004 - IfBB

Haftungsverhalten von TPEVerbunden
- Biopolymere für Hart-/WeichVerbindungen
M. Sc. Christian Staudigel
17. September 2015
Mehrkomponentenspritzgießen
Mehrkomponenten
-verbunde
• Thermoplast/Thermoplast
• Thermoplast/TPE
• Thermoplast/Elastomer
• Glas/TPE
• Metall/TPE
• Metall/Elastomer
Verbundspritzgieße
n
• An- und/oder Überspritzen (Overmoulding)
• Hart-/Weich- und Hart-/Hart-Verbunde
• Feste Verbindung der Polymere/Komponenten
zueinander
• 2K – 5K-Verbundteile
• Sequentielles Einspritzen der Komponenten
Montagespritzgieße
n
• “Umspritzen” der 1.Komponente
• Hart-/Hart-Verbunde
• Herstellung beweglicher Bauteile („inkompatible“
Komponenten)
• Herstellung aus einem oder unterschiedlichen
Polymeren möglich
• Sequentielles Einspritzen der Komponenten
Biinjektion
sspritzgieße
n
• Gleichzeitiges Einspritzen verschiedener Komponenten
• Feste Verbindung der Komponenten im
schmelzeflüssigen Zustand
• Hart-/Weich- und Hart-/Hart-Verbunde
• Unscharfe Materialabgrenzung  Bindenaht
• Gegentakspritzgießen möglich
Sandwichspritzgieße
n
• Hart-/Hart-Verbunde (Hart-/Weich-Verbunde möglich)
• Mono- oder Mehr-K-Sandwichaufbau möglich (Hautund Kernmaterial)
• Sequentielles Einspritzen der Komponenten
• Feste Verbindung der Komponenten im
schmelzeflüssigen Zustand
• Duroplast/Elastomer
• Duroplast/TPE
•…
Werkzeugtechniken
• Drehteller
• Indexplatte bzw. Drehkreuz
• Core-Back
• Umsetzen bzw. Einlegen
• Etagen- bzw. Stack-Mould
• Würfel
Quelle:
www.mhaeberl.de/
3K-Baueil
- Sockel HK, gelb
- Borste WK, gelb
- Pad WK, blau
Quelle: www.oralb-blendamed.de
2
Haftung
Kompatibilität
Materialkompatibilität
Verarbeitungsund
Nachschwindung
Massetemperaturen
Längenausdehnung
Werkzeugtemperaturen
Chemischer
Aufbau –
(Haftung)
Fließfähigkeit
Fließfähigkeit
3
Verarbeitungskompatibilität
Wärmeformbeständigkeit
Dissertation, M. Schuck, 2009, „Kompatibilitätsprinzipien beim Spritzgießen“
 Die grundsätzliche Kompatibilität ist
„abschätzbar“, aber
 Die im Prozess/Werkzeug resultierende
Haftung ist noch immer nicht vorhersehbar
 Praxis- bzw. Abmusterungsversuche sind
daher meistens notwendig
Versuchsaufbau
2K - Schälprüfkörper
Probekörper
Werkzeug
Temperatursensor Kern
Temperatursensor Düsenseite
Werkzeuginnendrucksensor
Weichkomponente
Temperatursensor
Auswerferseite
• Core-Back (Kern austauschbar 
Oberfläche Überspritzbereich)
•
3x Temperatur
 Düsenseite
 Auswerferseite
 Oberflächennah im Kern
•
2x Werkzeuginnendruck
 Angusskanal Hartkomponente
 Angusskanal Weichkomponente
• 1 hydr. Kernzug
