Herstellung von 2K- Schälprüfkörpern und Ermittlung … · Spritzgießwerkzeug, das...

Herstellung von 2K-

Schälprüfkörpern und

Ermittlung der

Verbundfestigkeit Christian Deubel

2

F&E Spritzgießen

Schwerpunkte

Produktqualität • Weiterbildung • Forschung • Zertifizierung

Technikum Spritzgießen

Technikum Direkt-Spritzgießen

Messraum Spritzgießen

3

Thermoplastische Elastomere

Warum TPE?

• Gummiartige Eigenschaften

• Mit konventionellen (Thermoplast-) Maschinen verarbeitbar

• Funktionen bzw. Funktionselemente (Dichtungen, Dämpfer, Rutschsicherung, Haptik, etc.) in einem Fertigungsschritt integrierbar

TPE-Klassen

Einteilung der TPE´s nach DIN ISO 18064

• 1K- oder Mehr-K - Anwendungen

• Unzählige Kombinationsmöglichkeiten

• Unterschiedlichste Material- und Verbundeigenschaften

• Unterschiedliche Anforderungen an die Formteil- und Werkzeuggestaltung sowie die Herstellbedingungen

• Die resultierende Verbundhaftung ist nur schwer abschätzbar

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Prüfkörper und Prüfverfahren

• Kein einheitliches Verfahren

• Bisher angewandte Verfahren sind an Normen zur

Prüfung von Verklebungen und/oder Verschweißungen

angelehnt

Beispiele für verwendete Prüfkörper und Prüfverfahren

Scher-/Schälprüfungen

Bild: Polyone

Bild: PTS

Bild: Allod

Bild: Kraiburg

Bild: DIN EN 28510-2

Zug(scher-)prüfungen

Bild: LKT

Bild: SKZ

Bild: nach DIN

EN 1943

Bild: PTS

5

SKZ 2K-Probekörperwerkzeug (alt)

Ursprünglicher Probekörper

Vorteile

• Sehr einfaches Werkzeug

• Langer Überspritzbereich

• Kurze (Kaltkanal-) Angüsse

• Einlegen möglich

Nachteile

• Einspannung (Hartteil, Lasche TPE)

• Nachlaufen des Schlittens

• Anrissverhalten

• Rippen

• Stirnseitige Überspritzung

Ursprüngliches Prüfverfahren

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Haftung

Dissertation, M. Schuck, 2009, „Kompatibilitätsprinzipien beim Spritzgießen“

7

Herstellung von 2K-Schälprüfkörpern

Eine robuste und reproduzierbare Herstellung und Prüfung ist notwendig:

• (absolute) Vergleichbarkeit

• Nachprüfungen Wiederholgenauigkeit

• Materialentwicklung, -optimierung

• Chargenschwankungen

Einflusskollektive auf den resultierenden Verbundhaftung

(Kontakt)-Temperaturen

• Diffusion in der Grenz-

fläche

• mechanische Veranke-

rungen

• Oberflächenabformung

(TPE Hartkomponente)

• Fließverhalten bzw.

Füllverhalten

Werkzeug

• (Kontakt)-

Temperaturen

• Scherung

• Druckwirkzeit

• Fließfähigkeit


Füllverhalten

Werkzeugoberflächen

• Lufteinschlüsse

• Entformung

• Wirksame Verbund(-

ober)fläche


Füllverhalten

Prozessparameter

• (Kontakt)-

Temperaturen

• Oberflächenabformung

• Scherung

• Druckwirkzeit

• Fließfähigkeit


Füllverhalten

• Anwendung auch bei geringen Haftkräften

• Einflüsse von Verarbeitungsparametern

bzw. der Vorbehandlung

• ...

8


Parameter, die die Verbundhaftung bzw. die Reproduzierbarkeit beeinflussen

• Massetemperatur (bzw. Temperatur-

profil am Spritzaggregat)

• bei Heißkanal: Temperatur der Heiß-

kanalregelzonen

• Staudruck

• Schneckenumfangsgeschwindigkeit

• Verweilzeit bis zum Überspritzen

• Einspritzgeschwindigkeit bzw. -profil

(Kontakt)-Temperatur der

Weichkomponente

• Massetemperatur (bzw. Temperatur-

profil am Spritzaggregat)

• bei Heißkanal: Temperatur der Heiß-

kanalregelzonen

• Staudruck

• Schneckenumfangsgeschwindigkeit

• Verweilzeit bis zum Überspritzen

• Einspritzgeschwindigkeit bzw. -profil

• Kühl- bzw. Restkühlzeit

• Pausenzeit zwischen ziehen des

Kerns/Schiebers und Überspritzen

mit der Weichkomponente

(Kontakt)-Temperatur der

Hartkomponente

• Werkzeugtemperatur(en)

• Temperierleistung (des Kerns)

• Lage und Anzahl der Temperier-

kanäle

• Verwendete Temperiergeräte und

Anschlusskonfiguration(en)

• Thermische Trennung der

„Kavitäten“

• Oberflächenrauhigkeit bzw. -struktur

der Verbundfläche(n)

• Länge und Geometrie der Anschnitte

• Lange und Geometrie der Fließwege

• Entlüftung bzw. Lufteinschlüsse

• Bindenähte bzw. Fließlinien

werkzeugbedingte Faktoren

Sonstige Faktoren

• Entformungshilfsmittel

• Verschmutzungen

• Chargenschwankungen

• Prozessschwankungen

• (2-K-)Herstelltechnik bzw.

