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1. 2222s020000000000000000n0nennnnnnnnnnnunnnnnnnnnnennnnnn neuen 48 4 4 3 In Lmme Hlasmabehandlung nenne nenne nenne nenn nenne nnennennnnnnn nenn 49 4 5 Veit Zeite Lee CEET E 50 4 6 Mikroskopische Untersuchungen 02222000200000000000000nEnnnnnnnnn neuen nnnnnnnnnnn nennen nenne nennen 52 4 6 1 Elektronenmikroskopie nenn nenne nennenenn nenn nnnnn nenne nenenennenennnnnnnnnnnenn 52 4 6 2 BEN Eee een 52 4 6 3 Ice un LTE 53 4 7 Mechanische FOUNO een 53 4 7 1 Ee E an A 53 4 8 Oberfl chenspannung Oberfl chenenergie 440404444000nnennnnnnennne nennen nnennne nennen 54 4 9 Kate e ia WEE 55 4 9 1 Differentialthermoanalyse SC 55 4 10 SPekllosKopier sense ee ne eat ae 56 4 10 1 Elektronen Spektroskopie zur chemischen Analyse EGCAI 56 Bleiwe ee 59 5 1 Kompatible kombnatonen nenne nnnn nenn nenn nenne nennonenn nun nnnnnnnnne nennen 59 5 1 1 Verarbeitung In stu Temperaturmeseung nennen nennen 59 5 1 2 Oberfl chenmodifikation Dlaemabehandlung nennen 64 5 2 INKompal ble Kombinationen aa E a E 65 5 2 1 Verarbeitung In stu Temperaturmeseunmg nennen nenne nennen 66 5 2 2 Oberfl chenmodifikation Dlaemabehandlung nennen 66 Bewertung der Versuchsergebnisse 2 200020020000000000000n00n0nnnnno neuen nnnnnnnnnnnnnnnnn nenne nennnnne nenn 87 6 1 Sei Leben TE 87 6 2 Bedeutung der Oberfl chenmodifikation nennen 88 6 2 1 Kompatible Kombinationen
2. 22022200200000000000n0nnnn anne onen onen nnnnnnnnn ann nnnnnnnnenn 88 6 2 2 InKompaliDle Kombinationen sans 89 6 3 EINHUSS VOR SO gr OBEN ee ee re ee E 93 6 4 Erweiterung der Kompatibilit tsmatrix 40044440444BR nenne nnnnn nenne nenne nenn nenne nnenne nennen 95 6 5 PLOZESSgESlalluUng issue ea Lea ia 96 an e Ee E ue DEE 97 LiteraturVerzelchnis seinen 99 Liste der Formelzeichen und Abkurzungden nenne nnnnn nenne nenne enennn nenne nnennennnnnenenn 106 1 Einleitung 1 1 Einleitung Beim Montagespritzgie en werden unterschiedliche Bestandteile eines Bauteils aus verschiedenen oder auch identischen Werkstoffen zugleich mit dem Urformprozess zu einem Bauteil montiert Der Begriff Montagespritzgielsen wird dabei aufbauend auf der bisherigen Definition des F gevorgangs durch Mehrkomponentenspritzgie sen von Kunststoffen um die Montageelemente Handhaben Kontrollieren und Sonder verfahren erweitert Die Integration von Montagevorg ngen in den Spritzgie prozess ist unumstritten wirtschaftlich und erh ht die Prozesssicherheit ber den gesamten Fertigungsprozess hinweg Insgesamt versteht sich das Montagespritzgie en als Sonderverfahren des Spritz gie ens und ist als Methode einer kosteng nstigen Montage im Sinne der Einspa rung von Arbeitsschritten zu begreifen Die Integration von Prozessschritten in den Urformvorgang zur Verk rzung der Prozesskette erm glicht neben einer Kostenein sparung aber auch ein
