Beitrag zur Vorhersage des spezifischen Volumens während des Erstarrungsvorgangs bei der Verarbeitung von Kunststoffschmelzen

Abstract

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.