TY - THES

T1 - Reibungsreduktion zwischen Polymer- und Werkzeugoberfläche: Einfluss der Rauigkeit auf die Oberflächenenergie und Grenzflächenspannung

AU - Lugger, Mario

N1 - gesperrt bis 27-03-2017

PY - 2012

Y1 - 2012

N2 - Bei Spritzgießprozessen in der Kunststoffindustrie sind Standzeit, Taktrate und die Genauigkeit der abgebildeten Oberflächenstruktur von großer Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit. Hierbei spielt die Reibung beim Entformungsprozess eine entscheidende Rolle. In dieser Arbeit ist zunächst die Abhängigkeit der Oberflächenenergie von der Oberflächenrauigkeit bei unterschiedlichen Werkstoffen systematisch untersucht worden. Es wurden Formenstähle unterschiedlicher Zusammensetzung, Beschichtungen und bei unterschiedlichen Prozessbedingungen hergestellte Kunststoffproben verwendet. Zur Bestimmung der Oberflächenenergie diente ein Kontaktwinkelmessgerät bei Raumtemperatur, die Oberflächenrauigkeit wurde mittels Rasterkraftmikroskopie im tapping-mode und einem konfokalen Weißlichtmikroskop gemessen. Es konnte die teils starke Abhängigkeit der Oberflächenenergie von der Oberflächenrauigkeit gezeigt werden, wobei die Oberflächenenergie mit sinkender Rauigkeit meist abnimmt. Ferner ergab sich auch eine deutliche Abhängigkeit der Oberflächenenergie von den Herstellprozessen der einzelnen Proben. Beim Spritzgießen von thermoplastischen Kunststoffen wird zuerst heiße Polymerschmelze unter Druck in einen kälteren, aus Stahl gebildeten Formhohlraum (Kavität) gespritzt. Anschließend wird die Schmelze zu einem festen Bauteil abgekühlt, das dann beim Entformungsvorgang unter Reibung von der Stahloberfläche getrennt wird. Die sogenannte Grenzflächenspannung ist ein Wert, der das Trennungsverhalten eines Festkörpers von einem anderen Festkörper beschreiben könnte. Hauptziel dieser Arbeit war es zu ermitteln, ob die Grenzflächenspannung als Vorhersagekenngröße für das reale Entformungsverhalten dienen kann. Um dies zu überprüfen, wurden die Grenzflächenspannungen verschiedener Kombinationen aus Kunststoff, Beschichtung und Formenstahl aus den gemessenen Oberflächenenergien berechnet und mit Erkenntnissen aus früheren prozessnahen Entformungskraftmessversuchen verglichen. Es konnte eine gute Übereinstimmung von errechneten Trends (hohe Grenzflächenspannung) und gemessenen Werten (niedrige Reibung) festgestellt werden. Bei Betrachtung der Systeme Polycarbonat – Stähle und Polycarbonat – Beschichtungen lagen die errechneten Werte der Grenzflächenspannung für die Beschichtungen (γCrN = 4,23 mN/m) generell über jenen der Stähle (γStahl = 1,23 mN/m). Dies steht in gutem Einklang mit der Praxis, da hier für den Kunststoff PC Beschichtungen zur Reduzierung der Entformungskräfte eingesetzt werden.

AB - Bei Spritzgießprozessen in der Kunststoffindustrie sind Standzeit, Taktrate und die Genauigkeit der abgebildeten Oberflächenstruktur von großer Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit. Hierbei spielt die Reibung beim Entformungsprozess eine entscheidende Rolle. In dieser Arbeit ist zunächst die Abhängigkeit der Oberflächenenergie von der Oberflächenrauigkeit bei unterschiedlichen Werkstoffen systematisch untersucht worden. Es wurden Formenstähle unterschiedlicher Zusammensetzung, Beschichtungen und bei unterschiedlichen Prozessbedingungen hergestellte Kunststoffproben verwendet. Zur Bestimmung der Oberflächenenergie diente ein Kontaktwinkelmessgerät bei Raumtemperatur, die Oberflächenrauigkeit wurde mittels Rasterkraftmikroskopie im tapping-mode und einem konfokalen Weißlichtmikroskop gemessen. Es konnte die teils starke Abhängigkeit der Oberflächenenergie von der Oberflächenrauigkeit gezeigt werden, wobei die Oberflächenenergie mit sinkender Rauigkeit meist abnimmt. Ferner ergab sich auch eine deutliche Abhängigkeit der Oberflächenenergie von den Herstellprozessen der einzelnen Proben. Beim Spritzgießen von thermoplastischen Kunststoffen wird zuerst heiße Polymerschmelze unter Druck in einen kälteren, aus Stahl gebildeten Formhohlraum (Kavität) gespritzt. Anschließend wird die Schmelze zu einem festen Bauteil abgekühlt, das dann beim Entformungsvorgang unter Reibung von der Stahloberfläche getrennt wird. Die sogenannte Grenzflächenspannung ist ein Wert, der das Trennungsverhalten eines Festkörpers von einem anderen Festkörper beschreiben könnte. Hauptziel dieser Arbeit war es zu ermitteln, ob die Grenzflächenspannung als Vorhersagekenngröße für das reale Entformungsverhalten dienen kann. Um dies zu überprüfen, wurden die Grenzflächenspannungen verschiedener Kombinationen aus Kunststoff, Beschichtung und Formenstahl aus den gemessenen Oberflächenenergien berechnet und mit Erkenntnissen aus früheren prozessnahen Entformungskraftmessversuchen verglichen. Es konnte eine gute Übereinstimmung von errechneten Trends (hohe Grenzflächenspannung) und gemessenen Werten (niedrige Reibung) festgestellt werden. Bei Betrachtung der Systeme Polycarbonat – Stähle und Polycarbonat – Beschichtungen lagen die errechneten Werte der Grenzflächenspannung für die Beschichtungen (γCrN = 4,23 mN/m) generell über jenen der Stähle (γStahl = 1,23 mN/m). Dies steht in gutem Einklang mit der Praxis, da hier für den Kunststoff PC Beschichtungen zur Reduzierung der Entformungskräfte eingesetzt werden.

KW - Spritzgießen

KW - Oberflächenenergie

KW - Oberflächenrauigkeit

KW - Grenzflächenspannung

KW - Rasterkraftmikroskopie

KW - konfokale Weißlichtmikroskopie

KW - Reibungsreduktion

KW - injection molding

KW - surface energy

KW - surface roughness

KW - interfacial tension

KW - atomic force microscopy

KW - confocal white light microscopy

KW - friction reduction

M3 - Diplomarbeit

ER -