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1 Prüfung im Fach Werkstoffkunde II Prüfungstermin: 10. September 2011 Bereich: Kunststoffe (Dozent: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Ch. Hopmann; 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 18 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 (7,5 Punkte) Bei der Herstellung synthetischer Kunststoffe werden Monomere zu Makromolekülen verknüpft. Diese Verfahren können abhängig vom Aufbau der Ausgangsstoffe unterschieden werden in: Polymerisation, Polykondensation und Polyaddition. a) Kennzeichnen Sie, ob es sich bei den Verfahren um Ketten- oder Stufenreaktionen handelt. Kennzeichnen Sie ferner, ob bei der Reaktion Nebenprodukte entstehen (3 P). Verfahren Ketten- oder Stufenreaktion? Nebenprodukte (ja / nein) Polymerisation Polykondensation Polyaddition Bei der Polymerisation kann weiter zwischen der radikalischen Polymerisation, der ionischen Polymerisation und der koordinativen Polymerisation mit Metallkomplexen unterschieden werden. b) Diese Polymerisationsarten können in drei Teilschritte unterteilt werden. Nennen Sie diese (1,5 P). Seite 2

3 Bei der Polymerisation können auch verschiedene Monomere in die gleiche Grundkette eingebaut werden, sodass sogenannte Copolymere entstehen. Diese können nach Art ihres Aufbaus unterschieden werden. c) Nennen Sie drei verschiedene Arten von Copolymeren (1,5 P). Der Zusammenhalt von Polymeren beruht auf den Kräften, mit denen sich die nebeneinanderliegenden Moleküle gegenseitig anziehen, den so genannten Nebenvalenzkräften oder van-der-waals-kräften. d) Nennen sie drei unterschiedliche Arten von Nebenvalenzkräften (1,5 P). Seite 3

4 2. Aufgabe (8 Punkte) Aufgrund des strukturellen Aufbaus der Kunststoffe weisen diese unter mechanischer Beanspruchung schon bei Raumtemperatur eine ausgeprägte Neigung zum Kriechen und zur Relaxation auf. Dieses Verhalten wird mit Hilfe des Zeitstand- oder Kriechversuchs nach DIN EN ISO erfasst. Ergebnis eines solchen Zeitstandversuchs ist eine Retardationskurvenschar. a) Entwickeln Sie mit den gegebenen Zeitdehnlinien (oberes Diagramm) für das durch die gestrichelte Linie angegebene Dehnungsniveau, das resultierende Zeitstandschaubild (unteres Diagramm, eine Kurve) (3 P.). σ 1 σ 2 Dehnung ε ε const. σ 3 log t Spannung σ σ 1 σ 2 σ 3 log t Seite 4

5 Ein wichtiges Kurzzeitprüfverfahren ist der Kurzzeitzugversuch, mit dem sich das Spannungs /Dehnungsverhalten der Kunststoffe charakterisieren lässt. Die Kunststoffe können auf diese Weise in spröde, zäh-harte und kautschukähnliche Werkstoffe klassifiziert werden. b) Nehmen sie anhand der im folgenden Bild gezeigten Spannungs-/Dehnungskurven eine solche Einordnung vor, indem Sie an die gezeigten Graphen die zu den Werkstoffnamen zugehörigen Nummern (s. u.) antragen (2,5 P.). 1 Polyvinylchlorid (PVC)-hart 2 Glasfaser verstärktes, ungesättigtes Polyester Harz (GF-UP), 30 % Matten verstärkt 3 Glasfaser verstärktes, ungesättigtes Polyester Harz (GF-UP), 50 % Gewebe verstärkt 4 Polyethylen hoher Dichte (HD-PE) 5 Polyethylen niedriger Dichte (LD-PE) Seite 5

6 Der Schlagbiegeversuch erlaubt eine Aussage über das Verhalten eines Materials bei einer einmaligen, schlagartigen Beanspruchung. Als Prüfgerät kommt ein Pendelschlagwerk mit Schleppzeiger (ISO/ FDIS 13802) zum Einsatz. c) Die beim Schlagbiegeversuch umgesetzte und vom Gerät angezeigte Schlagarbeit setzt sich aus fünf Anteilen zusammen. Nennen Sie diese Anteile (2,5 P). Seite 6

