Browsing by Author "Bonten, Christian (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)"

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    Beitrag zur Vorhersage des spezifischen Volumens während des Erstarrungsvorgangs bei der Verarbeitung von Kunststoffschmelzen
    (2023) Baumgärtner, Felix; Bonten, Christian (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)
    Bei der Verarbeitung thermoplastischer Kunststoffe folgt nach dem Formgebungsprozess die Erstarrung, bei der der Kunststoff vom Schmelze- in den Festkörperzustand übergeht. Die Erstarrung geht dabei mit einer Veränderung des spezifischen Volumens einher, die aufgrund der makromolekularen Struktur der Kunststoffe eine deutlich ausgeprägte Zeitabhängigkeit aufweist. Im Allgemeinen führt eine schneller herbeigeführte Erstarrung zu einem höheren spezifischen Volumen, das mit einem Zustand veränderter innerer Ordnung der Makromoleküle einhergeht. Eine unzureichende Vorhersagemöglichkeit des spezifischen Volumens erschwert die korrekte modellhafte Beschreibung des Fertigungsprozesses. Obwohl diese grundlegenden Zusammenhänge zwar bereits seit Jahrzehnten bekannt sind, beruht die Vorhersage des spezifischen Volumens in der Praxis noch immer auf dem sogenannten Tait-Modell, welches jedoch keine zeitabhängigen Volumenänderungseffekte berücksichtigt. Der Grund hierfür ist aus Sicht des Autors, dass die später entwickelten Modelle entweder keine nennenswerte Verbesserung der Vorhersage ermöglicht haben oder dass die Ermittlung der notwendigen Werkstoffparameter schlichtweg zu aufwändig oder nicht möglich ist. Dadurch wird bislang die Anwendung von zeitabhängigen pvT-Modellen trotz des großen Bedarfs verhindert. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es deshalb, einerseits ein neues Werkstoffmodell für die Beschreibung des zeitabhängigen pvT-Verhaltens bei der Erstarrung von ther-moplastischen Kunststoffen zu finden. Andererseits sollen die notwendigen Werkstoffparameter verhältnismäßig einfach aus Messdaten durch ein induktives Vorgehen ermittelt werden. Außerdem soll ein Messverfahren entwickelt werden, mit dem die kalibrierten Werkstoffmodelle unter prozessnahen Bedingungen überprüft werden können. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Modell setzt sich sowohl für amorphe als auch für teilkristalline Kunststoffe aus einem Verhalten im Gleichgewichtszustand und dem zeitabhängigen Verhalten zusammen. Das Verhalten im Gleichgewichtszustand lässt sich bereits gut mit dem Tait-Modell beschreiben, dessen Parameter auch mit konventionellen pvT-Messungen gut ermittelt werden können. Das zeitabhängige Verhalten beschreibt hingegen die Geschwindigkeit, mit der sich der Werkstoff nach einer Auslenkung aus dem Gleichgewicht wieder dem Gleichgewichtszustand annähert. Bei amorphen Kunststoffen erfolgt diese Beschreibung auf Basis des sog. KAHR-Modells unter Verwendung des Zeit-Temperatur-Verschiebungsprinzips für einen viskoelastischen Körper. Für eine möglichst effiziente Bestimmung der Werkstoffparameter wird ein Retardationszeitspektrum aus Oszillationsmessungen am Rotationsrheometer verwendet. Letzteres lässt sich dann in ein Retardationszeitspektrum in isotroper Kompression überführen. Bei teilkristallinen Kunststoffen wird der zeitabhängige Kristallisationsgrad beschrieben, der über eine Mischungsregel aus den temperaturabhängigen Volumina der vollständig amorphen Phase und der vollständig kristallinen Phase berechnet wird. Das Verhältnis zwischen diesen beiden Phasen, der Kristallisationsgrad, wird mit dem Dual-Nakamura-Modell beschrieben. Die Kristallisationskinetik wird dabei mit Hilfe von kalorimetrischen Messungen, die die Untersuchung der isothermen Kristallisation im kompletten Verarbeitungstemperaturbereich ermöglichen, erfasst. Die vorgestellte Vorgehensweise zur Modellierung ermöglicht erstmals die Beschreibung der zeit- und druckabhängigen Erstarrung für Abkühlprozesse mit beliebigen Druck- und Temperaturverläufen. Die erhaltenen Werkstoffparameter werden schließlich genutzt, um den Abkühlvorgang unter prozessnahen Bedingungen vorherzusagen. Dabei wird für alle Werkstoffe gefunden, dass das mit deutlich verringertem Aufwand ermittelte Werkstoffverhalten in guter Übereinstimmung zu dem bereits in der Literatur beschriebenen Verhalten steht. Die Werkstoffmodelle sind dabei in der Lage, die bei schneller Abkühlung zu erwartenden Effekte abzubilden. Es ist mit der Modellierung möglich, selbst Werkstoffe, die beispielsweise nur im Molekulargewicht und dadurch im Schwindungsverhalten variieren, zu unterscheiden. Der Vergleich zwischen dem entwickelten Messverfahren und der Vorhersage, welche ein reales und ein virtuelles Experiment kombiniert, lieferte nur eine qualitative Übereinstimmung von Messung und Vorhersage. Die Messergebnisse des neu konzipierten Versuchsstands weichen von den zu erwartenden Werten ab. Der Vergleich der Messwerte im Zustand vor der Abkühlung zeigt hingegen hohe Übereinstimmung. Dies deutet darauf hin, dass durch den Abkühlvorgang noch in der Berechnung unberücksichtigte Effekte auftreten, die das Messergebnis verfälschen. Die Optimierung des Versuchsaufbaus des realen Experiments sowie des Berechnungsansatzes beim virtuellen Experiment wird Gegenstand künftiger Bemühungen sein.
