Student Theses

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.

Das Spritzgussverfahren ermöglicht das Herstellen von Kunststoffoptiken in hohen Stückzahlen. Die Funktionsflächen können gegenüber mineralischem Glas aufgrund der erweiterten Designfreiheit komplexe Geometrien aufweisen. Für die optische Funktionalität ist eine exakte Abformung notwendig. Aufgrund des materialspezifischen Verhaltens von Kunststoff ist die Schwindung während der Erstarrung des Formteils eine Herausforderung. Die Prozesstechnik stößt dabei, trotz Simulation oder mathematische Analyse der Parametereinstellungen an Grenzen. Entsprechend sind für eine präzisere Abformung alternative Methoden notwendig. Das Ziel der Arbeit besteht darin, eine Prozesskette zur iterativen Werkzeuganpassung zu entwickeln, um systematische Formfehler zu korrigieren. Durch eine praktische Nachweisführung wird die Eignung verifiziert und die Vorgehensweise optimiert. Auf der Grundlage einer Analyse zum Stand der Technik wird zunächst mittels statistischer Versuchsplanung eine geeignete Parametereinstellung abgeleitet. Dabei ist das Schwindungsverhalten besonders von den Faktoren Werkzeugtemperatur, Massetemperatur, Nachdruck, Nachdruckzeit, Restkühlzeit und Einspritzgeschwindigkeit abhängig. Anhand der entwickelten Prozesskette wird für einen freiformoptischen und rotationssymmetrischen Demonstrator, eine mathematische Korrekturberechnung des verbleibenden systematischen Formfehlers vorgenommen. Die erforderlichen Datenpunkte der Ist-Oberfläche sind auf Basis geeigneter Messtechnik zu erfassen. Durch die Anwendung zweier Korrekturstrategien werden Möglichkeiten und Grenzen der beiden Softwarelösungen aufgezeigt. Die neu berechneten Funktionsflächen werden mittels Ultrapräzisionsdrehbearbeitung auf die Formeinsätze übertragen. Anschließend erfolgt eine weitere Replikation der Optiken aus Kunststoff. Um Erkenntnisse über die Auswirkungen der geometrischen Korrektur auf die optische Qualität zu erhalten, wird die Formgenauigkeit der Funktionsflächen erneut gemessen. Durch die Minimierung der Abweichung zur idealen Soll-Geometrie kann die Wirkung der Prozesskette zur Kompensation der Volumenkontraktion nachgewiesen werden.

Faser-Kunststoff-Verbunde haben sich aufgrund ihrer gewichtsspezifischen mechanischen Eigenschaften in zahlreichen Branchen als Standardwerkstoffe etabliert. Allerdings bringt das Verwenden dieser Werkstoffe eine große Menge an Abfallmaterial mit sich. Biokunststoffe bieten eine nachhaltige Alternative, um der steigenden Menge an Polymerabfällen entgegenzuwirken. Darum wird für diese Arbeit die Zielstellung gesetzt, vollkommen biobasierte Organobleche herzustellen und die Einflüsse der Herstellungsparameter auf diese zu untersuchen. Die Grundlage bildet dabei eine umfassende Literaturrecherche mit Augenmerk auf mögliche Verbundmaterialien, Herstellungsverfahren und Imprägnierungsmechanismen. Auf Basis der Literaturrecherche werden Vorversuche geplant und durchgeführt. Diese beinhalten PLA/Flachsfaser- und PP/Glasfaser-Verbunde, die durch Film-Stacking hergestellt werden. Da sich der verwendete PLA/Flachsfaser-Verbund nicht nach DIN EN ISO 1172 mittels Kalzinierung auswerten lässt, wird ein optisches Verfahren verwendet. Dieses wird anhand der PP/Glasfaser-Verbunde validiert. In den darauffolgenden Hauptversuchen werden PLA/Flachsfaser-Verbunde mittels Direktextrusion hergestellt. Dazu werden mehrere Versuche mit unterschiedlichen Herstellungsparametern durchgeführt. Die entstehenden Organobleche werden anschließend auf Faser- und Porengehalt sowie ihre mechanischen Eigenschaften untersucht. Die Ergebnisse werden abschließend in Zusammenhang mit den Parameterkombinationen evaluiert.

