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Deformationsverhalten von Kunststoffen beim Thermoformen : experimentelle und virtuelle Bestimmung
(2004) Hegemann, Bernhard; Eyerer, Peter (Prof. Dr.-Ing.)
Das Thermoformen ist ein Formgebungsverfahren, das ein erwärmtes thermoplastisches Halbzeug mittels Druckdifferenz oder mechanischer Hilfe nach Abkühlen zu einem formstabilen Kunststoffteil verformt. Ziel dabei ist, bei hinreichend geringer Halbzeugdicke eine sehr dünne und gleichmäßige Wanddickenverteilung zu erreichen, um mit minimalem Materialeinsatz eine ausreichende Bauteilsteifigkeit zu erhalten. Zur schnelleren und präzisen Optimierung der Thermoformteile bedient man sich der Computersimulation. Die Thermoformsimulation findet mit dem K-BKZ Modell (Kaye – Bernstein, Kearsley, Zapas) statt. Für dieses Modell sind Eigenschaftsdaten der Halbzeuge und deren Interaktion als Eingabewerte notwendig. Die Parameter dieses Materialmodells sind das Relaxationsspektrum, die Dämpfungsfunktion und die Zeit-Temperatur-Verschiebungskonstanten (WLF). Die bisherige experimentelle Ermittlung dieser Parameter ist sehr aufwändig und für die komplexe Beschreibung der Umformung nicht hinreichend genau. In dieser Arbeit ist ein Thermoform-Material-Charakterisierungs-Messaufbau (TMC) zur Bestimmung der notwendigen Parameter des K-BKZ Modells entwickelt worden. Er ist einfach im Aufbau und in der Handhabung, jedoch hinreichend genau bezüglich seiner Messqualität und Aussagekraft. Dieser TMC-Aufbau misst während einer temperatur- und geschwindigkeitsgesteuerten Deformation von Kunststoffproben Kraft und Weg. Diese werden mittels Reverse-Engineering und dem K-BKZ Modell angepasst und die Modellparameter daraus bestimmt. Eine Einflussanalyse bezüglich Deformationsgeschwindigkeit, Umformtemperatur sowie geometrischer Einspannverhältnisse und Stempelgeometrie hat die Randbedingungen für eine standardisierte Messung definiert. Zusätzlich sind zur Thermoformsimulation die Reibwerte zwischen Deformationsstempel und Halbzeug notwendig. Hierfür ist ein Messaufbau entwickelt worden, der temperaturabhängige statische und dynamische Reibwerte von Kunststoff-Kunststoffpaarungen ermittelt. Am Beispiel eines amorphen schlagzähmodifizierten Polystyrols (HI-PS) sind die Modellparameter mittels TMC und Reverse-Engineering und zum direkten Vergleich mit rheologischen Methoden gemessen. Diese rheologischen Methoden sind temperatur- und frequenzabhängige Torsionsschwingversuche für das Relaxationsspektrum und WLF-Konstanten sowie temperierte Zugversuche für die Dämpfungsfunktion. Für beide unterschiedlich bestimmten Relaxationsmodule ist eine sehr gute Übereinstimmung erreicht worden. Ebenfalls sind die WLF-Konstanten der beiden Methoden sehr ähnlich. Lediglich die Dämpfungsfunktion ist unterschiedlich. Diese hat aber keinen großen Einfluss auf die Simulationsergebnisse [53]. Als weiterer Werkstoff sind alle Experimente an teilkristallinem Polypropylen durchgeführt worden. Bisher ist in der Literatur zu diesem Bereich nichts veröffentlicht worden und in dieser Arbeit erstmalig untersucht. Der Vergleich beider Methoden zeigt größere Abweichungen als bei amorphen Werkstoffen. Unter anderem ist die unterschiedliche Morphologie während der Charakterisierung dafür verantwortlich. Der Vorteil der TMC-Methode bei teilkristallinen Kunststoffen liegt in der sehr prozessnahen Bestimmung der Modellparameter. Im Schmelzeübergang sind mit anderen Methoden keine Messungen durchführbar. Die TMC-Methode führt gegenüber der rheologischen Messungen zu besseren Ergebnissen bei der Simulation der Wanddicke. Mit dem TMC-Messaufbau in Verbindung mit Reverse-Engineering ist somit eine sehr gute Messapparatur entwickelt worden, um Materialkennwerte für die Thermoformsimulation mit einer geringen Anzahl einfach durchzuführender Versuche zu bestimmen.