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    Das Erwärmungsverhalten thermoplastischer Faserkunststoffverbunde durch Ausnutzung des Joule’schen Effekts
    (2020) Wellekötter, Jochen; Bonten, Christian (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)
    Die Weiterverarbeitung thermoplastischer endlosfaserverstärkter Halbzeuge gilt als ein effizienter und automatisierbarer Herstellungsprozess von Faserkunststoffverbunden in Serienanwendungen. Bei der Verarbeitung werden die thermoplastischen Halbzeuge zunächst auf Endkontur geschnitten, dann erwärmt und zum Beispiel als Einleger im Spritzgießprozess hinterspritzt. Der Prozess läuft in der Regel vollautomatisiert ab. Als Erwärmungsmethoden kommen die gängigen Wärmeübertragungsprinzipien zum Einsatz. Für Faserkunststoffverbunde besteht unter anderem bei der Verarbeitung nach wie vor enormes Potenzial, die Umweltbilanz zu verbessern. Insbesondere lässt sich der Wirkungsgrad der Erwärmung steigern. Eine neuartige Erwärmungsmethode für kohlenstofffaserverstärkte thermoplastische Halbzeuge stellt die Joule'sche Erwärmung dar. Trotz des theoretisch enorm hohen Wirkungsgrads ist die Joule'sche Erwärmung faserverstärkter Halbzeuge jedoch bisher wenig erforscht und findet keine Anwendung im industriellen Umfeld. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher, den Erwärmungsprozess thermoplastischer Prepregs durch Ausnutzung des Joule'schen Effekts zu analysieren und so Verfahrensgrenzen und Prozessparameter zu evaluieren. Dabei wird der Einfluss der Kontaktierung, der verwendeten Werkstoffe sowie der Größe und Geometrie der zu erwärmenden Halbzeuge auf die Zielgrößen mittlere Bauteiltemperatur, Temperaturverteilung, Wirkungsgrad sowie Bauteil- und Prozessqualität experimentell bestimmt. Zusätzlich erfolgt eine numerische Vorhersage des Erwärmungsprozesses. Es stellt sich heraus, dass die Qualität der Kontaktierung maßgeblich durch die Form und Größe der Elektroden bestimmt wird. Große Elektroden führen zu einer homogeneren Temperaturverteilung. Durch Rundungen an den Kanten der Elektroden kann die Temperaturverteilung weiter verbessert werden. Die im Halbzeug vorliegende Textilstruktur hat einen deutlichen Einfluss auf das Erwärmungsverhalten. Halbzeuge auf Gewebebasis können aufgrund der vielen Verschlaufungen zwischen den Rovings homogener erwärmt werden. Die Halbzeuglänge hat aufgrund der sich einstellenden Reihenschaltung der Halbzeugwiderstände nur einen geringen Einfluss auf das Erwärmungsverhalten. Die Parallelschaltung der Halbzeugwiderstände durch Veränderung der Halbzeugbreite resultiert jedoch in einem ungleichmäßigen Erwärmungsverhalten. Formelemente in Form von Bohrungen oder Stufen haben einen deutlichen Effekt auf das Erwärmungsverhalten. Grundsätzlich werden durch komplexere Halbzeuge inhomogenere Temperaturprofile erreicht, was zu Schädigungen der Fasern und der Matrix führen kann. Die Temperaturverteilung während der Erwärmung kann durch numerische Verfahren vorhergesagt werden. Mithilfe der computergestützten Werkstoffsimulation lassen sich vergleichsweise einfache Geometrien mit hoher Genauigkeit bestimmen. Für komplexere Geometrien weichen die Maximaltemperatur und die mittlere Bauteiltemperatur jedoch deutlich voneinander ab. Durch eine Regressionsanalyse mittels Machine-learning können außerdem die Versuchsergebnisse ausgewertet werden. Dies erlaubt insbesondere eine stetige Verbesserung der numerischen Vorhersage, indem neue Versuchsergebnisse in die Analyse mit einbezogen werden können und somit ein Online-Überwachungssystem realisiert werden kann.
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