Wissenschaftlicher Zeitschrift Kunststofftechnik Journal ... · Der Anteil des kristallinen...

© Carl Hanser Verlag Zeitschrift Kunststofftechnik / Journal of Plastics Technology 4 (2008) 1

eingereicht/handed in: 07.09.2007 angenommen/accepted: 15.11.2007

Dipl.-Ing. (FH) Ariane Lurz, Dr.-Ing. Ines Kühnert, Prof. Dr.-Ing. Ernst Schmachtenberg Lehrstuhl für Kunststofftechnik, Universität Erlangen-Nürnberg

Einflüsse auf die Eigenschaften kleiner und dünnwandi-ger Spritzgussteile – Teil 2: Bedeutung der Wärmeleit-fähigkeit des Werkzeugwerkstoffs In Teil 1 des Aufsatzes wurde das veränderte Gebrauchsverhalten bei kleinen und dünnwan-digen Bauteilen ausgehend von einer Fertigung in herkömmlichen Stahl-Werkzeugeinsätzen und einer damit verbundenen schnellen Abkühlung beschrieben. Schwerpunkt des zweiten Teils des Aufsatzes bildet die theoretische und experimentelle Betrachtung der Abkühlung bei Verwendung eines gering wärmeleitfähigen Werkzeugwerkstoffs. Es wird gezeigt, dass das Eigenschaftsprofil kleiner und dünnwandiger Bauteile durch einen verminderten Wärmetrans-port in gering wärmeleitfähigen Werkzeugen deutlich verbessert werden kann.

Influences on the properties of small and thin-walled in-jection molded parts – Part 2: Importance of the thermal conductivity of the mold material The change of performance of small and thin-wall parts by processing in conventional steel-molds was discussed in part 1. The change was found to be based on the increasing cooling rate with increasing ratio of surface to volume. The focus of the second paper was directed on studying the influence of cooling rate theoretically and experimentally. Therefore, molding was performed using a low thermal conductive mold and studying its effects on inner and usage properties. As shown in the paper, the performance of small and thin-walled parts can be considerably improved using a low thermal-conductive mold.

Zeitschrift Kunststofftechnik Wissenschaftlicher

Arbeitskreis der

Universitäts-

Professoren der

Kunststofftechnik Journal of Plastics Technology 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

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Lurz et al. Eigenschaften dünnwandiger Spritzgussbauteile - Teil 2

Einflüsse auf die Eigenschaften kleiner und dünnwandiger Spritzgussteile – Teil 2: Bedeutung der Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugwerkstoffs

A. Lurz, I. Kühnert, E. Schmachtenberg

1 EINLEITUNG

Das Eigenschaftsprofil eines Bauteils aus Kunststoff wird neben den Werkstoff-eigenschaften und der Konstruktion durch die Verarbeitung geprägt. Trotz der an die Anforderungen kleiner Schussgewichte angepassten Maschinenkonzep-te sowie der werkstoff- und belastungsgerechten Konstruktion wird das Potenti-al der oftmals eingesetzten technischen Thermoplaste bei kleinen und dünn-wandigen Bauteilen meist nicht vollständig ausgenutzt [1]. Als Hauptursache dafür wird die bereits im ersten Teil des Aufsatzes beschriebene zunehmende Abkühlgeschwindigkeit bei steigendem Oberflächen/Volumen-(O/V-)Verhältnis angesehen [2]. Dieser Effekt führt zu veränderten morphologischen und me-chanischen Eigenschaften gegenüber Formteilen mit herkömmlichen geometri-schen Verhältnissen. Da bislang Materialkennwerte an standardisierten Norm-prüfkörpern mit solchen herkömmlichen Verhältnissen ermittelt werden, kann die Bauteilauslegung von kleinen und dünnwandigen Teilen zu einer fehlerhaf-ten Dimensionierung führen. Eine Herausforderung besteht daher im Erhalt der Eigenschaften, der durch eine gezielte Reduktion der Abkühlgeschwindigkeit realisiert werden soll. Diese ist bereits mit der variothermen Werkzeugtemperierung technisch umgesetzt, jedoch bislang industriell nicht weit verbreitet. Womöglich geht dies auf die Nachteile dieser Technologie zurück, welche sind: lange Zykluszeiten durch Aufheizen und Abkühlen der Kavität und aufwendige Werkzeugtechnik [3,4]. Einen weiteren aussichtsreichen Ansatz zur Reduktion des Wärmetransports stellt die Verwendung von Werkzeugwerkstoffen mit geringer Wärmeleitfähigkeit dar. Im Folgenden wird die Veränderung der Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugwerk-stoffs auf die Abkühlung theoretisch betrachtet. Im Mittelpunkt stehen dabei die Beschreibung der thermodynamischen Grundlagen des Wärmetransports sowie die Betrachtung der durch die Wärmeabfuhr bedingten Auswirkungen auf das Fließverhalten, die Morphologie und die Bauteilqualität. Diese werden ferner mit experimentellen Untersuchungen an Polyamid 66 (PA 66) unter Einbezug von morphologischen und mechanischen Charakterisierungen korreliert.

