Prüfung im Fach Werkstoffkunde II Prüfungstermin: 08. März 2011 Bereich: Kunststoffe (Dozent: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. W.

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1 Prüfung im Fach Werkstoffkunde II Prüfungstermin: 08. März 2011 Bereich: Kunststoffe (Dozent: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. W. Michaeli) Matr.-Nr.:... Name:... Unterschrift:... Geben Sie Ihre Matrikelnummer, Ihren Namen und Ihre Unterschrift deutlich lesbar auf dem Deckblatt dieses Aufgabenpaketes an! Kontrollieren Sie, ob die Aufgaben-/Lösungsblätter 2 bis 19 vorhanden sind! Lassen Sie die Blätter zusammengeheftet! Verwenden Sie kein eigenes Papier! Schreiben Sie Ihre Antworten/Lösungen auf die dafür vorgesehenen Seiten! Das Endergebnis muss aus dem niedergeschriebenen Lösungsweg ersichtlich sein! Falls Sie die Klausur vorzeitig beenden oder abbrechen, informieren Sie unbedingt die Aufsicht! Zugelassene Hilfsmittel: Zeichengerät, nichtprogrammierbarer Taschenrechner! Andere Hilfsmittel sind nicht erlaubt! Aufgabe Punkte Prüfer Seite 1

2 1. Aufgabe (8 Punkte) Kunststoffe lassen sich anhand ihrer molekularen Struktur unterscheiden. Man differenziert allgemein zwischen Thermoplasten, Elastomeren und Duroplasten. a) Ordnen Sie den oben genannten drei Arten von Kunststoffen die aufgeführten Eigenschaften zu (1,5 P). Eigenschaft Elastomer Thermoplast Duroplast Schmelzbar Bei Raumtemperatur im elastisch weichen Zustand Bei Raumtemperatur i.a. hart Vor der Verarbeitung von Kunststoffen steht deren Synthese. Eine Einteilung der Kunststoffsynthesen kann nach deren Wirkprinzipien erfolgen. b) Bitte ordnen Sie den aufgeführten Kunststoffen jeweils die zugehörigen Synthese-/ Reaktionsart zu sowie ob es sich dabei um eine Stufen-, Gleichgewichts- oder Kettenreaktion handelt (3,5P). Kunststoff Synthese / Reaktion Stufenreaktion Gleichgewichts -reaktion Kettenreaktion PVC PU PA Seite 2

3 Bei der Herstellung von Kunststoffen müssen die Polymerketten keineswegs aus gleichen Grundbausteinen aufgebaut sein. Bei den sogenannten Copolymeren können verschiedene Monomere in die gleiche Grundkette eingebaut werden. Bei den Pfropfcopolymeren können diese auch als Seitenkette auf die Grundkette aufgepfropft werden. c) Neben den Pfropfcopolymeren werden je nach Anordnung der unterschiedlichen Bausteine in der Grundkette drei weitere Gruppen von Copolymeren unterschieden. Bitte nennen Sie diese und zeichnen Sie einen zugehörigen schematischen Aufbau der Kette. Kennzeichnen Sie die unterschiedlichen Monomerbausteine bitte mit A und B (3 P). Name des Copolymers Schematischer Kettenaufbau des Copolymers Seite 3

4 2. Aufgabe (11 Punkte) Eine Standardprüfung zur Bestimmung mechanischer Werkstoffeigenschaften von Kunststoffen ist der uniaxiale Zugversuch. Bei diesem wird ein Prüfkörper mit konstanter Geschwindigkeit gedehnt und die benötigte Kraft über den Weg aufgezeichnet. Aus den ermittelten Werten und der Kenntnis der Probengeometrie lässt sich die Spannung berechnen. Es wird zwischen technischer und wahrer Spannung unterschieden. a) Geben Sie den Unterschied zwischen technischer und wahrer Spannung an (1 P). σ technisch : σ wahr : Zudem wird bei einem Zugversuch die Dehnung erfasst. Der Elastizitätsmodul ist definiert als Quotient aus aktueller Spannung und Dehnung. Da dieser für die meist nichtlinearen Kurvenverläufe von Kunststoffen nicht definiert werden kann, werden unterschiedliche Module zur Charakterisierung des Materialverhaltens herangezogen. b) Definieren Sie den Ursprungsmodul, den Sekantenmodul und den Tangentenmodul in dem dargestellten Spannungs-Dehnungs-Diagramm (1,5 P). Seite 4