Werkzeugtechnik

• Nachdruckhöhe und -dauer

• Materialvorbehandlung

• Polaritäten bzw. Oberflächen-

spannungen der Verbundpartner

• Füllstoffe

Die wesentlichen Einflussgrößen/Parameter müssen

bekannt sein und überwacht werden können

Das Werkzeug muss möglichst genau definiert sein

Vorgeschlagener

Prüfkörper nach B.

Waldsachs in

Anlehnung an den

„alten“ SKZ-

Schälprüfkörper

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Historie

10/2007

Vortrag, “Prüfung von Hart-Weich-Verbunden“, D. Krüger, SKZ, VDI-Wissensforum zur K 2007

04/2008

Vortrag: “Prüfung von Hart-Weich-Verbunden“ D. Krüger, SKZ, 2. Kunststoffforum Eppingen

06/2008

Diplomarbeit „Verarbeitung von TPE: Haftung bei Überspritzen einer Hartkomponente,

Spritzgießfehler, Chargenschwankungen“, B. Waldsachs, SKZ

07/2008

Konstituierende Sitzung zur VDI-Richtlinie 2019, Düsseldorf

(Allod, Kraiburg, Schulmann, Müller-TPE, Elastogran, SKZ)

04/2009

SKZ-Forschungsprojekt zur Entwicklung eines Prüfkörperwerkzeuges und Prüfkörpers

(SKZ, Schweiger Werkzeug- und Formenbau)

10/2010

Veröffentlichung des Gründrucks zur Richtlinie 2019

(Allod, Kraiburg, Schulmann, Müller-TPE, Elastogran, API, FFD)

02/2012

Veröffentlichung der Richtlinie 2019

2013

Prüfkörperwerkzeuge bei SKZ, Kraiburg, FFD, ...

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Forschungsvorhaben

Gefördert durch:

Bundesministerium für Wirtschaft

und Technologie aufgrund eines

Beschlusses des Deutschen

Bundestages

Projektpartner Förderprogramm Projektlaufzeit

• Erarbeiten einer Möglichkeit, reproduzierbar und quantitativ vergleichbar die Verbundhaftung von Hart-Weich-Verbindungen zu ermitteln

• Dies beinhaltete den Prüfkörper, die Prüfkörperherstellung, das Spritzgießwerkzeug, das Prüfverfahren und die Dokumentationen

• Das Verfahren soll für alle TPE-Klassen anwendbar sein

• Das Spritzgießwerkzeug sollte möglichst einfach gestaltet sein

Projektziele

01.04.2009 - 31.03.2011

„Entwicklung eines 2K-Spritzgießwerkzeuges zur Herstellung von

Prüfkörpern (Hart-Weich-Verbindungen) für ein neues Verfahren zur Prüfung

der Haftfestigkeit“

Projekttitel

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• TPE - S: Shore A 40 & 70

• TPE - V: Shore A 45 & 90

• TPE - U: Shore A 55 & 80

• TPE - E: Shore D 25 & 40

Hart/Weich-Kombinationen im Forschungsprojekt

TPE - Typen Thermoplast - Typen

• PP

• PA 6.6

• PC

• ABS

• POM

• WPC

• PLA

• PBT

TPE-S 70 TPE-S 40 TPE-V 90 TPE-V 45 TPE-U 55 TPE-U 80 TPE-E 40 TPE-E 25 SKZ-Bio-TPV

PP x x x x x

PA 6.6 x x x x

POM x x x

PBT x

ABS x

PC x x x x

WPC x

PLA x

Hart-

komponente

Weichkomponente

Hergestellte Kombinationen in einem Forschungsvorhaben

Bis heute wurden über 130 Materialkombinationen abgemustert

Voraussetzungen für

eine reproduzierbare

und vergleichbare

Kennwertermittlung

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Ermittlung reproduzierbarer und vergleichbarer

Kennwerte

Werkzeug:

• Einheitliche Temperatur entlang des Kerns (Überspritzbereich ∆T < 4°C)

• Einfacher Aufbau mit Ausschluss von Fremdeinflüssen

• Konstante und eingeschwungene Produktion

• Sensorik zur Beurteilung der Prozesskonstanz, zur Sicherstellung der Reproduzierbarkeit und zur