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2 THEORETISCHE BETRACHTUNGEN

2.1 Analytische Berechnung des Wärmetransports Zur Auslegung des Temperiersystems eines Spritzgießwerkzeugs werden be-kanntermaßen Wärmestrombilanzen aufgestellt, die die eingehenden und aus-gehenden Wärmeströme berücksichtigen [5]. Für eine vergleichende Bewer-tung von Werkzeugeinsätzen aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Wärmeleit-fähigkeiten, die im gleichen Stammwerkzeug verbaut werden, genügt es, das relevante Segment (Formteil, Einsatz) zu betrachten. Als unverändert werden in diesem Fall angenommen

- die Wärmeströme im Formteil und mit der Umgebung, - das Temperiersystem (Lage der Temperierkanäle, Temperierkanal-

durchmesser, -durchsatz) sowie - die durch das Temperiersystem resultierenden Druckverluste.

Infolge der Änderung der Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugeinsatzes wird sich der Wärmestrom zwischen der Kavitäts- und der Temperierkanalwand (Wärme-leitung), der vom Temperiermedium aufgenommen wird, ändern, Gleichung 1. Das Formteil und das Werkzeug werden vereinfacht als Platten angenommen, sowie die Temperaturen als konstant (stationär).

( )TKK TTAd

Q −⋅⋅=⋅ λ (1)

⋅

Q [W]: Wärmestrom

λ [Wm-1K-1]: Wärmeleitfähigkeit d [m]: Temperierkanalabstand A [m²]: Fläche TK [°C]: Werkzeugwandtemperatur der Kavität TTK [°C]: Werkzeugwandtemperatur an Kühlkanal

Bild 1: Wärmetransport durch Wärmeleitung zwischen Kavitäts- und Temperierka-nalwand

Oftmals wird auf die Berücksichtigung des Wärmeübertragungskoeffizienten zwischen Formmasse und Werkzeugwand verzichtet, so dass die Werkzeug-wandtemperatur als Kontakttemperatur in die weitere Berechnung einbezogen werden kann (Gleichung 2) [5,6]. Diese Kontakttemperatur bildet sich an der Berührungsfläche der Materialien in Abhängigkeit der Wärmeeindringkoeffizien-ten und Temperaturen beim ersten Kontakt der Schmelze mit der Werkzeug-wand aus:

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WM

WWMMK bb

bTbTT

+⋅+⋅

= mit pcb ⋅⋅= ρλ (2)

TK [°C]: Werkzeugwandtemperatur der Kavität (Kontakttemperatur) TM [°C]: Schmelzetemperatur TW [°C]: Werkzeugwandtemperatur vor dem Kontakt bW [Js½K-1m²]: Wärmeeindringkoeffizient des Werkzeugs bM [Js½K-1m²]: Wärmeeindringkoeffizient der Schmelze ρ [g/cm³]: Dichte cp [Jkg-1K-1]: Wärmekapazität

Bild 2: Berechnungsprinzip der Kontakttemperatur über die Wärmeeindringung Für die beiden in den folgenden experimentellen Untersuchungen verwendeten Werkzeugwerkstoffe kann mit Gleichung 2 und den in Tabelle 1 angegebenen, zugehörigen thermischen Eigenschaften der Materialien die Kontakttemperatur berechnet werden, Tabelle 2. Bei einer Werkzeugtemperatur von 100 °C und einer Massetemperatur von 290 °C ergibt sich in einem Einsatz aus herkömmli-chem Kaltarbeitsstahl eine Kontakttemperatur von 114 °C, während ein Einsatz mit geringer Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise ein Polyetheretherketon-(PEEK-)Einsatz, eine Kontakttemperatur von 235 °C ergibt.