5 Die Eigenschaften von Kunststoffen ändern sich mit den Umgebungsbedingungen. c) Zeichnen Sie qualitativ Spannungs-Dehnungs-Kurven eines thermoplastischen Werkstoffs für je drei unterschiedliche Temperaturen (T) und Dehngeschwindigkeiten ( ) in die Spannungs-Dehnungs-Diagramme und benennen Sie diese. Nutzen Sie dabei T1 T2 T3 sowie (2 P). Dieser Effekt wird im Zeit-Temperatur-Verschiebungsprinzip genutzt. d) Ist das Zeit-Temperatur-Verschiebungsprinzip ein physikalisches Gesetz oder eine empirisch gewonnene Regel (0,5 P)? Um das Werkstoffverhalten von Kunststoffen zu veranschaulichen werden häufig mechanische Ersatzmodelle herangezogen, die aus Federn und Dämpfern bestehen. e) Zeichnen Sie einfache mechanische Ersatzmodelle für fließendes und für sich zurückstellendes (reversibles) Werkstoffverhalten (2 P). Seite 5

6 fließendes Werkstoffverhalten sich zurückstellendes Werkstoffverhalten Unter mechanischer Beanspruchung weisen Kunststoffe aufgrund ihres viskoelatischen Werkstoffverhaltens ein stark zeitabhängiges Werkstoffverhalten auf. Wird eine Kunststoffprobe z. B. mit einer konstanten Spannung belastet, so ergibt sich zunächst eine Spontandehnung 0, der eine weitere, zeitabhängige Dehnung folgt (Versuchsaufbau 1). Wenn der Kunststoffprobe umgekehrt eine konstante Verformung aufgezwungen wird, so ist ein Abklingen der Spannung mit der Zeit zu beobachten (Versuchsaufbau 2). f) Benennen Sie bitte die beiden Versuchsaufbauten in der untenstehenden Tabelle korrekt. (1 P) Versuchsaufbau 1 Versuchsaufbau 2 Auch auf das dynamische Verhalten hat das viskoelastische Werkstoffverhalten von Kunststoffen einen Einfluss. g) Zeichnen Sie sowohl den Spannungs- als auch den entsprechenden Dehnungsverlauf für einen mit einer Sinusschwingung dynamisch belasteten Kunststoff mit vollständig viskosem Verhalten in das Diagramm ein. Kennzeichnen Sie bitte zudem die beiden Kurven sowie den Phasenverschiebungswinkel δ und geben Sie dessen Größe für vollständig viskoses Werkstoffverhalten an (2,5 P). Seite 6

7 σ,ε t δ = Die Wärmeleitfähigkeit ist ein Maß für das thermische Leitvermögen eines Stoffes. Sie liegt bei Kunststoffen im Allgemeinen um einige Zehnerpotenzen niedriger als bei Metallen. Ebenfalls existiert ein Unterscheid zwischen amorphen und teilkristallinen Thermoplasten. h) Besitzen amorphe oder teilkristalline Thermoplaste im Allgemeinen eine höhere Wärmeleitfähigkeit im festen Zustand (0,5 P)? Seite 7

8 3. Aufgabe (13 Punkte) Kunststoffe fallen bei der Polymersynthese fast nie in einer Form an, die eine direkte Verarbeitung zum fertigen Formteil gestattet. In einem Aufbereitungsschritt werden Thermoplasten daher oft Zuschlagstoffe beigemischt. a) Bitte nennen Sie vier Verfahrensschritte, die zur Aufbereitung zählen (2 P). b) Nennen Sie sechs Obergruppen von Zuschlagstoffen für Thermoplaste (3 P). Die Extrusion ist eines der wichtigsten Verarbeitungsverfahren von zuvor aufbereiteten Kunststoffen. Die Schnecke eines Einschneckenextruders hat drei Bereiche. c) Benennen Sie bitte diese drei Bereiche und geben Sie den Zustand des Kunststoffes im jeweiligen Bereich an (3 P). Seite 8

