert, da sich die temperaturabhängigen Dehndeformationen in Flanke und Dach über ein kleineres Δε angleichen. Auf Basis dieser theoretischen Überlegungen kann angenommen werden, dass die Wanddickenhomogenität im Fertigteil verbessert wird, wenn das Preformtemperaturniveau hoch und der Temperaturgradient zwischen Preformdach und Preformflanke niedrig vorliegen. Eine zweite wichtige Annahme bezieht sich auf den Aufblasdruck; sie stellt sich zusammen mit den postulierten Temperatureinflüssen wie folgt dar. Amorphe Thermoplaste bestehen aus langkettigen Makromolekülen, die im unbelasteten Zustand statistisch ineinander verknäuelt sind. Bei Belastung werden die Moleküle zunächst entknäuelt und dann verstreckt. Je höher die Temperatur ist, desto beweglicher sind die Makromoleküle und umso leichter finden bei Belastung die Entknäuelungsvorgänge statt. Daraus ableitbar ist eine höhere Verformbarkeit. Für den Einfluss der Belastungsgeschwindigkeit gilt: je höher die Belastungsgeschwindigkeit (Aufblasdruck), desto weniger Zeit bleibt bei Belastung für die Entknäuelungsvorgänge. Hierdurch verringert sich die Verformbarkeit. Bild 3.4 fasst den Temperaturansatz aus Bild 3.3 mit der Annahme zum Aufblasdruck am Beispiel von PVC in einem Diagramm zusammen. © 2012 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Moritzer, Schäfers, Plugge Bild 3.4: Abhängigkeit des E-Moduls (hier: des Speichermoduls E’) von der Temperatur und der Belastungsgeschwindigkeit (hier: Messfrequenz) am Beispiel von PVC [6] Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 1 35 Two-Stage-GITBlow Durch die Auftragung in einem 3D-Diagramm werden die Wechselwirkungen zwischen den Einflüssen von Temperatur und Belastungsgeschwindigkeit auf den E-Modul berücksichtigt. Dabei wird die Abhängigkeit des Speichermoduls von Temperatur und Messfrequenz abgebildet. Der Speichermodul E’ ist dabei der Realteil des komplexen E-Moduls E*: * E* * E ´ i E ´´ (Gl. 2) Nach Gleichung 2 berechnet sich dieser als Quotient aus schwingender Spannung σ* und schwingender Dehnung ε* in komplexer Darstellung (die entsprechenden Werte können z.B. mit Torsionsschwingversuchen ermittelt werden). Die Schwingfrequenz der Belastung entspricht der Messfrequenz ν in Bild 3.4 und ist ein Maß für die Belastungsgeschwindigkeit [6]. Der Speichermodul ist ein Maß für die Steifigkeit und für die im Werkstoff gespeicherte wieder gewinnbare Energie bei schwingender Beanspruchung [5]. Nach [8] entspricht er in etwa dem E-Modul bei einmaliger Belastung, zügiger Beanspruchung und reversibler Verformung. Er kann zur Beurteilung des elastischen Materialverhaltens herangezogen werden. Auch in [6] werden Speichermodul und E-Modul analog verwendet. Die Grafik aus Bild 3.4 ist daher geeignet, Veränderungen der GITBlow-Dehndeformationen in Abhängigkeit von Temperatur und Belastungsgeschwindigkeit qualitativ zu beschreiben. Beide Annahmen zur Preformdehndeformation können nun auf einen ersten, qualitativen Zusammenhang gebracht werden: Preformdehndeformationen sind abhängig von: - Temperaturniveau im Preform - Temperaturgradient zwischen Preformdach und -Flanke - Wanddickenverteilung im Preform - Aufblasdruck Die theoretischen Annahmen sollen nun mit den experimentellen Befunden verglichen und überprüft werden. © 2012 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Moritzer, Schäfers, Plugge Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 1 36 © 2012 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Moritzer, Schäfers, Plugge 4 Two-Stage-GITBlow BEEINFLUSSENDE PROZESSGRÖßEN AUF DIE WANDDICKENHOMOGENITÄT