Werkstoff Wärmeleitfähig-

keit [W/mK] Dichte [g/cm³]

Wärmekapazität [J/kgK]

Polyetheretherketon (TECAPEEK, Ensinger GmbH)

0,25 1,30 3200

Wer

kzeu

g

Kaltarbeitsstahl 1.2767 29 7,85 420

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Polyamid 66 (Ultramid A3K, BASF AG) 0,33 1,13 1700

Tabelle 1: Thermische Eigenschaften der Werkzeugwerkstoffe und des eingesetzten Kunststoffs Polyamid 66

PEEK Kaltarbeitsstahl

Massetemperatur / °C 290 290

Werkzeugtemperatur / °C 100 100 231

Kontakttemperatur / °C 235 114 235

Tabelle 2: Ergebnisse zur Berechnung der Kontakttemperatur für verschieden wärme-leitfähige Werkzeugwerkstoffe


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Im Rückschluss müsste bei einem Stahl-Einsatz eine Werkzeugtemperatur von 231 °C gewählt werden, um eine Kontakttemperatur von 235 ° zu erreichen. Ausgehend von der Kontakttemperatur beim ersten Zusammentreffen der Schmelze mit der Werkzeugwand kann ferner der Wärmetransport durch Wär-meleitung nach Gleichung 3 abgeschätzt werden. Es ergibt sich damit ein etwa 12mal schnellerer Wärmetransport bei Verwendung eines Stahl-Einsatzes und einer Kontakttemperatur von 114 °C als bei einem PEEK-Einsatz und einer Kontakttemperatur von 235°C. Mit Hilfe von Simulationsprogrammen werden diese Ergebnisse in folgenden Arbeiten genauer dargestellt.

2.2 Abkühlbedingte Auswirkungen

Rheologie Bekanntlich ist die Viskosität η unter anderem eine Funktion der Temperatur

η = f (T, p, , t) (4) mit ⋅

γ

T: Temperatur p: Druck ⋅

γ : Schergeschwindigkeit t: Zeit so dass bei veränderten Wärmetransportvorgängen für die Herstellung von klei-nen und dünnwandigen Bauteilen Auswirkungen auf das Fließverhalten zu er-warten sind. Nach dem Gesetz von Hagen-Poiseuille

⋅

⋅⋅⋅⋅

=Δ VBHLp 3

12 η (5) mit

η [Pa⋅s]: Viskosität L [m]: Länge H [m]: Höhe B [m]: Breite ⋅

V [m³s-1]: Volumenstrom

ergibt sich bei einer Erniedrigung der Viskosität unter Annahme des gleichen Volumenstroms und Druckverlusts eine größere erreichbare Fließweglänge. Zu beachten sind dabei neuere Untersuchungen der rheologischen Verhältnisse bei hohen Scherraten, aus denen eine zweite Nullviskosität abgeleitet wird, de-ren Temperaturabhängigkeit geringer ist [7, 8].

Morphologie und Bauteilqualität Die Morphologie von Kunststoffen wird einerseits durch das physikalische, thermodynamische und rheologische Verhalten des Materials selbst sowie an-dererseits durch die Randbedingungen der Verarbeitung beeinflusst. Während


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amorphe Thermoplaste ihre energetisch günstige Knäuelstruktur anstreben, zeigen teilkristalline Thermoplaste unter gewöhnlichen Bedingungen eine sphä-rolithische Struktur [9]. An Phasengrenzen in der Schmelze bilden sich bei letz-teren Keime, die aus gefalteten Makromolekülen bestehen. Entstehen diese durch Dichtefluktuationen wird von homogener, bei Wechselwirkungen mit der Werkzeugwand oder mit Fremdpartikeln von heterogener Keimbildung gespro-chen. Durch Anlagerung weiterer Moleküle wachsen die Keime zu Kristalliten und schließlich zu Lamellen. Die Lamellen ordnen sich zu den sogenannten Sphärolithen. Hier spielt die Temperatur eine bedeutende Rolle. Eine detaillierte Beschreibung dieser Vorgänge kann dem ersten Teil des Aufsatzes entnom-men werden. An dieser Stelle ist zu nennen, dass die Größe der Sphärolithe durch die Anzahl der stabilen Keime beeinflusst wird, die wiederum von den Abkühlbedingungen und der Verunreinigung der Schmelze abhängt. Bei der abkühlbedingten ther-mischen Keimbildung liegt das Maximum der Keimbildungsgeschwindigkeit bei geringerer Temperatur als das der Wachstumsgeschwindigkeit [10]. Dies be-deutet, dass bei langsamer Abkühlgeschwindigkeit eine hohe Wachstumsge-schwindigkeit bei wenigen Keimen vorliegt und demnach ein grobsphärolithi-sches Gefüge resultiert. Mechanisch äußert sich eine große Sphärolithgröße in einer niedrigen Festigkeit und Bruchdehnung [11]. Der Anteil des kristallinen Gefüges (Kristallisationsgrad) ist von der Polymer-struktur (molekularer Aufbau, Verzweigungsgrad, Molekülkettenlänge) und den thermischen Bedingungen bei der Abkühlung abhängig. Bei höherer Tempera-tur liegt eine hohe Segmentbeweglichkeit vor, die eine ideale Anordnung der Polymerketten zulässt. Wird langsam abgekühlt, ist die Segmentbeweglichkeit lange möglich und es entsteht ein Gefüge mit hohem Kristallisationsgrad [12]. Aus mechanischer Sicht werden durch eine Steigerung der Kristallinität Festig-keit und Steifigkeit erhöht; die Bruchdehnung nimmt ab [11]. Werden Kristallinität und Sphärolithgröße in Abhängigkeit der Abkühlung ge-meinsam betrachtet, sind die theoretischen Effekte auf die Festigkeit gegenläu-fig. Bei einer Reduktion der Abkühlgeschwindigkeit steigt die Kristallinität und führt zu einer Erhöhung der Festigkeit. In Bezug auf die Sphärolithgröße äußert sich eine langsamere Abkühlung in deren Anstieg, wodurch die Festigkeit sinkt. Ein langsamer Wärmetransport aus dem Bauteil und eine damit verbundene lange Segmentbeweglichkeit der Polymerketten zeigen sich weiterhin in einem späten Erreichen der Kristallisationstemperatur. Damit einher geht ein spätes Einfrieren des Materials am sogenannten Siegelpunkt; die Druckwirkzeit wird verlängert und es kann eine höhere Verdichtung des Formteils erreicht werden. Eine höhere Verdichtung wirkt sich direkt auf die qualitätsrelevante Schwindung aus. Allerdings führt eine Verlängerung der Druckwirkzeit auch zu einer länge-ren erforderlichen Kühl- und Zykluszeit.