9 Bereich des Extruders Zustand des Kunststoffes Beim Verarbeiten von thermoplastischen Formmassen im Extruder kann es während des Prozesses unter anderem zu molekularem Abbau des Materials kommen. Ursache für diesen Prozess kann ein zu hoher Energieeintrag in das Material sein. d) Bitte benennen Sie zwei verschiedene Arten des Energieeintrags im Extruder sowie die resultierenden Belastungen des Materials durch den jeweiligen Energieeintrag (2 P). Art des Energieeintrags Resultierende Belastung Polypropylen ist ein Beispiel für einen Thermoplasten, der beim Abkühlen aus der Schmelze kristalline Strukturen bildet. Zur Unterstützung der Kristallisation von Thermoplasten können diesen Nukleierungsmittel zugesetzt werden. e) Kennzeichnen Sie in der folgenden Tabelle die tendenziellen Eigenschaftsveränderungen durch den Einsatz von Nukleierungsmitteln. Tragen Sie dazu in die Tabelle die Seite 9

10 entsprechende Tendenz fällt bzw. steigt ein (3 P). Eigenschaft Änderung Elastizitätsmodul Transparenz Eigenspannungen Sphärolitdurchmesser Verzug Steifigkeit Seite 10

11 4. Aufgabe (10 Punkte) Spritzgießen ist eines der wichtigsten Verarbeitungsverfahren für Kunststoffe. a) Nennen Sie 4 bedeutende Merkmale, die das Spritzgießverfahren deutlich von anderen Herstellungsverfahren unterscheidet und aus denen die große Bedeutung des Verfahrens resultiert (2 P). Der Spritzgießprozess lässt sich in verschiedene Phasen unterteilen. Im Folgenden sind die Phasen eines Spritzgießprozesses aufgelistet. A Einspritzen B Aggregat vor C Werkzeug schließen D Kühlen E Dosieren F Nachdruck G Werkzeug öffnen, auswerfen H Aggregat zurück Seite 11

12 Der Ablauf dieses Spritzgießprozesses ist im untenstehenden Bild dargestellt. b) Ordnen Sie die Phasen in die Grafik ein, indem Sie die entsprechenden Buchstaben in die Grafik eintragen (4 P). Start c) Nennen Sie einen Grund dafür, warum beim Spritzgießen Nachdruck aufgebracht werden sollte (0,5 P). d) Ab wann sollte das Einspritzen beendet und der Nachdruck aufgebracht werden (0,5 P)? Beim Spritzgießprozess treten während des Formfüllvorgangs durch die Geschwindigkeitsunterschiede über dem Formteilquerschnitt Orientierungen auf. e) Welche drei Arten von Orientierungen unterscheidet man grundsätzlich? (1,5 P) Seite 12

13 f) Die in das Spritzgießbauteil eingebrachten Orientierungen bestimmen in hohem Maße die Eigenschaften der Formteile. Wie verändern sich folgende Eigenschaften bei zunehmender Orientierung? Tragen Sie in die Tabelle steigend bzw. fallend für die entsprechende Tendenz ein (1,5 P). Eigenschaft Änderung mechanische Eigenschaften quer zur Orientierungsrichtung E-Modul in Orientierungsrichtung Wärmeleitfähigkeit in Orientierungsrichtung Seite 13

14 5. Aufgabe (9,5 Punkte) Als Verstärkungskomponente in Faserverbundkunststoffen werden in der Regel anorganische oder synthetische Fasermaterialien (z.b. PE-Faser) eingesetzt. a) Geben Sie mit Ankreuzen an, welche der aufgeführten Eigenschaften auf die jeweilige unten aufgeführte Faserart zutrifft (2,5 P). Faserart synthetisch negative Wärmeausdehnung Glasfasern Hohe Druckempfindlichkeit Kohlenstofffasern Aramidfasern Unabhängig von der Art der Faser existieren verschiedene Lieferformen bzw. Aufmachungen von Verstärkungsfasern, von denen einige im folgenden Bild dargestellt sind. Seite 14

