Polymere II Teil 2: Technologie der Polymere

Transkript

1 Bachelorstudiengang Materialwissenschaft Grundlagenfächer Teil 3 Frühjahrsemester 2008 Polymere II Teil 2: Technologie der Polymere 4. Urformen II Pressen, Kalandrieren Thomas Schweizer Polymer Physik, Polymer Technologie FS09 4/1

2 Eigenschaften der Spritzgussteile: Masshaltigkeit Abmasse des Formnestes bei T w Die Masse des Formteils werden bestimmt durch: Lage der Angüsse Rep. Formnesttemperatur T w Kompromiss zwischen Entformungsfestigkeit und Eigenspannungen, bestimmt auch Kristallinität Schwindung im Formnest bis zum Auswerfen Nachschwindung Abkühlung auf RT und Kurzzeitalterung Entformung unter Restdruck vergrössert Eigenspannungen und Verzug Druckwirkzeit t p=1 Abschalten des Nachdruckes vor der Siegelzeit Feuchtigkeit (v.a. bei PA) Füllstoffe t p=1 Beispiel: Unrundheit eines Wälzlagerkäfigs aus PA66-GF20 in Abhängigkeit der Zahl der Angüsse S. Stitz, W. Keller, Spritzgiesstechnik, Hanser, 2001FS09 4/2 3.1 Prozess 3.2 Formteilbildung 3.3 Formteileigenschaften 3.4 Sonderverfahren

3 Formteileigenschaften: Faserorientierung 5% Rep Einfluss der Scherung steigt mit γ T v m, T w Füllgeschw. Einfluss der Dehnung Einfluss der Scherung 5 Quellströmung: Orientierung der Fasern in Umfangsrichtung Dicke der Schicht relativ zur Dicke der Probe Akay M, Barkley D (1991), J. Mat. Sci. 26: Orientierung der Fasern relativ zur Fliessrichtung S. Stitz, W. Keller, Spritzgiesstechnik, Hanser, 2001 FS09 4/3 3.1 Prozess 3.2 Formteilbildung 3.3 Formteileigenschaften 3.4 Sonderverfahren

4 Spritzgiessen: Sonderverfahren Verfahren Varianten Beispiel Rep. Mehrkomponenten-SG mehrfarbig hart/weich Rücklichtabdeckung Zahnbürste, Fittinge mit Dichtung, Brille Montage-SG Gelenke Spielfiguren (Playmobil-Affe) Lüftungsklappen Fluidinjektionstechnik Sandwich-SG Wasser, Gas, 2. Polymer Leitungen im Automobilbau Thermoplast-Schaum-SG μcell (Trexel, USA) Porengrössen zwischen 5-50 μm durch Expansion gelöster Gase Spritzprägen (Heissprägen) Schmelz-/Lösekerntechnik Powder-Injection-Molding PIM SG von vernetzenden Polymeren tiefschmelzende Metallleg. wasserlösliche Polymere Keramik Metalle DVD, Linsen (Hologramme) zur Vermeidung von Kernzügen Hinterschnitte keramische Fadenführungen, Zahnräder, med. Komponenten Isolatoren, Dichtungen FS09 4/4 3.1 Prozess 3.2 Formteilbildung 3.3 Formteileigenschaften 3.4 Sonderverfahren

5 Inhalt Pressen Übersicht der Pressverfahren Herstellung der Pressmassen mechanische Eigenschaften faserverstärkter Werkstoffe (Heiss-)Pressen Spritzpressen Harzinjektionsverfahren Schichtpressen Kalandrieren Geschwindigkeit und Druck im Walzenspalt Kneten und Mischen Folienherstellung Kaschieren Dublieren FS09 4/5

6 Nomenklatur verschiedener Pressverfahren Englisch Deutsch Pressmassen Compression moulding (Heiss-) Pressen Prepreg, SMC, GMT, LFT* Laminating Schichtpressen Harzträger + Harz Transfer moulding Spritzpressen BMC, DMC* Resin transfer moulding Harzinjektionsverfahren Fasern: Matten, Gewebe, Langfasern Harz: niederviskos, reaktionsträg * siehe nächste Folien FS09 4/6

