Einführungslabor im Labor für Kunststofftechnik, 1. Semester

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1 Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Department Maschinenbau und Produktion Labor für Kunststofftechnik Einführungslabor im Labor für Kunststofftechnik, 1. Semester Versuch Ort Betreuung Abgabetermin Einrichten eines Spritzgießprozesses, Prüfung des mechanischen Werkstoffverhaltens von Polymeren Labor für Kunststofftechnik () Frau Draube, Herr Opalka, innerhalb 7 Kalendertagen nach dem Labortermin bei Frau Draube im Ziele Praktischer Umgang mit Maschinen und Geräten der Kunststoff- und Messtechnik Gewinnung von Kenntnissen über den Vorlesungsinhalt hinaus Anfertigung eines Laborberichtes nach Maßgaben zur Erstellung wissenschaftlicher Arbeiten Befähigung zur Teamarbeit durch Arbeit in der Gruppe Aufgabe In diesem Laborversuch sollen Grundkenntnisse über Werkstoffeigenschaften von Kunststoffformteilen durch eines von zwei Arbeitspaketen Fertigung oder Prüfung vermittelt werden. In dem ersten Arbeitspaket Fertigung wird die fertigungstechnische Problemstellung behandelt, einen Spritzgießprozess für ein Kunststoffformteil geeignet einzurichten. Im zweiten Packet Prüfung wird durch Werkstoffprüfung an unterschiedlichen Kunststoffprobekörpern das Werkstoffverhalten bewertet und verglichen. Hinweise: Im Labor sind an Prüf- und Fertigungsmaschinen geschlossenes Schuhwerk und eng anliegende Kleidung zu tragen. Den Anweisungen der Laborbetreuung ist Folge zu leisten. Voraussetzung für die Anerkennung des Labors ist die Teilnahme an der gesamten Labordurchführung. Die selbstständige Erarbeitung des Protokolls ist von jedem Gruppenmitglied nachzuweisen. Alle Ablaufschritte sind im Protokoll nachvollziehbar zu dokumentieren. Das Abschlusstestat wird erteilt, wenn das Protokoll in einwandfreier, geordneter Form vorliegt. 1/7

2 Ausstattung Zur Verfügung stehen die folgenden Einrichtungen und Materialien: Spritzgießmaschine Zugprüfmaschine Waage Probekörper Ablauf Das Labor besteht aus zwei unabhängigen Arbeitspaketen, von denen eines im Rahmen des Labors zu bearbeiten ist: Arbeitspaket 1, Fertigung : 1 Einstellung der Füllphase a. Füllvolumen über Teilfüllungen in 3 Schritten b. Auswertung des Füllbildes 2 Einstellung der Nachdruckphase a. Nachdruckhöhe in 3 Schritten b. Nachdruckzeit in 3 Schritten c. Wiegen der Formteile Arbeitspaket 2, Prüfung : 1 Spannungs-Dehnungs-Verhalten von Kunststoffen a. Vergleich zweier PP-Typen b. Vergleich von PS, PMMA mit PP c. Einfluss der Belastungsgeschwindigkeit 2 Deformations- und Bruchverhalten von Kunststoffen a. Vergleich von PS, PMMA mit PP b. Bindenahteinfluss c. Schweißnahteinfluss Arbeitspakete 1 und 2 Fertigung und Prüfung : Die Bearbeitungszeit pro Arbeitspaket beträgt 60 Minuten. Vor der eigenständigen Bearbeitung erfolgt eine Einweisung in beide Arbeitsschritte von ca. 15 Minuten. 2/7