• Hartkomponente über Hauptaggregat
• Weichkomponente über L-Aggregat
• Dicken variierbar
5
Werkzeuginnendrucksensor
Hartkomponente
Herstellung von 2K-Schälprüfkörpern
• Vollautomatischer Zyklus mit Handlinggerät
- Konstante Zykluszeit (thermisches
Gleichgewicht)
- Konstante Zeit von Entformung bis
Thermografieaufnahme
- Integrierte Angussabtrennung und definiertes
Ablegen der Teile
• Inline-Thermografie
- Triggersignal durch das Handlinggerät
- Aufnahme von jedem Prüfkörper
- Abkühlkurven
- Dokumentation mit Datums- und Zeitstempel
- Anzeige von thermischen Unterschieden zu
einer Referenz oder zum vorherigen Formteil
• Sensorik
- Werkzeuginnendruckverlauf der Hart- und
Weichkomponente
- Verlauf des Schneckenweges
- Werkzeugtemperaturverläufe von Düsen- und
Auswerferseite sowie des Kerns
- Position des Kernzugs
6
Bild: Thermokamera
TIM, www.microepsilon.de
Bild: Greifer
Bild: Schneckenwegmessung
Bild: Messdatenerfassung
Variotherme Temperierung
Systemaufbau/Anschluss
• Lasergesinteter Kern mit oberflächennahen Temperierkanälen
• Heiz-/Kühl-Kombination (Autotherm)
• Temperiermedium Öl
• Anschluss am Temperierkreislauf des Kerns
• Freie Ansteuerung der Ventile über externen
Trigger/Sensor und SKZ-Software
Kühlblock
(-15 °C)
7
Temperiergerät
(140 °C)
Verteiler mit
Ansteuerung der
Ventile
Variotherme Temperierung
Heizphase
Kühlphase
„Kühlzeit“
Hartkomponente
Kern
einfahren
Kern
ausfahren
• Heizphase bis zum Einspritzen der Weichkomponente  hohe
Oberflächentemperatur der Hartkomponente
• Umschalten auf Kühlphase nachdem der Kern zurückgezogen wird um die
Entformbarkeit der Weichkomponente zu gewährleisten
• Ebenfalls nutzbar um „kalte“ Einleger zur Haftungssteigerung wieder zu Erwärmen
8
Einfluss der Herstellmethode auf die Schälkraft
2 - Stufen - Herstellung („kalter Einleger“)
• Halbautomatischer Zyklus
Herstellung des Hartteils
• Identische Einstellungen für die Hart- und Weichkomponente wie im 2K-Zyklus
• Gleiche Chargen
• Fixierung und Ausrichtung des Hartteils über die
„Füßchen“ für den Schwindungsausgleich
24h Lagerung im Normklima
Einlegen des Hartteils ins
Werkzeug
• Der große Einfluss der Kontakttemperatur zum
Zeitpunkt des Überspritzens wird deutlich
Überspritzen mit der
Weichkomponente
Prüfung nach 24h Lagerung mit
Anordnung A
9
Prüfaufbau
Schälprüfung
• Schälprüfung mit Umlenkrolle und Schlittenführung (Schälwinkel 90°)
• Messung der Schälkraft, des Traversenwegs
der Zugprüfmaschine und des Schlittenweges
• Ergänzende Aufzeichnung und Auswertung der
