Bachelorarbeiten

Moderne Spritzgießmaschinen sind in der Lage hochpräzise Bauteile in hoher Stückzahl für die Kunststoffindustrie zu produzieren. Der Gestaltungsfreiheit der Bauteile sind dabei kaum Grenzen gesetzt. Zudem ist auf der breiten Materialpalette für fasst jede Anwendung die richtige Eigenschaft zu finden. Die wahre Stärke des Spritzgießprozesses liegt allerdings nicht nur in der Flexibilität und Schnelligkeit, sondern insbesondere in der Wiederholbarkeit. Der Spritzgießprozess als solches, ist hinreichend genau erforscht, um gute Bauteilqualitäten in hohen Stückzahlen mit wenig Ausschuss erzielen zu können, weshalb die weitere Optimierung des grundsätzlichen Prozesses nicht zielführend ist. Speziell die schwankenden Materialeigenschaften innerhalb einer Charge sind für steigende Ausschusszahlen verantwortlich und belasten daher die Kunststoffindustrie enorm. Insbesondere Bauteile die aus recycelten Kunststoffen hergestellt werden, sind von dieser Problematik betroffen, da je nach Recyclingprozess die Materialeigenschaften unterschiedlich stark schwanken können. Somit kann der Spritzgießprozess nicht optimal eingestellt werden. Die Motivation dieser wissenschaftlichen Arbeit ist die Steigerung der Effizienz und Qualität des Spritzgießprozesses durch kontinuierliche Überwachung der Viskosität mittels eines InLine Rheometers. Basierend auf der Rheologie von Kunststoffen im Spritzgießprozess, wird ein InLine Rheometer ausgelegt, welches durch InLine Druck- und Temperaturmessung das Materialfließverhalten der Kunststoffschmelze während des Einspritzprozesses überwachen soll. Basierend auf wissenschaftlicher Literatur wurden Druck-, Durchsatz- und Temperaturverhalten von Kunststoffschmelzen in Spritzgießmaschinen analysiert und Einflussmöglichkeiten auf die Viskosität der Schmelzen erarbeitet. Weiterhin wird ein Überblick über den Kenntnisstand der InLine Messungen gegeben. Diese Literaturrecherche bildet die wissenschaftliche Grundlage zur mathematischen Modellierung, sowie zur Auswahl geeigneter Komponenten. Weiterhin wurden die Erkenntnisgewinne genutzt, um ein ingenieurgerechtes Lastenheft mit technischem Entwurf zu erstellen. Das InLine Rheometer ist für die Spritzgießmaschine KM 160 CX ausgelegt und wird an den Zylinderkopf, der direkt hinter der Plastifiziereinheit verschraubt ist, montiert. Die Geometrie und Abmessungen der Kanalführung wurden so original wie möglich konzipiert, um höhere Druckverluste, aufwendige Montage und Bauraumprobleme zu vermeiden. Lediglich die Abmessungen der einzelnen Bauteile haben sich aufgrund der benötigten Sensorik deutlich verändert. Sind alle Komponenten wie vorgesehen montiert, können in der Kanalführung nur geringfügige Änderungen im Vergleich zum Originalzustand festgestellt werden. Aufgrund der hohen Anforderungen an die Messbohrungen, unterscheidet sich die äußere Gestalt der InLine Rheometer-Komponenten deutlich vom vorherigen Design der Spritzgießmaschine. Der technische Entwurf des InLine Rheometers ist das Ergebnis aus unterschiedlichen Konzepten, sowie der rheologischen, thermischen und mechanischen Auslegung aller Komponenten. Dazu gehören das Gehäuse mit Kanalführung und Sensorbohrungen, sowie Düse, Sensoren, Stopfen und Heizmanschetten. Alle zu fertigenden Bauteile sind zusätzlich in einer fertigungsgerechten Einzelteilzeichnung dargestellt. Kaufteile wie geeignete Sensoren und Heizmanschetten wurden auf Grundlage der Prozessparameter begründet ausgewählt. Die Auswahl des Materials C60E wurde sowohl von thermischer, als auch von mechanischer Seite aus diskutiert. Vorüberlegungen zur Erstellung verschiedener Konzepte, wurden durch die Anfertigung eines Forderungsplans und einer Kombinationstabelle angestellt. Das umgesetzte Konzept ist eine Kombination zweier Einzelkonzepte, welche durch eine tiefgründige Bewertung, anhand gewichteter Kriterien, zur weiteren Untersuchung ausgewählt wurden. Nach abgeschlossener Fertigung und Montage des InLine Rheometers, werden zahlreiche Versuche durchgeführt, um die Reproduzierbarkeit und Genauigkeit des Messprozesses zu überprüfen. Anschließend soll das InLine Rheometer, wie bereits angedeutet, auf Basis von computergestützter Intelligenz den Spritzgießprozess kontinuierlich überwachen. Daraufhin soll die Spritzgießmaschine in der Lage sein, den Prozess je nach Material-fließverhalten optimieren zu können. Das Lastenheft liegt der Arbeit in Form einer CD bei. Zur Orientierung während des Lesens wurde der Arbeit eine schematische Darstellung des InLine Rheometers im Format 2:1 in ausklappbarer Form angehängt.

