Das Ringspalt-Tribometer

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Ergebnisse aus Modellversuchen lassen sich nur dann auf die reale Plastifiziereinheit übertragen, wenn das in der Praxis vorliegende Tribosystem mit einer Modell-Prüfapparatur möglichst genau nachgebildet wird. Für das Tribosystem Schneckensteg/Zylinderwand sind als Hauptanforderungen an eine Modell-Prüfapparatur die Anwesenheit von Kunststoff-schmelze zwischen den Reibpartnern und praxisrelevante Strömungsverhältnisse im Spalt (Druck, Temperatur, Geometrie) zwischen Schneckensteg und Zylinderwand zu stellen. Als weitere Grundanforderung, vor allem im Hinblick auf die Übertragbarkeit der Meßergebnisse von der Prüfapparatur auf die Maschine, müssen genannt werden:

• Gleiche Stoffpaarungen und Oberflächenzustände
• Angenäherte Übereinstimmung im mechanisch-thermischen Beanspruchungskollektiv in der Kontaktfläche unter Berücksichtigung des Zwischenmediums
• Gleiche Verschleißmechanismen und praxisrelevante Verschleißraten.

Ausgehend von diesen Forderungen wurde am DKI eine Prüfapparatur, das sogenannte Ringspalt-Tribometer, entwickelt und gebaut. Bild 3 zeigt eine schematische Darstellung dieses Tribometers. Kernstück der Apparatur sind zwei koaxial angeordnete Ringe (Probekörper), von denen der äußere entsprechend dem Zylinder feststeht und der innere entsprechend der Schnecke rotiert (max n= 250 min-1 , d.h. max Umfangs-geschwingigkeit Vmax = 625mm/s).

Ein Laborextruder fördert fortwährend Polymerschmelze durch den Spalt zwischen den Probekörpern. Das Spiel zwischen den Probekörpern entspricht dem einer realen Plastifiziereinheit gleichen Durchmessers (Nenndurchmesser Ø, = 48 mm, Spaltmaß
s0 = 00,30 mm). Durch Parallelverschiebung der Achsen mit einem Schrittmotor kann der äußere Probekörper relativ zum Inneren verschoben und somit eine definierte Anpresskraft aufgebracht werden. Die tatsächlich zwischen den Probekörpern wirkenden Kräfte werden mit Hilfe von Hochtemperatur-Dehnmeßstreifen gemessen, die in der rotierenden Welle appliziert sind. Das Tribometer ist für Anpresskräfte bis 5000 N, Temperaturen bis 450 °C und Schmelzedrücke bis 5 x 107 Pa ausgelegt. Anstelle der ringförmigen Probekörper können auch Zylinder- und Schneckensegmente eingesetzt werden. Beim Verschleißversuch werden die beiden Probekörper aus konzentrischer Lage mit konstanter Verfahrgeschwindigkeit bis zu einem vorgewählten Kraftwert belastet. Damit sich stabile Betriebsbedingungen im Spalt zwischen den Probekörpern einstellen, wird dabei der Außenring mit einer geringen Zustellgeschwindigkeit vz gegen den Innenring verfahren.

Die im praktischen Betrieb miteinander gekoppelten Phänomene Tragfähigkeit und Verschleiß lassen sich mit dem Ringspalt-Tribometer in vorteilhafter Weise getrennt voneinander untersuchen. Beim Tragfähigkeitsversuch wird der äußere Probekörper mit konstanter Verfahrgeschwindigkeit gegen den inneren Probekörper verfahren. Bild 4 zeigt den typischen Kraftverlauf eines solchen Tragfähigkeitsversuchs. Erreicht die Anpresskraft einen kritischen Wert, so reißt der Schmelzefilm zwischen den Probekörpern und es kommt zu lokalem Metall-Metall-Kontakt. Dieser Zeitpunkt wird mit Hilfe der Schallemissionsmessung detektiert. Die physikalischen Grundlagen der Schallemission sind in detailliert beschrieben. Als Kenngröße werden die Überschreitungen eines Schwellenwertes, die sog. SE-Counts, zur Auswertung herangezogen. Mit dem Erreichen der Tragfähigkeitsgrenze steigt die Rate der SE-Counts stark an (Bild 4). Durch eine Überlagerung des gemessenen Kraftverlaufs und der SE-Rate kann diejenige Kraft bestimmt werden, bei welcher der Schmelzefilm reißt. Diese Kraft bezeichnet man als charakteristischen Tragfähigkeitskennwert für die jeweilige Betriebsbedingung.

Verschleißmessgrößen

Eine Verschleißmessgröße ist der Gewichtsverlust der Probekörperringe, der durch Differenzwägung auf einer Analysenwaage bestimmt wird. Weiterhin werden die Prüfflächen oberflächenanalytisch mit einem Lichtmikroskop "Askania RMA 5" bzw. einem Rasterelektronenmikroskop bei verschiedenen Vergrößerungen untersucht.Außerdem werden die Oberflächenrauhigkeiten sowie charakteristische Kennzahlen (Rz, gemittelte Rauhtiefe [µm]) aller Proben mittels Perthometer "C5D" der Fa. Perthen vermessen und zur Analyse der Oberflächenveränderungen herangezogen.

Bild 4: Charakteristischer Tragfähigkeitsversuch und Ermittlung des Tragfähigkeitskennwerts Formmasse: PE-LD (Lupolen 1810 D); Probekörper 1.8550ion/1.8550ion.