Spritzgießen von Biokunststoffen - Wichtige Verarbeitungskenndaten

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1 Spritzgießen von Biokunststoffen - Wichtige Verarbeitungskenndaten Dipl.-Ing. (FH) M. Neudecker Webinarreihe des IfBB unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres Quelle: China Hopson IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe

2 Das Verarbeitungsprojekt Titel: Laufzeit: Verarbeitung von biobasierten Kunststoffen und Errichtung eines Kompetenznetzwerkes im Rahmen des Biopolymernetzwerkes der FNR Partner: SLK - Professur für Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung, TU Chemnitz IAP - Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung SKZ - Das Kunststoff Zentrum M-Base Engineering + Software

3 Der Spritzgießprozess Wichtige Verarbeitungskenndaten Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 3

4 Erläuterung zu den Ergebnissen Ampelsystem : Einteilung der Ergebnisse in 3 Gruppen o Grün = Gut / Unproblematisch o Gelb = Ausreichend / Machbar o Rot = Unzureichend / Problematisch Bewertung anhand von Performance-Ansprüchen an herkömmliche Kunststoffe durch akkreditiertes Testlabor (UL TTC) Untersuchte Biokunststoffe: Alle Untersuchungen zur Ermittlung der Verarbeitungskenndaten wurden an den gleichen Materialien durchgeführt Die Einteilung erfolgt in 2 Gruppen PLA basierte und Verschiedene Biokunststoffe Materialtrocknung / -konditionierung: Wichtiger Faktor Unbedingt Herstellerangaben beachten wenn verfügbar Wird hier nicht betrachtet und als optimal angenommen Betrachtung erst ab Beginn der Verarbeitung Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 4

5 Agenda 1. Aufschmelzverhalten 2. Verarbeitungstemperaturen 3. Fließeigenschaften 4. Siegelzeiten 5. Entformungsverhalten 6. Schwindung Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 5

6 Der Spritzgießprozess Aufschmelzverhalten Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 6

7 Plastifizierleistung 260 (PLA) NatureWorks Ingeo 3052D PLA basierte Biokunststoffe Werkzeug: Zugstab 1A gem. ISO 527 Plastifizierleistung: Aufschmelzbarkeit des Granulats Scherung, Zylinderheizung Granulatform, Wandhaftung Plastifizierleistung [ccm/min] (PLA) NatureWorks Ingeo 3251D (PLA) NatureWorks Ingeo 6202D (PLLA) Zhejiang Hisun Biomaterials Revode 190 (PLA+NF) JELU WPC Bio PLA H Schmelzeenthalpie und -viskosität 140 Hohe Plastifizierleistung 120 Ausreichende Plastifizierleistung 100 Geringe Plastifizierleistung In Kooperation mit UL TTC Massetemperatur [ C] Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 7

8 Plastifizierleistung Plastifizierleistung: Aufschmelzbarkeit des Granulats Scherung, Zylinderheizung Granulatform, Wandhaftung Schmelzeenthalpie und -viskosität Plastifizierleistung [ccm/min] Werkzeug: Zugstab 1A gem. ISO 527 Verschiedene Biokunststoffe (Bio-PE+NF) JELU WPC Bio PE H (Bio-PE) FKuR Terralene HD 3505 (Bio-PA 6) Evonik Vestamid Terra HS16 (PBS) Showa Denko Bionolle 1020MD (PHB) Metabolix P1004 Hohe Plastifizierleistung 120 Ausreichende Plastifizierleistung 100 Geringe Plastifizierleistung In Kooperation mit UL TTC Massetemperatur [ C] Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 8

9 Agenda 1. Aufschmelzverhalten 2. Verarbeitungstemperaturen 3. Fließeigenschaften 4. Siegelzeiten 5. Entformungsverhalten 6. Schwindung Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 9

10 Der Spritzgießprozess Verarbeitungstemperatur Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 10

11 Verarbeitungstemperaturen DSC In Kooperation mit UL TTC Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 11

12 Verarbeitungstemperaturen DSC: Verarbeitungstemperatur Erzielen homogener Schmelze T Schmelzpunkt (T S ) << T Verarbeitung < T Zersetzung Geeignete T Verarbeitung Temperaturempfehlungen für die Verarbeitung (Methode: DSC / Prüfgerät: Mettler DSC822e / Norm: IEC 1006) Empfehlung T Verarbeitung Empfehlung T Werkzeug Materialklasse Material T G T S T Kristallisation im Werkzeug [ C] [ C] [ C] [ C] [ C] PLA Nature Works Ingeo 3052D PLA Nature Works Ingeo 3251D k. A. wenn amorph PLA Nature Works Ingeo 6202D k. A. wenn amorph PLLA Zhejiang Hisun Revode k. A. wenn amorph PLA+NF JELU WPC Bio PLA H Bio-PE+NF JELU WPC Bio PE H Bio-PE FKuR Terralene HD Bio-PA 6.10 Evonik Vestamid Terra HS PBS Showa Denko Bionolle 1020MD nicht möglich PHB Metabolix P / Kennwertermittlung durch UL TTC Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 12