Messdaten mit einer SKZ-Software
• Reproduzierbare Messung ab einer Schälkraft
> 0,8 N möglich
• Für Materialien von ca. 20 ShoreA – 40 ShoreD
• Verwendung von pneumatischen Spannbacken zur
Fixierung des TPE´s
• Die Nutzung des Schlittenweges erlaubt die Aufzeichnung der Kraftverläufe ohne Dehnungsüberlagerung und erleichtert die Auswertung sowie die
Vergleichbarkeit unterschiedlicher
Schälkraftverläufe
10
Traversenweg
Schlittenweg
Ergebnisse
Materialien
Hart- und Weichkomponenten
Weichkomponenten
Hartkomponenten
Name
Typ
Hersteller
Ingeo 3251D
PLA + Gleitmittel
Nature Works
Mirel P1004
PHB
Metabolix
Arboblend 2628V
PLA-Basis
Tecnaro
Arboform L V100
Lignin-Basis
Tecnaro
Bioflex S9533
PLA + Talkum + Polyester FKUR
Vestamid Terra DS16
Bio-PA 10/10
Evonik
RTP 2099 X 124790-E Natur
PLA + Calciumcarbonat
RTP
Cellidor B 500-10
Celluloseacetobutyrat
ALBIS
Cellidor CP 400-10
Cellulosepropionat
ALBIS
EcoPAXX
Bio-PA 4/10
DSM
SHC 7260
Arboblend 2649VB
Bio-PE
Bio-X, unpolar
Braskem
Tecnaro
• Hartkomponenten  „Biokunststoffe“
• PLA, PHB, CA, CP  Polyester
• TPE-Standard- und Entwicklungstypen
12
Name
Typ
TPE-S
TPE-S 01
Haftungsmodifiziert
TPE-S
TPE-S 02
Haftungsmodifiziert
TPE-S
TPE-S 03
Haftungsmodifiziert
TPE-V
TPE-V
Haftungsmodifiziert
TPE-E 01 TPE-E
TPE-E
teilweise. biobasiert
TPE-E
TPE-E 03
teilweise. biobasiert
TPE-U
TPE-U
teilweise. biobasiert
biobasiert
Bio-TPE
polar
biobasiert
Bio-TPE
unpolar
TPE-E 02
für PC, ABS
für PLA, CA, CP
für PA10/10, PA4/10
für PC, ABS
Materialkombinationen
Weichkomponenten
Hartkomponenten
Handelsname
Typ
TPE-S
01
TPE-S
02
TPE-S
03
TPE-V
TPE-E
01
TPE-S
hfmod.
PC, ABS
TPE-S
hfmod.
PLA, CA,
CP
TPE-S
hfmod.
PA10/10
& 4/10
TPE-V
hfmod.
PC, ABS
TPE-E
TPE-E
02
TPE-U
Bio-TPE Bio-TPE
01
02
TPE-E
TPE-E
TPE-U
biobasiert biobasiert
teilw.
teilw.
teilw.
polar
unpolar
biobasiert biobasiert biobasiert
Ingeo 3251D
PLA
x
x
-
x
x
x
x
x
x
-
Mirel P1004
PHB
x
x
-
x
x
x
x
x
x
-
Arboblend 2628V
PLA-Basis
x
x
-
x
x
x
x
x
x
-
Arboform L V100
Lignin-Basis
x
x
-
x
x
x
x
x
x
-
Bioflex S9533
PLA-Blend
x
x
-
x
x
x
x
x
x
-
Vestamid Terra DS16 Bio-PA 10/10
-
-
x
-
x
x
x
x
x
-
RTP 2099 X 124790-E PLA + Talkum
x
x
-
x
x
x
x
x
x
-
Cellidor B 500-10
Celluloseacetobutyrat
x
x
x
x
x
x
x
x
x
-
Cellidor CP 400-10
Cellulosepropionat
x
x
x
x
x
x
x
x
x
-
EcoPAXX
Bio-PA 4/10
-
-
x
-
x
x
x
x
x
-
Braskem SHC7260
Bio-PE
-
-
-
-
-
-
-
-
-
x
Arboblend 2649VB
Bio-X, unpolar
-
-
-
-
-
-
-
-
-
x
• Ca. 80 Materialkombination sind abgearbeitet
• Zusätzliche Versuche mit einzelnen, ausgewählten Kombinationen

