- PME Fluidtec GmbH

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■ SPRITZGIESSEN
Die Fließspirale des
WIT-Versuchsbauteils
(Bilder: IKV)
Restwanddicken
transparent gemacht
Fluidinjektionstechnik. Die Materialverteilung ist bei der Fluidinjektionstechnik
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eines der wichtigsten Qualitätskriterien. Die Restwanddicke hat entscheidenden
Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften eines Kunststoff-Hohlkörpers und legt
bei Medienleitungen unmittelbar die Fläche des Strömungsquerschnitts fest. Neben
den Prozessparametern und der Bauteilgeometrie spielen die Materialeigenschaften der verwendeten Polymere eine wichtige Rolle bei der Ausbildung der Restwanddicke. Der Beitrag betrachtet deren Einfluss genauer.
WALTER MICHAELI
CHRISTOPH LETTOWSKY
OLIVER GRÖNLUND
ie Fluidinjektionstechnik (FIT), genauer gesagt die Gas- (GIT) und die
Wasserinjektionstechnik (WIT),
ermöglicht es, durch gezieltes Einspritzen
von Gas oder Wasser Hohlräume in
schmelzeförmigen Bereichen eines
Spritzgussbauteils zu erzeugen, indem
das Fluid die Schmelzeseele in zunächst
ungefüllte oder zusätzlich geöffnete
Kavitätsbereiche verdrängt. Die Restwanddicke (RWD) eines auf diese Weise
hergestellten Kunststoff-Hohlkörpers
D
82
resultiert aus dem Prozess der Formteilbildung, einer so genannten passiven
Zweikomponenten-Strömung von zwei
nicht vermengten Fluiden. Diese Strömungsform entsteht durch eine zeitlich
versetzte Injektion der zweiten Komponente, die durch die vorgelegte erste
Komponente strömt und diese verdrängt.
Materialabhängigkeit der
Restwanddicke
In der Vergangenheit wurden zahlreiche
Untersuchungen zum Verdrängungsverhalten von Fluiden durchgeführt, die
nacheinander einen rechteckigen Fließ-
kanal (Hele-Shaw-Zelle) oder ein Kapillarrohr durchströmen. Die Materialeigenschaften des verdrängten Fluids haben einen wesentlichen Einfluss auf die
Zweikomponenten-Strömung. Dazu zählen die Scherviskosität, die Strukturviskosität, die elastischen Eigenschaften wie
Normalspannungsdifferenzen, die Dehnviskosität, Fließgrenzen sowie Grenz- und
Oberflächenspannungen [1, 2]. Bild 1
fasst die Erkenntnisse über den Einfluss
der Materialeigenschaften zusammen, die
anhand von Modellfluiden in einem Kapillarrohr gewonnen wurden. Die Pfeilrichtung zeigt an, ob ein Parameter die
RWD erhöht oder reduziert.
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Kunststoffe 6/2005
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Materialien mit höherer Temperaturleitfähigkeit weisen tendenziell größere
RWD auf, da bei ihnen dickere erstarrte
Randschichten vorliegen. Bei einem Bauteildurchmesser größer 20 mm ist die
erstarrte Randschicht gegenüber der
gesamten RWD und damit auch der Einfluss der Temperaturleitfähigkeit zu vernachlässigen. Um Umschaltmarkierungen zu vermeiden, werden beim Aufblasverfahren möglichst kurze Verzögerungszeiten angestrebt, so dass sich nur
sehr dünne erstarrte Randschichten ausbilden können. Mit dem Ausblasverfahren lassen sich höhere Verweilzeiten realisieren und somit in begrenztem Maße
größere RWD einstellen.
