Ziel der Entwicklung
Ziel des Vorhabens war es, Spritzgieß-Rheometer-Prototypen (SG-Rheometer) zu entwickeln, die es ermöglichen, kritische Formmassen rheologisch zu charakterisieren und somit die Voraussetzung für Kennwertermittlung (Viskositätsfunktionen), Fehleranalyse, Qualitätssicherung, Prozesskontrolle sowie direkte Prozessüberwachung zu schaffen. Als kritische Formmassen werden dabei Hochleistungskunststoffe, extrem niedrigviskose Materialien sowie hochgefüllte Kunststoffe betrachtet. Die SG-Rheometer für den Hochtemperatureinsatz werden direkt an der Spritzgießmaschine eingesetzt und lassen Aussagen zur Viskosität von Hochleistungskunststoffen, in dem für die Spritzgießverarbeitung relevanten Schergeschwindigkeitsbereich (103 und 104 s-1) zu. Die Anforderungen an die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messungen, kurze Ansprechzeiten und einfache Systemintegration durch Standardmontage der SG-Rheometer wurden erfüllt. Die entwickelte Software zur Auswertung der Messsignale ermöglicht die zeitnahe Ermittlung der Fließkurven. Der Anwender wird Schritt für Schritt zur Vorabanzeige der scheinbaren Fließkurve geleitet, wobei diese mit anderen Fließkurven und HKV-Messdaten beispielsweise aus der Campusdatenbank direkt verglichen werden kann. Das zusätzlich programmierte Auswertungstool ermöglicht auch die Ermittlung der wahren Fließkurven und rundet damit das gesamte Spektrum zur Darstellung der Fließeigenschaften ab. Bei der Ermittlung von Fließkurven niedrigviskoser Kunststoffe (wie PA oder LCP) ist bisher immer der zu geringe Druckaufbau innerhalb der Messkapillare kritisch. Hier wurden die Kapillargeometrien für die Messung entsprechend dimensioniert. Die unter Praxisbedingungen ermittelten Fließkurven zeigen gute Übereinstimmung mit Messwerten in anderen Messverfahren (Flachschlitz-, Rundkapillar-Rheometer oder HKV) und sind damit zuverlässig.
Vorteile und Lösungen
Die entwickelten SG-Rheometer-Prototypen stellen neben dem Einsatz für Standardkunststoffe auch für Spezialkunststoffe eine prozessbegleitende Fehleranalyse, Qualitätssicherung, Prozessüberwachung und direkte Prozesskontrolle sicher. Sie bieten vor allem für den Praktiker durch einfache Bedienbarkeit und unterstützende Software eine gute Möglichkeit zur Bewertung der Fließeigenschaften des aktuell eingesetzten Materials ohne lange Wartezeiten auf Fließkurven aus werkseigenen oder externen Prüflaboratorien. Aus dem Einsatz dieser Prototypen ergeben sich folgende Vorteile:
- Bereits bei Rezepturentwicklungen von Hochleistungskunststoffen kann mit Hilfe der Spritzgieß-Rheometer-Prototypen der Einfluss verschiedener Additivbestandteile untersucht und eine Verarbeitbarkeitsprüfung durchgeführt werden. Zusammensetzungen können exakter an die Anforderungen angepasst werden.
- Durch Bestimmung rheologischer Daten von Hochleistungskunststoffen unter Verarbeitungsbedingungen kann eine hohe Qualitätskonstanz unter minimalem Aufwand realisiert werden.
- Durch prozessbegleitende Qualitätskontrolle und -sicherung kann bei auftretenden Unregelmäßigkeiten im Verarbeitungsprozess, beispielsweise infolge von Chargenschwankungen oder erhöhten Rezyklatzusätzen, sofort eingegriffen und Qualitätsmängel am Endprodukt vermieden werden.
- Durch den direkten Einsatz der Spritzgieß-Rheometer-Prototypen im Verarbeitungsprozess kann der Maschineneinfluss (während Plastifizierung) auf die rheologischen Eigenschaften ermittelt werden.
- Infolge der Ermittlung bisher kaum vorhandener rheologischer Daten von Hochleistungskunststoffen für die Füllsimulation kann die Entwicklung neuer Formteile und Werkzeuge zuverlässiger und kostengünstiger erfolgen.
Zielgruppe und Zielmarkt
In der derzeitigen Wettbewerbssituation können Kunststoffverarbeiter ihre Marktposition nur dann behaupten, wenn sie innovative Lösungen, durch Fertigung von Bauteilen mit hohem anwendungs- und verbeitungstechnischen Anspruch herstellen. Gleichzeitig müssen sie alle Möglichkeiten der Qualitätssicherung und Ausschussvermeidung nutzen, um die hohen Kosten der Hochleistungskunststoffe zu beherrschen.
Für Fehleranalyse und Aufklärung verfahrenstechnischer Zusamenhänge bei schadensanalytischen Untersuchungen ist diese Methode eine wichtige Basis für eigene Leistungsangebote. Die intensive Auseinandersetzung mit den rheologischen Zusammenhängen schafft für weitere Forschungsarbeiten eine wichtige Basis, insbesondere bei Untersuchungen zur Kleinmengenplastifizierung und zum Einsatz der Hochleistungskunststoffe im Mikrospritzgießen, einschließlich der Simulation von Mikroformteilen.