Orientierte Proben aus kurzglasfaserverstärktem Material

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Dipl.-Ing. Joachim Amberg

Am Deutschen Kunststoff-Institut wurde im Rahmen eines Forschungsvorhabens ein Spritzgießwerkzeug zur Herstellung von kurzfaserverstärkten Probekörpern mit definierten Orientierungen konstruiert und gebaut.

Das Werkzeug verfügt über auswechselbare Formeinsätze, mit deren Hilfe neben unidirektional orientierten Zugproben auch einfache platten- und stabförmige Formteile zur Untersuchung orientierungsabhängiger Schwindungswerte gefertigt werden können (Abb. 1a - 1c).

Abb. 1a: Spritzgießwerkzeug mit auswechselbaren Einsätzen
(Stammwerkzeug mit Einsatz 1)

Mit dem Werkzeugeinsatz 1 (Abb. 1a) können unidirektional orientierte Probekörper spritzgegossen werden, die zur Messung orientierungsabhängiger mechanischer und thermomechanischer Materialkennwerte eingesetzt werden. Bei der Auslegung des Probekörpers wurde ein strömungstechnischer Effekt angewendet, der die Ausbildung einer regellos orientierten Kernzone, wie sie in konventionellen Zugstäben auftreten kann, verhindert. Der für kurzfaserverstärkte Materialien optimierte Zugstab wird über einen plattenförmigen Verteiler mit konvergentem Auslauf gefüllt. Dabei bewirkt die konvergente Strömungsform eine Umorientierung der mittleren Formteilschichten und erzeugt im Messbereich des Stabes eine nahezu vollständige Ausrichtung der Fasern in Fließrichtung. Für den parallelen Teil des Zugstabs wurden die in der Prüfnorm DIN-EN-ISO 527 vorgegebenen Abmessungen für den Probentyp 1A übernommen. Die Radien im konvergenten Bereich und im Übergang zur Schulter betragen 80 mm.

Vergleichende Zugversuche an Normprobekörpern und an Zugstäben mit konvergentem Einlauf zeigen, dass der am DKI entwickelte Probekörper eine höhere Steifigkeit aufweist (Abb. 2a-2b). Die Zunahme der Steifigkeit ist eng verknüpft mit dem Orientierungsgrad der Fasern im Probekörper. Der Orientierungsgrad kann jedoch bei unterschiedlichen Polymeren und Füllstoffgehalten differieren, da die rheologischen Eigenschaften der Polymerschmelzen und Faserwechselwirkungseffekte die Ausrichtung der Fasern beeinflussen.

Abb. 2: Steifigkeitsanalyse am DKI - Zugstab

Mit dem Werkzeugeinsatz 2 (Abb. 1b) werden faserverstärkte plattenförmige Formteile gefertigt, die eine ausgeprägte Schichtenstruktur aufweisen. Die Kavität des Einsatzes entspricht in Abmessung und Anschnittgeometrie dem ISO-Werkzeugtyp D2 (DIN-EN-ISO 294-3), der zur Ermittlung der Verarbeitungsschwindung von Thermoplasten herangezogen wird. An den ISO-Plattenformteilen kann eine normgerechte Messung der Längen- und Breitenschwindung vorgenommen werden.