IM FERTIGTEIL Die nachfolgende Abbildung 4.1 gibt erneut den Weg vom Spritzgießteil zum GIT-Preform und zum GITBlow-Fertigteil wieder. Anders als in Bild 1.2 wurde das Prozessschema jedoch um weitere Details erweitert. So sind jetzt jedem Prozessschritt seine jeweiligen, vorgestellten Eigenschaften zugeordnet. Bild 4.1: GITBlow-Prozessschema Die wesentlichen der in Bild 4.1 gezeigten Einflussparameter werden im Folgenden aufgeschlüsselt und im Zuge der in 3.2 getroffenen Annahmen analysiert. Die Reihenfolge der Aufschlüsselung erfolgt in Abhängigkeit des indirekten bzw. direkten Einflusscharakters auf die Wanddickenhomogenität; siehe farbliche Abgrenzung in Bild 4.1. 4.1 Wesentliche Verfahrensparameter mit indirektem Einfluss auf die Wanddickenhomogenität im Fertigteil 4.1.1 Einfluss der Gasverzögerungszeit (tv,GIT) Wie bereits in Bild 3.2 gezeigt, vergrößert eine verlängerte Gasverzögerungszeit sukzessiv die Preformwanddicken. Die Ergebnisse werden in Bild 4.2 detaillierter dargestellt. Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 1 37 Bild 4.2: Two-Stage-GITBlow Einfluss der Gasverzögerungszeit auf die Wanddicke im Preform und im Fertigteil Die Wanddickenzunahme im Preform entspricht dabei den Befunden der GITLiteratur [2,3,7]. Ursache ist die Viskositätserhöhung aufgrund sinkender Temperaturen bei ansteigender Gasverzögerungszeit. Die Fertigteil-Wanddickenverteilung wiederum liegt exemplarisch bei einer 4sekündigen Gasverzögerungszeit homogener vor als bei einer 3-sekündigen Gasverzögerungszeit. Hierdurch bestätigt sich die erste getroffene Annahme aus Kapitel 3.2, Bild 3.3: bei steigender Gasverzögerungszeit wird, aufgrund des höheren Temperaturniveaus, der Dehndeformationsunterschied zwischen Preformflanke und Preformdach angeglichen und damit die Wanddickenhomogenität verbessert. Um die FDM-Berechnungen zur Temperaturniveauerhöhung bei steigender Gasverzögerungszeit aus Kapitel 3.2 zu überprüfen wurden Wärmebilder aufgenommen. Bild 4.3 zeigt die Ergebnisse. © 2012 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Moritzer, Schäfers, Plugge Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 1 38 © 2012 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Moritzer, Schäfers, Plugge Bild 4.3: Two-Stage-GITBlow Wärmebildfotos des Preforms nach einer konvektiven Abkühlzeit von 60 Sekunden bei variierter Gasverzögerungszeit Bei Betrachtung der Restwärmeunterschiede zwischen drei unterschiedlichen Gasverzögerungszeiten in Bild 4.3 lässt sich mit Hilfe der angegebenen Temperaturskala eine erhöhte Restwärme bei 4 Sekunden Gasverzögerungszeit detektieren. Die Temperaturunterschiede entsprechen damit qualitativ den berechneten Ergebnissen aus der FDM in Bild 3.2. Beide Befunde, sowohl der gezeigte Temperaturniveauanstieg bei ansteigender Gasverzögerungszeit als auch die dadurch resultierende verbesserte Wanddickenhomogenität, beweisen die in Kapitel 3 getroffene Annahme. Die prozesstechnische Relevanz der Gasverzögerungszeit in Wechselwirkung mit direkten Einflussparametern zeigt sich in Kapitel 4.2. 4.1.2 Einfluss der Werkzeug- und Massetemperatur (TW, TM) In der Spritzgießliteratur findet sich eine Zusammenfassung verschiedener Parameteruntersuchungen zur Restwanddicke in einem GIT-Bauteil. Dort konnte für den Parameter der Werkzeugtemperatur kein relevanter Einfluss festgestellt werden [2]. In den experimentellen Befunden zur Restwanddickenverteilung im GITBlow-Preform stellt sich die Situation differenzierter dar. Bild 4.4 zeigt den Befund. Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 1 39 © 2012 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Two-Stage-GITBlow 3,5 Durchschnittliche Wanddicke [mm] Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Moritzer, Schäfers, Plugge 3 2,5 TW = 40°C (Preform) 2 TW = 40°C (Fertigteil) 1,5 TW = 60°C (Preform) 1 TW = 60°C (Fertigteil) 0,5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Messstelle [Nr.] Bild 4.4: Einfluss der Werkzeugtemperierung auf die Wanddickenverteilung im Preform und Fertigteil (Styrolux 656 C) Zunächst können bei Betrachtung der Messstellen 5 bis 12 bei Variation der Werkzeugtemperaturen von 40°C auf 60°C keine Unterschiede in den Restwanddicken des Preforms festgestellt werden. Anders verhält es sich bei den Messstellen 1 bis 4 und 13 bis 17. Hier sind die Wanddicken bei einer Werkzeugtemperierung von 40°C deutlich dicker als bei einer 60°C Temperierung. Die wesentliche Aussage in Bild 4.4 ist, dass durch eine höhere Werkzeugtemperatur eine deutliche Verbesserung der Wanddickenhomogenität im Fertigteil realisiert werden kann. Dies bekräftigt nach Kapitel 4.1.1 (Gasverzögerungszeit) erneut die Annahmen zu den temperaturniveauabhängigen Dehndeformationen aus Kapitel 3.2. Der Temperaturniveaueinfluss vor dem Aufblasen des Preforms wird bei Betrachtung der Massetemperatureinflüsse ein weiteres Mal bestätigt, Bild 4.5. Bild 4.5: Einfluss der Massetemperatur auf die Wanddickenverteilung Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 1 40 Two-Stage-GITBlow 4.1.3 Einfluss der Materialviskosität Die Untersuchungen zum Einfluss der Materialviskosität werden exemplarisch an zwei Materialien dargestellt: Polystyrol 495F (PS) und Styrolux 656C (SBS). In Tabelle 4.1 findet sich ein Materialdatenvergleich. Tabelle 4.1: Materialdaten für PS und SBS im Vergleich Im Vergleich der beiden ausgesuchten Materialien fällt auf, dass lediglich der MVR nennenswerte Unterschiede aufzeigt. Bei der Betrachtung der Materialviskositätseinflüsse ist jedoch nicht der MVR entscheidend, sondern vielmehr die Nullviskosität, d.h. die Viskosität bei nicht vorhandener Scherung. Dies lässt sich damit begründen, dass sich der Preform vor dem Aufblasvorgang in einem ruhenden Zustand befindet. Die Approximation der Nullviskosität erfolgt in Bild 4.6 mittels linearer Extrapolation der im HKR detektierten Messwerte. © 2012 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Moritzer, Schäfers, Plugge Bild 4.6: Viskositätskurven für PS und SBS (bei einer Temperatur von 230°C) Die Darstellung zeigt, dass die Nullviskosität von PS deutlich über der von SBS liegt. Die Auswirkungen dieser Viskositätsunterschiede zeigt Bild 4.7. Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 1 41 © 2012 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Moritzer, Schäfers, Plugge Bild 4.7: Two-Stage-GITBlow Wanddickenverteilung über Preform- und Fertigteilumfang Der Wanddickenverlauf des PS-Preforms liegt über dem Dickenverlauf des SBS-Preforms. Damit geht einher, dass der Fließwiderstand im GIT-Prozess bei hochviskosen Materialien größer ist als bei niedrigviskoseren Materialien. Der Wanddickenverlauf im Fertigteil zeigt, dass die resultierende Wanddickenhomogenität bei Polystyrol besser ist als bei Stryrolux. Um eine Aussage treffen zu können, wie: „je hochviskoser ein Material ist, umso homogener fällt die Wanddickenverteilung im GITBlow-Fertigteil aus“, müssen weitere Materialien untersucht werden. Eine allgemeingültige Aussage kann an dieser Stelle noch nicht getroffen werden. Es werden jedoch erste bestätigende Tendenzen dieser Aussage im Zusammenhang mit dem Aufblasdruck in Kapitel 4.2.2 aufgeführt. 