7 3. Aufgabe (10 Punkte) Um das Werkstoffverhalten von Kunststoffen zu veranschaulichen, werden häufig mechanische Ersatzmodelle herangezogen, die aus Federn und Dämpfern bestehen. Ein gängiges Modell zur Abbildung der bei allen Kunststoffen zu beobachtenden Viskoelastizität ist das Burger-Modell (4-Parameter-Modell). a) Bitte skizzieren Sie das Feder-Dämpfer-Modell nach Burger (4-Parameter-Modell) (2 P.). b) Zeichnen Sie zu der vorgegebenen Belastung den ensprechenden Dehnungsverlauf unter der Annahme viskoelastischen Werkstoffverhaltens in das vorgefertigte Diagramm ein und kennzeichnen Sie in diesem Diagramm den elastischen Dehnungsanteil e (2 P.). Seite 7

8 Eine wichtige Darstellungsform des thermischen Verhaltens von Kunststoffen ist das sogenannte pvt-diagramm, das den Verlauf des spezifischen Volumens als Funktion der Temperatur darstellt. c) Skizzieren Sie qualitativ die Kurvenverläufe für einen teilkristallinen Thermoplasten bei drei verschiedenen Druckniveaus p 0, p 1, p 2 (p 2 >p 1 >p 0 ) in das unten stehende pvt-diagramm ein und kennzeichnen Sie diese eindeutig. Skizzieren Sie bitte ebenfalls die Erstarrungslinie und kennzeichnen Sie den schmelzeförmigen und den teilkristallinen Bereich eindeutig (4,5 P.). Spezifisches Volumen v Druck p p 2 >p 1 >p 0 Temperatur T Seite 8

9 Von besonderer Bedeutung für die Kunststoffverarbeitung sind die rheologischen Eigenschaften von Kunststoffen und insbesondere die der Kunststoffschmelze. Die Viskosität ist hier die charakterisierende Größe, die den Zusammenhang zwischen einer an eine Flüssigkeit angelegten Schubspannung und der Schergeschwindigkeit beschreibt. d) Bitte zeichnen Sie in das unten stehende Diagramm schematisch jeweils die Fließkurven für newtonsches, strukturviskoses und dilatantes Fließverhalten ein und bezeichnen Sie die Kurven eindeutig (1,5 P.). Schubspannung Schergeschwindigkeit Seite 9

10 4. Aufgabe (12 Punkte) Nach der Polymerisation haben Kunststoffe in der Regel noch nicht die Form, die zur Weiterverarbeitung notwendig ist. Vor der Weiterverarbeitung zu Formteilen oder Halbzeugen durchläuft das Polymer zunächst den Zwischenschritt der Aufbereitung. a) Zur Aufbereitung von Kautschuken werden die im folgenden Bild dargestellten Maschinen eingesetzt. Tragen Sie die Komponenten dieser Verarbeitungsmaschine in die vorgesehenen Kästen ein und benennen Sie die Maschine (4,5 P). Maschine: Seite 10

11 Thermoplaste, die einen Dipolcharakter besitzen, wie z.b. PVC, lassen sich mit bestimmten Esterverbindungen, die ebenfalls einen Dipol aufweisen, weich einstellen. b) Geben Sie in der Tabelle unten ein, wie sich die Eigenschaften des Polymers bei Zugabe von Weichmachern verändern. Tragen Sie entsprechend nimmt zu und nimmt ab in die Tabelle ein (2 P). Eigenschaft Veränderung Zugfestigkeit Nebenvalenzkräfte Bruchdehnung Einfriertemperatur Die Extrusion ist eines der wichtigsten Verarbeitungsverfahren für Kunststoffe. Das Kernstück einer Extrusionsanlage ist der Extruder. c) Nennen Sie drei Verfahrensschritte, die in einem Extruder durchgeführt werden (1,5 P). Seite 11

12 Zur Beurteilung der Wirksamkeit einer Nukleierung lässt sich die Kristallisationstemperatur heranziehen, die mit Hilfe der Differential Scanning Calorimetry (DSC) gemessen wird. d) Zeichnen (qualitativ) und beschriften Sie den Messschrieb einer DSC-Messung für einen teilkristallinen Thermoplast im folgenden Diagramm: Kennzeichnen Sie dabei, in welche Richtung das Abkühlen bzw. das Aufheizen erfolgt, tragen Sie weiterhin ein, in welchem Bereich des Messschriebs eine endotherme bzw. exotherme Reaktion vorliegt. Tragen Sie außerdem die Kristallisationstemperatur T K und die Schmelztemperatur T S in das Diagramm ein (es muss eindeutig nachvollziehbar sein, wie diese Temperaturen anhand des Messschriebs ermittelt werden können) (4 P). Reaktionswärme Temperatur Seite 12