Parameterversuche,

Einlegen und Überspritzen „kalter“ Hartteile und

Versuche mit variothermer Temperierung
• Prüfung der Schälkraft nach unterschiedlichen Lagerbedingungen
13
TPE-E
03
Materialkombinationen
Weichkomponenten
Hartkomponenten
Handelsname
Typ
Ingeo 3251D
PLA
Mirel P1004
PHB
Arboblend 2628V
PLA-Basis
Arboform L V100
Lignin-Basis
Bioflex S9533
PLA-Blend
Vestamid Terra DS16 Bio-PA 10/10
RTP 2099 X 124790-E PLA + Talkum
Cellidor B 500-10
Celluloseacetobutyrat
Cellidor CP 400-10
Cellulosepropionat
EcoPAXX
Bio-PA 4/10
Braskem SHC7260
Bio-PE
Arboblend 2649VB
Bio-X, unpolar
TPE-S
01
TPE-S
02
TPE-S
03
TPE-V
TPE-E
01
TPE-S
hfmod.
PC, ABS
TPE-S
hfmod.
PLA, CA,
CP
TPE-S
hfmod.
PA10/10
& 4/10
TPE-V
hfmod.
PC, ABS
TPE-E
5,7
x
17,7
x
5,1
x
8,6
x
7,2
x
2,8
8,4
x
18,6
x
6,1
x
-
54,0
x
106,5
x
6,9
x
43,8
x
32,1
x
58,8
x
101,1
x
0,0
x
-
96,7
x
0,0
x
0,0
x
58,4
x
-
13,8
x
15,1
x
7,5
x
13,1
x
11,1
x
55,1
x
53,6
x
24,7
x
-
32,3
x
32,7
x
5,4
x
26,8
x
15,0
x
0,0
x
26,9
x
9,2
x
0,0
x
0,0
x
-
TPE-E
02
TPE-E
03
TPE-U
Bio-TPE Bio-TPE
01
02
TPE-E
TPE-E
TPE-U
biobasiert biobasiert
teilw.
teilw.
teilw.
polar
unpolar
biobasiert biobasiert biobasiert
0,0
x
0,0
x
0,0
x
0,0
x
0,0
x
0,0
x
0,0
x
0,0
x
0,0
x
0,0
x
-
0,0
x
0,0
x
0,0
x
0,0
x
0,0
x
0,0
x
0,0
x
0,0
x
0,0
x
0,0
x
-
297,8
x
177,0
x
134,2
x
260,9
x
236,2
x
231,5
x
273,7
x
298,1
x
183,6
x
177,6
x
-
15,2
x
48,2
x
4,2
x
32,3
x
3,4
x
0,0
x
21,9
x
46,2
x
50,7
x
0,0
x
-
134,5
x
133,5
x
• Ca. 80 Materialkombination sind abgearbeitet
• Zusätzliche Versuche mit einzelnen, ausgewählten Kombinationen

Parameterversuche,

Einlegen und Überspritzen „kalter“ Hartteile und

Versuche mit variothermer Temperierung
• Prüfung der Schälkraft nach unterschiedlichen Lagerbedingungen
14
< 10 N
10 - 20 N
20 - 60 N
> 60 N
keine Haftung
schlechte Haftung
gute Haftung
sehr gute Haftung
Materialkombinationen
< 10 N
10 - 20 N
20 - 60 N
> 60 N
15
keine Haftung
schlechte Haftung
gute Haftung
sehr gute Haftung
-
Alle dargestellten Werte wurden nach einer Lagerung von 24h im Normklima sowie mit einer Abzugsgeschwindigkeit von 50mm/min ermittelt
Die in den Tabellen verwendenden Werte stellen arithm. Mittelwerte der Schälkraft über den Schälweg (Versagensfall 1,2 & 3) dar, oder
Die max. Schälkraft, sofern ein Abriss erfolgte (Schälkraft > Festigkeit TPE, Versagensfall 4)
Übersicht ausgewählter Kombinationen
- Prüfzeitpunkt & Warmlagerung -
16
Parameterversuche
Versuchsplan
Versuchsreihe
Werkzeugtemperatur
[°C]
Massetemperatur
Hartkomponente
[°C]
Massetemperatur
Weichkomponente
[°C]
Verzögerunszeit
Kern
[s]
V01
0
0
0
0
V02
-
0
0
0
V03
+
0
0
0
V04
0
-
0
0
V05
0
+
0
0
V06
0
0
-
0
V07
0
0
+
0
V08
0
0
0
+
V09
0
0
0
++
Schema Sternplan
• DOE: Sternplan

Vier Parameter mit drei Levelstufen

Variieren von immer nur einem Parameter
• Auswahl der Kombinationen Bioflex & Ingeo mit TPE-S 02
• Bioflex & Ingeo besitzen das gleiche PLA als Hauptbestandteil
17

