Spritzgießen von faserverstärkten Kunststoffen mit drehendem Werkzeugkern. Rheologie - praktische Untersuchungen - Auslegungsmethodik

Land, Philipp

dc.date.accessioned	2024-02-23T16:20:21Z
dc.date.available	2024-02-23T16:20:21Z
dc.date.issued	2024
dc.identifier	doi:10.17170/kobra-202401159367
dc.identifier.uri	http://hdl.handle.net/123456789/15487
dc.description	Zugleich: Dissertation, Universität Kassel, 2023
dc.language.iso	ger
dc.publisher	kassel university press
dc.rights	Namensnennung - Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/	*
dc.subject	Werkzeugsystem mit drehendem Kern	ger
dc.subject	faserverstärkte Kunststoffe	ger
dc.subject	Faserorientierung	ger
dc.subject	Spritzgieß-Sonderverfahren	ger
dc.subject	Simulation	ger
dc.subject.ddc	600
dc.title	Spritzgießen von faserverstärkten Kunststoffen mit drehendem Werkzeugkern. Rheologie - praktische Untersuchungen - Auslegungsmethodik	ger
dc.type	Buch
dcterms.abstract	Beim Spritzgießen von länglichen rotationssymmetrischen Bauteilen führen Fertigungsrestriktionen sowie komplexe Geometrien oftmals dazu, dass die Bauteilfüllung in axialer Richtung erfolgt. Strömungsbedingt richten sich die Moleküle sowie ggf. vorhandene Verstärkungsfasern hierbei in Fließrichtung aus. Da bei faserverstärkten Kunststoffen die maximale Verstärkungswirkung erzielt wird, wenn ein Großteil der Fasern in Belastungsrichtung ausgerichtet ist, ist diese axiale Ausrichtung bei innendruckbelasteten Bauteilen nachteilig und führt zu einer ineffizienten Materialausnutzung. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie bei solchen Bauteilen durch einen drehenden Werkzeugkern die Faserorientierung und die daraus resultierende Mechanik gezielt beeinflusst und für Innendruckbelastung optimiert werden kann. Um wichtige Einflussgrößen und deren Auswirkung bei dieser Prozesstechnologie zu charakterisieren, wird zu Beginn der Arbeit eine rheologische Vorbetrachtung vorgestellt. Diese zeigt u.a., dass sich die Einspritzgeschwindigkeit und die Rotationsgeschwindigkeit maßgeblich auf den resultierenden Schergeschwindigkeitsvektor auswirken und damit den größten Einfluss auf die Faserumorientierung haben. Die Berechnungen zeigen zudem, dass die absolute Schergeschwindigkeit zwar maßgeblich von der Wanddicke und der Strukturviskosität der Polymerschmelze abhängen, diese Größen jedoch die Ausrichtung des resultierenden Schergeschwindigkeitsvektors nur geringfügig verändern. Im Anschluss folgen Kapitel, in denen die Prozessumsetzung des Spritzgießens mit drehendem Werkzeugkern sowie Methodiken zur direkten und indirekten Quantifizierung der Faserumorientierung vorgestellt werden. Darauf aufbauend werden umfangreiche Untersuchungen an kurz- und langfaserverstärktem Polypropylen und Polyamid u.a. zum Einfluss der Drehzahl, der Wanddicke, des Fasergehalts sowie von Spritzgießprozessparametern vorgestellt. Hierbei können die rheologischen Voruntersuchungen zum Teil bestätigt werden und es zeigt sich, dass unabhängig vom Material und der Wanddicke mit zunehmender Drehzahl ein Großteil der Fasern in tangentiale Richtung umorientiert werden kann. Mit steigender Drehzahl führt die rotationsinduzierte Scherung dazu, dass die ursprüngliche Schichtstruktur der Faserorientierung mit in Fließrichtung ausgerichteten Fasern in den Randschichten sowie quer zur Fließrichtung orientierten Fasern in der Kernschicht nicht mehr vorhanden ist. Durch die Drehung werden die Randschichten schmaler und der Großteil der Fasern in diesen Schichten kann tangential ausgerichtet werden. Auch in der Kernschicht ist es möglich, die Fasern noch stärker auszurichten, wodurch beispielsweise der mittlere tangentiale Orientierungsgrad für ein kurzfaserverstärktes Polypropylen (PP-GF50) von 0,32 (ungedreht) auf 0,73 (gedreht mit 4,4 s-¹) erhöht werden kann. Kurzfassung Durch die vermehrt tangential ausgerichteten Fasern kann die Berstdruckfestigkeit signifikant, in vielen Versuchsreihen um über 100 %, gesteigert werden. Für ein kurzfaserverstärktes PP (PP-GF50) ist somit eine Steigerung von 58 bar auf 120 bar und für ein kurzfaserverstärktes Polyamid (PA-GF50) von 85 bar auf 159 bar möglich. Um den positiven Einfluss des drehenden Werkzeugkerns auf die Mechanik in der Simulation berücksichtigen zu können, folgt anschließend die Entwicklung einer Simulationsmethodik, mit der die beeinflusste Faserorientierung in der Struktursimulation abgebildet werden kann. Diese Simulationsmethodik kann an den Ergebnissen der Berstdruckprüfungen erfolgreich validiert werden. Darauf aufbauend wird eine Auslegungsmethodik für Bauteile, die mit einem drehenden Werkzeugkern hergestellt werden sollen, vorgestellt und auf zwei Bauteile aus der Industrie übertragen. Die Anwendung der Auslegungsmethodik bei diesen Bauteilen verdeutlicht zum Abschluss der Arbeit das große Potential der Prozesstechnologie: Bei einem innendruckbelasteten Bauteil mit einfacher Geometrie kann der Auslastungsgrad je nach Lastfall deutlich von u.a. 0,81 auf 0,47 reduziert werden. Bei einem Pumpengehäuse mit komplexer Geometrie kann durch die Rotation der Auslastungsgrad von 0,58 auf 0,4 gesenkt werden. Zudem führt die höhere Steifigkeit bei diesem Bauteil durch die in Belastungsrichtung ausgerichteten Fasern zu einer deutlich geringeren Verformung und der Reduktion von Spannungsspitzen.	ger
