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T1 - Entwicklung des Exjection Verfahrens für Kautschuke unter Berücksichtigung des viskoelastischen Materialverhaltens

AU - Stieger, Sebastian

N1 - gesperrt bis 27-10-2023

PY - 2020

Y1 - 2020

N2 - Die Herstellung komplexer Großdichtungen aus Elastomeren erfolgt bei hoher Stückzahl in ressourcen- und kostenineffizienten Prozessen (Pressen, Drehen aus Halbzeugen), da alternative Verfahren wie das Spritzgießen oder die Extrusion entscheidende Limitationen aufweisen. In dieser Dissertation werden die aktuellen Grenzen der Elastomerverarbeitung überwunden und mit RubExject eine neue Fertigungstechnologie präsentiert. Sie basiert auf einem patentierten Sonderverfahren der Thermoplastverarbeitung (Exjection®) und fasst die gesamte Kavität in einen bewegten Verschiebeschlitten ein. Er wird während der Einspritzphase normal zum Anschnitt verschoben und entkoppelt so den Druckverlust in der Kavität von der Fließweglänge. Um die Systemgrenzen gezielt zu untersuchen, wurde ein entsprechendes Prüfkörperwerkzeug konzipiert und in Betrieb genommen. Defektfreie Elastomerbauteile lassen sich mit der Exjection Technologie nur im diskontinuierlichen Verschiebeschlittenprinzip ohne Freistellung der Anschnittoberfläche herstellen. Darüber hinaus muss der Füllvorgang innerhalb der Scorchzeit der zu verarbeitenden Mischung vollständig abgeschlossen sein. Weiterführend analysiert ein 2²-faktorieller Versuchsplan den Einfluss des Volumenstroms und der Vulkanisationszeit auf ausgewählte Bauteileigenschaften (DVR, Reißfestigkeit, Reißdehnung). Ein Vergleich mit Referenzwerten zeigt, dass die RubExject Formteile näherungsweise gepressten Platten mit identem Vernetzungsgrad entsprechen. Ferner bildet ein zweistufiger Simulationsansatz den RubExject Prozess virtuell nach. Auf Grund ihrer Komplexität wurde die Prozesssimulation auf viskose Materialmodelle eingeschränkt. Der dabei gewählte Modellierungsansatz berücksichtigt die Druckabhängigkeit der Viskosität und sagt so den Druckverlust im Angusssystem präzise vorher. Die mittlere Abweichung beträgt im quasistationären Prozesszustand für die untersuchte HNBR Kautschukmischung weniger als 6,5 %. Im Gegensatz dazu wird das komplexe und freistrahldominierte Füllverhalten nicht korrekt abgebildet. Eine umfassende Literaturrecherche weist das integrale (viskoelastische) Kaye‐Bernstein–Kearsley–Zapas (KBKZ) Modell als besten Alternativansatz aus. Für ungefüllte Polymerschmelzen sagt diese Zustandsgleichung entropieelastische Strömungsphänomene, wie auch den Druckverlust in Einlauf- und Kapillarströmungen korrekt vorher. Diese Dissertation adressiert zusätzlich die offene Forschungsfrage, ob das KBKZ-Wagner Modell in seiner aktuellen mathematischen Formulierung auch zur Beschreibung des Fließverhaltens hochgefüllter Polymersysteme geeignet ist. Zu diesem Zweck wurden ein ungefüllter HNBR Kautschuk sowie zwei hoch-rußgefüllte Kautschukmischungen (eine auf HNBR und eine auf NBR Basis) umfassend rheologisch charakterisiert. Ein Vergleich zwischen Simulationsergebnissen und Messdaten zeigt, dass sich nur der Druckverlust des ungefüllten Kautschuks präzise vorhersagen lässt. Der beigemengte Füllstoff erhöht die linear viskoelastischen Moduli und verringert gleichzeitig entropieelastische Strömungseffekte. Das KBKZ Modell ist nicht in der Lage diesem Sachverhalt (ausreichend) Rechnung zu tragen.