13 Agenda 1. Aufschmelzverhalten 2. Verarbeitungstemperaturen 3. Fließeigenschaften 4. Siegelzeiten 5. Entformungsverhalten 6. Schwindung Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 13

14 Der Spritzgießprozess Fließeigenschaften Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 14

15 Verarbeitungskennwert Fülldruck Anguß Drucksensor Schulterstab Werkzeuginnendruck Fülldruck Einspritzgeschwindigkeit Je höher der Fülldruck, desto hochviskoser der Werkstoff Verarbeitungsbedingungen = konstant Fülldruck ist abhängig von Schmelzeviskosität Quelle: UL TTC Schneckenweg Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 15

16 Verarbeitungskennwert Fülldruck Wichtige Faktoren Korrelation Schmelzeviskosität / Fülldruck Quelle: Saechtling, Kunststofftaschenbuch 27. Ausgabe, Seite 81, Wien, Carl Hanser Verlag 1998 Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 16

17 Fülldruck vs. Massetemperatur 650 Werkzeug: Zugstab 1A gem. ISO 527 PLA basierte Biokunststoffe (PLA) NatureWorks Ingeo 3052D Hohe Viskosität vgl. PC amorph Erhöhte Viskosität vgl. PBT gefüllt Fülldruck [bar] (PLA) NatureWorks Ingeo 3251D (PLA) NatureWorks Ingeo 6202D (PLLA) Zhejiang Hisun Biomaterials Revode 190 (PLA+NF) JELU WPC Bio PLA H Niedrige Viskosität vgl. PA In Kooperation mit UL TTC Massetemperatur [ C] Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 17

18 Fülldruck vs. Massetemperatur Verschiedene Biokunststoffe 700 Werkzeug: Zugstab 1A gem. ISO 527 (Bio-PE+NF) JELU WPC Bio PE H (Bio-PE) FKuR Terralene HD 3505 Hohe Viskosität vgl. PC amorph Erhöhte Viskosität vgl. PBT gefüllt Fülldruck [bar] (Bio-PA 6) Evonik Vestamid Terra HS16 (PBS) Showa Denko Bionolle 1020MD (PHB) Metabolix P1004 Niedrige Viskosität vgl. PA In Kooperation mit UL TTC Massetemperatur [ C] Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 18

19 Wanddickenabhängiges Fließverhalten Fließlänge [mm] Fließverhalten PLA basierter Biokunststoffe PLA basierte Biokunststoffe Fülldruck = 645 bar Nature Works Ingeo 3052D T m = 200 C T W = 30 C Nature Works Ingeo 3251D T m = 200 C T W = 30 C Nature Works Ingeo 6202D T m = 200 C T W = 30 C Zhejiang Hisun Revode 190 T m = 200 C T W = 30 C Jelu WPC Bio PLA H T m = 200 C T W = 30 C Wanddicke [mm] In Kooperation mit UL TTC Theoretische Rechenwerte Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 19

20 Wanddickenabhängiges Fließverhalten Fließlänge [mm] Fließverhalten Bio-PE, Bio-PA, PBS basierter Biokunststoff Fließverhalten Bio-PE + NF basierter Biokunststoff Fließverhalten PHB basierter Biokunststoff Verschiedene Biokunststoffe Fülldruck = 645 bar Jelu WPC Bio PE H T m = 200 C T W = 30 C FKuR Terralene HD 3505 T m = 180 C T W = 30 C Evonik Vestamid Terra HS16 T m = 250 C T W = 90 C Showa Denko Bionolle 1020MD T m = 190 C T W = 30 C Metabolix Mirel P1004 T m = 210 C T W = 30 C Wanddicke [mm] In Kooperation mit UL TTC Theoretische Rechenwerte Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 20