Der Einfluss der rheologischen Materialeigenschaften auf die RWD wurde für
die WIT bisher nicht systematisch untersucht, die publizierten Untersuchungen
Aufbau des Kapillarrohr-Verdrängungsversuchs
*
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Bild 1. Aufbau eines Verdrängungsversuchs in einem Kapillarrohr und rheologische Einflussgrößen
auf die Restwanddicke bei einer passiven Zweikomponenten-Strömung, wie sie mit Modellfluiden
bestimmt wurden (*Eigenschaften der verdrängten Schmelze)
Versuchsformteil und Messstellen der RWD
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Bild 2. Das verwendete Versuchsformteil hat eine Fließweglänge von 500 mm. Die Restwanddicke
wird an sechs Messstellen entlang des Fließwegs bestimmt
MFI230°C/2,16kg [10 g/min] Werkstoff
#
Hersteller
Bezeichnung
1
Atofina
PPH 3060
1,9
Polypropylen
2
Atofina
PPH 9060
25
Polypropylen
3
Atofina
PPH 9099
25
Polypropylen
4
Atofina
PPR 3260
1,8
Polypropylen
5
Atofina
PPR 3261
1,8
Polypropylen
6
Atofina
PPR 9220
20
Polypropylen
7
Borealis
HC600TF
2,8
Polypropylen
8
Borealis
WB130HMS
2,1
Polypropylen
9
Borealis
WF420HMS
22
Polypropylen
10
ExxonMobil
EXP 058
25
Polypropylen
–
Clariant
Cesastat PPA0025604
–
Antistatikum
–
Clariant
Hostastat HS1FF
–
Antistatikum
Tabelle 1. Überblick über die verwendeten Polypropylen-Typen und Antistatika
Kunststoffe 6/2005
für die GIT widersprechen sich teilweise.
In diesem Artikel wird die Ausbildung der
RWD bei Anwendung des GIT- und des
WIT-Verfahrens an einer 500 mm langen
Fließspirale diskutiert [2]. Das Formteil
und die sechs Messstellen entlang des
Fließwegs sind in Bild 2 dargestellt. Die
RWD wird jeweils an zwei Stellen eines
Querschnitts bestimmt und gemittelt. Die
Untersuchungen zur GIT werden mit
dem Airmould-System der Battenfeld
Spritzgießtechnik GmbH, Meinerzhagen,
durchgeführt. Der Gasdruck beträgt dabei 30 bar. Die WIT-Versuche werden mit
einer am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV), Aachen, entwickelten Anlage
durchgeführt, die eine volumenstromgesteuerte Wasserinjektion ermöglicht. Der
Wasservolumenstrom beträgt 26 l/min.
Die übrigen Prozessparameter, wie Massetemperatur (T = 240 °C), Einspritzgeschwindigkeit (v = 120 cm3/s) und Verzögerungszeit (3 s) werden bei allen GIT-/
WIT-Versuchen konstant gehalten.
Aufbauend auf der Erkenntnis, dass die
Scherviskosität, die Strukturviskosität, die
Dehnviskosität, die Elastizität eines Materials und die Grenzflächenspannungen
zwischen dem treibenden und getriebenen
Fluid die Ausbildung der RWD bei einer
Zweikomponenten-Strömung entscheidend beeinflussen, sind gezielt Polypropylene (Tabelle 1) mit unterschiedlichen rheologischen Eigenschaften ausgewählt und
untersucht worden. Die am Hochdruckkapillarrheometer ermittelten Viskositätskurven der Materialien werden dabei
durch den Carreau-Ansatz approximiert:
V
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Abhängigkeit der Restwanddicke
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Bild 3. Die Restwanddicke sinkt mit zunehmender Scherviskosität und zunehmender Strukturviskosität sowohl bei der GIT als auch bei der WIT
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Abhängigkeit der Restwanddicke
sinkenden RWD einher wie eine steigende Strukturviskosität.
Die Versuche deuten darauf hin, dass
die Ausbildung der RWD vom Geschwindigkeitsprofil der verdrängten
Polymerschmelze beeinflusst wird. Blockförmige Strömungsprofile führen demnach zu geringeren RWD. Strömungsprofile, die ein ausgeprägtes Geschwindigkeitsmaximum in der Kanalmitte und
deutlich geringere Geschwindigkeiten zur
Kanalwand hin aufweisen, haben hingegen größere RWD zur Folge. Dies stimmt
mit den Beobachtungen aus Versuchen
mit Modellfluiden überein. Eine höhere
Schmelzeelastizität verbessert die Reproduzierbarkeit des GIT-Prozesses, erlaubt
die Ausbildung gleichmäßigerer Hohlräume und erhöht die RWD [3]. Die
durchgeführten GIT-/WIT-Versuche bestätigen, dass ein steigender Speichermodul G’, der das elastische Materialverhalten charakterisiert, auch die RWD zunehmen lässt.
