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29.10.2020, 15:43 Uhr | Lesedauer: ca. 2 Minuten    

SKZ + TU Chemnitz: Optimierung der Vorhersage des Fließverhaltens faserverstärkter Duroplaste

Bei der Spritzgusssimulation von duroplastischen Formmassen treten häufig starke Diskrepanzen zwischen Simulation und Praxis auf. Die Ursachen liegen in der komplexen Materialdatenermittlung aufgrund der eintretenden Vernetzung sowie in der schwierigen mathematischen Abbildung der unterschiedlichen Strömungsformen, wie Quellströmung und Block-Scherströmung. Daher generieren derzeit Das Kunststoff-Zentrum SKZ in Kooperation mit der Technischen Universität (TU) Chemnitz im Rahmen eines öffentlich geförderten Forschungsvorhabens detaillierte Materialdaten, um die Charakterisierung des Werkstoffverhaltens duroplastischer Formmassen zu verbessern. Parallel hierzu werden die Simulationsergebnisse durch Modifizierung der Parameter optimiert.

Vergleich des realen Formfüllverhaltens (l.) mit der Simulation (r.); der Übergang zum unverdichteten Bereich ist rot markiert - (Bild: SKZ).
Vergleich des realen Formfüllverhaltens (l.) mit der Simulation (r.); der Übergang zum unverdichteten Bereich ist rot markiert - (Bild: SKZ).

Zu Projektbeginn charakterisierte die TU Chemnitz zwei Epoxid- und Phenolharzformmassen. Es zeigte sich, dass gerade die während der Vernetzung der Phenolharze auftretenden, niedermolekularen Reaktionsprodukte zu Schwankungen in der rheologischen und thermoanalytischen Materialcharakterisierung führten. Dies hat direkte Auswirkung auf die Vorhersagequalität der Formfüllsimulaton. Aus den gewonnenen Daten wurden entsprechende Materialkarten für die Simulationssoftware Moldex3D erstellt. Die ersten Vergleiche zwischen Simulation und Praxis wurden anschließend an einem Prüfkörperwerkzeug der TU Chemnitz durchgeführt. In diesem sind vier Werkzeuginnendrucksensoren über die Fließweglänge zum Abgleich zwischen Simulation und Praxis integriert. Die Simulationen zeigen eine gute Übereinstimmung des Füllverhaltens, wobei der für die duroplastischen Formmassen typische, unverdichtete Bereich an der Fließfront in der Simulation nicht abbildbar ist. Auch die Druckverläufe an den vier Sensorpositionen stimmen mit der Praxis gut überein, wenn in der Simulation von einem materialspezifischen Vorvernetzungsgrad ausgegangen wird. Dieser konnte mittels DSC-Messungen am ausgespritzten Strang ermittelt werden. Bezüglich der Faserorientierung unterscheiden sich duroplastische Formmassen aufgrund der Block-Scherströmung und des hohen Anteils weiterer Füllstoffe deutlich von thermoplastischen Formmassen. CT-Messungen am SKZ zeigen bei den Duroplasten einen wesentlich geringeren Anteil an Glasfasern, die in Fließrichtung orientiert sind. Durch einen höheren Faser-Interaktionskoeffizienten in der Simulation lassen sich die berechneten mit den gemessenen Faserorientierungen lokal angleichen. Eine Übereinstimmung im kompletten Bauteil kann bislang jedoch nicht erzielt werden. Als nächster Schritt ist eine Validierung der ermittelten Materialdaten mit einem komplexen Bauteil aus der Industrie geplant, um die gewonnenen Forschungsergebnisse auf praxisnahe Bauteile zu übertragen.

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Duroplaste stellen eine interessante Alternative zu teuren Hochleistungsthermoplasten dar. Speziell im Motorraum, wo Dauergebrauchstemperaturen jenseits 200°C gefordert werden, können Duroplaste eingesetzt werden. Aufgrund ihrer hohen thermo-mechanischen und chemischen Beständigkeit sowie ihrer geringen Schwindung sind sie zudem für spritzgegossene Präzisionsbauteile hervorragend geeignet.

Das IGF-Vorhaben 19969 BG der Forschungsvereinigung FSKZ wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Weitere Informationen: www.skz.de, www.tu-chemnitz.de

SKZ - Das Kunststoff-Zentrum, Würzburg + Technische Universität Chemnitz, Chemnitz

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