4.2 Wesentliche Verfahrensparameter mit direktem Einfluss auf die Wanddickenverteilung im Fertigteil Die bislang aufgeführten Parametereinflüsse in Kapitel 4.1 determinieren die Eigenschaften des Spritzgussteils bzw. die Eigenschaften des GIT-Preforms und verändern damit „indirekt“ die Wanddickenhomogenität im Fertigteil. In diesem Kapitel werden die wesentlichen „direkten Einflussparameter“ analysiert, die aufbauend auf den Eigenschaften des GIT-Preforms unmittelbar zur resultierenden Wanddickenhomogenität im Fertigteil beitragen. Gleichzeitig sind die jeweiligen Wechselwirkungen zur Gasverzögerungszeit abgebildet, da sich dieser Einflussparameter sowohl von seiner Einflussstärke, als auch von seiner guten, prozesstechnischen Einstellbarkeit von allen anderen indirekten Parametern deutlich abhebt. 4.2.1 Einfluss der Handling- und Kühlzeit (tHandling, tKühl) In Bild 4.8 wird der Einfluss einer variierten Handlingzeit auf die Wanddickenhomogenität im Fertigteil deutlich. Die Handlingzeit umfasst dabei die Zeit der Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 1 42 © 2012 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Moritzer, Schäfers, Plugge Two-Stage-GITBlow Werkzeugöffnung, d.h. die Zeit in der im Preform ein Wärmeausgleich stattfindet (siehe erneut GITBlow-Prozessablauf in Kapitel 2.1). Bild 4.8: Einfluss der Handlingzeit in Abhängigkeit zur Gasverzögerungszeit (tv,GIT) Mit Bild 4.8 zeigt sich, dass eine Handlingzeit von 20 Sekunden die Wanddickenhomogenität im Vergleich zu einer Handlingzeit von 30 Sekunden verbessert. Dies ist gerade auch aus wirtschaftlicher Sicht interessant, da sich neben der verbesserten Wanddickenhomogenität durch eine verkürzte Prozesszeit auch die Herstellkosten eines GITBlow-Bauteils reduzieren lassen. Bild 4.9: Einfluss der Kühlzeit in Abhängigkeit zur Gasverzögerungszeit (tv,GIT) Noch deutlicher ist jedoch der Einfluss der Kühlzeit im Zusammenspiel mit der Gasverzögerungszeit, Bild 4.9. Je kürzer die Kühlzeit, desto besser ist die Wanddickenhomogenität. Dies belegt ein weiteres Mal die in Kapitel 3.2 getroffZeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 1 43 © 2012 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Moritzer, Schäfers, Plugge Two-Stage-GITBlow ene erste Annahme, über die Dehndeformationsunterschiede bei steigendem Temperaturniveau im Preform. Die Kühlzeit liegt mit 22 Sekunden auf ihrem Minimum. Unterhalb von 22 Sekunden ist die Formstabilität des Preforms nicht gegeben. Erwähnenswert ist außerdem, dass sowohl in Bild 4.8 als auch in Bild 4.9 eine steigende Gasverzögerungszeit zu einer positiven Wechselwirkung mit den untersuchten Einflussparametern führt. 4.2.2 Einfluss des Aufblasdruckes (pBlow) Im Rahmen der durchgeführten experimentellen Untersuchungen wurden Aufblasdrücke von 2, 5, 10, 15, 20, 30, 40 und 50 bar geschaltet. Das Spektrum der Drücke genügt somit den Aufblasdrücken, die beim Blasformen verwendet werden [4,11]. Die folgenden experimentellen Befunde in Bild 4.10 zeigen die Ergebnisse. Bild 4.10: Einfluss verschiedener Aufblasdrücke links: rechts: bei unterschiedlichen Verzögerungszeiten bei unterschiedlichen Materialien Es bestätigt sich die zweite Annahme aus Kapitel 3.2. Ein niedriger Aufblasdruck führt zu einer besseren Verformbarkeit und demnach zu einer homogeneren Fertigteilwanddicke. Weiterhin kann der in Kapitel 4.1.3 dargestellte Vergleich der PS- und SBSNullviskositäten an dieser Stelle wieder aufgenommen werden. Die Wanddickenhomogenitäten von PS in Bild 4.10 (rechts), mit einer deutlich höheren Nullviskosität als SBS, sind bei allen Drücken auf einem niedrigeren Niveau und damit homogener. Der Einfluss des Aufblasdruckes kann abschließend mit Bild 4.11 komplettiert werden. Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 1 44 © 2012 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Moritzer, Schäfers, Plugge Two-Stage-GITBlow Bild 4.11: Übersicht - Aufblasdruckeinfluss in Kombination mit variierter Gasverzögerungszeit (am Beispiel von Polystyrol) Es zeigt sich, dass sich die Tendenzen von niedrigen Aufblasdrücken und hohen Gasverzögerungszeiten tendenziell über alle untersuchten Versuchspunkte gleichermaßen positiv auswirken. 5 ANALYSE ZUR VERGLEICHBARKEIT DER PARAMETER-ABHÄNGIGEN WANDDICKENHOMOGENITÄT (BEISPIEL: POLYSTYROL 495F) Bisher wurden in Kapitel 3 die wesentlichen Grundüberlegungen zur Wanddickenhomogenität aufgeführt. Die dort getroffenen Annahmen konnten durch die experimentell ermittelten Befunde in Kapitel 4 bestätigt werden. Abschließendes Ziel ist es, die unterschiedlichen Prozesseinflussgrößen des komplexen, dreistufigen Prozessschemas, Bild 1.2 und Bild 4.1, mit der Wanddickenhomogenität in einen Gesamtzusammenhang zu bringen. Über den Gesamtzusammenhang sollen vergleichbare Aussagen zur Parametereinflussstärke getroffen werden. In einem ersten Schritt werden dazu die in Kapitel 4 detektierten Einflüsse mit allen übrigen Parametereinflüssen in Bild 5.1 zusammengefasst. Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 1 45 Bild 5.1: Two-Stage-GITBlow Dreistufiges Prozessschema - Zusammenfassung der Einflüsse Die in Kapitel 3 getroffene Aufteilung der Parameter in indirekten und direkten Einfluss auf die Zielgröße „Wanddickenhomogenität“ wird an dieser Stelle in Bild 5.1 wieder aufgegriffen. So wird die Einteilung in indirekte und direkte Parametereinflüsse jetzt auf die in Bild 5.2 dargestellten Zwischenzielgrößen bezogen. © 2012 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Moritzer, Schäfers, Plugge Bild 5.2: Zwischenzielgrößen a und b Dabei beziehen sich die indirekten Parameter auf den Anstieg oder die Verringerung von Stelle a (Preformdach) und die direkten Parameter auf den Anstieg oder die Verringerung von Stelle b (Fertigteildach). In Bild 5.1 wird exemplarisch jeweils von einem Anstieg der Parameter ausgegangen, wobei sich der daraus ergebende Einfluss über Pfeile darstellt. Durch den Einsatz der Zwischenzielgrößen a und b wird das ursprüngliche Prozessschema aus Bild 1.2 erheblich vereinfacht. Diese Vereinfachung wird nun im Detail erläutert. Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 1 46 © 2012 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Moritzer, Schäfers, Plugge Two-Stage-GITBlow Zunächst wird in Bild 5.3 die Korrelation der Wanddickenhomogenität im Fertigteil und der Fertigteilwanddicke b überprüft. Bild 5.3: Zusammenhang von b zur Wanddickenhomogenität im Fertigteil (am Beispiel von Polystyrol) Durch die vorliegende, deutliche Korrelation zwischen beiden Werten können die in Kapitel 3 und 4 beschriebenen Zusammenhänge zum Aufblasverhalten bestätigt werden. Das bedeutet allgemein, je kleiner die Wanddicke an Stelle b, desto homogener liegt die Wanddicke im Fertigteil vor. Die in Bild 5.3 gewählten Parameterkombinationen Gasverzögerungszeit (tv,GIT) und Aufblasdruck (pBlow) sind exemplarisch ausgewählt worden. Die Korrelation gilt darüber hinaus für alle in Bild 5.1 aufgeführten direkten Parameter. Ausgehend von der beschriebenen Korrelation zwischen b und der Wanddickenhomogenität muss nun eine Beziehung gefunden werden, die auch die Zwischenzielgröße a beinhaltet. Nur durch eine geeignete Beziehung der Zwischenzielgrößen a und b kann das Prozessschema im Ganzen vereinfacht und beschrieben werden. Die Lösung besteht darin, aus der Wanddicke b und der Wanddicke a einen Quotienten zu bilden. Dieser Quotient wird an dieser Stelle als Dachwanddickenverhältnis definiert. Bild 5.4 zeigt das Ergebnis. Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 1 47 © 2012 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Moritzer, Schäfers, Plugge Bild 5.4: Two-Stage-GITBlow Zusammenhang vom Dachwanddickenverhältnis zur Wanddickenhomogenität im Fertigteil (am Beispiel von Polystyrol) Das dimensionslose Dachwanddickenverhältnis (b/a) in Bild 5.4 verändert im Vergleich zum Bild 5.3 die Position der Datenpunkte. Durch die sich ergebende Anordnung der Datenpunkte kann eine logarithmische Trendlinienfunktion bestimmt werden, die erste qualifizierte Aussagen über die Einflussstärke der hier vorliegenden Gasverzögerungszeit und dem Aufblasdruck zulassen. So nimmt der positive Einfluss eines sinkenden Aufblasdruckes bei höherer Gasverzögerungszeit ab. Für die Wanddickenhomogenität Ω gilt im vorliegenden Fall die Approximationsgleichung: f b a 0,6 ln b a 6 (Gl. 3) Die demnach erreichbare Wanddickenhomogenität für Polystyrol liegt bei 0,18mm (bei detektierten, optimalen Rahmenbedingungen und einem konstanten Aufblasgeometrieradius von 7mm). Um das Wanddickenoptimum (f(b/a)=0) zu erreichen, müsste das Dachwanddickenverhältnis für diesen Radius nach der vorliegenden Gleichung (Gl. 3) bei ca. 0,41 liegen. Ohne die Integration von z.B. variothermer Werkzeugtechnik ist ein solches Verstreckverhältnis zurzeit nicht zu erreichen. Allgemein formuliert, vereinheitlicht das Dachwanddickenverhältnis (b/a) alle in Bild 5.1 abgebildeten Einflussgrößenkombinationen für einen fixen Aufblasradius. Dabei nimmt es die postulierten indirekten Einflüsse über die Wanddicke a auf und setzt es mit den direkten Aufblasparametern zur Resultierenden b ins Verhältnis. Je niedriger der Wert des Dachwanddickenverhältnis, desto größer Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 1 48 Two-Stage-GITBlow ist die Verstreckung vom Preformdach zum Fertigteildach und desto besser liegt die Wanddickenhomogenität im Fertigteil vor. Die Einflussstärke ist dabei in Abhängigkeit von der Trendliniensteigung, der Trendlinienposition und der Datenpunktabstände zu begutachten. Je größer die Trendliniensteigung und je näher die Abszissen-Positionierung zum Nullpunkt, desto stärker und positiver sind die Parametereffekte für eine homogene Fertigteilwanddicke. Über den Grad der Streuung der jeweiligen fünf Datenpunkte pro Parametereinstellung kann zudem eine schnelle Aussage zur Reproduzierbarkeit getroffen werden. 6 FAZIT UND AUSBLICK Mit Hilfe der gezeigten Dachwanddickenzusammenhänge können die praktischen Verfahrensgrenzen jeder GITBlow-Parameterkombination für jedes Material auf die erreichbare Wanddickenhomogenität dargestellt und verglichen werden. Durch die Variation des Parameters „Streckweg“ (Differenz zwischen Preformaussenradius und Fertigteilaussenradius) sowie über die Befunde weiterer amorpher und teilskristalliner Materialien können die Informationen zum Wanddickeneinfluss komplettiert werden. Die Informationen sind von grundlegender Bedeutung für eine zukünftige Modellbildung. Aus der Modellbildung sollen konkrete GITBlow-Auslegungsrichtlinien und Gestaltungsvorschriften abgeleitet werden. Darüber hinaus bilden die dargestellten Gesamtzusammenhänge zur Wanddickenanalyse die Grundlage für anstehende