3. era LDPE Pase iLoPEmAase OO oo Tabelle 3 5 Materialpaarungen zur Untersuchung inkompatibler Werkstoffe 1 Komponente eingespritzte Komponente 2 Komponente anspritzende Komponente 3 2 Plasmamedien Die Oberfl chenmodifikation an Polyethylen wurde mittels drei unterschiedlichen Plasmamedien durchgef hrt um den Einfluss divergierender Sauerstoffkonzentratio nen auf die Zusammensetzung an der Oberfl che des Polyethylens darzustellen e Druckluft DL Versorgung durch die Werkstattleitung Zusammensetzung 78 Stickstoff 21 Sauerstoff Rest Edelgas CO2 e Formiergas FG Fa Linde Druckstahlflasche Zusammensetzung 95 Stickstoff 5 Wasserstoff e Stickstoff Sauerstoffgemisch NO Gemisch Fa Linde Druckstahlflasche Zusammensetzung 50 Stickstoff 50 Sauerstoff Die Bildung des Plasmas l sst sich in die jeweiligen Grundkomponenten der Gase gliedern Els 3 Werkstoffe und Materialkombinationen Sauerstoffplasma Sauerstoff besitzt als Gas die F higkeit Elektronen einzufangen und stabile negative Ionen zu bilden Bei der Erzeugung von Sauerstoff Plasma werden drei Arten an Ladungstr gern Elektronen und positive sowie negative lonen erzeugt vgl Tabelle 3 6 5 Tabelle 3 6 Entstehung und Rekombination im Sauerstoffplasma angeregtes Teilchen AA F r angeregte Sauerstoffteilchen bestehen mehrere Reaktionsm glichkeiten e WVasserstoffabstraktion e Addition an eine Doppelbindung e Insertion
4. 4 10 1 Elektronen Spektroskopie zur chemischen Analyse ESCA Die ESCA Analyse Electron Spectroscopy for Chemical Analysis auch bekannt unter der Bezeichnung XPS X ray Photoelectron Spectroscopy dient der zerst rungsfreien Elementanalyse von Festk rperoberfl chen und beruht auf dem photo elektrischen Effekt Diese Analysemethode kam zum Einsatz um die Auswirkungen der Oberfl chenmodifikation durch Plasma auf die Eigenschaften der Oberfl chen nachzuweisen Mit dieser Methode k nnen ausgenommen Wasserstoff alle chemi schen Elemente nachgewiesen werden Wasserstoff kann zwar als Element z B adsorbiert an gek hlten Metalloberfl chen nicht aber in Verbindung erfasst werden da ein Elektron stets delokalisiert ist ESCA Spektren liefern Erkenntnisse ber die 4 Experimentelle Einrichtungen el quantitative Elementzusammensetzung und Bindungszust nde in einer Informations tiefe von 0 5 nm bis 10 nm 14 15 Die Versuche wurden am Lehrstuhl f r Korrosion und Oberfl chentechnik an einem Ger t der Firma Physical Electronics vom Typ PHI 5600 ESCA System durchgef hrt Das Ger t besteht aus Energieanalysator R ntgenquelle aus Aluminium AlKa h v 1486 6 eV Arbeitsleistung 300 W und Monochromator Der Arbeitsdruck betr gt 10 bis 10 mbar W hrend der ESCA Aufnahme wird die Probe in diesem Ultra hochvakuum mit der R ntgenquelle nicht monochromatisch bestrahlt Durch Einstel lung des Analysewinkels kann die In
5. Maschine Peripherie M nchen Carl Hanser Verlag VDI Richtlinie VDI 2860 1990 Montage und Handhabungstechnik Handhabungsfunktionen Hand habungseinrichtungen Begriffe Definitionen Symbole Geschewski A 2005 Untersuchungen zu Tiefenwirkungen von Normal und Niederdruckplasmabehandlungen zur Hydrophilierung von Vliesstoffen aus Polypropylen und Polyethylente rephthalat Dissertation Hannover Universit t Hannover Schmachtenberg E Hegenbart A 2006 Kunststoffoberfl chen funktionalisieren In Kunststoffe Jg 96 H 1 Brockmann W Dorn L K ufer H 1989 Kleben von Kunststoff mit Metall Berlin Heidelberg Springer Verlag Jelinek T W 1999 Reinigen und Entfetten in der Metallindustrie Saulgau Leuze Verlag 8 