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Spritzgießen von faserverstärkten Kunststoffen mit drehendem Werkzeugkern

Rheologie - praktische Untersuchungen - Auslegungsmethodik

Beim Spritzgießen von länglichen rotationssymmetrischen Bauteilen führen Fertigungsrestriktionen sowie komplexe Geometrien oftmals dazu, dass die Bauteilfüllung in axialer Richtung erfolgt. Strömungsbedingt richten sich die Moleküle sowie ggf. vorhandene Verstärkungsfasern hierbei in Fließrichtung aus. Da bei faserverstärkten Kunststoffen die maximale Verstärkungswirkung erzielt wird, wenn ein Großteil der Fasern in Belastungsrichtung ausgerichtet ist, ist diese axiale Ausrichtung bei innendruckbelasteten Bauteilen nachteilig und führt zu einer ineffizienten Materialausnutzung. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie bei solchen Bauteilen durch einen drehenden Werkzeugkern die Faserorientierung und die daraus resultierende Mechanik gezielt beeinflusst und für Innendruckbelastung optimiert werden kann. Um wichtige Einflussgrößen und deren Auswirkung bei dieser Prozesstechnologie zu charakterisieren, wird zu Beginn der Arbeit eine rheologische Vorbetrachtung vorgestellt. Diese zeigt u.a., dass sich die Einspritzgeschwindigkeit und die Rotationsgeschwindigkeit
maßgeblich auf den resultierenden Schergeschwindigkeitsvektor auswirken und damit den größten Einfluss auf die Faserumorientierung haben. Die Berechnungen zeigen zudem, dass die absolute Schergeschwindigkeit zwar maßgeblich von der Wanddicke und der Strukturviskosität der Polymerschmelze abhängen, diese Größen jedoch die Ausrichtung
des resultierenden Schergeschwindigkeitsvektors nur geringfügig verändern. Im Anschluss folgen Kapitel, in denen die Prozessumsetzung des Spritzgießens mit drehendem Werkzeugkern sowie Methodiken zur direkten und indirekten Quantifizierung der Faserumorientierung vorgestellt werden. Darauf aufbauend werden umfangreiche Untersuchungen an kurz- und langfaserverstärktem Polypropylen und Polyamid u.a. zum Einfluss der Drehzahl, der Wanddicke, des Fasergehalts sowie von Spritzgießprozessparametern vorgestellt.