7 Pressmassen Duroplaste Halbzeug mit unidirektionalen Langfasern oder Geweben Duroplaste Halbzeug mit Kurzfaserschnipseln (<50mm) Thermoplaste Halbzeug mit unidirektionalen Langfasern oder Geweben Prepreg Preimpregnated fibers SMC Sheet molding compound BMC Bulk molding compound DMC Dough molding compound GMT glasfasermattenverstärkte Thermoplaste (Glass mat reinforce thermoplastics) LFT Long fiber reinforced thermoplastics Glasfasermatten + Prepolymer Pressen Bauteil Glasfilamentgewebe (meist Polyester) FS09 4/7

8 SMC und BMC Herstellung mm vol% Duroplaste PE Paste: Harz Polyester, Vinylester Epoxid, Phenol Füllstoffe Additive keine Fasern PE SMC: langfasrig nur für Pressen 6-25 mm vol% BMC: kurzfasrig für Pressen und SG B.A. Davis, P.J. Gramann, T.A. Osswald, A.C. Rios, Compression Molding, Hanser, München, 2003 FS09 4/8

9 GMT Herstellung Thermoplaste sehr gut geeignet für Recycling-Thermoplaste B.A. Davis, P.J. Gramann, T.A. Osswald, A.C. Rios, Compression Molding, Hanser, München, 2003 FS09 4/9

10 Faserverbundwerkstoff mit ausgerichteten Fasern praktischer Bereich E E = E (1 φ ) + E φ M F E-Modul [MPa] E EE M F E = (1 φ )E +φe F M Faseranteil φ F Die Matrix und die Haftung an der Grenzfläche Harz-Faser dominieren die Steifigkeit des Verbundes Mischungsregel Verbund von Glasfasern in Polyester-Matrix (E Faser = 73,7 MPa, E Matrix = 4 MPa). David RoylanceI, NTRODUCTION TO COMPOSITE MATERIALS, MIT, 2000 FS09 4/10

11 Verstärkungswirkung von Füllstoffen E pulvriger Füllstoff E B.A. Davis, P.J. Gramann, T.A. Osswald, A.C. Rios, Compression Molding, Hanser, München, 2003 Schaum FS09 4/11

12 Einteilung der Pressformen a) Open Flash mit Staukante b) Fully Positive mit Tauchkante c), d) Semipositive Kombination von a)+b) Manas Chanda, Salil K.Roy Plastics Technology Handbook CRC Press, 4th edition, 2007 FS09 4/12

13 Pressen - Verfahren T w > T Aushärtung Patrizenweg Zeit Wolfgang Kaiser, Kunststoffchemie für Ingenieure, 2. Auflage, Hanser, 2007 Pulver, Granulat Vorpressling Im Vergleich zu Thermoplast-SG: - Zeitverlust: Härtezeit in heisser Form + Zeitgewinn: Warmausformung kein Temperaturwechsel der Form FS09 4/13

14 Ausgewählte Probleme beim Pressen Material thermisch geschädigt Faser-Harz Separation B.A. Davis, P.J. Gramann, T.A. Osswald, A.C. Rios, Compression Molding, Hanser, München, 2003 Bindenaht Thermischer Abbau beim Aushärten FS09 4/14

15 Spritzpressen (Transfer-Moulding) I Die Temperatur T w der Form bleibt auf T Aushärtung Zeitgewinn Pressmasse Wolfgang Kaiser, Kunststoffchemie für Ingenieure, 2. Auflage, Hanser, 2007 Rückgriff auf Lektion 3: Mit Pressmasse = Thermoplastschmelze und T w < T m oder T g bezeichnet man das Verfahren als Spritzpressen FS09 4/15

16 Spritzpressen (Transfer-Moulding) II Anguss Hülse mit Anguss Manas Chanda, Salil K.Roy Plastics Technology Handbook CRC Press, 4th edition, 2007 FS09 4/16

17 Spritzpressen (Transfer-Moulding) III Unterschied zu Thermoplast-SG: Einspritzen in heisse Form Warmausformung T Aushärtung Wolfgang Kaiser, Kunststoffchemie für Ingenieure, 2. Auflage, Hanser, 2007 T < T Aushärtung FS09 4/17

18 Harzinjektionsverfahren (Resin-Transfer-Molding) mit geschlossener Form Faservorformling Harz wird zähflüssiger durch voranschreitende Vernetzung Harz wird fliessfähiger durch Temperaturerhöhung Schritte: 1. Evakuation der Form 2. Füllen 3. Spülen um Lunker zu vermeiden 4. Aushärten mit Nachdruck, um Schwindung zu reduzieren Angussarten: Zentral oder Film Oberflächenqualität: wie Form Bauteilgrösse : < ca. 3 m 2 Stückzahlen: 100 bis Stück pro Jahr Prof. Dr.-Ing. Horoschenkoff Vorlesung Kunststofftechnik FH München, Sommersemester 2001 FS09 4/18