Literaturverzeichnis 101 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 Habenicht G 1990 Kleben Grundlagen Technologie Anwendungen Heidelberg Springer Verlag Janzen G 1992 Plasmatechnik Grundlagen Anwendungen Diagnostik Heidelberg H thig Technische Physik 3 Lommatzsch U 2005 Erfolgreicher Einsatz von plasma jets in der Produktion In Adh sion Kleben und Dichten Jg 49 H 9 S 46 50 Gerstenberg K W 2005 Internetpublikationen 1 4 34 36 38 Herausgegeben von Tigres Gerstenberg GmbH Online verf gbar unter http www tigres de publikationen php NN 20
6. chenspannung zu erwarten war mussten aus Gr nden der Messsicherheit bei der Bestimmung polarer Anteile neue Testfl ssigkeiten meist Wasser Alkohol Gemische erzeugt werden Spritzfrische Proben wurden zur Untersuchung in der mobilen Plasmaanlage behandelt und anschlie end im Exikator bis zur Analyse aufbewahrt 4 Experimentelle Einrichtungen 59 Die Oberfl chenspannungen wurden nach der Methode von Wu ausgewertet Das erm glicht neben der Bestimmung der gesamten Oberfl chenspannung auch die Bestimmung polarer und dispersiver Anteile Die Oberfl chenspannung wird mit Hilfe der Gleichung des harmonischen Mittels errechnet Dies setzt allerdings die Durch f hrung der Tests mit mindestens zwei Messfl ssigkeiten voraus Die polaren und dispersiven Anteile erg nzen sich zur gesamten Oberfl chenspannung 12 Testfl ssigkeit Oberfl chenspannung polarer Anteil destill Wasser 72 8 mN m 52 2 mN m 10 Ethylenglycol in dest Wasser 69 36 mN m 48 13 mN m 30 Ethylenglycol in dest Wasser 61 59 mN m 41 05 mN m Tabelle 4 6 Messfl ssigkeiten zur Bestimmung der Oberfl chenspannung 20 Ethylenglycol in dest Wasser 64 27 mN m 43 41 mN m Fl ssigkeiten Mittels der Stempel Methode auch Liegender Tropfen oder Sessil Drop Methode k nnen Oberfl chenspannungen von Fl ssigkeiten und hochviskosen Schmelzen gemessen werden Dabei wird ein Granulatkorn auf einem um Abbaureaktionen zu verhindern mit Gold beschichteten Stempel aufges
7. 70 60 60 60 2 50 2 50 2 50 gt mD mD c 40 e 40 c 40 3 3 3 30 30 z 30 5 20 Druckluft 5 20 e Druckluft 5 20 e Druckluft a Formi n 4 Formi 40 174 Formi 10 A Formiergas 10 A Formiergas 10 A Formiergas E HDPE Re LDPE E LLDPE O 0 O 0 O 0 20 mm s 100 mm s 20 mm s 100 mm s 20 mm s 100 mm s Plasmageschwindigkeit Plasmageschwindigkeit Plasmageschwindigkeit Bild 5 12 Oberfl chenspannung oa von PE f r versch Plasmamedien links HDPE mitte LDPE rechts LLDPE Dies korreliert gut mit der Verbundhaftung Die Aktivierung durch Formiergas liefert zwar absolut gesehen geringere Werte best tigt aber die Tendenz der nicht ver schlechternden Verbundhaftungen durch keine oder geringe Abnahmen der Oberfl chenspannung bei Erh hung der Behandlungsgeschwindigkeit Die hohe Standard abweichung bei der Oberfl chenspannung f r LLDPE zeigt sich auch in der Stan dardabweichung der Verbundfestigkeit der LLDPE PA6 Verbunde mit Formiergas als Plasmamedium bei hohen Behandlungsgeschwindigkeiten In Bild 5 13 sind die pola ren Anteile der Oberfl chenspannungen aufgetragen Hier zeigt sich dass die pola ren Anteile der Oberfl chenspannungen von Polyethylen nach Plasmabehandlung mit Formiergas sich ebenso verhalten wie die gesamte Oberfl chenspannung 5 Untersuchungsergebnisse 13 80 80 80 8 Druckluft 8 Druckluft a Druckluft S WW A Formie