dcterms.abstract	In the injection moulding of elongated, rotationally symmetrical components, manufacturing restrictions and complex geometries often result in the component being filled in the axial direction. As a result of this flow, the molecules and possible reinforcement fibres are aligned in the direction of flow. Since the maximum strengthening effect is achieved with fibre-reinforced plastics when the majority of the fibres are aligned in the direction of the load, this axial alignment is disadvantageous for components exposed to internal pressure and leads to inefficient material utilization. In this work, it is shown how the fibre orientation and the resulting mechanics can be intentionally influenced and optimized for internal pressure loading in such structural parts by using a rotating mould core. In order to characterise important influencing variables and their effect in this process technology, a preliminary rheological analysis is presented at the beginning of this thesis. The rheological analysis shows, among other things, that the injection speed and the rotation speed have a significant effect on the resulting shear velocity vector and thus have the greatest influence on the fibre reorientation. The analyses also show that the absolute shear rate depends significantly on the wall thickness and the structural viscosity of the polymer melt, but that these parameters only slightly change the orientation of the resulting shear rate vector. Afterwards, chapters are presented in which the process implementation of injection moulding with a rotating mould core as well as methods for the direct and indirect quantification of the fibre reorientation are presented. Based on this, comprehensive investigations of short and long fibre-reinforced polypropylene and polyamide are presented, including the influence of speed, wall thickness, fibre content and injection moulding process parameters. The preliminary rheological analysis can be partially confirmed and it is shown that, regardless of the material and the wall thickness, the majority of the fibres can be reoriented in the tangential direction with increasing rotational speed. By increasing the rotational speed, the rotation-induced shear has the effect that the originally layered structure of the fibre orientation with fibres oriented in the flow direction in the outer layers and fibres oriented transversely to the flow direction in the core layer is no longer present. Due to the rotation, the outer layers become narrower and the majority of the fibres in these layers can be oriented tangentially. It is also possible to further align the fibres in the core layer, whereby, for example, the average degree of tangential orientation for a short-fibre reinforced polypropylene (PP-GF50) can be increased from 0,32 (unrotated) to 0,73 (rotated with 4,4 s-¹). Through the increased tangentially oriented fibres, the bursting strength can be significantly increased, in many test series by more than 100 %. Consequently, for a short-fibre x Abstract reinforced PP (PP-GF50) an increase from 58 bar to 120 bar and for a short-fibre reinforced polyamide (PA-GF50) from 85 bar to 159 bar is achieved. In order to be able to consider the positive effect of the rotating mould core on the mechanics in the simulation, a methodology is developed with which the influenced fibre orientation can be taken into account in the structural simulation. This simulation methodology is validated on the results of the bursting pressure tests. Based on this, a design methodology for components that are to be manufactured with a rotating mould core is presented and applied to two structural components from industry. The application of the design methodology to these components demonstrates the significant potential of the process technology at the end of this thesis: For a component with simple geometry that is subjected to internal pressure, the load factor can be significantly reduced from 0,81 to 0,47 depending on the load case. For a pump casing with complex geometry, the rotation can reduce the load factor from 0,58 to 0,4. In addition, the higher stiffness in this component due to the fibres aligned in the direction of the load leads to significantly lower deformation and the reduction of stress	eng
dcterms.accessRights	open access
dcterms.creator	Land, Philipp
dcterms.dateAccepted	2023-12-04
dcterms.extent	xiii, 198 Seiten
dc.contributor.corporatename	Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Maschinenbau
dc.contributor.referee	Heim, Hans-Peter (Prof. Dr.-Ing.)
dc.contributor.referee	Krumpholz, Thorsten (Prof. Dr.-Ing.)
dc.publisher.place	Kassel
dc.relation.isbn	978-3-7376-1160-2
dc.subject.swd	Spritzgießen	ger
dc.subject.swd	Simulation	ger
dc.subject.swd	Kunststoff	ger
dc.subject.swd	Rheologie	ger
dc.type.version	publishedVersion
dcterms.source.series	Schriftenreihe des Instituts für Werkstofftechnik / Kunststofftechnik	ger
dcterms.source.volume	Band 18
kup.iskup	true
kup.price	39,00
kup.subject	Naturwissenschaft, Technik, Informatik, Medizin
kup.typ	Dissertation
kup.institution	FB 15 / Maschinenbau
kup.binding	Softcover
kup.size	DIN A5
ubks.epflicht	true