Deformationsverhalten von Kunststoffen beim Thermoformen : experimentelle und virtuelle Bestimmung

Abstract

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.

Thermoforming is a shaping process in which a heated thermoplastic sheet is deformed by means of a pressure difference or with mechanical assistance to form a stable plastic part. A major goal for this type of processing is to attain a very thin and even wall thickness throughout the finished part thereby utilizing a minimal amount of material, yet retain sufficient structural rigidity. To achieve an efficient and optimal process, one must employ computer simulations.

For a simulation one requires as input, not only characteristic data for the semi-finished material but also data concerning its interaction with the process. Modeling of the thermoforming process is achieved using the K-BKZ model. The parameters required for this model are the relaxation spectrum, the damping function and the time-temperature shift constant (WLF). Previous methods of determining these parameters were extremely laborious, the results of which were unable to accurately describe the complex shaping process.

However, in this study measurement apparatus have been developed to enable thermoforming material characterization (TMC) and thus define the necessary parameters required for the K-BKZ model. The device constructed allows measurement of force and deformation during temperature and speed dependent deformation of plastic samples. The apparatus is conceptually simple and yet easy to operate and precise enough for the required material characterization. Via a reverse engineering process, this data is used to compute the model input values and subsequently calculate the results from the K-BKZ model.

An analysis of the influence of deformation speed and temperature, plug geometry and clamping geometry enabled boundary conditions for a standardized measurement to be defined. Additionally, the coefficient of friction between the deformation plugs and the semi-finished material is required for the thermoforming simulation. To quantify these, a measurement device was constructed that allowed the temperature dependant static and dynamic coefficient of friction to be measured.

By means of an example, the model parameters of amorphous high impact modified polystyrene (HI-PS) have been defined using the TMC coupled with reverse engineering. These results have been compared directly to the parameters measured using standard rheological techniques that employ temperature and frequency dependent shear experiments to determine the relaxation spectrum and WLF constant. Tensile tests at a constant temperature were performed to investigate the damping function.

Excellent agreement was found in deriving the relaxation spectrum and WLF constants from these two approaches. There were however discrepancies in the values for the damping function, but this has a negligible influence on the simulation results.

All further investigations were performed on semi-crystalline Polypropylene. To date, nothing has been published concerning characterization of the thermoforming parameters for this material, this study being the first. Comparisons of results from the two different experimental methods reveal larger deviations with the semi-crystalline material than with the amorphous material. This is mainly due to the differences in morphology caused by nucleation.

The advantage of the TMC method with semi-crystalline plastics is the model parameters derived are close to those of the process in reality. In the melt transition, as with other methods, measurements are not feasible. In comparison to rheological measurements, the TMC method delivers better results with respect to the simulation of wall thickness.

The apparatus developed for the TMC measurements coupled with a reverse engineering approach to determine the model parameters for thermoforming simulations has been extremely successful resulting in a technique that requires only a few simple steps to gain the required results.