8. Krippner J Kuhl A Lyssyi S Motschenba cher J Reitmeier T St hr R Stoidtner T Ullrich V Wackerbauer L Wittko und R Wohlleben f r die Mitarbeit danken F r die Bereitstellung der im Rahmen der Untersuchungen ben tigten Werkstoffe danke ich den Firmen BASF Elastogran ExxonMobil und Basell Zudem danke ich der Deutschen Forschungsgemeinschaft f r die finanzielle Unterst tzung der Arbei ten im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 396 Herrn J Sch ler Fa Plas matreat und Herrn Dipl Ing K L Hilmer Fa Elastogran danke ich f r die stete freundschaftliche und technologische Unterst tzung Herrn Dr Ing Leo Hoffmann Neue Materialien F rth GmbH danke ich f r die Unterst tzung und so manchen Tipp bei der Durchf hrung der Arbeiten Ein besonderer Dank sowohl f r die Motivation als auch f r die Ablenkung gilt mei ner leiblichen und meiner gro en Bubenreuther Familie Hervorheben m chte ich dabei meine Eltern denen ich viel verdanke Ich bin dankbar dass mich auf meinem Weg meine Frau Kerstin und mein Sohn Paul begleiten Erlangen im Mai 2009 Marcus Schuck Kurzfassung Das Montagespritzgie en integriert die Kombination unterschiedlicher Bestandteile aus verschiedenen oder identischen Werkstoffen in den urformenden Spritzgie pro zess Dabei kann die Verbindung beweglich oder fest ausgef hrt werden F r feste Verbindungen ergeben sich prinzipiell drei Verbindungsmechanismen Kraft Form oder S
9. durch Energie und Stofftransport ausgeglichen wobei sich eine positive und negati ve Raumladung d h eine elektrostatische Doppelschicht ausbildet 41 Die durch die Doppelschicht entstandenen elektrostatischen Kr fte bewirken dann den Wider stand gegen eine trennende Beanspruchung 45 Es wird angenommen je hnlicher die Werkstoffe des F geteils sind desto kleiner ist die elektrische Doppelschicht und somit auch die Adh sion Bei einem Metall Polymer Verbund w rde sich dieser Zu sammenhang als haftungssteigernd erweisen 46 In der aktuellen Literatur wird aber dieser Ansatz f r die Erkl rung von Haftungsph nomenen bei Kunststoff Kunststoff Verbunden nicht weiterverfolgt Weak Boundary Layer Modell Das Modell der schlechten Grenzschichten Weak Boundary Layer wurde erstmals von Bikerman vorgestellt 49 Diese Theorie besagt dass sich bei Verbunden eine Zwischenschicht ausbildet die einen direkten Verbund der F gelteile verhindert 2 Grundlagen 15 Hervorgerufen wird diese Schicht von demjenigen F gepartner der die geringeren Koh sionskr fte besitzt H ufig wird dieser Ansatz dazu benutzt alle Adh sionsvor g nge die durch keine anderen Theorien erkl rbar sind auf das Vorhandensein der Weak Boundary Layer zur ckzuf hren 45 49 Ursachen dieser schlechten Grenz schichten sind Verunreinigungen der Oberfl che Luft oder Gaseinschl sse bedingt durch schlechte Benetzung der Phasengrenzen der Substrate sowie