21 Wanddickenabhängiges Fließverhalten Fließlänge [mm] Fließverhalten Bio-PE, Bio-PA, PBS basierter Biokunststoff Fließverhalten Bio-PE + NF basierter Biokunststoff Fließverhalten PLA basierter Biokunststoffe Fließverhalten PHB basierter Biokunststoff Petrobasierte Kunststoffe Fülldruck = 645 bar HDPE T m = 180 C T W = 30 C PA T m = 260 C T W = 80 C PS T m = 260 C T W = 30 C PP nv T m = 200 C T W = 30 C PP hv T m = 200 C T W = 30 C Wanddicke [mm] In Kooperation mit UL TTC Theoretische Rechenwerte Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 21

22 Agenda 1. Aufschmelzverhalten 2. Verarbeitungstemperaturen 3. Fließeigenschaften 4. Siegelzeiten 5. Entformungsverhalten 6. Schwindung Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 22

23 Der Spritzgießprozess Erstarrungsverhalten Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 23

24 Verarbeitungskennwert Siegelindex Voraussetzung für vollständig versiegeltes Angusssystem: Kein Einbruch des Werkzeuginnendruck bei Abschaltung des Hydraulik- Nachdruck Quelle: Saechtling Kunststoff Taschenburch, 27. Ausgabe, Seite 85, Carl Hanser Verlag Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 24

25 Siegelzeiten Schmelzeerstarrung im Werkzeug Zykluszeit (werkzeugabhängig) Wichtiger Kostenfaktor Siegelzeit [s] (PLA) NatureWorks Ingeo 3052D (PLA) NatureWorks Ingeo 3251D (PLA) NatureWorks Ingeo 6202D (PLLA) Zhejiang Hisun Biomaterials Revode 190 (PLA+NF) JELU WPC Bio PLA H PLA basierte Biokunststoffe Werkzeug: Zugstab 1A gem. ISO 527 Unwirtschaftliche Siegelzeit 20 Akzeptable Siegelzeit 15 Wirtschaftliche Siegelzeit In Kooperation mit UL TTC Massetemperatur [ C] Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 25

26 Siegelzeiten Schmelzeerstarrung im Werkzeug Zykluszeit (werkzeugabhängig) Wichtiger Kostenfaktor Siegelzeit [s] Werkzeug: Zugstab 1A gem. ISO 527 Verschiedene Biokunststoffe (Bio-PE+NF) JELU WPC Bio PE H (Bio-PE) FKuR Terralene HD 3505 (Bio-PA 6) Evonik Vestamid Terra HS16 (PBS) Showa Denko Bionolle 1020MD (PHB) Metabolix P1004 Unwirtschaftliche Siegelzeit 30 Akzeptable Siegelzeit 20 Wirtschaftliche Siegelzeit In Kooperation mit UL TTC Massetemperatur [ C] Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 26

27 Agenda 1. Aufschmelzverhalten 2. Verarbeitungstemperaturen 3. Fließeigenschaften 4. Siegelzeiten 5. Entformungsverhalten 6. Schwindung Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 27

28 Der Spritzgießprozess Entformungsverhalten Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 28

29 Messung der Entformungskräfte Messung über eine Rundscheibe, die nach dem Abkühlen gegen einen beweglichen Werkzeugkern gedreht wird (Patent UL TTC GmbH): Quelle: UL TTC Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 29

30 Messung der Entformungskräfte In Kooperation mit UL TTC Reibungskoeffizient PLA basierte Biokunststoffe Haftreibungskoeffizient* Gleitreibungskoeffizient** (PLA) (PLA) (PLA) (PLLA) (PLA+NF) NatureWorks NatureWorks NatureWorks Zhejiang Hisun JELU WPC Bio Ingeo 3052D Ingeo 3251D Ingeo 6202D Revode 190 PLA H Massetemperatur [ C] * Haftreibung wird direkt zu Beginn der Entformung gemessen ** Gleitreibung wird beim anschließenden Gleitvorgang des beweglichen Werkzeugkerns gemessen **** Haftreibungskoeffizienten über 1 sind generell als kritisch zu betrachten und führen nicht selten zu Beschädigungen am Bauteil Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 30

