TY - THES

T1 - Variotherme Prozessführung im Kautschukspritzguss

AU - Mager, Carina

N1 - gesperrt bis 04-09-2022

PY - 2017

Y1 - 2017

N2 - Eine wesentliche Herausforderung beim konventionellen Elastomer-Spritzgießen ist es, einen Kompromiss zwischen Inkubationszeit und Vernetzungszeit zu finden. Während die Vernetzungszeit deutlich mit steigender Vulkanisiertemperatur (Werkzeugtemperatur während Heizphase) sinkt, nimmt gleichzeitig die Inkubationszeit ab. Letztere begrenzt jedoch die mögliche Füllzeit. Diese Arbeit untersucht „Variotherme Prozessführung im Elastomer-Spritzguss“. Diese soll die Herstellung qualitativ hochwertiger Bauteile in kürzerer Zeit ermöglichen, als durch einen konventionellen Prozess. Die kürzere Prozesszeit resultiert daraus, dass die Elastomermischung bei niedrigen Werkzeugtemperaturen in die Kavität eingespritzt, und bei höheren Werkzeugtemperaturen vollständig vernetzt werden kann. Um die Wirkung dieser Einflussgrößen auf die Bauteilqualität bewerten zu können, wurde ein statistischer Versuchsplan entwickelt. Die Entscheidung fiel auf einen zweistufigen vollfaktoriellen Versuchsplan mit drei Faktoren und einem Zentralpunkt. Bei den drei Faktoren handelt es sich um die Einspritzgeschwindigkeit, die Werkzeugtemperatur (jene während des Einspritzvorganges) und die Vulkanisiertemperatur (Werkzeugtemperatur während der Heizphase). Es wurden Nitrilkautschuk (NBR) und hydrierter Nitrilkautschuk (HNBR) für die Simulation und auch die Versuche am realen Spritzgießwerkzeug verwendet. Der variotherme Spritzgießprozess wurde vorab simuliert. In Cadmould® Pre&Post wurde eine zeitabhängige thermische 3D-Analyse der Werkzeugtemperaturverteilung durchgeführt, diese Daten wurden für die Simulation des Spritzgießprozesses in Cadmould® 3D-F verwendet. Die Simulation zeigt deutlich, dass aufgrund der konstruktiven Lage der Heizelemente keine homogene Temperaturverteilung im plattenförmigen Bauteil möglich ist. Das Ergebnis der Temperaturverteilung spiegelt auch die Verteilung des simulierten Vernetzungsgrades wieder. Obwohl das Versuchsfenster sehr groß war, wurde bei NBR mit 88% - 100% trotzdem ein relativ hoher Vernetzungsgrad für alle Einstellungen im Versuchsplan simuliert, vermutlich durch Nachvernetzung. Bei HNBR wurde hingegen nur bei den Versuchseinstellungen mit einer hohen Vulkanisiertemperatur ein Vernetzungsgrad von etwa 99% vorhergesagt, bei niedriger Vulkanisiertemperatur lag dieser unter 62%. Die Beurteilung der Bauteile aus den experimentellen Versuchen erfolgte durch Messung des Druckverformungsrestes (Wanddicke 6,3 mm) und der Shore-A-Härte sowie durch Zugprüfung (beide bei Wanddicke 2 mm). Die Vulkanisiertemperatur zeigte auch auf den Druckverformungsrest den größten Einfluss. Bedingt durch die geringere Wanddicke ergaben sich konstante Zugfestigkeit und Härte für beide Materialien über den gesamten Versuchsplan. Ein Vergleich der Simulationsergebnisse mit der Realität ist bei bekannter Korrelationsfunktion zwischen Vernetzungsgrad und Druckverformungsrest möglich. Bei beiden Materialien ist bei den Einstellungen mit einer hohen Temperaturdifferenz zwischen Werkzeug- und Vulkanisiertemperatur eine gute Abbildung der Realität gegeben. Bei geringer Temperaturdifferenz wird die Abweichung zur Realität größer. Ein möglicher Grund dafür ist eine unzureichende Modellierung der Wärmeleitfähigkeit (Wert bzw. Temperaturabhängigkeit) in der Simulation. Bei beiden Materialien ist die Vulkanisiertemperatur die wichtigste Größe im Prozess, gefolgt von der Werkzeugtemperatur. Während bei HNBR das Potential zur Zykluszeitreduktion hoch ist, zeigte variotherme Prozessführung bei NBR nur wenig Verbesserung.