Dokumentation

• Ein „Wiedereinlegen“ der Hartkomponente sollte einfach möglich sein

→ Kaltkanal mit definierter Anschnittpositionen und -geometrien

Heißkanal: Problematisch ist die thermische Trennung zum Rest des Werkzeuges, der Heißkanal mit

seinen Geometrien müsste ansonsten sehr genau festgelegt sein (Hersteller, Messstellen, Heizzonen, …

„Langzeitverfügbarkeit?“, der HK-Regler beeinflusst zusätzlich das Prozessverhalten

!Haftungswerte aus dem Prüfkörperwerkzeug sind i.d.R. nicht auf ein Praxisteil/-werkzeug übertragbar,

eine HK ist daher nicht zwingend erforderlich. Zudem ergeben sich geringere Fertigungskosten, die in

Werkzeugsensorik investiert werden können!

→ Die Spritzreihenfolge sollte festgelegt werden

I.d.R. sind die zweiten Aggregate (L-Stellung) kleiner dimensioniert besser für TPE-E und TPE-U

→ Die Anzahl, Geometrie und Lage der Temperierkanäle sollte festgelegt werden

→ Sensorik: Im Werkzeug sollte mind. ein Temperaturfühler in der Auswerferseite und im Kern der Düsenseite

sowie ein Werkzeuginnendrucksensor in der Kavität für die Weichkomponente vorgesehen werden. (Ein

zusätzlicher Werkzeuginnendrucksensor in der Kavität der Hartkomponente würde die Dokumentation und

Reproduzierbarkeit erleichtern Lage/zeitlicher Abstand zw. Einspritzen HK-WK im Gesamtzyklus)

→ Eine stirnseitige Schwimmhaut und Bindenähte im Überspritzbereich für beide Komponenten sollten

ausgeschlossen werden

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Kennwerte

Prüfkörper:

• Schultergeometrie zur Krafteinleitung

• Überspritzbereich ≥ 100 mm

• Keine Bindenähte im Überspritzbereich bei der Hart- und Weichkomponente

• Definierte, festgelegte Oberflächenstruktur des Kerns

• Festgelegte Dicken für Hart- und Weichkomponente

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Kennwerte

Prüfkörperherstellung:

• Eingeschwungener, konstanter Zyklus

• Aufzeichnung des Schneckenweges WK über der Zeit

• Getrennt temperierter Kern

• Dokumentation der Anschlussreihenfolge (Brücken etc.) der Temperierung

• Sicherstellung der Prozessfähigkeit von Maschine, Werkzeug und Temperierung

→ Vollautomatischer Zyklus Handlinggerät

→ Der zeitliche Verlauf des Volumenstroms sollte dokumentiert werden, da dieser die Haftung über den Fließweg

signifikant beeinflussen kann Nachvollziehbarkeit Schälkraftverlauf, Reproduzierbarkeit

→ Nutzung der Sensorik zum Feststellen wann mit der Entnahme des Prüfloses begonnen werden kann (Anzahl

der „Schlechtteile“ variiert in Abhängigkeit von den verwendenden Materialien bzw. Prozessparametern)

→ Der Kern (Core-Back) wird 2x im Prozess mit Schmelze beaufschlagt ausreichende Temperierleistung

→ Gleichbleibende und dokumentierte Anschlusskonfiguration der Temperierung

→ Überprüfung/Wartung der Systemkomponenten (Bsp. Durchfluss, VDMA 24470 etc.)

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Kennwerte

Prüfung/Auswertung

• Lagerbedingungen/Klimatisierung

• Sinnvolle Prüfgeschwindigkeit

• Geeignet Spannbacken zum Spannen des TPE

• Zustand der Linearlager (Rolle und Schlitten)

• Dem Schälverlauf angepasste, einheitliche Auswertung und Kennwertbildung

• Beschreibung des Bruchbildes und der Schälkurve

→ Die Prüfgeschwindigkeit beeinflusst die gemessene Schälkraft je nach TPE (Typ, Härte, Dehnbarkeit) teilweise

sehr stark. Höhere Prüfgeschwindigkeiten führen zu höheren gemessenen Schälkräften. Einige Typen zeigen

aber auch keinen bzw. wenig Einfluss der Prüfgeschwindigkeit. Für eine Vergleichbarkeit und der Vermeidung

bzgl. des Vermischens überlagerte Effekte hat sich 50mm/min bewährt (auch wenn die Prüfungen teilweise

sehr lange dauern)

→ Zum sicheren Spannen von TPE eigenen sich pneumatische Spannbacken besten (konstante Spannkraft, auch

beim Verjüngen bzw. dem Einschnüren sehr weicher, elastischer TPE´s)

→ Der Zustand der Linearlager sollte in festgelegten Abständen durch „Leermessungen“ geprüft und

dokumentiert werden

→ Nach unseren Erfahrungen wiederholen sich 5 wesentlichen Schälverlaufe immer wieder. Diesen Verläufen

sollte die Auswertung und die Kennwertbildung, sowie dessen Verwendung, angepasst sein (gültiger