3 Arbeitspaket 1 Fertigung : Im Arbeitspaket 2 ist der Spritzgießprozess für ein Kunststoffbauteil einzurichten. Zu diesem Zweck steht als Werkzeug eine Spritzgießform für die Produktion von zwei typischen Kunststoff-Probekörpern zur Verfügung. Mit dieser Form sollen Probekörper in ausreichender Qualität im Spritzgießverfahren gefertigt werden. Als Werkstoff wird ein Polypropylen (PP) verwendet. In einem ersten Schritt ist für eine vorgegebene Füllzeit und Schmelztemperatur das optimale Füllvolumen eigenständig zu ermitteln. Schätzen Sie dazu das Füllvolumen anhand des Kavitätsvolumens zunächst rechnerisch ab. Anschließend nähern Sie sich dem optimalen Füllvolumen in ca. 3 Schritten. Nachdem das Füllvolumen festliegt, optimieren Sie in einem zweiten Schritt die Nachdruckphase des Spritzgießprozesses. Ausgehend von keinem Nachdruck verändern Sie die Nachdruckhöhe und anschließend die Nachdruckzeit systematisch, um zu einer optimalen Kombination zu gelangen. Für diese Optimierung steht Ihnen eine Waage zur Verfügung. Arbeitspaket 2, Prüfung : Für die Konstruktion von technischen Kunststoffformteilen benötigt der Konstrukteur Kennwerte über das mechanische Werkstoffverhalten von Kunststoffen. Dieses sind vor allem: 1 Zusammenhang zwischen Kraft und Verformung Technische Bauteile sind in der Regel mechanischen Belastungen ausgesetzt. Im Rahmen der Konstruktion von Bauteilen muss der Konstrukteur die Bauteile so auslegen, dass die mechanischen Belastungen zu einem gewünschten Verformungsverhalten führen. Für die rechnerische Bewertung muss daher der Kraft-Verformungs-Zusammenhang für den verwendeten Werkstoff bekannt sein. Dieser Zusammenhang wird über Prüfungen an Probekörpern bestimmt. Dabei wird auf einer Zugprüfmaschine die zur Verformung des Probekörpers benötigte Kraft gemessen. Durch eine stetige Steigerung der Verformung werden Kraft/Verformungs-Kurven gemessen. Diese Messwerte hängen von der Geometrie des Probekörpers ab. Damit die Messwerte vom Probekörper auch auf geometrisch unterschiedlich gestaltete Bauteile übertragbar sind, werden aus den Kraft- und Verformungswerten relative Größen gebildet: Aus der Kraft F wird eine so genannte Spannung σ bestimmt, indem die Kraft F in [N] auf den Anfangsquerschnitt des Probekörpers A 0 in [mm²] im Probekörper-Messbereich bezogen wird: Die Einheit der Spannung ist damit [N/mm²]. Die Verformung, gemessen als Längenänderung l, F σ = A 0 wird in eine Dehnung ε umgerechnet, indem die Längenänderung l in [mm] auf die Anfangslänge L 0 in [mm] des Probekörper-Messbereichs bezogen wird 1 : l ε = L 0 Die Einheit der Dehnung ist damit [-]. Sie wird oftmals auch in [%] angegeben. Als Ergebnis der Prüfungen steht dann die so genannte Spannungs/Dehnungs-Kurve, bei der die Spannung (y-achse) über der Dehnung (x-achse) aufgetragen ist. 1 Anmerkung: Es wird in diesem Laborversuch vereinfachend davon ausgegangen, dass sich der Probekörper nur im Messbereich deformiert, nicht aber in den Schultern und Einspannbereichen. 3/7

4 2 Werkstoffkennwerte Aus den Spannungs/Dehnungs-Kurven werden weitere wichtige Werkstoffkennwerte gewonnen. Im Rahmen des Labors werden folgende Kennwerte betrachtet: - Steifigkeit Es wird der Widerstand des Werkstoffs gegenüber einer Verformung als Steifigkeit bestimmt. Die Steifigkeit wird in der Technik häufig über den so genannten E-Modul beschrieben. Der E- Modul ist die Steigung der Spannungs/Dehnungs-Kurve im Koordinatenursprung. Bei Stahl beträgt der E-Modul z.b N/mm². Für Kunststoffe wird der E-Modul oftmals nicht direkt im Ursprung als Tangente ermittelt, sondern über eine Sekante an die Spannungs/Dehnungs- Kurve bei größeren Dehnungswerten bestimmt (aber immer im linearen Bereich). - Streckspannung, -dehnung Die Spannungs/Dehnungs-Kurve verläuft oftmals nach einem ersten linearen Bereich stark nichtlinear weiter. Die Grenze des linearen Bereiches wird über die zugehörige Streckspannung bzw. dehnung charakterisiert. Technische Bauteile sollten nicht mehrfach über diese Grenze hinaus belastet werden. Ein einfacher Baustahl (S235) weist beispielsweise eine Streckspanung von 235 MPa auf. - Bruchspannung, -dehnung Die Spannungs/Dehnungs-Kurve endet beim Versagen des Probekörpers. Dieser Versagenspunkt wird über die zugehörige Bruchspannung bzw. dehnung beschrieben. Beide Kennwerte bilden ein Maß für die maximale Belastbarkeit des Werkstoffes. Ein Baustahl (S235) weist beispielsweise eine Bruchspannung von 400 MPa auf. Im Rahmen des Labors ist das Spannungs-Dehnungs-Verhalten von Kunststoffen zu bestimmen. Dazu stehen zwei unterschiedliche PP-Typen, ein Polystyrol (PS) und ein Polymethylmetacrylat (PMMA, Plexiglas ) zur Verfügung. Es liegen außerdem Probekörper mit einer Bindenaht und einer Schweißnaht vor. Die Aufgaben sind: 1 Vergleichen Sie das Spannungs-Dehnungs-Verhalten der Probekörper 2 Bestimmen Sie die Steifigkeit, Streckspannung/-dehnung und Bruchspannung/-dehnung für eine Belastungsgeschwindigkeit von 50 mm/min. Prüfen Sie jeweils 2 Probekörper und mitteln die Messdaten. 3 Beschreiben Sie das Deformations- und Bruchverhalten bei der Werkstoffprüfung. 4 Variieren Sie für eine PP-Type die Belastungsgeschwindigkeit auf 500 mm/min. und auf 5 mm/min. und beschreiben Sie deren Einfluss. 5 Ziehen Sie auch einen Vergleich zu dem Baustahl S235. 4/7