AB - Eine wesentliche Herausforderung beim konventionellen Elastomer-Spritzgießen ist es, einen Kompromiss zwischen Inkubationszeit und Vernetzungszeit zu finden. Während die Vernetzungszeit deutlich mit steigender Vulkanisiertemperatur (Werkzeugtemperatur während Heizphase) sinkt, nimmt gleichzeitig die Inkubationszeit ab. Letztere begrenzt jedoch die mögliche Füllzeit. Diese Arbeit untersucht „Variotherme Prozessführung im Elastomer-Spritzguss“. Diese soll die Herstellung qualitativ hochwertiger Bauteile in kürzerer Zeit ermöglichen, als durch einen konventionellen Prozess. Die kürzere Prozesszeit resultiert daraus, dass die Elastomermischung bei niedrigen Werkzeugtemperaturen in die Kavität eingespritzt, und bei höheren Werkzeugtemperaturen vollständig vernetzt werden kann. Um die Wirkung dieser Einflussgrößen auf die Bauteilqualität bewerten zu können, wurde ein statistischer Versuchsplan entwickelt. Die Entscheidung fiel auf einen zweistufigen vollfaktoriellen Versuchsplan mit drei Faktoren und einem Zentralpunkt. Bei den drei Faktoren handelt es sich um die Einspritzgeschwindigkeit, die Werkzeugtemperatur (jene während des Einspritzvorganges) und die Vulkanisiertemperatur (Werkzeugtemperatur während der Heizphase). Es wurden Nitrilkautschuk (NBR) und hydrierter Nitrilkautschuk (HNBR) für die Simulation und auch die Versuche am realen Spritzgießwerkzeug verwendet. Der variotherme Spritzgießprozess wurde vorab simuliert. In Cadmould® Pre&Post wurde eine zeitabhängige thermische 3D-Analyse der Werkzeugtemperaturverteilung durchgeführt, diese Daten wurden für die Simulation des Spritzgießprozesses in Cadmould® 3D-F verwendet. Die Simulation zeigt deutlich, dass aufgrund der konstruktiven Lage der Heizelemente keine homogene Temperaturverteilung im plattenförmigen Bauteil möglich ist. Das Ergebnis der Temperaturverteilung spiegelt auch die Verteilung des simulierten Vernetzungsgrades wieder. Obwohl das Versuchsfenster sehr groß war, wurde bei NBR mit 88% - 100% trotzdem ein relativ hoher Vernetzungsgrad für alle Einstellungen im Versuchsplan simuliert, vermutlich durch Nachvernetzung. Bei HNBR wurde hingegen nur bei den Versuchseinstellungen mit einer hohen Vulkanisiertemperatur ein Vernetzungsgrad von etwa 99% vorhergesagt, bei niedriger Vulkanisiertemperatur lag dieser unter 62%. Die Beurteilung der Bauteile aus den experimentellen Versuchen erfolgte durch Messung des Druckverformungsrestes (Wanddicke 6,3 mm) und der Shore-A-Härte sowie durch Zugprüfung (beide bei Wanddicke 2 mm). Die Vulkanisiertemperatur zeigte auch auf den Druckverformungsrest den größten Einfluss. Bedingt durch die geringere Wanddicke ergaben sich konstante Zugfestigkeit und Härte für beide Materialien über den gesamten Versuchsplan. Ein Vergleich der Simulationsergebnisse mit der Realität ist bei bekannter Korrelationsfunktion zwischen Vernetzungsgrad und Druckverformungsrest möglich. Bei beiden Materialien ist bei den Einstellungen mit einer hohen Temperaturdifferenz zwischen Werkzeug- und Vulkanisiertemperatur eine gute Abbildung der Realität gegeben. Bei geringer Temperaturdifferenz wird die Abweichung zur Realität größer. Ein möglicher Grund dafür ist eine unzureichende Modellierung der Wärmeleitfähigkeit (Wert bzw. Temperaturabhängigkeit) in der Simulation. Bei beiden Materialien ist die Vulkanisiertemperatur die wichtigste Größe im Prozess, gefolgt von der Werkzeugtemperatur. Während bei HNBR das Potential zur Zykluszeitreduktion hoch ist, zeigte variotherme Prozessführung bei NBR nur wenig Verbesserung.

KW - Kautschukspritzguss

KW - Variotherm

KW - Kautschuk

KW - Prozessführung

KW - rapid heat cycle

KW - variothermal process control

KW - elastomer

KW - injection molding

M3 - Masterarbeit

ER -