Wegbereich, Spannweite bzw. min. – max., bzw. aritm. Mittel)

→ Bei festgelegter, gleichbleibender TPE-Streifenbreite, ist die Angabe des Schälwiderstandes nicht notwendig

17


Kennwerte

• xx

Dokumentation:

• Der Materialien

• Der Materialvorbehandlung

• Des Herstellungsprozesses

• Der Probekörperlagerung/Klimatisierung

• Der Prüfung

→ Die Beschreibung der Gebinde (Sack, umgefüllte Faktion etc.), die genauen Vortrocknungsparameter,

Materialfeuchtigkeit bei Anlieferung und bei Verarbeitung (sofern hygroskopischen Polymere vorliegen)

→ Verschlauchung der Temperierung am Wzg., verwendete Temperiergeräte, allg. Verarbeitungsbedingungen

→ Pausenzeiten/Verzögerungszeiten im Zyklus, Soll- und Ist-Temperaturen Temperierung/Werkzeug

SKZ 2-K

Versuchswerkzeug

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SKZ 2K-Probekörperwerkzeug

• Core - Back

• 1-fach

• Gewicht ca. 400 kg

• Größe: 346 x 446 mm

• Einbauhöhe: 400 mm

• 6 Temperierkreisläufe

• 1 hydr. Kernzug

• Anbindung:

- 2x Kaltkanal

- 2x Filmanschnitt

• Hartkomponenten über Hauptaggregat

• Weichkomponente über L - Aggregat

Werkzeug Probekörper

Bild: Schälprüfkörper

Geometrie nach VDI-Richtlinie

2019 zulässig

20


Sensorik

• 3x Temperatur

- Düsenseite

- Auswerferseite

- Kern

• 2x Werkzeuginnendruck

- Angusskanal Hartkomponente

- Angusskanal Weichkomponente

21

(Werkzeug-)Konzept SKZ 2K-Schälprüfkörper

• Schultergeometrie zur Krafteinleitung

• Überspritzen eines „langen“ Fließwegs fließwegabhängige Haftung

• Unterschiedliche Oberflächen im Überspritzbereich durch

wechselbaren Kern

Werkzeug

Prüfkörper

• Einheitliche Temperatur im Überspritzenbereich

Optimierung mit MoldFlow & Thermografie

• „Einfacher“ Werkzeugaufbau Anschaffungs-, Unterhaltskosten, Funktion

• Sicherstellung der Reproduzierbarkeit und Vermeidung von

Fremdeinflüssen z.B. thermische Trennungen, Vermeidung eines Heißkanals,

keine Bindenähte im Überspritzbereich, keine Freistrahlbildung, ...

• Sensorik zur Prozessüberwachung, -analyse und -dokumentation Thermografie und

Simulation des Prüf-

körpers

22


Kern(-zug)

• Hydraulischer Kernzug

• Bauart: Sperrschieber

Luftauswerfer

• Lasche Düsenseite

Temperierung

• 6 Kreisläufe (3 je Werkzeughälfte)

• Eigener Kreislauf für den Kern (DS)

• Eigener Kreislauf für den Einsatz

des Hartteils

• Kreisläufe, die unter den TPE

berührenden Werkzeugoberflächen

verlaufen

Werkzeugoberflächen

• Kern (≙ Überspritzbereich des Hartteils)

- erodiert

- Poliert

• Lasercusing - Kern

- Oberflächennahe Temperierkanäle zur

variothermen Temperierung

• Einsatz Hartteil

- geschliffen

Bild: Kern Bild: Luftauswerfer im Kern

23


Formteilgeometrien

• Dicke des Hartteils über einen Einsatz

variierbar, aktuell sind 2 und 3mm

vorhanden

• Dicke des TPE´s über einen Anschlag

stufenlos einstellbar (max. 3mm)

Schwindungsausgleich

• Füßchen „halten“ das Hartteil

• Wiedereinlegen der Hartkomponente

möglich

• Füßchen zeichnen sich thermisch nicht

ab

• Verhinderung der stirnseitigen

Überspritzung

• Reproduzierbareres Anrissverhalten

Bild: Schälprüfkörper

Anspritzrichtung

• Schälwegende

• Schälweganfang

Bild: Mögliche Anspritzrichtungen

Prozessüberwachung

bzw. -sicherung

25


• Vollautomatischer Zyklus mit Handlinggerät

- Konstante Zykluszeit (thermisches

Gleichgewicht)

