Einfluss der Verarbeitungsparameter beim Thermoformen auf Mikrostruktur und mechanische Eigenschaften von Polyethylenterephthalat

Abstract

Das Thermoformen ist ein seit langem etabliertes, wenngleich relativ unbekanntes und technologisch nicht sehr weit fortgeschrittenes, Fertigungsverfahren. Einstellungen von Prozessparametern und sogar Weiterentwicklungen finden auf Basis jahrelanger Erfahrungs-werte statt bzw. werden empirisch ermittelt. Hier ist eine Sättigungsgrenze erreicht worden, d.h. weitere Entwicklungen sind nur noch mit großem Aufwand durchzuführen. Um den Bedürfnissen des Marktes gerecht zu werden oder sogar neue Märkte zu erschließen, ist es notwendig, den Thermoformprozess reproduzierbarer zu gestalten und eingehender zu untersuchen. Neueste Trends in der Maschinenbauindustrie (instrumentierte Maschinen, Einführung von Maschinenregelungen statt –steuerungen, ...) weisen in die richtige Richtung. In dieser Arbeit wurden Formteile in einem Verfahren hergestellt, das dem Thermoformen in industriellem Maßstab ähnelt, aber bezüglich der Temperaturführung sowie der Umform-geschwindigkeit wesentlich definierter ist. Hierzu ist eine servohydraulische Universal-maschine zum Einsatz gekommen, die Temperierung des Halbzeuges wurde mittels Konvektion anstelle der industriell üblichen Infrarotstrahlung vorgenommen. Durch Variation der Prozessparameter in einem sehr weiten Bereich ist sichergestellt, dass alle relevanten Einstellungen abgeprüft werden konnten. Die auf diese Art und Weise definiert hergestellten Formteile sind hinsichtlich ihrer Mikrostruktur sowie ihrer mechanischen Eigenschaften untersucht worden. Diese Werkstoff-kennwerte wurden in Zusammenhang mit den Verarbeitungsparametern gebracht, wodurch relevante Parameter identifiziert werden konnten. Zwischen der Mikrostruktur und den mechanischen Eigenschaften konnte kein direkter Zusammenhang hergestellt werden. Um eine Vorhersage der für die Auslegung der Formteile wichtigen mechanischen Kennwerte treffen zu können, ist zunächst ein etabliertes Werkstoff-modell verwendet worden. Da dieses keine befriedigenden Ergebnisse liefert, ist eine Erweiterung des Modells um die Orientierungskennwerte sowohl der amorphen als auch der kristallinen Phase eingeführt worden. Dadurch konnte die innere Anisotropie der vorliegenden Proben berücksichtigt werden. Zur Vorhersage sowohl der mechanischen Eigenschaften als auch der Mikrostruktur als Funktion der Prozessparameter wurde der phänomenologische Ansatz der multiplen nichtlinearen Regression gewählt. Die Ergebnisse dieser Versuchsanalyse sind zufrieden-stellend und ermöglichen die direkte Vorhersage sowohl der mechanischen Eigenschaften als auch der Mikrostruktur, die wiederum weitere wichtige Formteileigenschaften wie Optik oder Barriereeigenschaften beeinflusst.

Thermoforming is a well established process for manufacturing of plastic parts. Nevertheless, it is relatively unknown and not very well developed in terms of technological aspects. Process parameter settings and further developments of parts are based on experience and are found empirically, respectively. Here, a saturation limit is reached, i.e. further developments cannot be performed but with high effort. To meet the requirements of the market or even open new markets, it is necessary to make the thermoforming process more reproducible and to have an in-depth investigation of the process. Newest trends in machine manufacturing industry show a promising development in this direction (instrumented machines, new machine controls, ...). In this work, moulded parts have been manufactured by means of a process which is very similar to thermoforming in industrial scale, but this process is much more defined in terms of temperature control and forming velocity. For this, a servo hydraulic universal machine was used, the heating was done by means of convection instead of infrared heating which is common in an industrial environment. It was ensured to test all relevant settings by variation of the process parameters in a very wide field. In this way, parts from A-PET were manufactured well-defined. These parts were investigated in terms of their micro structure and their mechanical properties. These material properties were pulled together with the process parameter settings in order to identify relevant process parameters. Between microstructure and mechanical properties, no direct interrelationship could be established. To enable a prediction of the mechanical properties of the moulded parts, a well established material model was used. Unfortunately, the results are not satisfying; hence the model was expanded to take into account the anisotropy of the material samples. To predict the mechanical properties as well as the microstructure as a function of the process parameter settings, the phenomenological approach of the multiple nonlinear regression analysis was chosen. The results of this test analysis are absolutely satisfying and allow the direct prediction of mechanical properties as well as the microstructure, which influences further important parts properties such as optical or barrier properties.