31 Messung der Entformungskräfte In Kooperation mit UL TTC 2.5 Verschiedene Biokunststoffe Haftreibungskoeffizient * Gleitreibungskoeffizient ** Reibungskoeffizient nicht möglich > Drehmomentgrenze (Bio PE+NF) (Bio PE) (Bio PA 6) (PBS) (PHB) JELU WPC Bio FKuR Terralene Evonik Vestamid Showa Denko Metabolix PE H HD 3505 Terra HS16 Bionolle 1020MD P1004 Massetemperatur [ C] nicht möglich > Drehmomentgrenze * Haftreibung wird direkt zu Beginn der Entformung gemessen ** Gleitreibung wird beim anschließenden Gleitvorgang des beweglichen Werkzeugkerns gemessen **** Haftreibungskoeffizienten über 1 sind generell als kritisch zu betrachten und führen nicht selten zu Beschädigungen am Bauteil Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 31

32 Agenda 1. Aufschmelzverhalten 2. Verarbeitungstemperaturen 3. Fließeigenschaften 4. Siegelzeiten 5. Entformungsverhalten 6. Schwindung Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 32

33 Der Spritzgießprozess Schwindungsverhalten Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 33

34 Schwindungsverhalten Wichtige Faktoren Verarbeitungs- und Gesamtschwindung 0 : Maß Werkzeug bei Raumtemperatur Formteilmaß : Maß Werkzeug bei Spritztemperatur 2 : Maß Werkzeug unter Forminnendruck 3 : Maß Spritzling bei Raumtemperatur 4 : Maß Spritzling nach Lagerung Verarbeitungsschwindung 3 Gesamtschwindung 4 Quelle: UL TTC Zeit Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 34

35 Maßhaltigkeit ISO 294 Prüfplatte 60x60x2 mm 3 IF/QF Bewertung Verarbeitungsschwindung Nature Works Ingeo 3052D Nature Works Ingeo 3251D Nature Works Ingeo 6202D Zhejiang Hisun Revode 190 Jelu WPC Bio PLA H Jelu WPC Bio PE H annähernd isotrop trotz Füllstoffgehalt 60%! nicht messbar wegen schlechter Oberfläche FKuR Terralene HD 3505 Evonik Vestamid Terra HS16 Showa Denko Bionolle 1020MD Metabolix Mirel P1004 In Kooperation mit UL TTC IF/QF In Fließrichtung [%] Quer zur Fließrichtung [%] Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 35

36 Fazit Biokunststoffe sind auf Standardmaschinen verarbeitbar Die untersuchten Biokunststoffe weisen meist vergleichbare Performance wie herkömmlichen Kunststoffen auf Unter Berücksichtigung materialspezifischer Unterschiede können sie als Substitutionsmaterial dienen Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 36

37 Veranstaltungshinweis Tagung Biobasierte Kunststoffe kompakt am 14. September, 11:00 16:30 Uhr Veranstaltungsort IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Heisterbergallee 10A Hannover Fotos: China Hopson, IfBB Inhalte Umfassender Überblick über: Innovative biobasierte Materialien, optimierte Verarbeitungsprozesse und Strategien für erfolgreiche Produkt- und Nachhaltigkeitskommunikation Weitere Informationen und Anmeldung Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe

38 Veranstaltungshinweis Abschlusstagung Verarbeitung von Biokunststoffen Termin: 09. November 2017 Veranstaltungsort: Berlin Quelle: IAP Inhalte: Austausch zwischen Verarbeitern, Herstellern und Verbundpartnern Vorstellung einer Idee zur nachhaltigen Bereitstellung von Verarbeitungsdaten für Konstrukteure und Verarbeiter von Biokunststoffen Gemeinsame Diskussion der Idee mit Vertretern der Wirtschaft (ALBIS PLASTICS GmbH, BASF SE und EVONIK) Weitere Informationen finden Sie in dem Kalender unter: Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe

39 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Kontakt: Dipl.-Ing. (FH) Marco Neudecker Verfahrenstechnik Spritzgießen, Mikroskopie/Bildanalytik Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Fakultät II Maschinenbau und Bioverfahrenstechnik Heisterbergallee 10 A Hannover Tel.: / Fax: / marco.neudecker@hs-hannover.de Internet: Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe

40 Weiterführende Links I Termine und Veranstaltungen Homepage des Instituts Häufig gestellte Fragen zu Biokunststoffen (FAQ) Veröffentlichung: Bioplastics Facts & Statistics Statistics_2016.pdf Forschungsprojekte des Instituts Termine & Veranstaltungen Datenbank zur Verarbeitung von Biokunststoffen Verbundvorhaben Verarbeitung von biobasierten Kunststoffen Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 40

41 Weiterführende Links II Bisherige Webinar-Aufzeichnungen Newsletter bestellen Externer Link M-Base Biopolymerdatenbank Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 41