In dieser Bachelorarbeit wurde das zerstörungsfreie Prüfverfahren Thermografie zur Erkennung von Spritzgießfehlern genutzt, um eine hohe Bauteilqualität zu gewährleisten und Ausschuss zu minimieren. Die Zielsetzung bestand darin, herauszufinden, welche Störquellen, Parameter und technischen Kennwerte die Thermografie beeinflussen und begrenzen, um auf dieser Basis Möglichkeiten darzulegen, welche die Erkennungsrate des Prüfverfahrens optimieren. Hierzu wurden aufbauend auf einer Literaturrecherche thermografisch detektierbare Spritzgießfehler und deren Entstehung erläutert, sowie das Thermografie- und Spritzgießverfahren vorgestellt. Daraufhin wurden erste fehlerfreie Prüfkörper hergestellt, durch Anpassungen der Maschinenparameter konnten im Anschluss fehlerbehaftete Teile mit Vakuolen erzeugt werden. Für diese wurden folglich Grenzwerte zur erfolgreichen Nutzung des Prüfverfahrens erarbeitet und der Mehrwert einer zweiten Thermografiekamera evaluiert. Ein besonderes Augenmerk wurde daraufgelegt, welchen Einfluss sowohl eine Änderung der Bauteildicke, als auch die Variation der Einspritzgeschwindigkeit, auf die Erkennungsrate der Vakuolen haben. Durch gezielte Versuche konnten neben diesen Effekten auch Zusammenhänge zu weiteren technischen Grenzwerten dargelegt werden. Mögliche Optimierungen, besonders durch die Nutzung einer zweiten Thermografiekamera, konnten aufgezeigt werden.

Im Rahmen einer aktuellen Forschungsfrage der Raesch Quarz (Germany) GmbH, einem Hersteller von Quarzglas- und Quarzgutprodukten, befasst sich diese Arbeit mit Nutzungskonzepten für den bei der Produktion anfallenden Ausschuss. Es handelt sich um ein Hochleistungsmaterial, welches in einem kostenintensiven Prozess aus höchstreinen, intensiv aufbereiteten Quarzsanden unter komplexen Bedingungen und bei hohen Temperaturen erschmolzen wird. Der bisherige Umgang mit dem Produktionsausschuss führt dadurch zu hohen finanziellen Verlusten für das Unternehmen. Zu Beginn der Bemühungen hin zu einer verlustärmeren Verfahrensweise konzentriert sich diese Arbeit insbesondere auf eine Aufbereitung des Materials für eine potentielle Rückführung in den eigenen Schmelzprozess, wie es in anderen Bereichen der Glasindustrie üblich ist. Dazu wurde ein eigener Mahlbehälter für Laborversuche zur kontaminationsarmen Zerkleinerung des Ausschussmaterials gebaut und getestet. Anschließend erfolgte eine Charakterisierung des entstandenen Mahlgutes hinsichtlich der Partikelgrößenverteilung sowie unter anderem durch Lichtmikroskopie und Differential Scanning Calorimetry-Messungen. Im Ergebnis entsteht ein Quarzglaspulver, welches gegenüber einem anderen, konventionellen Zerkleinerungsverfahren vergleichsweise wenig metallische Verunreinigungen enthält und sich für Schmelzversuche zu neuen Quarzglasprodukten anbietet. Darüber hinaus werden weitere Ansätze zur Beeinflussung der Wiedereinschmelzbarkeit und für alternative Verwertungsmöglichkeiten kurz vorgestellt. Schließlich konnten, neben der Raesch Quarz (Germany) GmbH selber, auch externe Interessenten für das Pulver als SiO2-Rohstoff gefunden werden.