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3 EXPERIMENTELLES

3.1 Verwendete Werkstoffe Für die Untersuchungen wurde als Modellwerkstoff ein nicht nukleiertes Polya-mid 66 (Ultramid A3K, BASF AG) mit Anwendungsrelevanz in der Mikro- und Dünnwandtechnik eingesetzt. Bei nicht nukleierten Werkstoffen wird ein Groß-teil der Kristallisation durch die abkühlbedingte thermische Keimbildung bewirkt. Sie eignen sich daher besonders zur Untersuchung der Abkühlbedingungen und der differenzierten Bewertung ihrer Auswirkungen.

3.2 Herstellung der Probekörper Die Zusammenhänge von innerer Struktur und Eigenschaften von Bauteilen wurden in Abhängigkeit der Abkühlgeschwindigkeit und des O/V-Verhältnisses untersucht. Hierzu wurden Probekörper ausgehend von der Skalierung des Campus-Schulterzugstabs mit normierten Abmessungen unter Einhaltung der geometrischen Ähnlichkeit spritzgegossen. Als Skalierungen wurden 1:2, 1:4 und 1:8 gewählt. Die Maße und zugehörigen O/V-Verhältnisse der Probekörper sind dem ersten Teil des Aufsatzes zu entnehmen. Weiterführend zu den Arbeiten des ersten Teils wurden die herkömmlichen Werkzeug-Einsätze aus Kaltarbeitsstahl für den Spritzgieß-Formenbau mit Einsätzen aus PEEK mit geringer Wärmeleitfähigkeit getauscht. Eine Heraus-forderung bei der Verwendung solcher Materialien liegt im Erreichen einer ähn-lich guten Oberflächenqualität wie bei herkömmlichen Stahl-Einsätzen. Bild 3 zeigt exemplarisch das Werkzeug des 1:8-Zugstabs in PEEK (links) und Stahl (rechts) ausgeführt.

Bild 3: Werkzeugeinsatz für 1:8-Zugstab, linke Werkzeughälfte PEEK, rechte

Werkzeughälfte Stahl Zur Probekörperherstellung wurde eine für die Klein- und Mikroteileherstellung geeignete Spritzgießmaschine (Boy 12 A) mit einem Schneckendurchmesser von 14 mm, einem L/D-Verhältnis von 18 und einer Schließkraft von 129 kN ein-gesetzt. Bei allen Probekörpergrößen wurde durch die Gestaltung des Angus-ses das minimal mögliche Schussgewicht der Maschine von ca. 0,6 g erreicht. In Tabelle 3 sind die wichtigsten Verarbeitungsparameter angegebenen. Die Werkzeugtemperatur wurde höher als die vom Materialhersteller angegebene


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gewählt, wie dies beim Mikrospritzgießen günstig und üblich für die Erzielung guter Bauteileigenschaften ist.