19 Schichtpressen mit Harz imprägnieren Harzträger Papier Baumwolle Glasgewebe "Vier von zehn spielen keine tragende Rolle" Papier-Tragtaschen im K-Tipp-Test K-Tipp Nr. 4, 28. Februar 2001 Halbzeug kalandrieren aushärten Wasserfestes Papier für Tragtaschen, Landkarten Stapeln Pressen Laminat Kern: Papier / Phenol Dekor: Papier / Melamin + Hartstoff Fussbodenbeläge Verkleidungen für Küchenmöbel Leiterplatten, evt. kupferkaschiert Früher: Papier / Phenol Heute: Glas / Epoxy Doppelbandpresse: < 100 bar, < 400 C FS09 4/19

20 Pressen und Spritzgiessen im Vergleich Pressen Spritzgiessen Pressmassen Faserverstärkung Duroplaste Vorpolymerisate 2-Komponenten-Systeme Lang- und Kurzfasern Gewebe, Matten Thermoplaste Polymere Kurzfasern Formwandtemperatur T Aushärtung C T Polymerisation 60 C T w < T m oder T g Formwerkstoff Stahl, Alu, Kunststoff, Holz Werkzeugstahl Formteilprojektionsfläche 1 dm 2-3 m 2 1 mm 2-1 m 2 Pressdrücke bar bar Zykluszeitbestimmend Aushärtung Abkühlung Stückzahlen FS09 4/20

21 Inhalt Pressen Übersicht der Pressverfahren Herstellung der Pressmassen mechanische Eigenschaften faserverstärkter Werkstoffe (Heiss-)Pressen Spritzpressen Harzinjektionsverfahren Schichtpressen Kalandrieren Geschwindigkeit und Druck im Walzenspalt Kneten und Mischen Folienherstellung Kaschieren Dublieren FS09 4/21

22 Übersicht Kalandrierverfahren Kalander (engl. calender) Kneten / Mischen Urformen Beschichten / Tränken Kaschieren Dublieren Gummi Farbe Vormischung für PIM Schokolade (Conchieren) Teigherstellung Salbenherstellung Folien (Blister) Platten Bodenbeläge (mit Prägung) PSA (Scotch Tape) (wasserfestes) Papier imprägnierte Gewebe Schutzfolien auf Platten Cu auf Leiterplatten Dekor auf Spanplatten Mehrschichtfolien FS09 4/22

23 Kalandrieren - Anordnung der Walzen Walzen: 900 mm L 4500 mm Wolfgang Kaiser, Kunststoffchemie für Ingenieure, 2. Auflage, Hanser, 2007 FS09 4/23

24 Geschwindigkeit und Druck im Walzenspalt I Schichtbildung: geknetetes Material durchlaufendes Material Wolfgang Kaiser, Kunststoffchemie, 2. Auflage, Hanser, 2007 Eigenschaft des Prozesses: Intensive Knetwirkung im Scherspalt Erwärmung des gekneteten Materials (Dissipation) Hohe Oberflächengüte des Produktes Weitertransport an heisserer bzw. schnellerer Walze (ausser bei Elastomeren: kalt- und warmhaftende Mischungen) FS09 4/24

25 Geschwindigkeit und Druck im Walzenspalt II Druckmaximum ist bei der Fliessscheide F Fliessscheide A Ablösestelle h 0 R x Geschwindigkeitsverlauf im Walzenspalt Druckverlauf im Walzenspalt H. Kopsch, Kalandertechnik 1. Auflage, Hanser, München, 1978 FS09 4/25

26 Drücke bei verschiedenen Walzenspalten v 1 d surface defects (mattness) f = v v h v 2 d h 2 Fliessgesetz von Ostwald-De Waele (Power Law Gesetz): const. η = n 1 K γ S. LUTHER, D. MEWES Polymer Eng. Sci, 44(9), 1642, 2004 FS09 4/26

27 Dicke der kalandrierten Bahn H h 0 h 2 (Newton) Fliessgesetz von Ostwald-De Waele (Power Law Gesetz): η = n 1 K γ Sabine Luther, Diss Uni Hannover, 2003 FS09 4/27