- Konstante Zeit von Entformung bis

Thermographieaufnahme

- Integrierte Angussabtrennung und definiertes

Ablegen der Teile

Versuchsaufbau

Bild: Greifer

Bild: Thermokamera

• Inline-Thermographie

- Triggersignal durch das Handlinggerät

- Aufnahme von jedem Prüfkörper

- Abkühlkurven

- Dokumentation mit Datums- und Zeitstempel

- Anzeige von thermischen Unterschieden zu

einer Referenz oder zum vorherigen Formteil

Bild: Messdatenerfassung

Bild: Schneckenwegmessung

• Sensorik

- Werkzeuginnendruckverlauf der Hart- und

Weichkomponente

- Verlauf des Schneckenweges

- Werkzeugtemperaturverläufe von Düsen- und

Auswerferseite sowie des Kerns

Schneckenweg

26

Möglichkeiten der Prozessüberwachung

Messdatenerfassung

Blau: Werkzeuginnendruckverlauf Hartkomponente

Gelb: Werkzeuginnendruckverlauf Weichkomponente

Rot: Temperaturverlauf Kern

Druckkurven Thermographie

Werkzeugtemperaturen

Bild: Einschwingen der Werkzeugtemperatur (Messstelle DS)

27


Gut / Schlecht - Weiche

• Thermographische Aufnahme von

jedem Prüfkörper

• Vergleich zwischen Soll und Ist in

jedem Zyklus

• Festlegung der Regel- bzw. Über-

wachungszonen und der erlaubten

Temperaturdifferenzen

• Thermographische Dokumen-

tation eines jeden Prüfkörpers

SKZ –

Software

Temperier-

systemWerkzeug

Formteil

Ref

Ist

Trigger

Vorläufe

Rückläufe

Handling

IR Kamera

IR Strahlung

Steuersignal Gut / Schlecht

SKZ –

Software

Temperier-

systemWerkzeug

Formteil

Ref

Ist

Trigger

Vorläufe

Rückläufe

Handling

IR Kamera

IR Strahlung

Steuersignal Gut / SchlechtSteuersignal Gut / Schlecht

Bilder: Software SKZ-TDI (Temperature Difference Imager)

28


Unterspritzungen

• Erkennung von Unterspritzungen durch

Prozess- bzw. Chargenschwankungen

• Möglichkeit der automatischen Aus-

sortierung

• Einrichten von „Regelzonen“ je Formteil

bzw. für verschiedene Formteilbereiche

möglich

Bilder: Software SKZ-TDI (Temperature Difference Imager)

29

Dokumentation

Dokumentation: Herstellung

Bearbeiter: Seite

Datum:

Bez. Weich- Bez. Hart-

komponente komponente

Probenanzahl:

Umfangsgeschwindigkeit [mm/s]

Einspritzgeschwindigkeit [cm³/s]

Dekompressionsgeschwindigkeit [cm³/s]

Kern, Schieber, ... Ausfahren [%]

Kern, Schieber, ... Einfahren [%]

Umschaltpunkt auf pN [cm³]

Dosierweg [cm³]

Dekompressionsvolumen [cm³]

Restmassepolster [cm³]

Zykluszeit [s]

Einspritzzeit [s]

Nachdruckzeit [s]

Restkühlzeit [s]

Dosierzeit [s]

Verzögerungszeit Einspritzen [s]

Verzögerungszeit Nachdruck [s]

Verzögerungszeit Dosieren [s]

Verzögerungszeit Aggregat vor [s]

Verzögerungszeit Kern, Schieber, ... [s]

Pausenzeit [s]

Einspritzdruck [bar]

Nachdruck [bar]

Staudruck [bar]

Druck Kern, Schieber, ... Ausfahren [bar]

Druck Kern, Schieber, ...Einfahren [bar]

We

ge

Drü

ck

eZ

eit

en

Geschw.

Protokoll -

PrüfkörperherstellungProbekörper:

Material:

Material

Auftrag/Versuchsnummer:

Maschine:

30

Dokumentation

Dokumentation: Herstellung

Einzugszone soll [°C]

Einzugszone ist [°C]

Zylindertemperatur Zone 1 soll [°C]

Zylindertemperatur Zone 1 ist [°C]

Zylindertemperatur Zone 2 soll [°C]

Zylindertemperatur Zone 2 ist [°C]

.... [°C]

Düsentemperatur [°C]

Massetemperatur [°C]

Temperiergerät Kreislauf 1 soll [°C]

Temperiergerät Kreislauf 1 ist [°C]

Temperiergerät Kreislauf 2 soll [°C]

Temperiergerät Kreislauf 2 ist [°C]

... [°C]

Heißkanel Regelzone 01 soll [°C]

Heißkanel Regelzone 01 ist [°C]

Heißkanel Regelzone 02 soll [°C]

Heißkanel Regelzone 02 ist [°C]

... [°C]

Kraft Schließkraft [kN]

Trockenzeit [h]

Trockentemperatur [°C]

Materialfeuchtigkeit [%]

Bemerkungen/Auffälligkeiten:

Tem

pera

ture

n

Trocknung

Verschlauchung / Brücken

31

Zusammenfassung Prüfkörperherstellung

• Vollautomatischer Zyklus

• Entnahme des Prüfloses erst im

stationären Zustand

• Vermeidung von (stirnseitigen) Über-

spritzungen

Herstellung

Sinnvolle Sensorik

• Oberflächennaher Thermofühler im

Kern

• Werkzeuginnendrucksensor im Bereich

der Weichkomponente

• Thermokamera & mind. ein

Thermofühler im Bereich der

Hartkomponente

• Verlauf des Schneckenweges der

Weichkomponente bei „kritischen“

TPE´s sinnvoll

Thermographie

• 100% - Kontrolle der Prüfteile

• Vollständige Temperaturverteilung jedes

Formteils

• Automatische Erkennung von Tempera-

turabweichungen bzw. -veränderungen

• Erkennung von Unterspritzungen

• Integration in den Handlingzyklus

• Kostengünstig (Thermokamera < 3000€)

Dokumentation

• Vorbehandlung (Trocknung, Konditionierung)

• Temperierung (Anschlusskonfiguration,

Temperiergeräte)

• Vor allem Temperaturen und Zeiten

Ermittlung der

Verbundhaftung (Schälprüfung)

33

Einfluss der Prüfmethode

Anwendbare Normen

• DIN EN 1939:

„Klebebänder - Bestimmung der Klebekraft“

Bild: Aufbau nach DIN EN 1939

• DIN EN 1463:

„Klebstoffe - Bestimmung des

Schälwiderstandes von Klebungen -

Rollenschälversuch


• DIN EN 1372:

„Klebstoff - Prüfverfahren für Klebstoffe für

Boden- und Wandbeläge“


34

Einfluss der Prüfmethode auf die Schälkraft

Verwendete Prüfverfahren

• Schälprüfung mit Umlenkrolle und Schlitten-

führung (Schälwinkel 90°C) (Vorrichtung A)

Bild: Vorrichtung A, Schlitten mit Umlenkrolle

• Rollenschälprüfung in Anlehnung an DIN EN 1372

(Schälwinkel 90°) (Vorrichtung C)

Bild: Vorrichtung C, Rollenschälversuch 90°

• Rollenschälprüfung in Anlehnung an DIN EN 1464

(Schälwinkel ca. 116°C) (Vorrichtung B)

Bild: Vorrichtung B, Rollenschälversuch 116° Bild: Führungslade, notwendig für B & C

35


• Umrechnung der Kraft- in die Schäl-

widerstandskurve

• Gesamtstatistik über eine frei wählbare

Anzahl von Schälkurven

• Auswahl des auszuwertenden Wegbereichs

mit Übernahme in die Gesamtstatistik

• Export der Messdaten in die DOE-Software

MESOS

• One-Button Export des Diagramms mit

Legende in eine Bilddatei

Software zur Messwertermittlung und Kurvenauswertung

Auswertung Aufzeichnung

• Verwaltung mehrer Lastmesszellen bzw.

Prüfaufbauten Kalibrierung

• High-Speed Modus für sehr schnelle

Prozesse

• Integriertes Tool zum Vorschlag der

optimalen Messauflösung

• Automatische Benennung der Messdatei

nach Versuchsreihe und Prüfteil

• Auswahl div. Kriterien für automatischen

Beginn und Ende der Messaufzeichnung

36


Vergleich der Schälkräfte

Alle Vorrichtungen führen zu gleichen Ergebnissen

• Sehr geringe

Verbundhaftung

• Adhäsionsbruch

• vollständiges Ab-

schälen

• Geringe Verbund-

haftung

• Zonen mit unter-

schiedlicher Haftung

• Adhäsionsbruch

• vollständiges ab-

schälen

• Hohe Verbund-

haftung

• Verbundhaftung

höher als Material-

festigkeit

• Abreißen am Über-

gang

• kein Abschälen

• Sehr hohe Verbund-

haftung

• Kohäsionsbruch

• abfallender Kurven-

verlauf

• vollständiges Ab-

schälen

37


Einfluss der Prüfgeschwindigkeit

Prüfvorrichtung

Abschälen

Kraftniveau

Streuung

38


Vergleich der Prüfanordnungen

Vorrichtung A

+ Einspannung

+ Bedienfehler

+ Wartung

+ Hohe Haftkräfte

- Aufbau

- Größe

Vorrichtung B & C

+ Aufbau

+ Größe, Gewicht

+ Prüfzeit

- Führungslade

- Bedienfehler

- Wartung

- Hohe Haftkräfte

Vorrichtungen B & C Vorrichtung A

Alle Vorrichtungen

führen zu gleichen

Messergebnissen

39

Einfluss der Einspritzgeschwindigkeit und des

Fließwegs

0

10

20

30

40

50

60

70

80

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

Zeit [s]

Sch

necken

weg

[m

m]