TSchmelze [°C]

TWerkzeug [°C]

Staudruck [bar]

Dosier-drehzahl [mm/s]

vEinspritz [mm/s]

Nachdruck [bar]

Nach-druckzeit

[s]

Kühl-zeit [s]

290 100 10 100 20 10 10 20

Tabelle 3: Verarbeitungsparameter zur Probekörperfertigung aus PA 66 Unterschiedliche Probekörperdimensionen bewirken Differenzen in den Schuss-gewichten und damit in der thermischen Belastung der Schmelze im Einspritz-aggregat. Zur Gewährleistung gleicher Materialbelastungen wurden die Ver-weilzeiten der Schmelze in der Schnecke durch Verlängerung der Zykluszeiten dem Durchsatz an Material entsprechend angepasst.

3.3 Prüfmethoden

Morphologische Untersuchungen Mittels der in Vorversuchen festgelegten, im Folgenden beschriebenen Metho-den ist eine vergleichende Bewertung der Gefüge, der Sphärolithgrößen und der Kristallisationsgrade der PA 66-Probekörper möglich. Hierzu wurden Pro-ben als 10 µm dicke Dünnschnitte längs zur Spritzrichtung aus dem relevanten Prüfbereich der Zugstäbe mit einem Schlittenmikrotom (Fa. Reichert-Jung) ent-nommen.

Betrachtung des Gefüges Die Untersuchung der Morphologie der Probekörper mit unterschiedlichem O/V-Verhältnis erfolgte mittels Lichtmikroskop Axioplan® (Fa. Zeiss) an Dünnschnit-ten im polarisierten Durchlicht.

Bestimmung der Sphärolithgröße Eine Aussage zur Sphärolithgröße war mittels der SALS-Methode (Kleinwinkel-lichtstreuung) an den für die Betrachtung des Gefüges angefertigten Dünn-schnitten möglich. Die SALS-Methode stellt gegenüber der stereologischen Auswertung ein einfaches Verfahren zur vergleichenden Bewertung der Struk-turgrößen dar. Einsatz fand ebenfalls das oben erwähnte Lichtmikroskop unter Verwendung von polarisiertem Durchlicht. Mit Hilfe einer weiteren Linse wurde die Blickrich-tung auf das Streubild gelenkt (konoskopischer Strahlengang). In Bild 4 ist der Aufbau der SALS-Apparatur schematisch dargestellt. Nach [13, 14, 15] kann die Größe eines Streuelements, d.h. des Sphäroliths, über dessen Proportiona-lität zum Streuwinkel θ in Zusammenhang gebracht werden. Gemessen wurde in einem Bereich von ca. 500 µm im Kern der Proben.

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Bild 4: Aufbau der SALS-Apparatur zur Ermittlung der Sphärolithgröße

Bestimmung des Kristallisationsgrads Der Kristallisationsgrad der Probekörper wurde mittels Infrarotmikroskop Advan-tage, Fa. Spectra Tech an Dünnschnitten ermittelt. Je Probekörper wurden drei Messungen der Randschicht und des Kerns in einem Messfenster von ca. 20 x 200 µm² durchgeführt. Liegt eine kristalline Molekülordnung vor, tritt die γ-Schwingung der CH2-Bande bei einer Wellenzahl von 1200 cm-1 auf während die der Bande für amorphe Ordnung bei einer Wellenzahl von 1180 cm-1 liegt. Der Kristallisationsgrad kann anhand des Verhältnisses der Extinktionen bei den Wellenzahlen von 1200 cm-1 und 1180 cm-1 ermittelt werden [16]. Mit Hilfe dieser Methode sind die tendenziellen Unterschiede des Kristallisati-onsgrades sehr gut erkennbar. Eine Bewertung anhand der Absolutwerte wird allerdings aufgrund der geringen Intensitäten der Schwingungen erschwert. Al-ternativ dazu kommt oftmals die DSC zur Anwendung, deren Interpretation bei den hier untersuchten PA-Proben aber ebenfalls problematisch sein kann. Bei PA wird die Schmelzenthalpie von der Nachkristallisation überlagert und spie-gelt somit nicht die im Bauteil vorhandene Kristallinität wieder.

Mechanische Prüfung Die mechanische Charakterisierung der Probekörper erfolgte entsprechend dem ersten Teil des Aufsatzes mittels Zugprüfungen in Anlehnung an DIN EN ISO 527-1.