Derselbe Einfluss wird bei Versuchen
im Kapillarrohr mit Modellfluiden beobachtet. Ergebnisse aus Versuchen mit einer Hele-Shaw-Zelle zeigen, dass das elastische Verhalten eine Normalspannung
auf der Blasenoberfläche erzeugt, die den
resultierenden Blasenradius verkleinert.
Ein ähnlicher Effekt könnte auch bei GIT
und WIT vorliegen. Eine steigende Dehnviskosität erhöht in den vorgestellten Untersuchungen die RWD. Der Vergleich der
Versuche zeigt, dass bei der vorliegenden
Formteilgeometrie (D = 20 mm) die WIT
bei allen mit Ausnahme eines Materials
geringere RWD verzeichnet als die GIT
(Bild 5).
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Bild 4. Die Restwanddicke steigt mit zunehmender Schmelzeelastizität (Speichermodul) und zunehmender Dehnviskosität sowohl bei der GIT als auch bei der WIT
Hierbei beschreibt η die Viskosität
[Pa · s],
die Schergeschwindigkeit
[1/s], A die Nullviskosität [Pa · s], B [s]
die so genannte reziproke Übergangsgeschwindigkeit und C [–] die Steigung
der Viskositätskurve im strukturviskosen Bereich für
→ ∞. Die Scherviskosität der unterschiedlichen Materialien wird bei der repräsentativen
Schergeschwindigkeit (im Falle der
Versuchsgeometrie
)verglichen.
Die Höhe der Strukturviskosität
wird durch den Parameter C beschrieben, wobei mit zunehmenden
Werten von C die Strukturviskosität
steigt.
84
Unterschiede zwischen
GIT und WIT
In den Bildern 3 und 4 sind die Restwanddicken der GIT-/WIT-Versuche an
der Messstelle 2 über den rheologischen
Werten der untersuchten Materialien
dargestellt. Dass die RWD von den rheologischen Materialeigenschaften abhängen, ist klar ersichtlich; ebenso, dass die
Unterschiede zwischen den einzelnen
Materialien bei der WIT erheblich
größer sind als bei der GIT. Die Tendenzen zu niedrigen oder hohen RWD der
einzelnen Materialien sind jedoch bei
beiden Verfahren gleich. Eine steigende
Scherviskosität geht ebenso mit einer
Antistatika und der Einfluss
von Grenzflächeneffekten
Mit dem Einsatz von Antistatika, die die
Grenzflächenspannung zwischen Polymerschmelze und Wasser herabsetzen,
wird am IKV der Einfluss von Grenzflächeneffekten auf die Ausbildung der
RWD untersucht. Dafür wird das Material Borealis HC600TF verarbeitet. Die-
i
Institut
Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV)
an der RWTH Aachen
Pontstraße 49
D-52062 Aachen
Tel. +49 (0) 2 41/80-93806
Fax +49 (0) 2 41/80-92262
www.ikv-aachen.de
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ses Material hat sich in den vorhergehenden Versuchen als besonders gut geeignet
für den GIT- und den WIT-Prozess herausgestellt. Um ausschließen zu können,
dass sich durch die Zugabe des Antistatikums neben der Grenzflächenspannung
auch andere, beispielsweise rheologische
Materialeigenschaften ändern und die
Ausbildung der Restwanddicke beeinflussen, wird das Material mit und ohne
Zugabe des Antistatikums nach einmaliger Verarbeitung granuliert und bei
230°C im Hochdruckkapillarrheometer
sowie im Rotationsrheometer vermessen.
Beim Vergleich dieser beiden in Bild 6
dargestellten Messungen ist ersichtlich,
dass die übrigen Materialeigenschaften
nicht nennenswert beeinflusst werden.
Etwaige Effekte können damit allein auf
die Änderung der Grenzflächenspannung
zurückgeführt werden. Die Zugabe des
Antistatikums setzt die Grenzflächenspannung herab. Die Änderung der
Grenzflächenspannung zwischen Wasser
und Polymerschmelze sowie Gas und Polymerschmelze zu quantifizieren, war jedoch nicht möglich.