AB - Die Herstellung komplexer Großdichtungen aus Elastomeren erfolgt bei hoher Stückzahl in ressourcen- und kostenineffizienten Prozessen (Pressen, Drehen aus Halbzeugen), da alternative Verfahren wie das Spritzgießen oder die Extrusion entscheidende Limitationen aufweisen. In dieser Dissertation werden die aktuellen Grenzen der Elastomerverarbeitung überwunden und mit RubExject eine neue Fertigungstechnologie präsentiert. Sie basiert auf einem patentierten Sonderverfahren der Thermoplastverarbeitung (Exjection®) und fasst die gesamte Kavität in einen bewegten Verschiebeschlitten ein. Er wird während der Einspritzphase normal zum Anschnitt verschoben und entkoppelt so den Druckverlust in der Kavität von der Fließweglänge. Um die Systemgrenzen gezielt zu untersuchen, wurde ein entsprechendes Prüfkörperwerkzeug konzipiert und in Betrieb genommen. Defektfreie Elastomerbauteile lassen sich mit der Exjection Technologie nur im diskontinuierlichen Verschiebeschlittenprinzip ohne Freistellung der Anschnittoberfläche herstellen. Darüber hinaus muss der Füllvorgang innerhalb der Scorchzeit der zu verarbeitenden Mischung vollständig abgeschlossen sein. Weiterführend analysiert ein 2²-faktorieller Versuchsplan den Einfluss des Volumenstroms und der Vulkanisationszeit auf ausgewählte Bauteileigenschaften (DVR, Reißfestigkeit, Reißdehnung). Ein Vergleich mit Referenzwerten zeigt, dass die RubExject Formteile näherungsweise gepressten Platten mit identem Vernetzungsgrad entsprechen. Ferner bildet ein zweistufiger Simulationsansatz den RubExject Prozess virtuell nach. Auf Grund ihrer Komplexität wurde die Prozesssimulation auf viskose Materialmodelle eingeschränkt. Der dabei gewählte Modellierungsansatz berücksichtigt die Druckabhängigkeit der Viskosität und sagt so den Druckverlust im Angusssystem präzise vorher. Die mittlere Abweichung beträgt im quasistationären Prozesszustand für die untersuchte HNBR Kautschukmischung weniger als 6,5 %. Im Gegensatz dazu wird das komplexe und freistrahldominierte Füllverhalten nicht korrekt abgebildet. Eine umfassende Literaturrecherche weist das integrale (viskoelastische) Kaye‐Bernstein–Kearsley–Zapas (KBKZ) Modell als besten Alternativansatz aus. Für ungefüllte Polymerschmelzen sagt diese Zustandsgleichung entropieelastische Strömungsphänomene, wie auch den Druckverlust in Einlauf- und Kapillarströmungen korrekt vorher. Diese Dissertation adressiert zusätzlich die offene Forschungsfrage, ob das KBKZ-Wagner Modell in seiner aktuellen mathematischen Formulierung auch zur Beschreibung des Fließverhaltens hochgefüllter Polymersysteme geeignet ist. Zu diesem Zweck wurden ein ungefüllter HNBR Kautschuk sowie zwei hoch-rußgefüllte Kautschukmischungen (eine auf HNBR und eine auf NBR Basis) umfassend rheologisch charakterisiert. Ein Vergleich zwischen Simulationsergebnissen und Messdaten zeigt, dass sich nur der Druckverlust des ungefüllten Kautschuks präzise vorhersagen lässt. Der beigemengte Füllstoff erhöht die linear viskoelastischen Moduli und verringert gleichzeitig entropieelastische Strömungseffekte. Das KBKZ Modell ist nicht in der Lage diesem Sachverhalt (ausreichend) Rechnung zu tragen.

KW - Elastomerspritzgießen

KW - Exjection

KW - Kautschukrheologie

KW - viskoelastische Modellierung

KW - K-BKZ Modell

KW - Rubber injection molding

KW - Exjection

KW - Rheology

KW - Viscoelastic modelling

KW - K-BKZ model

M3 - Dissertation

ER -