28 Kneten, Mischen und Dispergieren von Kautschuk I Simulationsrandbedingungen: h 0 = 9.5 mm = 0.56 m v 1 = 0.64 m/s v 1 /v 2 = 1.25 η 0 = 100 kpas Fell jedes 10x gewendet v min : Die eine Walze ist mit einer 9.5 mm dicken Lage belegt NR/SBR-Mischung auf Ausziehwalzwerk L=2100 mm, =665 mm Da beim Kneten und Mischen die Kautschukmischung mehrmals durch den Walzenspalt läuft, erfolgt eine intensive Schererwärmung = h 2 /h 0 I. MANAS-ZLOCZOWER, A. NIR, Z. TADMOR, Dispersive Mixing in Roll-Mills, POLYMER COMPOSITES, 6(4), (1985) H. Kopsch, Kalandertechnik 1. Auflage, Hanser, München, FS09 4/28

29 Kneten, Mischen und Dispergieren von Kautschuk II Mischen von Naturgummi: "mastication" NR hat hohes MW Brechen der langen Ketten durch mechanische Arbeit Klebrigkeit nimmt zu Kneten Zugabe der Zuschlagstoffe Regelmässiges Wenden des Fells genaue Temperaturführung T zu tief: starke Molekülorientierung grosse Schrumpfung des Fells bei der Weiterverarbeitung T zu hoch: Ankicken der Vulkanisation H. Kopsch, Kalandertechnik 1. Auflage, Hanser, München, 1978 FS09 4/29

30 Flachfolienherstellung Walzwerk: Erwärmen Homogenisieren Zwischenspeichern Entgasen Wolfgang Kaiser, Kunststoffchemie für Ingenieure, 2. Auflage, Hanser, 2007 FS09 4/30

31 Massnahmen gegen Walzendurchbiegung Typische Spaltlasten im Bereich kn/cm Zylinderschliff Schrägverstellung (Schränken) Gegenbiegen (roll bending) Profilschleifen H. Kopsch, Kalandertechnik 1. Auflage, Hanser, München, 1978 FS09 4/31

32 Kaschieren Auftrag von PVAc-Kleber Harnstoffharz-Kleber Kaschieren ist das Vereinen von dünnen Bahnen verschiedener Materialien zu einer dicken Kaschieren von Spanplatten H. Kopsch, Kalandertechnik 1. Auflage, Hanser, München, 1978 ΔQ Kaschieren von Geweben FS09 4/32

33 Kaschieren: Belegen von Reifencord Kaschieren mit Gummi ohne Friktion = Belegen Kaschieren mit Gummi mit Friktion = Friktionieren Gewebe Produkt 1 2 H. Kopsch, Kalandertechnik 1. Auflage, Hanser, München, 1978 Vorteil der Z-Anordnung: Oberbeschickung Möglichkeit der Dickenmessung keine Beeinflussung des Anpressdruckes der Walzen FS09 4/33

34 Dublieren Dublieren Dublieren ist das Vereinen von dünnen Bahnen gleichartigen Materials zu einer dicken FS09 4/34

35 Kalandrierbarkeit Voraussetzungen: Mässige Klebrigkeit geringe Schererwärmung hohe Viskosität breiter Erweichungsbereich PVC weich und hart Haftreibungszahl PE PP ABS HI-PS nur unter Zusatz von Gleitmitteln (Wachs, Ca-Stearat) und Füllstoffen (Kreide) G. Schenkel, Kunststoff-Extrudertechnik,1963 FS09 4/35

36 Recken von Folien H. Kopsch, Kalandertechnik 1. Auflage, Hanser, München, 1978 FS09 4/36

37 Lektion 4: Zusammenfassung Pressen Harzbasis + Harzträger Harzmasse Polymerisation bzw. Vernetzung in der Form, Heissentformung grossflächige (dünne) Bauteile aus Duroplasten Thermoplaste nur in Ausnahmefällen (lange Zykluszeiten wegen Abkühlen und Wiederaufheizen der Form) Spritzpressen Automatisierte Form des Pressens wie Pressen, aber mit Vorplastifizierung Fügen unter Druck und Temperatur Harzinjektionsverfahren Fasern zuerst einlegen mit niederviskosem, reaktionsträgem Harz tränken Kalandrieren Intensive Knetwirkung im Scherspalt Verarbeitung hochviskoser Massen (Gummi) Dicke Folien und Platten (0.5-2 mm) Noch dickere Folien durch Dublieren Beschichten von Geweben und Platten: Kaschieren FS09 4/37