Kunststofftechnik Leoben - Zweijahresbericht 2015 - 2016

Abb. 3: Simulierte Temperaturverteilung in einer Schlitzdüse mit nachgeschalteter zylindrischer "Dummy-Kavität“
Fig. 3: Simulated temperature distribution in a slit-die with a downstream dummy-cavity
AUF EINEN BLICK
Abb. 1: Arbeiten am Spritzgießmaschinenrheometer
Fig. 1: Injection Moulding Machine Rheometer
• Partner: Polymer Competence Center Leoben GmbH
(PCCL), SKF Group, ENGEL Austria GmbH, Simcon
kunststofftechnische Software GmbH, Dr. Gierth
Ingenieurgesellschaft mbH
• Förderung: National, FFG-COMET
Abb. 2: Neues Kautschukspritzgießmaschinenrheometer am Lehrstuhl für Spritzgießen von Kunststoffen
Fig. 2: New rubber injection moulding machine rheometer
Ansprechpartner:
Dipl.-Ing. Andreas Neunhäuserer
andreas.neunhaeuserer@unileoben.ac.at
+43 3842 402 2908
Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr. Walter Friesenbichler
walter.friesenbichler@unileoben.ac.at
+43 3842 402 2901
Temperaturkorrektur in der Kapillar- und Maschinenrheometrie
Temperature correction in capillary and machine rheometry
Die Kenntnis des Fließverhaltens von Kunststoff- und Kautschukschmelzen
ist fundamental, um ein geeignetes Prozessfenster
für Verarbeitungsverfahren wie z. B. das Spritzgießen
zu finden. Bei höher gefüllten Compounds spielt hierbei die Materialvorgeschichte
eine wesentliche Rolle, weshalb prozessnahe
Viskositätsmessungen an Verarbeitungsmaschinen immer stärker
an Bedeutung gewinnen (Abb. 1 und 2). Verlässliche Viskositätsdaten,
gemessen bei prozessnaher Materialaufbereitung, sind somit
eine Grundvoraussetzung für Strömungssimulationen.
In der Rheometrie sind die Experimente grundsätzlich isotherm
zu führen, d. h. ohne Temperaturveränderung in der strömenden
Schmelze. Mehr als 20 Jahre Erfahrung in der Schmelzenrheologie
bestätigen, dass oftmals bereits ab Schergeschwindigkeiten von
5.000 s -1 erste Temperaturerhöhungen durch Scher-, Dehn- und
Kompressionserwärmung auftreten, die in der Viskositätsberechnung
heute üblicherweise unberücksichtigt bleiben. Ebenso steigt
die Wandtemperatur in der jeweiligen Rheometerdüse während
des Versuches mit steigender Schergeschwindigkeit um 2 % bis
zu 40 % des Vorgabewertes an. Das Verständnis dieser Effekte und
deren Korrektur ist somit von größter Bedeutung.
Im Laufe der letzten 20 Jahre wurden unterschiedliche, vereinfachte
mathematische Modelle veröffentlicht, um derartige dissipative
Temperaturerhöhungen zu berechnen, da diese über den Kanalquerschnitt
bzw. entlang der Kanalwand nur schwer bzw. nicht messtechnisch
erfassbar sind. Am Department für Kunststofftechnik
wurde bereits vor mehr als zehn Jahren eine Methode zur Temperaturkorrektur
der stark nicht-isothermen Experimente an Kapillar-
und Spritzgießmaschinenrheometern von Prof. Walter
Friesenbichler, Dr. Ivica Duretek und Dipl. Ing. Stephan Schuschnigg
entwickelt, verifiziert und seither bei allen Viskositätsmessungen
eingesetzt. Mittels nicht-isothermer Spritzgießsimulationen
(SIGMASOFT®, Cadmould® 3D-F) kann das Temperaturfeld in der
Rheometerdüse unter Verwendung einer nachgeschalteten dickwandigen
Hilfskavität anschaulich dreidimensional dargestellt
(Abb. 3) und die Korrekturmethode weiter verbessert werden.
In aktuelle Forschungsarbeiten wird die Temperaturkorrekturmethode
durch Einbeziehung der Dehn- und Kompressionserwärmung
im Kapillareinlauf verfeinert. Endziel ist, die Rheometerströmung
nicht-isotherm und voll-viskoelastisch für verschiedene
Thermoplaste und gefüllte Compounds zu simulieren und mit diesen
Ergebnissen die Korrekturmethode weiter zu verbessern.
The knowledge of the flow behaviour of thermoplastic melts and
rubber compounds is fundamental for determining adequate
process windows in processes like injection moulding. For highly
filled compounds the pre-history of the material plays an important
role in rheometry. Therefore viscosity measurements using processing
machines become more and more important. Hence reliable viscosity
data measured after material preparation close to processing
conditions are a prerequisite for flow simulations.
In principle rheological experiments have to be performed under
isothermal conditions, that means without any temperature increase
in the flowing polymer melt. More than 20 years` experience
in rheological measurements at the Department of Polymer
Engineering and Science confirms that increase of melt temperature
due to viscous dissipation (shear-, elongational- and compression
heating) starts at shear rates higher than 5,000 s -1 . As well
the wall temperature increases in non-isothermal experiments depending
on shear rate by 2 % up to 40 % of the reference temperature.
Today such effects are usually not taken into account in standard
viscosity calculation. Understanding such phenomena and
correcting temperature effects therefore are of crucial importance.
Within the last 20 years several simplified mathematical models
were published to calculate the temperature increase due to
the fact that precise temperature measurement along the capillary
length and over the capillary diameter is impossible. At the
Department of Polymer Engineering and Science more than ten
years ago an engineering approach for temperature correction of
non-isothermal rheological experiments was developed by Prof.
Friesenbichler, Dr. Duretek and Dipl. Ing. Schuschnigg. This method
was verified in a variety of experiments and today it is standard in
our viscosity calculation.
By means of non-isothermal injection moulding simulation
(SIGMASOFT®, Cadmould® 3D-F) the 3D temperature field in a
rheological die can be visualized (Figure 3). To sustain a steady
flow for a longer time a thick-walled dummy-cavity is positioned
downstream. Such simulations provide a new basis for further improving
our correction method.
Current research aims at implementing elongational heating of the
inlet section and compression heat into our correction method. Our
final goal is at first to model the rheological flow fully-viscoelastic
and secondly to verify the improved correction method by a number
of rheological measurements for different thermoplastics and
filled compounds.
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