5 Anweisungen zum Erstellen des Berichtes: 1 Der Bericht weist folgenden verbindlichen Aufbau auf: 1 Aufgabenstellung Erläuterung der Zielsetzung für die Untersuchung; vollständige Darstellung bzw. Festlegung der Anforderungen und Randbedingungen 2 Verwendete Geräte Vorstellung und Erklärung der wesentlichen Versuchseinrichtungen, Messwertaufnahmen, Maschinen, Gerätschaften, Materialien, Versuchsunterlagen 3 Versuchsdurchführung Beschreibung der ausgeführten Tätigkeiten im Rahmen des Labors (keine Ergebnisse oder Interpretationen). 4 Versuchsauswertung Darstellung und Wertung der mittels der Versuche gewonnenen Ergebnisse. Die Ergebnisse müssen auch grafisch dargestellt werden. Dazu ist beispielsweise das Programm Microsoft-Excel zu verwenden. Bei der grafischen Darstellung von Messkurven ist besonders darauf zu achten, dass xy-diagramme erstellt werden und NICHT unmaßstäbliche Liniendiagramme. Letztere führen zur Ablehnung des Testates. Die Ergebnisse sind ebenfalls zu kommentieren. Das heißt, es ist ein Vergleich bspw. zwischen den Ergebnissen aus unterschiedlichen Prüfkörpern zu ziehen und zu erläutern. Oder es ist z.b. zu erklären, warum beim Spritzgießprozess Nachdruck erforderlich ist und wie er sich auf die Formteilqualität auswirkt. Dieses Kapitel ist für das Testat am wichtigsten!!! 2 Der Bericht ist mit der Vorlage aus dem Internet in dem Textverarbeitungsprogramm Microsoft-Word zu erstellen. Grafiken sind in den Text einzubinden. Die Seiten sind fortlaufend zu nummerieren. 3 Technische Formeln dürfen lesbar in den Text handschriftlich eingefügt werden. 4 Der Bericht ist als Ausdruck zusammengeheftet spätestens 1 Woche nach dem Labortermin im Kunststofflabor oder im Postfach des Kunststofflabors abzugeben. Das Testat kann dann ab der 2. Woche nach dem Labortermin im Kunststofflabor abgeholt werden. 5 Es gibt für den Bericht KEINE Möglichkeit der Nachbesserung bei einem negativen Testat. Bei Unklarheiten sollte daher rechtzeitig vor Abgabe Rücksprache genommen werden. 5/7

6 Einführungslabor im Labor für Kunststofftechnik 1. Semester Versuch Einrichten eines Spritzgießprozesses Prüfung des mechanischen Werkstoffverhaltens von Polymeren Ort Labor für Kunststofftechnik () Betreuung Frau Draube, Herr Opalka Abgabetermin innerhalb 7 Kalendertagen nach dem Labortermin Laborgruppe: Labortermin: Protokoll von: Vorname Nachname Matrikelnummer 6/7

7 Inhaltsverzeichnis 1 Aufgabenstellung 2 Verwendete Geräte 3 Versuchsdurchführung 4 Versuchsauswertung 7/7