Bioflex: PLA Blend mit Polyester + Talkum

Ingeo: PLA + Gleitmittel
Schema vollfaktorieller Versuchsplan
Parameterversuche
Ergebnisse
18
Versuche mit variothermer Temperierung
„kalter Einleger“ & „2K-Zyklus“
• Kalt eingelegte Hartteile zeigen eine deutlich schlechtere Haftung
• Die Herstellbedingungen der Hartteile und eine Warmlagerung der 2K-Prüfkörper beeinflussen
die Haftung
• Im Werkzeug erwärmte Hartteile und ein variothermer 2K-Zyklus bewirken eine signifikante
Steigerung der Haftung
19
Kontakttemperatur, numerische Lösung
Grundlagen
Vereinfachte DGL (eindimensionaler Fall) nach
Fourier, mit konstanten Stoffwerten
T
2 T
a
t
 x2
T : Temperatur
t : Zeit
x : Αbstand

Temperaturleitfähigk eit a 
  cp
Fließfront
Berechnung der Kontakttemperatur fester Körper
W max 
bW W  bM M
bW  bM
Wärmeeindr ingkoeffiz ient b      c p
 : Wärmeleitf ähigkeit[W /mK]
 : Dichte[kg/ m³]
c p : Wärmekapazität[J/kgK]
20
index M : Schmelze
index W : Werkzeug
Oberflächentemperatur der
Hartkomponente
Temperatur im
Kontaktbereich
“Oberflächen”Temperatur der
Weichkomponente
Kontakttemperatur, numerische Lösung
Parameterversuche
• Berechnung der theoretischen
Oberflächentemperatur des Hartteils zum
Zeitpunkt des Überspritzen mit der
Weichkomponente
• Berechnung der Kontakttemperatur in der
Grenzfläche zum Zeitpunkt „0“ beim
Überspritzen mit der Weichkomponente
• Korrelation der Kontakttemperatur zu den
gemessenen Schälkräften
• Variotherme Prozesse schwieriger zu
berechnen  Werkzeugwandtemperatur?
• Fehler durch Symmetrieannahme
• Fehler durch partiellen Kontakt des
Hartteils zum Werkzeug nach Abheben
des Kerns
• Weitere Einflüsse z.B. temperaturabhängiges Fließverhalten der Weichkomponente, Scherung, Abformung der
Oberfläche, …
21
Zusammenfassung
• Haftungsmodifizierte TPE-S & TPE-V – Typen sind grundsätzlich für 2KAnwendungen mit Biopolymeren geeignet (rezepturabhängig)
• TPE-E´s zeigen sehr unterschiedliches Haftungsverhalten
• Sehr gute Haftungen konnte mit TPE-U erreicht werden
• Kompromisse bei den Verarbeitungsparametern im 2K-Spritzgießen sind notwendig,
da die empfohlenen Masse- und Werkzeugtemperaturen der Biopolymere teilweise
deutlich unter denen der TPE´s liegen
• Bei vielen Kombinationen ist ein signifikanter Einfluss von der Lagerzeit
(Prüfzeitpunkt) und/oder einer Warnlagerung auf die Verbundhaftung vorhanden
• Generell zeigte sich bei nahezu allen Kombinationen eine starke Abhängigkeit der
der resultierenden Verbundhaftung von der (Kontakt)Temperatur (Versuchsplan &
abfallende Schälkraft über dem Fließweg)
• Die variotherme Temperierung ermöglich höchste Haftung im Einlege- / Umsetzverfahren und im 2K-Zyklus
• Eine Korrelation zwischen berechneter theo. Kontakttemperatur und
Verbundhaftung ist vorhanden
• Weitere Versuche sowie eine Erweiterung der Software mit dem Ziel schnell und
praxisnah Verbunde beschreiben zu können sind geplant
22
Kompetenznetzwerk im Rahmen des
Biopolymernetzwerkes der FNR
Laufzeit:
01.02.13 – 31.01.16
Verbundpartner:
Projektträger:
23
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Ihr Ansprechpartner bei Fragen
Christian Staudigel
SKZ-KFE gGmbH
Spritzgießen & Additiver Fertigung
Friedrich-Bergius-Ring 22
97076 Würzburg
Tel:
Fax:
E-Mail:
+49 931 4104-247
+49 931 4104-377
[email protected]

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