TPE-E40-Makrolon2405 TPE-E25-Makrolon2405

• Kurvenlauf ist bei TPE-E 25 charakteristisch

für den vorliegenden Materialverbund

Haftungseffekt über dem Fließweg

• Der Kurvenverlauf bei TPE-E 40 ist bedingt

durch die Verringerung der Einspritz-

geschwindigkeit gegen Ende der Füllphase

• Ansteigender Kurvenverlauf bei TPE-E 25

• Abfallender Kurvenverlauf bei TPE-E 40

• Die Hartkomponente ist jeweils identisch (PC,

Makrolon 2405)

40

Einfluss der Herstellmethode auf die Schälkraft

• Halbautomatischer Zyklus

• Identische Einstellungen für die Hart- und Weich-

komponente wie im 2K-Zyklus

• Gleiche Chargen

• Verwendung von Handschuhen zur Entnahme und dem

Einlegen des Hartteils

• Fixierung und Ausrichtung des Hartteils über die

„Füßchen“ für den Schwindungsausgleich

2 - Stufen - Herstellung („kalter Einleger“)

Herstellung des Hartteils

24h Lagerung im Normklima

manuelles Einlegen des

Hartteils ins Werkzeug

Überspritzen mit der

Weichkomponente

Prüfung nach 24h Lagerung mit

Anordnung A

41

Einfluss Lagerzeit auf die Schälkraft

• Haftungsänderung ist eine Charakteristik des

Verbundes

• Definierte Trocknung und Lagerung in hohem

Maße notwendig (Reproduzier- und Vergleichbarkeit)

• Idealerweise Prüfung nach verschiedenen

„Lagerzeiten“

• Eventuell Konditionierung der Prüfkörper auf die

(Umwelt-) Bedingungen am Einsatzort des

Materialverbundes sinnvoll

Konsequenzen

• nach ca. 2h

• nach ca. 24h

• nach ca. 48h

• nach ca. 96 bzw. 120h

Lagerzeit

Ermittlung der Schälkurve mit

Vorrichtung A:

42

Problem der Kennwertbildung

Auswertung in Anlehnung an bestehende Normen:

• Basieren auf der Auswertung von Verklebungen oder der Prüfung von Elastomeren

(z.B. Weiterreisfestigkeit nach DIN EN ISO 6133)

• Meist ist nur eine Auswertung von Teilbereichen der Schälkurve möglich

• Zonen wechselnder, abfallender oder steigender Haftung können auftreten

• Ein einzelner (Mittel-)Wert mit Standardabweichung beinhaltet nicht die Information des

tatsächlichen Verlaufs (z.B. doppelte Mittelwertbildung)

• Der „Schälweg“ entspricht nicht dem tatsächlich abgeschälten Wegstück, sondern ist

überlagert von Fließprozessen im Material und Dehnungen

• Verhalten über dem Fließ- bzw. Schälweg wird nicht berücksichtigt

• Sicherheit bzw. Nachvollziehbarkeit ist nicht vorhanden

• ...

43

Problem der Kennwertbildung

Median • Bestimmung der „mittleren Spitze“

innerhalb einer Folge von (Kraft-)Spitzen

des Auswertebereichs zum Kennwert in [N]

• Zusätzlich Angabe des min. und max.

Wertes innerhalb des Auswertebereiches

(Spannweite)

Schälkraft Die Schälkraft F in [N], ist die Kraft, die

während der Messung über dem Schälweg

gemessen wird

arithmetisches Mittel über dem

Auswertebereich

max. Kraft innerhalb des Auswertebereichs

Schälwiderstand bzw. Trennkraft Der Schalwiderstand W in [N/mm], ist die

Kraft, der während der Messung über dem

Schälweg gemessen wurde, bezogen auf die

Streifenbreite

wird aus der Schälkraft errechnet

Klebekraft Kraft je x mm in [N/x mm]

Beziehen der Schälkraft auf eine

Wegeinheit

Auswertebereich

Zwischen einem Minimum und einem

Maximum

x% links und rechts von der Kurvenmitte

Gesamter Kurvenverlauf

44

Auswerten der Schälkraftverläufe

• Anstieg bis zu einem Plateau

• Anstieg bis zu einem Maximum, dann Abriss

(Haftung > Materialfestigkeit)

• Anstieg der Schälkraft über dem Schälweg

• Abfall der Schälkraft über dem Schälweg

• Zonen mit wechselnder Haftung über dem

Schälweg

Mögliche Schälkraftverläufe

In Kombination mit keinem, teilweisen und/oder

vollständigem Abschälen sowie kohäsiven und/oder

adhäsiven Bruch

Je nach Materialfestigkeit, -dehnung und

Verbundhaftung treten „Schälwege“ (Traversenweg)

von 20 bis 500 mm auf

Messung des Traversenwegs und des Schlittenwegs

sinnvoll

45

Auswerten der Schälkraftverläufe

Mögliche Auswertung anhand von Beispielkurven

Plateau

• Wegbereich:

Anriss- und Abrissspitze

bzw. -bereich abschneiden

• Kennwert:

arithmetischer Mittelwert,

Standardabweichung

• Bemerkung:

Konstante Schälkraft über

dem Schälweg

Ansteigend bzw.