Untersuchungen, in denen variotherme Werkzeugtechniken integriert werden. Durch die Integration soll der Temperaturhaushalt im Preform prozessoptimal beeinflusst werden. Dabei kann mit Hilfe der vorliegenden Korrelationen das Optimierungspotential der variothermen Werkzeugtechnik abgeschätzt werden. © 2012 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Moritzer, Schäfers, Plugge Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 1 49 © 2012 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Moritzer, Schäfers, Plugge Two-Stage-GITBlow Literatur [1] [2] [3] Potente, H.; Schöppner, V.; Schäfers, M. 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Carl Hanser Verlag, München, 2006 Springer-Verlag, Heidelberg, 2008 Springer-Verlag, Heidelberg, 2005 Hanser Verlag, München 2003 [8] Ehrenstein, G.W.; Praxis der thermischen Analyse von Kunststoffen Riedel, G.; Hanser-Verlag, München, 2003 Trawiel, P. [9] Michaeli, W.; Gründler, M.; Neuss, A. Verfahrensgerechte Werkzeuggestaltung bei der Wasserinjektionstechnik Zeitschrift „GAK“, Ausgabe 5/2011, Dr. Gupta Verlag, Ratingen, 2011 Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 1 50 [10] Kurz, R. Two-Stage-GITBlow Hohlraum spülen, schneller kühlen Kunststoffe, Ausgabe 11/2010, Carl Hanser Verlag, München, 2010 [11] Schmidt, F.M.; Agassant, J.F.; Bellet, M. Experimental Study and Numerical Simulation of the Injection Stretch/Blow Molding Process [12] Liu S.-J. Water Assisted Injection Molding: A Review Online-Veröffentlichung, Polymer Engineering & Science, September 1998, S. 1399-1412 Intern. Polymer Processing XXIV, Carl Hanser Verlag, München, 2009 [13] Beine, J. Innovationen im Thermoformen Kunststoffe, Ausgabe 10/2003, Carl Hanser Verlag, München, 2003 Stichworte: GITBlow, Gasinjektionstechnik, Wanddickenanalyse, Wanddickenverteilung Keywords: GITBlow, Gas-Injection-Technique (GIT), wall thickness analysis, wall thickness distribution © 2012 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Moritzer, Schäfers, Plugge Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 1 51 © 2012 Carl Hanser Verlag, München www.kunststofftech.com Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern. Moritzer, Schäfers, Plugge Autoren: Prof. Dr.-Ing. Elmar Moritzer Dr.-Ing. Martin Schäfers Dipl.-Wirt.-Ing. Thorsten Plugge Kunststofftechnik Paderborn (KTP) Universität Paderborn Warburger-Straße Nr. 100 33098 Paderborn Herausgeber/Editor: Europa/Europe Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Gottfried W. Ehrenstein, verantwortlich Lehrstuhl für Kunststofftechnik Universität Erlangen-Nürnberg Am Weichselgarten 9 91058 Erlangen Deutschland Phone: +49/(0)9131/85 - 29703 Fax.: +49/(0)9131/85 - 29709 E-Mail-Adresse: [email protected] Verlag/Publisher: Carl-Hanser-Verlag Jürgen Harth Ltg. Online-Services & E-Commerce, Fachbuchanzeigen und Elektronische Lizenzen Kolbergerstrasse 22 81679 Muenchen Tel.: 089/99 830 - 300 Fax: 089/99 830 - 156 E-mail-Adresse: [email protected] Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 1 Two-Stage-GITBlow E-Mail-Adresse: [email protected] Webseite: www.ktpweb.de Tel.: +49(0)5251/60-2300 Fax: +49(0)5251/60-3821 Amerika/The Americas Prof. Prof. h.c Dr. Tim A. Osswald, responsible Polymer Engineering Center, Director University of Wisconsin-Madison 1513 University Avenue Madison, WI 53706 USA Phone: +1/608 263 9538 Fax.: +1/608 265 2316 E-Mail-Adresse: [email protected] Beirat/Editorial Board: Professoren des Wissenschaftlichen Arbeitskreises Kunststofftechnik/ Professors of the Scientific Alliance of Polymer Technology 52