4 ERGEBNISSE

Morphologie

Gefügeausbildung und Sphärolithgrößen Mit zunehmendem O/V-Verhältnis kann bei hoher und niedriger Wärmeleitfä-higkeit des Werkzeugs die Tendenz zu einem feineren Gefüge beobachtet wer-den, Bild 5. Ursächlich hierfür ist die mit steigendem O/V-Verhältnis zunehmen-


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de thermische Nukleierung bedingt durch die schnellere Abkühlung. Bei glei-chem O/V-Verhältnis bildet sich im gering wärmeleitfähigen Werkzeug eine deutlich grobsphärolithischere Struktur aus, Bild 6. Dies deutet auf eine bei ge-ringer Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugs erwartungsgemäß langsamer ablau-fende Abkühlung hin, die zu einer geringeren thermischen Nukleierung verbun-den mit einer Verlängerung der Kristallisationszeit führt. Bei hoher Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugs entsteht aufgrund der schnelleren Abkühlung in den Randbereichen ein feinkristallines Gefüge. Dies tritt bei Ver-wendung eines gering wärmeleitfähigen Werkzeugs nicht auf. Es bildet sich le-diglich eine wenige Mikrometer dünne Randschicht, deren Auswirkung in wei-terführenden Forschungsarbeiten aufgeklärt werden soll. 1:4 1:2 1:8

PEE

K-E

insa

tz (λ

=0,2

5 W

/mK)

S

tahl

-Ein

satz

(λ=2

9 W

/mK)

Bild 5: Gefüge und Randschichtausbildung der in unterschiedlich wärmeleitfähigen Werkzeugen gefertigten Zugstäbe in Abhängigkeit vom O/V-Verhältnis


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Bild 6: Sphärolithgrößen im Kern der in unterschiedlich wärmeleitfähigen Werk-

zeugen gefertigten Zugstäbe in Abhängigkeit vom O/V-Verhältnis

Kristallisationsgrad Der Kristallisationsgrad im Kern der Proben sinkt bei hoher und niedriger Wär-meleitfähigkeit des Werkzeugs mit zunehmendem O/V-Verhältnis, Bild 7. Als Ursache wird die bereits erklärte kürzere Kristallisationszeit bei mit zunehmen-dem O/V-Verhältnis schneller ablaufender Abkühlung gesehen. Insgesamt ist die Kristallinität im Kern bei gezielt langsam abgekühlten Probekörpern (PEEK-Einsatz) deutlich höher als bei rasch abgekühlten.

Bild 7: Kristallinität in Rand- und Kernbereich der in unterschiedlich wärmeleitfähi-

gen Werkzeugen gefertigten Zugstäbe in Abhängigkeit vom O/V-Verhältnis ( : Schwingung für kristalline CH2-Bande,

: Schwingung für amorphe Ordnung)

11200 −cmE

11180 −cmE Bei hoher Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugs liegt zudem eine deutlich geringe-re, mit steigendem O/V-Verhältnis etwa gleich bleibende Kristallinität in den Randbereichen der Probekörper vor. Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des


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Stahls erfolgt die Wärmeabfuhr in den Randschichten schnell, die Kristallisati-onszeit ist dort besonders kurz. Die Randschicht wirkt anschließend isolierend und im Kern bleibt ein größeres Kristallisationsfenster. Je größer das O/V-Verhältnis wird, desto höhere Abkühlgeschwindigkeiten werden auch im Volu-men erreicht. Diese Unterschiede zwischen Rand- und Kernbereichen sind bei den gezielt langsam abgekühlten Probekörpern nahezu nicht vorhanden. Das PEEK wirkt aufgrund seiner geringen Wärmeleitfähigkeit von Beginn an isolierend. Somit bleibt sowohl den Rand- als auch Kernschichten eine längere Kristallisations-zeit, die zu homogenen Kristallisationsgraden über den Probekörperquerschnit-ten führt.

Mechanische Eigenschaften Die Bilder 8 und 9 zeigen die Spannungs-Dehnungsverläufe der in unterschied-lich wärmeleitfähigen Werkzeugen gefertigten Probekörper mit unterschiedli-chen O/V-Verhältnissen. Durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugs fallen sowohl E-Modul als auch Streckspannung der Probekörper mit zuneh-mendem O/V-Verhältnis deutlich ab, Bild 8 rechts. Während die 1:2-Zugstäbe den Herstellerangaben entsprechende Werte des E-Modul (ca. 3000 N/mm²) und der Streckspannung (ca. 85 N/mm²) aufweisen, sind die der 1:8-Zugstäbe um über 40 % beim E-Modul bzw. über 10 % bei der Streckspannung geringer.