Insgesamt werden drei verschiedene
Kombinationen mit der WIT und zwei
verschiedene Kombinationen mit der
GIT untersucht. Bei der WIT werden
Vergleich der Restwanddicke bei GIT und WIT
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Bild 5. Die Grafik zeigt, wie die aus den sechs Messstellen entlang des Fließwegs gemittelte
Restwanddicke von Material und Verfahren abhängt. Die WIT führt im Vergleich zur GIT – mit einer
Ausnahme (WB130 HMS) – bei allen verwendeten Polypropylenen zu geringeren Restwanddicken
Werkstoff und Wasser ohne Antistatikum als Referenz verarbeitet. Danach
werden in einem Fall dem Polymer
2 Gew.-% des Antistatikums Cesastat
PPA0025604 (kurz: CS) beigemischt. Im
anderen Fall wird dem Wasser 1 Gew.-%
des Antistatikums Hostastat HS1FF beigemischt.
Die Auswertung der RWD bei den drei
Kombinationen mit und ohne Antistati-
kum liefert das Ergebnis, dass bei der WIT
die Grenzflächenspannung keinen Einfluss auf die RWD ausübt. Bei der GIT ist
es nur möglich, das Antistatikum dem Polymer beizumischen. In diesem Verfahren
werden dem Material 2 Gew.-% des Antistatikums Cesastat PPA0025604 beigemischt. Auch bei der GIT ist kein Einfluss
auf die Ausbildung der RWD messbar. Im
Gegensatz zu den Versuchen mit Modell- V
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fluiden kann also bei der GIT und der
WIT der Einfluss der Grenzflächenspannungen vernachlässigt werden. Dies ist
darauf zurückzuführen, dass bei der
GIT/WIT die Grenzflächenspannungen
im Vergleich zu den elastischen und viskosen Kräften sehr klein sind und letztere daher den Prozess der Hohlraumbildung dominieren.
Dagegen hat die Verwendung von Antistatika, die die Grenzflächenspannung
zwischen Polymerschmelze und Wasser
herabsetzen und somit wie ein Tensid
wirken, einen entscheidenden Einfluss
auf die Qualität der Hohlraumoberfläche
bei der WIT. In Bild 7 sind verschiedene
Bauteile mit und ohne Verwendung eines
Antistatikums dargestellt. Ohne Antistatikum zeigen die WIT-Bauteile typische
Oberflächenfehler.
Die Mechanismen, die zur Ausbildung
solcher Oberflächendefekte bei der WIT
führen, sind komplex. Ein Erklärungsansatz dafür lautet, dass Wasser die erstarrte
Kunststoffschicht zwischen Schwindungslunker in der RWD und Wasserkanal
während der Druckhaltephase durchbricht. Ein anderer Ansatz führt die Bauteildefekte auf Diffusionsprozesse des Wassers in den Kunststoff zurück. Die jüngsten Untersuchungen am IKV legen jedoch
nahe, dass die für WIT-Bauteile typischen
Oberflächenfehler auf das Reißen der erstarrten Membran an der Wasserfließfront
während des Prozesses der Formteilbildung zurückzuführen sind.
Mit Einarbeitung eines Antistatikums
in das Polymer lässt sich eine deutliche
Reduzierung dieser Oberflächenfehler
feststellen. Der Grad des Oberflächenglanzes nimmt dagegen ab. Bei Zugabe
eines Antistatikums zum Wasser lässt
sich eine weitere Verminderung der
Oberflächenfehler konstatieren. Zudem
kommt es zu einer deutlichen Erhöhung
des Glanzes der Hohlraumoberfläche.
Eine mögliche Erklärung für die Verminderung der Oberflächenfehler: Bei
Verwendung eines Antistatikums bildet
sich ein zusätzlicher Film zwischen Wasser und Polymer, der einen stabilisierenden Einfluss auf die Polymeroberfläche
hat, so dass diese nicht mehr vom Wasser
aufgerissen werden kann. Die Verwendung eines Antistatikums im Polymer
verursacht bei der GIT keine Änderung
der Hohlraumqualität.