13 5. Aufgabe (12 Punkte) Die Dimensionierung von Kunststoffbauteilen kann prinzipiell ähnlich wie die Dimensionierung von Metallbauteilen durchgeführt werden. In beiden Fällen werden die von außen angreifenden Kräfte in innere Werkstoffbeanspruchungen umgerechnet und mit den vorliegenden zulässigen Werkstoffkennwerten verglichen. Im Gegensatz zu metallischen Werkstoffen weisen insbesondere thermoplastische Kunststoffe ein starkes last-, zeit und temperaturabhängiges Werkstoffverhalten auf, so dass bei der Auslegung von Kunststoffbauteilen üblicherweise ein anderer Werkstoffkennwert für die Auslegung herangezogen wird, als bei Metallen. a) Welcher Werkstoffkennwert wird üblicherweise bei der Auslegung von Bauteilen aus Metallen, welcher bei der Auslegung von Bauteilen aus Kunststoffen herangezogen (1 P)? Werkstoffkennwert Kunststoffe Werkstoffkennwert Metalle b) Ordnen Sie die folgenden Werkstoffgruppen nach Höhe des kritischen Werkstoffkennwertes, der zur Bauteildimensionierung herangezogen wird, zu: teilkristalline Thermoplaste, fasergefüllte Duroplaste, amorphe Thermoplaste (1,5 P). Werkstoffgruppe Kennwert gering mittel hoch Seite 13

14 Ein typisches kunststofftechnisches Konstruktionselement ist die Schnappverbindung, welche eine kostengünstige Verbindungsart darstellt. c) Bezeichnen Sie die in den Bildern dargestellten Grundformen (3 P). Seite 14

15 Das Spritzgießen ist ein wichtiges Verarbeitungsverfahren für Kunststoffe. Der grundsätzliche Aufbau einer Spritzgießmaschine ist in dem folgenden Bild dargestellt. d) Beschriften Sie die untenstehende Skizze (2 P). e) Welches Bauteil einer Spritzgießmaschine verhindert das Zurückfließen der Schmelze während des Einspritzvorgangs (0,5 P)? Die Verarbeitung des Kunststoffs im Spritzgießprozess hat einen wesentlichen Einfluss auf die spätere Bauteilgeometrie und deren Eigenschaften. f) Nennen Sie die vier wesentlichen Einflussfaktoren beim Spritzgießen auf die Molekülorientierung im Bauteil (2 P). Seite 15

16 Das thermische und druckabhängige Ausdehnungsverhalten der Kunststoffe ist verantwortlich für die Bauteilschwindung im Spritzgießprozess. Während Orientierungen im Formteil beim Spritzgießen eher unerwünscht sind, da sie die Qualität des Formteils negativ beeinflussen, gibt es andere Verarbeitungsverfahren, bei denen diese gezielt genutzt werden. g) Nennen Sie vier typische Verarbeitungsverfahren, bei denen Orientierungen gezielt genutzt werden (2 P). Seite 16

17 6. Aufgabe (10,5 Punkte) Thermoplastische Kunststoffe können nach Art ihrer Einsatzgebiete in drei Gruppen eingeteilt werden. a) Bitte ordnen Sie die folgenden Thermoplaste den entsprechenden Gruppen zu: PEEK, PE, PA, PP, PVC (2,5 P). Art des Kunststoffes Typischer Kunststoff Hochleistungs-TP (Spezialitäten) Technische TP Standard-TP (Massen-TP) Duroplastische Kunststoffe sind aufgrund ihres hohen Vernetzungsgrades weder schmelzbar noch löslich. b) Bitte nennen Sie vier der wichtigsten Duroplaste und deren Abkürzung (4 P). Duroplast Abkürzung Seite 17

18 Eine relativ neue Werkstoffklasse stellen die thermoplastischen Elastomere (TPE) dar. Sie bestehen in der Regel aus einer elastischen Weichphase und einer thermoplastischen Hartphase. Das Zweiphasensystem kann dabei entweder als Copolymer oder als Blend (Legierung) vorliegen. c) Bitte benennen Sie beide Morphologiemodelle (Copolymer oder Blend), kennzeichnen und benennen Sie außerdem die entsprechenden Phasen in den Skizzen (3 P). d) Bitte nennen Sie einen Vorteil und einen Nachteil von TPE gegenüber vulkanisierten Elastomeren (1 P). Vorteil Nachteil Seite 18