Die Verwendung von kohlenstofffaserverstärkten Bauteilen steigt wegen ihrem geringen Gewicht und mechanischen Eigenschaften stetig. Um ressourcenschonender und kostengünstigere kohlenstofffaserverstärkte Kunstoffbauteile fertigen zu können, wird die Alternative der rezyklierten Kohlenstofffasern erforscht. Für die mechanischen Eigenschaften faserverstärkter Kunststoffe ist die Faserlänge ein entscheidender Faktor. Während die Faserlängenreduzierung für Glasfasern und Kohlenstofffasern in verschiedenen wissenschaftlichen Arbeiten dokumentiert ist, existieren bisher nur wenige veröffentlichte Untersuchungsergebnisse über die Faserlängenverkürzung von rezyklierten Kohlenstofffasern im Spritzgusswerkzeug. Im Rahmen dieser Arbeit werden verschiedene Prozessparameter analysiert, die einen Einfluss auf die Faserlängen im Werkzeug besitzen könnten. Hierfür wurden Prüfkörper aus Polypropylen (PP) mit 20 Gew.-% pyrolysierten Kohlenstofffasern und PP mit 20 Gew.-% Kohlenstofffasern aus Industrieverschnitten hergestellt. Nach einer Probenentnahme und Kalzinierung wurden die vorliegenden Faserlängen mithilfe einer Mikroskopbetrachtung ermittelt und statistisch ausgewertet. Es wurden verschiedene Stufen der Prozessparameter auf der Spritzgießmaschine eingestellt, um mögliche Zusammenhänge zwischen den Parametern und deren Einfluss auf die Faserlängen überprüfen zu können.

Das MoldJet®-Verfahren ist ein neuartiges sinterbasiertes, additives Fertigungsverfahren. Während des Druckprozesses wird eine Metallpulver-Suspension mittels Slot-Die-Coating in eine Negativform aus einem wachsartigen Polymer gerakelt. Durch zyklisches Durchlaufen der Prozessschritte Formherstellung und Formfüllung entsteht schichtweise ein stabiles Grünteil. In dieser Arbeit wird eine für dieses Verfahren geeignete Suspension aus einer Wolfram-Schwermetalllegierung entwickelt. Ein alternatives Bindersystem wird umfangreich getestet. Dazu erfolgt die rheologische Charakterisierung mehrerer Zusammensetzungen der Suspension. Deren Eigenschaften werden auf die chemischen Eigenschaften des Bindemittels zurückgeführt. Anhand eines entwickelten Anforderungsprofils wird die Suspension auf das Verfahren angepasst. Zu dieser Funktionalisierung dienen mehrere Additive. Deren Auswahl erfolgt anhand von Messungen der Rheologie sowie mit einem Grindometer. Kontaktwinkelmessungen auf dem wachsartigen Polymer, das als Formmaterial dient, charakterisieren das Benetzungsverhalten der Suspension. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Druckbarkeit der entwickelten Suspension an der MoldJet-Anlage validiert. Entstandene Fehlerbilder werden analysiert, Optimierungspotentiale erkannt und drucktechnisch umgesetzt. Die Pulverbeladung der Suspension wird anhand der Ergebnisse der Druckversuche skaliert. Abschließend wird die Reproduzierbarkeit der Eigenschaften nachgewiesen.