Bild 8: Spannungs-Dehnungsverläufe der in hoch wärmeleitfähigen Werkzeugen

gefertigten Zugstäbe in Abhängigkeit vom O/V-Verhältnis (links: bis Versagen, rechts: Ausschnitt)

Die Verwendung eines gering wärmeleitfähigen Werkzeugs führt zu einer deut-lichen Reduktion des Abfalls dieser Kennwerte. Besonders bedeutend sind die Auswirkungen auf den E-Modul. Der Abfall mit zunehmendem O/V-Verhältnis fällt hier mit weniger als 20 % (1:8-Zugstäbe) bedeutend geringer aus. Auch der Abfall der Streckspannung ist mit ca. 5 % deutlich reduziert. Bild 10 illustriert die


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Auswirkungen der durch die Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugwerkstoffs beein-flussten Abkühlgeschwindigkeit auf den E-Modul und die Streckspannung der 1:8-Zugstäbe. Anhand der Darstellungen der Spannungs-Dehnungs-Verläufe bis zum Bruch, Bilder 8 und 9 links, ist erkennbar, dass durch eine gezielt langsame Abkühlung der Probekörper (PEEK-Einsatz) die Duktilität abnimmt, d.h. die Bruchdehnung sinkt.

Bild 9: Spannungs-Dehnungsverläufe der in gering wärmeleitfähigen Werkzeugen

gefertigten Zugstäbe in Abhängigkeit vom O/V-Verhältnis (links: bis Versagen, rechts: Ausschnitt)

Bild 10: Vergleich der E-Moduln und Streckspannungen am Beispiel der in unter-

schiedlich wärmeleitfähigen Werkzeugen gefertigten 1:8-Zugstäbe


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5 DISKUSSION

Die Ergebnisse haben klar gezeigt, dass der Abfall von Festigkeit und Steifigkeit mit zunehmendem O/V-Verhältnis durch Verwendung von Werkzeugeinsätzen mit reduzierter Wärmeleitfähigkeit deutlich vermindert werden kann. Diese Er-gebnisse korrelieren mit den theoretischen Betrachtungen sowie den morpholo-gischen Untersuchungen, insbesondere in Bezug auf die geringere Abnahme der Kristallinität. Aus der analytischen Berechnung des Wärmetransports ergibt sich bei hoher Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugwerkstoffs (Stahl-Einsatz) eine Kontakttempe-ratur von 114 °C. Diese liegt bereits unter dem Kristallisationsbereich von etwa 230 bis 235 °C des PA 66 und zeigt sich experimentell in der Ausbildung der geringer kristallinen Randschichten mit feinem Gefüge. Die Randschichten nehmen mit zunehmendem O/V-Verhältnis einen größeren Anteil am Gesamt-volumen ein. Mechanische Kennwerte, wie z.B. die Zugfestigkeit, sind bekann-termaßen Integralwerte der Probekörper. Hinzu kommt, dass mit zunehmendem O/V-Verhältnis die Kristallinität im Volumen aufgrund der steigenden Abkühlge-schwindigkeit abnimmt. Daraus resultiert die Abnahme der Festigkeit und Stei-figkeit. Die Sphärolithgröße scheint eine untergeordnete Rolle zu spielen, da die Abnahme der Sphärolithgröße bei zunehmender Abkühlung eine Erhöhung der Festigkeit bedeuten würde. Bei einem gering wärmeleitfähigen Werkzeugeinsatz (PEEK-Einsatz) liegt die berechnete Kontakttemperatur mit 235 °C im Temperaturbereich der Kristallisa-tion. Der Wärmetransport durch Wärmeleitung ist dadurch bei Beginn etwa ein Zwölftel kleiner als bei einem hoch wärmeleitfähigen Werkzeug. Das bedeutet, dass beim Einsatz eines gering wärmeleitfähigen Werkzeugs bereits im Rand-bereich eine genügend hohe Temperatur für eine Kristallisation vorliegt. Expe-rimentell ist dies in dem über die gesamten Wanddicken homogenen Gefüge mit höherer Kristallinität zu erkennen. Damit verbunden ist die deutlich vermin-derte Abnahme von Festigkeit und Steifigkeit mit zunehmendem O/V-Verhältnis. Die primäre Einflussgröße auf diese Eigenschaften ist die Kristallinität, die Sphärolithgröße ist auch hier offenbar weniger bedeutend. Trotz reduzierter Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugs steigt aber die Wärmeab-fuhr mit zunehmendem O/V-Verhältnis. Es bilden sich bedingt durch die schnel-ler einsetzende thermische Keimbildung und die kürzere Zeit zum Kristall-wachstum insgesamt auch hier feinere Gefüge mit tendenziell geringerem Kris-tallisationsgrad bei kleinen und dünnwandigen Bauteilen. Als weitere Erkenntnis kann festgestellt werden, dass sich die Duktilität der Probekörper mit zunehmendem O/V-Verhältnis bei beiden untersuchten Werk-zeugwerkstoffen erhöht. Ein Anstieg der Bruchdehnung kann einerseits auf ei-nen Abfall der Kristallinität, andererseits auf eine Reduktion der Sphärolithgrö-ßen zurückzuführen sein. Beide Einflüsse können in diesem Fall ursächlich für die Erhöhung der Duktilität mit steigendem O/V-Verhältnis sein. Bei geringer Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugs liegt eine verminderte Duktilität vor, die so-


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wohl aus der höheren Kristallinität als auch aus der gröber sphärolithischen Struktur resultieren kann.