Die Arbeit mit umweltfreundlichen und erneuerbaren Rohstoffen wird heutzutage immer wichtiger. Von recycelten und biologisch abbaubaren Kunststoffen, bis zur zunehmenden Verwendung von pflanzlichen Extrakten und ätherischen Ölen in Medizin, Kosmetik und Verpackungsmaterialien. Ziel dieser Arbeit war es, einen dieser erneuerbaren Rohstoffe aus Kiefernholz-Extrakt zu untersuchen. Extrakte aus Weichholz wie der Kiefer besitzen eine Vielzahl von Inhaltsstoffen, die für die Zukunft wichtige Eigenschaften aufweisen. Darunter sind die Stilbene: Pinosylvin und seine Methylether-Variante, die durch ihre guten antibakteriellen Eigenschaften als Schutzschicht in Lebensmittelverpackungen genutzt werden könnten. Die Harzsäuren, die häufig als Füllstoff in Kunststoffen verwendet werden, um die mechanischen Eigenschaften zu verändern oder für Mensch und Umwelt gefährlichere Füllstoffe aus dem Kunststoff ersetzen zu können, bei Aufrechterhaltung der gewünschten mechanischen Eigenschaften. Im Extrakt sind aber auch einige Vertreter flüchtiger Komponenten enthalten, darunter die Terpene. Ziel dieser Arbeit ist es, Methoden zu untersuchen, den Geruch, der von den flüchtigen Komponenten beeinflusst wird, zu reduzieren, ohne dabei die positiven, antibakteriellen Eigenschaften zu beeinträchtigen. Durch die Reduktion des Geruchs könnte das Extrakt in einem breiteren Anwendungsfeld eingesetzt werden. Der Nachweis ob die getesteten Methoden, den Geruch zu reduzieren, gleichzeitig schonend für die gewünschten Bestandteile, wie das Stilben, waren erfolgt mit Hilfe einer TGA-FTIR-Untersuchung. Die Fourier transformierte Infrarotanalyse ermöglicht einen schnellen Nachweis der chemischen Zusammensetzung im entstehenden Gasstrom. Mit Hilfe der Recherche werden Zusammenhänge zwischen den im Gasstrom vorhandenen Verbindungen und der für die antibakterielle Wirkung wichtigen Komponenten im Extrakt möglich. Diese Messmethode kann somit unter der Voraussetzung das die Extrakt Komponenten bekannt sind, genutzt werden, um den Einfluss der Trennverfahren auf das Extrakt zu bestimmen. Die Veränderung in der olfaktorischen Wahrnehmung wird über eine Umfrage mit einer Gruppe Freiwilliger bewertet. Da die geruchsbildenden Stoffe schon in sehr kleinen Konzentrationen von Menschen wahrgenommen werden, die geringe Konzentration aber eine sehr schwierige Auswertung in der Infrarotspektroskopie darstellt. Die Arbeit begrenzt sich dabei auf Methoden, die einem relativ schnellen und kostengünstigen Zwischenschritt in der Fertigung simulieren.

In dieser Abschlussarbeit wird die Auswirkung des Ultraschallschweißens mit Kunststoffgehäusen auf darin eingekapselte, elektronische Bauteile untersucht. Hierbei steht der Einfluss von unterschiedlichen Kunststoffen aber auch der Schweißnahtgeometrien und Schweißparameter im Mittelpunkt. Es wird gezeigt, welchen Einfluss die Materialeigenschaften wie E-Modul oder Glasfasergehalt auf die Schwingungsbelastung sowie das Auftreten von Beschädigungen an elektronischen Bauteilen haben. Neben Vorversuchen zur Schweißbarkeit der gewählten Kunststoffe wird daher untersucht, ob ein höherer E-Modul zu mehr Beschädigungen und einer höheren Schwingungsbelastung führt. Dabei werden die verbauten elektronischen Komponenten nach dem Schweißvorgang äußerlich und mittels Schliffmikroskopie auf Beschädigungen untersucht. Außerdem wird die Schwingungsbelastung unter Variation des Gehäusematerials während des Schweißvorgangs mittels Laser-Vibrometer gemessen. Abschließend wurden Thermoschock-Tests bei Baugruppen ohne Beschädigungen durchgeführt, um Vorschädigungen durch den Schweißvorgang auszuschließen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Einkapselung von elektronischen Komponenten vor allem bei Gehäusematerialien mit niedrigem E-Modul beschädigungsfrei möglich ist. Je höher der E-Modul und Glasfasergehalt, umso mehr Beschädigungen traten auf und umso größer war die Schwingungsbelastung. Hierbei spielen aber auch das jeweilige Gehäuse- und PCB-Design eine entscheidende Rolle.