Volker Altstädt Axel Mantey. Thermoplast- Schaumspritzgießen

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1 Volker Altstädt Axel Mantey Thermoplast- Schaumspritzgießen

2 Altstädt, Mantey Thermoplast-Schaumspritzgießen

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4 Volker Altstädt Axel Mantey Thermoplast- Schaumspritzgießen Unter Mitwirkung von Dr.-Ing. Axel Cramer, Dipl.-Ing. Peter Egger, Dr. Markus Gahleitner, Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Walter Michaeli, Dr.-Ing. Norbert Müller, Dipl.-Ing. Andreas Spörrer, Dipl.-Ing. Jan-Erik Wegner,

5 Die Autoren: Prof. Dr.-Ing. Volker Altstädt, UBT, Lehrstuhl für Polymere Werkstoffe, Universitätsstraße 30, Bayreuth Dipl.-Ing. Axel Mantey, SORG-Plastik GmbH, Talstraße 8, Lorch-Weitmars Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek: Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. ISBN: Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutzgesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Alle in diesem Buch enthaltenen Verfahren bzw. Daten wurden nach bestem Wissen erstellt und mit Sorgfalt getestet. Dennoch sind Fehler nicht ganz auszuschließen. Aus diesem Grund sind die in diesem Buch enthaltenen Verfahren und Daten mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgendeiner Art verbunden. Autoren und Verlag übernehmen infolgedessen keine Verantwortung und werden keine daraus folgende oder sonstige Haftung übernehmen, die auf irgendeine Art aus der Benutzung dieser Verfahren oder Daten oder Teilen davon entsteht. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdruckes und der Vervielfältigung des Buches oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Einwilligung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder einem anderen Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung mit Ausnahme der in den 53, 54 URG genannten Sonderfälle reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Carl Hanser Verlag, München 2010 Herstellung: Steffen Jörg Satz: Manuela Treindl, Laaber Coverconcept: Marc Müller-Bremer, München Coverrealisierung: Stephan Rönigk Druck und Bindung: Kösel, Krugzell Printed in Germany

6 Vorwort Dieses Buch entstand im Rahmen eines von der High-Tech-Offensive-Bayern (HTO) geförderten Leitprojektes an der Neue Materialien Bayreuth GmbH. Folgende Projektpartner aus der Industrie waren in der Projektphase 2003 bis 2006 beteiligt und haben zum Gelingen dieses Buches beigetragen: y y y y y Borealis Polyolefine GmbH, Linz, Österreich Clariant Masterbatches GmbH, Ahrensburg Engel Austria GmbH, Schwertberg, Österreich Rehau AG & Co., Rehau Valeo Klimasysteme GmbH, Bad Rodach Für ihren Beitrag zum Buch danken wir darüber hinaus Herrn Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Walter Michaeli und Herrn Dr.-Ing. Axel Cramer, Institut für Kunststoffverarbeitung an der RWTH Aachen, sowie Herrn Dr.-Ing. Norbert Müller, LKT Universität Erlangen-Nürnberg/ Schaumform GmbH, Passau. Für die Unterstützung in Form von Materialien und Versuchseinrichtungen möchten wir uns an dieser Stelle bei den Firmen Ticona GmbH, Kelsterbach, Demag Ergotech GmbH, Schwaig, Trexel GmbH Europe, Wiehl und Sulzer Chemtech AG, Winterthur, Schweiz, herzlich bedanken. Für wertvolle Hinweise und Informationen danken wir Herrn Dipl.-Ing. Helmut Eckardt, Wittmann Battenfeld GmbH & Co. KG, Meinerzhagen und Herrn Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Rauh, Loewe AG, Kronach. Die Verfasser danken dem Carl Hanser Verlag für die gute Zusammenarbeit. Bayreuth, im Oktober 2010 Volker Altstädt Axel Mantey