Zur Überprüfung und Verifizierung anisotroper Materialdaten und Stoffwertfunktionen für die Spritzgießsimulation sind Vergleiche zwischen simulierten und an faserverstärkten Bauteilen gemessenen Schwindungswerten erforderlich. Diese Untersuchungen sind zunächst an möglichst einfachen, homogen orientierten Formteilen durchzuführen, die eine gute Übereinstimmung zwischen berechneter und realer Faserorientierung gewährleisten. In der Literatur werden in diesem Zusammenhang Untersuchungen an unidirektional orientierten Zugstäben vorgestellt. Die Probengeometrie dieser Formteile weist jedoch ein für die 2,5D-Simulation ungünstiges Breiten/Dicken-Verhältnis auf. 2,5D-Programme berücksichtigen Randeinflüsse nur in Form von empirischen Modellansätzen. Daher können nur flächige Formteile mit einem relativ großen Breiten/Dicken-Verhältnis realitätsnah berechnet werden. Der mit Einsatz 1 hergestellte Zugstab eignet sich daher nur eingeschränkt zur Berechnung orientierungsabhängiger Schwindungsmaße. Annähernd unidirektionale und in guter Näherung zu berechnende Orientierungszustände können jedoch in einer rechteckigen Platte mit konvergentem Einlauf realisiert werden. Zur Herstellung eines solchen Probekörpers wurde Einsatz 3 (Abb. 1c) des Spritzgießwerkzeugs konzipiert. Hier weist der zur Ermittlung orientierungsabhängiger Schwindungsmaße dienende stabförmige Probenbereich ein für die 2,5D-Simulation ausreichendes Breiten/Dicken-Verhältnis auf (B/D = 10). Aufgrund der konvergenten Einlaufströmung herrscht im Auswertebereich des Probekörpers ein annähernd unidirektionaler Orientierungszustand über die gesamte Probendicke vor. Ferner unterliegt dieser Bereich des Formteils keiner Schwindungsbehinderung. Daher eignet sich der Probekörper gut zur Verifizierung orientierungsabhängiger Schwindungswerte.

In den Abbildungen 3 bis 5 sind Ergebnisse von Orientierungsmessungen an den mit den Werkzeugeinsätzen 1 bis 3 hergestellten Formteilen dargestellt. Die Orientierungsanalyse an spritzgegossenen Platten aus PP-GF30 zeigt eine ausgeprägte Schichtenstruktur mit einer überwiegend quer zur Fließrichtung orientierten Mittelschicht. Der Stab mit konvergentem Einlauf hingegen weist eine wesentlich homogenere Orientierungsverteilung auf. Durch die konvergente Strömungsform konnte eine annähernd unidirektionale Faserorientierung erreicht werden. Die höchsten Orientierungsgrade liegen in den optimierten Zugstäben vor.

Abb. 3: Orientierungsverteilung in der Platte (Material: PP-GF30)

Abb.4: Orientierungsverteilung im Stab (Material: PP-GF30)

Abb. 5: Orientierungsverteilung im DKI-Zugstab (Material: PP-GF30)

An den stab- und plattenförmigen Formteilen können richtungsabhängige Schwindungswerte parallel und senkrecht zum Fließfrontverlauf der Schmelze ermittelt werden. In Abbildung 6 sind Messergebnisse zusammengefasst, die an Probekörpern aus PP-GF30 durchgeführt wurden. Die Stabproben mit konvergentem Einlauf weisen eine wesentlich größere Anisotropie der Längen- und Breitenschwindung auf als die Plattenprobekörper. Aufgrund des hohen Orientierungsgrads der Fasern in Fließrichtung treten im Stab nur noch äußerst kleine Längenschwindungen auf. Demgegenüber steht ein starker Anstieg der Breitenschwindung.

Abb. 6: Gemessene Schwindungswerte (Platte und Stab, PP-GF30)

Eine statistische Auswertung der an den Stabproben aus PP-GF30 gemessenen Probenlängen und -breiten verdeutlicht die Korrelation von Schwindungsmaßen und Verarbeitungsparametern (Abb. 7). Die Erhöhung des Nachdrucks bewirkt in der Abkühlphase eine bessere Kompensation der Volumenschwindung. Dies äußert sich bei allen Formteilen in einer geringeren Längen- und Breitenschwindung. Ein Anheben der Werkzeugtemperatur führt in teilkristallinen Materialien zur Erhöhung des Kristallisationsgrads. Hieraus resultiert in der Regel eine Zunahme der Verarbeitungsschwindung. Kürzere Einspritzzeiten hingegen können in faserverstärkten Plattenformteilen zu einer Verringerung der Längenschwindung beitragen, da eine erhöhte Scherströmung das Ausrichten der Fasern in Fließrichtung fördert. Die an den Stabproben gemessenen Schwindungswerte bestätigen diese Zusammenhänge in den meisten Fällen. Abweichungen, wie die Abnahme der Längenschwindung bei hohen Werkzeugtemperaturen, können durch überlagernde Orientierungseinflüsse, die wiederum von den Verarbeitungsparametern abhängen, erklärt werden.

Abb. 7: Einfluss von Verfahrensparametern auf die Formteilschwindung (Stab, PP-GF30)