Kunststofftechnik Leoben - Zweijahresbericht 2015 - 2016

Abb. 2: Auswerferseitige (AS) Werkzeughälfte des In-Mould-Aktuatorik Werkzeuges
Fig. 2: Ejection-side mold half of the test mold
Abb. 3: µCT -Aufnahmen der Faserorientierung im Bindenahtbereich von
gespritzten Zugprüfkörpern.
Fig. 3: µCT –measurement of fiber orientation in the weld line region of injection
molded tensile bars
Abb: 1: Darstellung der Bindenaht mittels Farbschlieren für unverstärktes Polypropylen (PP)
Fig. 1: Weld line area for PP, visualized by means of colour streaks
AUF EINEN BLICK
• Partner: MAHLE Filtersysteme Austria GmbH, Lehrstühle
für Spritzgießen von Kunststoffen, Allgemeiner Maschinenbau,
Werkstoffkunde und Prüfung der Kunststoffe
sowie der Polymer Competence Center Leoben GmbH
• Förderung: National, FFG-BRiDGE
Ansprechpartner:
Dipl.-Ing. Andreas Neunhäuserer
andreas.neunhaeuserer@unileoben.ac.at
+43 3842 402 2908
Ass.Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gerald Berger
gerald.berger@unileoben.ac.at
+43 3842 402 2901
In-Mould-Actuatorik zur Verbesserung der Bindenahtfestigkeit kurzfaserverstärkter Spritzgießteile
In-Mould-Actuators for improving the weld line strength of short fiber reinforced parts
Beim Spritzgießen werden während des Füllvorganges die Kurzglasfasern
an der Fließfront der Polymerschmelze festigkeitsmindernd
umorientiert. Beim Zusammentreffen zweier Fließfronten
bleiben die Fasern normal zur Fließrichtung ausgerichtet,
wie im abgebildeten Zugstab (Abb. 1) durch Farbschlieren dargestellt
ist. In Fließrichtung wird dadurch die Streckgrenze bei Polypropylen
(PP) um bis zu 70 % und der E-Modul (Steifigkeit) um bis zu 30 %
und mehr im Vergleich zum bindenahtfreien Probekörper reduziert.
Im Rahmen des FFG-Bridge Projektes In-Mould-Aktuatorik wurde
zusammen mit dem Firmenpartner MAHLE Filtersysteme Austria
GmbH und den Lehrstühlen für Spritzgießen von Kunststoffen,
Allgemeiner Maschinenbau, Werkstoffkunde und Prüfung der
Kunststoffe sowie der Polymer Competence Center Leoben GmbH
(PCCL) ein neues Verfahren zur Verbesserung der Bindenahtfestigkeit
entwickelt sowie eine Simulationskette zur mikromechanischen
Materialmodellierung, Spritzgießsimulation, Festigkeitsanalyse
und abschließender Abschätzung der Lebensdauer bei dynamischer
Belastung aufgebaut.
Kernstück ist ein patentiertes Verfahren, bei dem ein Aktuator
während des Füllvorganges nach dem Aufeinandertreffen zweier
Fließfronten die Fasern festigkeitssteigernd umorientiert. Dieser
Aktuator wurde in das abgebildete Spritzgießwerkzeug zur Herstellung
von Zugstäben mit zentraler Bindenaht implementiert.
In experimentellen Untersuchungen wurde der Aktuator-Effekt
vorerst für unverstärktes PP gezeigt. In weiterer Folge wurden
deutliche Verbesserungen der Streckgrenze sowie des E-Moduls
mit glasfaserverstärktem PP bzw. PA66 erzielt. Ohne Aktuator fällt
bei 30 % Glasfaserfüllgrad die Streckgrenze gegenüber dem Probekörper
ohne Bindenaht um -55 % ab. Mittels µCT–Messungen
wird die Faserorientierung im Bindenahtbereich sowohl ohne als
auch mit Aktuatorbetätigung in 3D erfasst und daraus durch mikromechanisch
erstellte Materialmodelle für den geschwächten
Bindenahtbereich angefertigt. Darauf aufbauend können in weiterer
Folge Betriebsfestigkeits- und Lebensdauerabschätzungen für
dynamisch belastete kurzfaserverstärkte Bauteile wie z. B. Zahnräder
durchgeführt werden.
During mold filling in injection molding, short glass fibers are
oriented in the weld line region perpendicular to the flow
direction which leads to drastically reduced strength. For a
polypropylene (PP) tensile bar, the orientation is visualized by means
of colour streaks (Figure 1). In flow direction, the yield stress
for PP is reduced by up to 70 % while the Young´s modulus falls
by 30 % and more, compared to a tensile bar without weld line.
Within the FFG-Bridge project „In-Mould Actuating Elements“ together
with the company partner MAHLE Filtersysteme Austria
GmbH and the Chairs of Injection Molding of Polymers, Mechanical
Engineering, Materials Science and Testing of Polymers as well as
the Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL), a new method
was developed for improving the weld line strength. In addition,
by means of integrative simulation a simulation chain was builtup
starting with micromechanical modelling and injection molding
simulation, and ending with structural analysis and simulation of
fatigue behaviour and life-time estimation in case of dynamic loading.
Principal item is a patented process: An actuator re-orients the fibers
in the weld line region during filling to improve the weld line
strength. This actuator was implemented in an injection mold for
producing tensile bars with and without weld line.
The proof-of-principle for the actuator was demonstrated
experimentally on non-reinforced PP. Moreover, remarkable improvements
of yield stress and Young´s modulus were achieved
for glass fiber reinforced PP and PA66. Without actuator, the yield
stress for a PP with a content of 30 wt.% glass fibers decreases by
55 %, compared to tensile bars without weld line.
For tensile bars produced with and without actuator, the fiber orientation
in the weld line region was determined three-dimensionally
by µCT measurements. These data were used for micro-mechanical
modeling and development of suitable material models
for the weakened weld line area. Based on these data, the integrative
simulation will calculate the fatigue behaviour and estimate
the life-time for fiber reinforced injection molded parts, like gear
wheels under dynamic loading.
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