6 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK

Im Rahmen der Untersuchungen wurden die resultierenden Effekte aus der Veränderung der Abkühlgeschwindigkeit durch unterschiedlich wärmeleitfähige Werkzeugwerkstoffe auf die Eigenschaften kleiner und dünnwandiger Bauteile aufgezeigt. Gering wärmeleitfähige Werkzeugeinsätze führen gegenüber her-kömmlicher Werkzeugtechnik zu deutlichen Verbesserungen in Bezug auf Fes-tigkeit und Steifigkeit und zeigen das Potential zum Einsatz in der Mikro- und Dünnwandtechnik. Diese veränderten Gebrauchseigenschaften sind auf die langsamer ablaufende Abkühlung zurückzuführen. Damit einher geht eine grö-bersphärolithische, bis in die Randschichten homogene Struktur mit höherem Kristallisationsgrad. Zu bemerken ist auch die damit verbundene Abnahme der Duktilität. Bedingt durch die bei kleinen und dünnwandigen Bauteilen aber stets groß ausfallende Bruchdehnung ist diese Eigenschaft vermutlich weniger kri-tisch zu sehen. In Bezug auf die Zykluszeit ist durch die Verwendung von gering wärmeleitfähi-gen Einsätzen tendenziell eine Verlängerung gegenüber herkömmlicher Werk-zeugtechnik zu erwarten. Im Vergleich zur induktiven variothermen Werkzeug-temperierung, deren Heizzeit allein im Bereich von mehreren Sekunden liegt, sollte diese aber deutlich kürzer sein [4]. In weiterführenden Arbeiten werden die Effekte der Abkühlung auf die Ausbil-dung der inneren Eigenschaften Orientierungen und Eigenspannungen betrach-tet. Diese Eigenschaften bestimmen die resultierende Qualität eines Bauteils, wobei sowohl hohe Orientierungsgrade als auch stark ausgeprägte Eigenspan-nungen in der Regel qualitätsmindernd hinsichtlich der Anisotropie der Eigen-schaften und dem Verzug sind. Durch den langsamen Wärmetransport eines gering wärmeleitfähigen Werkzeugs können die in Mikro- und Dünnwandbautei-len vermehrt eingefrorenen Orientierungen reduziert werden. In Bezug auf die Eigenspannungen eines Bauteils würde eine langsame Abkühlgeschwindigkeit ebenso zu deren Verminderung führen. Als Werkstoff für Werkzeugeinsätze zeigt sich PEEK mit seiner vergleichsweise hohen Verschleißneigung anwendungsnah für höhere Stückzahlen als wenig geeignet. Denkbar wären keramische Werkstoffe oder mit geringer wärmeleitfä-higen Werkstoffen beschichtete Stahl-Werkzeuge, deren Potential in analogen Untersuchungen ermittelt wird.


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7 DANK

Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft für die finanzielle Unterstützung zur Durchführung der Arbeiten und der Firma BASF AG (Lud-wigshafen) für die Bereitstellung des Werkstoffs. Desweiteren danken die Auto-ren den Mitarbeitern am Lehrstuhl für Kunststofftechnik Herrn Dirk Schmiederer, M.Sc. und Herrn Dipl.-Ing. Christoph Heinle für die Unterstützung mit Ideen und Anregungen.

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Stichworte: Thermoplaste, Mikrospritzgießen, Dünnwandspritzgießen, Abkühlgeschwindig-keit, Oberflächen/Volumen-Verhältnis, innere Struktur, Morphologie, Ge-brauchseigenschaften

Keywords: Thermoplastics, micro-injection-molding, thin-wall injection molding, cooling rate, surface/volume-ratio, inner structure, morphology, usage properties

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Autor/author: Dipl.-Ing. (FH) Ariane Lurz Dr.-Ing. Ines Kühnert Prof. Dr.-Ing. Ernst Schmachtenberg Lehrstuhl für Kunststofftechnik Universität Erlangen-Nürnberg Am Weichselgarten 9 91058 Erlangen

E-Mail-Adresse: [email protected] Webseite: www.lkt.uni-erlangen.de Tel.: +49(0)9131 / 85-29713 Fax: +49(0) 9131 / 85-29709

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]

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]

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]

Beirat/Editorial Board: Professoren des Wissenschaftlichen Arbeits-kreises Kunststofftechnik/ Professors of the Scientific Alliance of Polymer Technology

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