Fazit
In den durchgeführten Spritzgießversuchen zeigt sich eine starke Abhängigkeit
der Ausbildung der Restwanddicke von
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Einfluss von Antistatikum auf die Rheologie
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Bild 6. Vergleich der rheologischen Materialeigenschaften von HC600TF unverarbeitet, nach der Verarbeitung und der Beigabe von Cesastat zum Polymer. Die Zugabe von Antistatikum zum Polymer
verändert dessen rheologische Eigenschaften nicht signifikant
Einfluss von Antistatikum auf die Hohlraumqualität
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Bild 7. Die Hohlraumqualität bei der WIT lässt sich durch die Zugabe von Antistatikum, das wie ein
Tensid wirkt, verbessern. Das Antistatikum kann entweder dem Polymer oder dem Wasser oder beiden zugegeben werden
den untersuchten rheologischen Materialeigenschaften. Der Einfluss dieser Eigenschaften ist bei der WIT grundsätzlich
stärker ausgeprägt als bei der GIT. Der
Einsatz von Antistatika hat keinen Einfluss auf die Ausbildung der RWD. Allerdings lässt sich beim WIT-Verfahren eine
deutliche Verringerung von Bauteilfehlern erzielen. Insbesondere die Verwendung eines wasserlöslichen Antistatikums
im Wasser führt neben einer Verringerung der Bauteilfehler zu einer signifikanten Verbesserung der Hohlraumoberfläche. ■
DANK
Für die Überlassung von Material und Versuchseinrichtungen bedanken sich die Autoren bei folgenden
Unternehmen:
■ A. Schulman GmbH, Kerpen,
■ Atofina Deutschland GmbH, Düsseldorf,
■ Battenfeld Spritzgießtechnik GmbH,
Meinerzhagen,
■ Borealis GmbH, Linz/Österreich,
■ Clariant GmbH, Frankfurt,
■ ExxonMobil Production Deutschland GmbH,
Hannover und
■ Ferromatik Milacron Maschinenbau GmbH,
Malterdingen.
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LITERATUR
1 Arping, T.: Untersuchungen zum Einfluss des Materialverhaltens auf die Restwanddickenausbildung
bei der Herstellung von ein- und mehrschichtigen
Medienleitungen mit der Wasserinjektionstechnik.
RWTH Aachen, unveröffentlichte Diplomarbeit,
2004
2 Helbich, B.: Einfluss rheologischer Eigenschaften
auf die Ausbildung der Restwanddicke von ein- und
zweischichtigen polymeren Hohlkörpern. RWTH
Aachen, unveröffentlichte Diplomarbeit, 2004
3 Lanvers, A.: Analyse und Simulation des Kunststoff-Formbildungsprozesses bei der Gasinjektionstechnik (GIT). RWTH Aachen, Dissertation, 1993
DIE AUTOREN
PROF. DR.-ING. DR.-ING. E.H. WALTER MICHAELI,
geb. 1946, ist Inhaber des Lehrstuhls für Kunststoffverarbeitung an der RWTH Aachen und Leiter des
Instituts für Kunststoffverarbeitung (IKV).
DIPL.-ING. CHRISTOPH LETTOWSKY, geb. 1975,
ist seit 2000 wissenschaftlicher Mitarbeiter des IKV
in der Abteilung Spritzgießen. Dort beschäftigt er sich
mit diversen Spritzgieß-Sonderverfahren und leitet
die Arbeitsgruppe „Mehrkomponententechnik”. Ab
Juni 2005 übernimmt er die Leitung der Abteilung
Spritzgießen.
DIPL.-ING. OLIVER GRÖNLUND, geb. 1977, ist seit
2003 wissenschaftlicher Mitarbeiter des IKV in der
Abteilung Spritzgießen und leitet dort die Arbeitsgruppe „Fluidinjektionstechnik”.
SUMMARY PLAST EUROPE
Understanding
Residual Wall
Thickness
FLUID INJECTION TECHNIQUE. The material
distribution is one of the most important criteria
when using the fluid injection technique. The
residual wall thickness has a significant impact on the mechanical properties of the hollow plastic part and, for fluid conduits, directly
establishes the area of the flow cross section.
In addition to the process parameters and part
geometry, the material properties of the polymer used play an important role during formation of the residual wall thickness. This article
considers their effect more closely.
NOTE: You can read the complete article
by entering the document number PE103290
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