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8 Inhaltsverzeichnis Vorwort... V 1 Einleitung... 1 Literatur zu Kapitel Historie des Schaumspritzgießens... 7 Literatur zu Kapitel Physik des Schäumens Einphasige Polymer-Gas-Lösung Nukleierung Blasenwachstum Stabilisierung Fazit zur Physik des Schäumens...24 Literatur zu Kapitel Treibmittel Einleitung Physikalische Treibmittel Chemische Treibmittel Bedeutung der Stoffklassen endotherm und exotherm Exotherme Treibmittel Endotherme Treibmittel Kombinationen endothermer Treibmittel Kombination aus endothermen und exothermen Treibmitteln Charakterisierung von chemischen Treibmitteln Pulver und Masterbatch, Aufbau eines Treibmittelsystems für das Spritzgießen Produktion von Treibmittelmasterbatches Auswirkungen chemischer Treibmittel auf das Endprodukt...43 Literatur zu Kapitel Matrixmaterialien Polypropylen Dichtereduktion Schwindung und Winkelverzug Druckbedarf im Werkzeug Zugversuch Biegeversuch...54

9 VIII Inhaltsverzeichnis Impactversuch Schaumstruktur Fazit zur Verarbeitung von Polypropylen im Schaumspritzgießverfahren Technische Thermoplaste für das TSG-Verfahren Werkstoff- und Treibmittelauswahl Schaumspritzgießen von SAN/PC-Blends Scherrheologie von SAN/PC-Blends Struktur der SAN/PC-Integralschäume Mechanische Eigenschaften der SAN/PC-Integralschäume Zusammenfassung für geschäumte SAN/PC-Blends Schaumspritzgießen von schlagzähmodifiziertem SAN (ABS) Schaumspritzgießen von SAN-Nanokompositen Schaumspritzgießen von PA 6-Nanokompositen Schmelzerheologie von PA + CNF Morphologie der PA 6 + CNF-Integralschäume Mechanische Eigenschaften der PA + CNF-Integralschäume Literatur zu Kapitel Verfahrenstechnik Chemisches TSG-Verfahren MuCell -Verfahren Ergocell -Verfahren Optifoam -Verfahren Schäumen mit Dekompression Abgrenzung zu anderen Niederdrucktechniken Fluidinjektionstechnik Spritzprägen Fazit zur Verfahrenstechnik Literatur zu Kapitel Verfahrensvergleich TSG-Verfahren mit chemischen Treibmitteln Art und Konzentration des chemischen Treibmittels Schmelzetemperatur Einspritzgeschwindigkeit Staudruck Werkzeugtemperatur Prozessstabilität Oberflächenqualität Fazit zum chemischen Schaumspritzgießen (TSG-CH) TSG-Verfahren mit physikalischer Begasung im Zylinder Art und Konzentration des Treibfluids Schmelzetemperatur Einspritzgeschwindigkeit...134

10 Inhaltsverzeichnis IX Staudruck Werkzeugtemperatur Phänomenologische Beobachtungen Fazit zum Schaumspritzgießen mit physikalischer Begasung im Zylinder TSG-Verfahren mit physikalischer Begasung in der Düse Konzentration des Treibfluids Schmelzetemperatur Einspritzgeschwindigkeit Phänomenologische Beobachtungen Fazit zum Schaumspritzgießen im TSG-PD Gegenüberstellung des chemischen und physikalischen TSG Prozessführung Formteileigenschaften Literatur zu Kapitel Mechanisches Verhalten Einführung Strukturausbildung Makroskopische Kennwertbeeinflussung Bewertung der Kennwertabminderung Zugbelastung Bewertung der Kennwertabminderung Biegebelastung Spannungsverteilung Leichtbaueffekt Verallgemeinerte Modellvorstellung Modellbildung zum Leichtbaueffekt Konzept der effektiven Deckschichtdicke Modellbildung zur effektiven Deckschichtdicke Zugängliches Leichtbaupotenzial Vorhersage von Steifigkeitskennwerten Vorhersage von Festigkeitskennwerten Einfluss von Füll- und Verstärkungsstoffen auf die Steifigkeit Einfluss von Füll- und Verstärkungsstoffen auf die Festigkeit Druckverformungsverhalten Relevanz der Einflussgrößen Mechanische Prüfung von Integralschaumstrukturen Kennwertschwankungen Literatur zu Kapitel Einfluss des Spritzgießwerkzeugs beim Thermoplast-Schaumspritzgießen Formteilgestaltung Wanddicken, Wanddickensprünge Rippen, Dome, Schnapphaken Fließhindernisse...181