15 b) Nennen Sie bitte die korrekte Bezeichnung der zuvor skizzierten textilen Halbzeuge (1,5 P). Nummer Name der Lieferform c) Bei polymeren Matrixsystemen wird prinzipiell zwischen duroplastischen und thermoplastischen Matrixsystemen unterschieden. Nennen Sie drei duroplastische und drei thermoplastische Matrixmaterialien (3 P). Duroplastisches Matrixmaterial Thermoplastisches Matrixmaterial d) Nennen Sie eine Aufgabe der Schlichte von Glasfasern (0,5 P). Seite 15

16 e) Zeichnen Sie in die beiden folgenden Bilder den Verlauf von Spannung und Dehnung sowie den Bruch eines unidirektional verstärkten (UD) Laminats in Faserrichtung und quer zur Faserrichtung qualitativ ein (2 P). Faser : Bruch Faser : Bruch Spannung Matrix Spannung Matrix Dehnung Verlauf quer zur Faserrichtug Dehnung Verlauf in Faserrichtung Seite 16

17 6. Aufgabe (8,5 Punkte) Eine Möglichkeit, verschiedene Werkstoffe zu vergleichen, ist der Vergleich der Energie, die zu ihrer Herstellung benötigt wird. a) Bitte vergleichen Sie die Werkstoffe Polypropylen, Stahl und Aluminium anhand der zu ihrer Herstellung benötigten Menge an Energie, in dem sie ihnen die Einstufung hoch, mittel oder gering zuweisen (1,5 P). Werkstoff Relativer Energieverbrauch Polypropylen Aluminium Stahl Desweiteren unterscheiden sich Kunststoffe in Bezug auf ihre Wärmeausdehnung erheblich von anderen Werkstoffen. b) Ordnen Sie in der nachfolgenden Tabelle die Materialien entsprechend der Höhe der jeweiligen Wärmeausdehnung. Tragen Sie hierzu die Zahlen 1 bis 4 in die entsprechenden Felder ein (höchster Wert = 1, niedrigster Wert = 4) (2P). Duroplaste Thermoplaste Glas Eisen Seite 17

18 Kunststoffe zeigen ein ausgeprägt temperaturabhängiges Verhalten ihrer mechanischen Kennwerte, wobei unterschiedliche Kunststoffe sich durchaus unterschiedlich verhalten. Das nachfolgende Diagramm zeigt dazu das Verhalten des Schubmoduls in Abhängigkeit der Temperatur von amorphen und teilkristallinen Thermoplasten sowie Elastomeren und Duroplasten. c) Bitte weisen Sie den vier Kurven diese vier Werkstoffarten zu, in dem Sie die entsprechenden Buchstaben in die Kästchen schreiben (2 P). Werkstoff Kurve Amorpher Thermoplast Elastomer Teilkristalliner Thermoplast Duroplast Als Polymer-Blends, auch Legierungen genannt, werden im schmelzeförmigen Zustand hergestelle Mischungen verschiedener Kunststoffe bezeichnet. Man versucht, durch diese Mischungen Eigenschaftsprofile zu erzeugen, die von einem einzelnen Kunststoff nicht erreicht werden können. d) Bitte ordnen Sie die Werkstoffe Acryl-Butadien-Styrol (ABS), Polycarbonat (PC) und das Blend PC/ABS den entsprechenden Verläufen der Kerbschlagzähigkeit zu (1,5 P). Seite 18

19 Werkstoff Kurve ABS PC Blend PC/ABS Aufgrund einer Vielzahl von Eigenschaften sind Polyamide (PA) die bedeutendsten technischen Thermoplaste. e) Bitte nennen sie zwei Vorteile von Polyamid sowie einen charakteristischen Nachteil dieses Materials, der bei der Auslegung von Bauteilen beachtet werden muss (1,5 P). Vorteile Nachteil Seite 19