Abfallend

• Wegbereich:



Kennwert:

Min. und max. Wert

innerhalb des gültigen

Wegbereichs

• Bemerkung:

Ansteigender bzw.

abfallender Verlauf

Zonen wechselnder

Haftung

• Wegbereich:



• Kennwert:

Arithmetischer Mittelwert,

min. und max. Wert

• Bemerkung:

Wechselnde Haftung über

dem Schälweg

Abriss

• Wegbereich:

-

• Kennwert:

Maximaler Wert

• Bemerkung:

Abriss, Haftung >

Materialfestigkeit

Kombinationen der Kurvenverläufe sind möglich, aber selten

46

Dokumentation

Dokumentation: Prüfung

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Reproduzierbarkeit von Prüfkörperherstellung und

Prüfmethode

• Wiederholte Herstellung bereits früher gefertigter

Kombinationen

• Zwischenzeitlich andere(s) Werkzeug, Materialien

und Maschineneinstellungen

• Gleiche Maschineneinstellungen, Material-

vorbehandlung und Chargen

• Gleicher Prüfaufbau und gleiche Prüfparameter

Reproduzierbarkeit

Sicherstellung der

Funktion

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Zusammenfassung Kennwertermittlung

• „Individuelle“ Festlegung des

Auswertebereichs

• Orientierung anhand Beispielskurven

• Bildung des arithmetischen Mittels

innerhalb des Auswertebereichs mit

Angabe:

- der Standardabweichung und/oder

- der min. und max. gemessenen Kraft

Auswertung

Prüfung • Lagerung und Prüfung im Normklima

• Mindestlagerzeit bestimmen

• Mind. 5 Prüfkörper

• 2-3 Prüfkörper zur Bestimmung der

Prüfgeschwindigkeit und des Prüfweges

Dokumentation • Angabe der Werte für alle 5 Prüflinge

• Beschreibung des Kurvenverlaufs

• Beschreibung des Bruchbildes

• Kurvenverlauf im Prüfprotokoll

• Foto des Prüflings im Prüfprotokoll

• Beschreibung von Auffälligkeiten,

Abweichungen, etc.

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Fazit

Für eine Vergleichbare und Reproduzierbare

Kennwertermittlung muss das gesamte Verfahren

berücksichtigt werden, bestehend aus:

• Prüfkörper,

• Werkzeug,

• Prüfkörperherstellung,

• Prüfung und

• Dokumentation

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Dienstleistungen/Untersuchungen

Herstellung und Prüfung von 2K-

Schälprüfkörpern

• Materialtrocknung

• Bestimmung der Verarbeitungs-

feuchtigkeit

• Prüfkörperherstellung

• Kennwertermittlung

• Herstell- und Prüfprotokolle

• Übersenden von ungeprüften und

geprüften 2K-Schälkörpern

Ergänzend auf Kundenwunsch

möglich

• Bericht

• Ergänzende Messtechnik bei der

Prüfkörperherstellung

• Konditionierung der Prüfkörper

• Übersenden aller Messdateien in einem

Excel lesbaren Format

• Kostenlose SKZ-Software zur

Betrachtung, Auswertung und

Darstellung der Schälkurven

Generell Die Herstellung und Prüfung der 2K-Schälprüfkörper erfolgt in enger Abstimmung mit dem

Kunden. Individuelle Vorgaben können daher berücksichtigt werden.

Mögliche Untersuchungen

• Einfluss von Verarbeitungs-parametern

auf die Verbundhaftung

• Benchmark verschiedner

Materialkombinationen

• Materialentwicklung

• Vergleich unterschiedlicher Chargen

• Prozess- bzw. Verarbeitungsfenster

• ...

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Links zur SKZ-Homepage

Haftungsprüfung Prüfkörper und

Werkzeug

2K und

Thermographie Materialentwicklung

http://www.skz.de/de/forschung/geschaeftsfelder/spritzgiessen/dienstleistungen/704.K-Haftungspruefungen_im_SKZ.html

http://www.skz.de/de/forschung/geschaeftsfelder/spritzgiessen/formteile/1775.Entwicklung_eines_K-Schaelpruefkoerpers_und_Pruefverfahrens.html

http://www.skz.de/de/forschung/geschaeftsfelder/spritzgiessen/technischeausstattung/thermographiebeimspritzgiessen/1776.Unterspritzungen_Inline_thermographisch_erkennen__.html

http://www.skz.de/de/forschung/geschaeftsfelder/materialentwicklung/tpe/index.html

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

Ihr Ansprechpartner bei Fragen

Christian Deubel

F&E Spritzgießen

Friedrich-Bergius-Ring 22a

97076 Würzburg

Tel: +49 931 4104-242

Fax: +49 931 4104-377

E-Mail: [email protected]

Herstellung von 2K- Schälprüfkörpern und Ermittlung … · Spritzgießwerkzeug, das...

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