11 X Inhaltsverzeichnis 9.2 Angusssystem Balancierung des Angusssystems Angussbuchse Anschnittarten Lage der Anspritzpunkte Temperierung beim Schaumspritzgießen Entlüftung Werkzeugmaterialien beim Schaumspritzgießen Werkzeug-/verfahrenstechnische Möglichkeiten zur Verbesserung der Oberflächenqualitäten geschäumter Bauteile Ursachen der geringen Oberflächenqualitäten beim Schaumspritzgießen Werkzeuginnendrücke beim Schaumspritzgießen Verbesserung der Oberflächenqualitäten Verwendung von Oberflächenstrukturierungen Verwendung von Beschichtungen im Werkzeug Variotherm-Verfahren Fazit Literatur zu Kapitel Sondertechnologien MuCell -Verfahren mit statischem Mischer Atmende Werkzeuge Optimierung der Oberfläche Verfahrenstechnische Oberflächenverbesserung geschäumter Formteile Gasgegendruck Variotherm Zusammenfassung zur verfahrenstechnischen Oberflächenverbesserung Dekor-Hinterspritzen Wärmebarriere Literatur zu Kapitel Anwendungsbeispiele Abkürzungen und Formelzeichen Stichwortverzeichnis...231

12 An der Bearbeitung dieses Buches haben mitgewirkt: Kapitel 1 Prof. Dr.-Ing. Volker Altstädt UBT, Lehrstuhl für Polymere Werkstoffe, Universitätsstraße 30, Bayreuth Kapitel 2 Dipl.-Ing. Axel Mantey SORG-Plastik GmbH, Talstraße 8, Lorch Weitmars Kapitel 3 Dipl.-Ing. Axel Mantey SORG-Plastik GmbH, Talstraße 8, Lorch Weitmars Kapitel 4 Dipl.-Ing. Jan Erik Wegner Clariant Masterbatches (Deutschland) GmbH, Kornkamp 50, Ahrensburg Kapitel 5.1 Dr. Markus Gahleitner Borealis Polyolefine GmbH, St. Peter Str. 25, A 4021 Linz Kapitel 5.2 Dipl.-Ing. Axel Mantey/ Dipl.-Ing. Andreas Spörrer SORG-Plastik GmbH, Talstraße 8, Lorch Weitmars/ UBT, Lehrstuhl für Polymere Werkstoffe, Universitätsstraße 30, Bayreuth Kapitel 6 Dipl.-Ing. Peter Egger Engel Maschinenbau GmbH, Ludwig Engel Str. 1, A 4311 Schwertberg Kapitel 7 Dipl.-Ing. Axel Mantey SORG-Plastik GmbH, Talstraße 8, Lorch Weitmars Kapitel 8 Dr.-Ing. Norbert Müller Schaumform GmbH, Neuburger Straße 11, Passau Kapitel 9 Kapitel 10 Kapitel 11 Dr.-Ing. Axel Cramer/ Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Walter Michaeli Dipl.-Ing. Axel Mantey/ Dipl.-Ing. Andreas Spörrer Dipl.-Ing. Axel Mantey/ Dipl.-Ing. Andreas Spörrer Institut für Kunststoffverarbeitung an der RWTH Aachen, Pontstraße 49, Aachen/ Institut für Kunststoffverarbeitung an der RWTH Aachen, Pontstraße 49, Aachen SORG-Plastik GmbH, Talstraße 8, Lorch Weitmars/ UBT, Lehrstuhl für Polymere Werkstoffe, Universitätsstraße 30, Bayreuth SORG-Plastik GmbH, Talstraße 8, Lorch Weitmars/ UBT, Lehrstuhl für Polymere Werkstoffe, Universitätsstraße 30, Bayreuth