Haftungsverhalten von TPEVerbunden - Biopolymere für Hart-/WeichVerbindungen M. Sc. Christian Staudigel FAKUMA 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 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 ermöglicht Optimierung der Haftung 17 Kompetenznetzwerk im Rahmen des Biopolymernetzwerkes der FNR Laufzeit: 01.02.13 – 31.01.16 Verbundpartner: Projektträger: 18 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Ihr Ansprechpartner bei Fragen Christian Staudigel SKZ-KFE gGmbH Additive Fertigung/ Spritzgießen Friedrich-Bergius-Ring 22 97076 Würzburg Tel: Fax: E-Mail: +49 931 4104-247 +49 931 4104-377 [email protected]
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