10. e wurde aus den zeitlichen Messverl ufen der IR Aufnahmen die resultierende W rmeeinflusszone mit den im Zugversuch DIN EN ISO 527 ermittelten Verbundeigenschaften korreliert und die erreichte maximale Temperatur abgelesen Die resultierende W rmeeinflusszone sch tzt dabei die Tiefe bezogen auf die Trennebene der in den Vorspritzling eingedrungenen W rme ab 5 1 1 1 Einfluss der Prozessparameter Als wichtige Prozessparameter wurden in Vorversuchen der Nachdruck und die Ein spritzgeschwindigkeit identifiziert Diese Parameter werden auf zwei Parameterstufen variiert Durch die Variation der Massetemperatur des zweiten aufzuspritzenden Kunststoffes wird zus tzlich ein dritter Parameter mit gro em Einfluss auf die Aus pr gung der W rmeverteilung in der Kontaktzone untersucht Dabei wurden die Ver arbeitungsvorgaben f r die Massetemperatur der Hersteller nicht berschritten DU 5 Untersuchungsergebnisse Materialkombination PA6 PA66GF25 Den Einfluss der variierenden Prozessparameter ist in Bild 5 1 dargestellt Dabei versagten alle Proben in der Kontaktebene Adh sionsversagen AT Deutlich ist bei dieser Materialpaarung der Einfluss der Einspritzgeschwindigkeit unabh ngig von der Massetemperatur zu erkennen Trotz Erh hung der Massetemperatur ist nur eine geringe Zunahme der Verbundfestigkeit zu detektieren Allerdings deutet die Verrin gerung der Standardabweichung durch die Erh hung der Massetemperatur auf einen robusteren
11. hrungslose Tem peraturmessung m glich Zur lokal und zeitlich hochfrequenten Aufl sung der pro zessabh ngigen thermischen Vorg nge zwischen Vorspritzling und aufgespritzter 2 Komponente im Kontaktbereich bei der Formteilbildung wurde eine IR Kamera an 4 Experimentelle Einrichtungen 41 das bestehende Werkzeug adaptiert und die W rmestrahlung des Kontaktbereiches ber eine ausgew hlte Optik in die Kamera geleitet und ausgewertet 4 3 1 IR Kamera Das Messsystem Infrarotkamera IR Kamera besteht aus vier wesentlichen Elemen ten Mit dem Detektorchip der in einem Kamerageh use installiert ist wird ber das Objektiv das hnlich einem herk mmlichen Photokameraobjektiv mit verschiedenen anwendungsspezifischen Brennweiten aufwarten kann die vom Kunststoff emittierte IR Strahlung detektiert ber eine Auswerteinheit die durch einen leistungsstarken Rechner mit integrierter Schnittstelle zum Detektorchip ausger stet ist k nnen die gemessenen Daten mit der entsprechenden Software aufbereitet werden Das ver wendete Messsystem der Fa Thermosensorik besteht aus der Kamera Modell PtSi 256M vgl Bild 4 4 links wobei der Detektorchip der auf der Technologie eines Photovoltaischen Quantendetektors beruht eine Aufl sung von 256 x 256 Bildpunk ten Pixel liefert Aufgrund der hohen Empfindlichkeit der f r den Spritzguss ben tigten hohen Dynamik und des breiten Messbereichs von Quantendetektoren wurde diese IR Kamera ausgew
12. r inkompatible Materialien zu ausreichend werkstofflicher Kompatibilit t gebracht und damit stoffschl ssig verbunden werden Damit erweitern sich prinzipiell die Kombinationen der verf gbaren Werkstoffpaarungen mit denen flexibler auf Anforderungen f r Anwendungen reagiert werden kann Interessante 2 1 Einleitung Werkstoffkombinationen ergeben sich aus dem Wunsch nach Kosteneinsparung oder einstellbaren Werkstoffeigenschaften Ausgangspunkt dieser Arbeit ist das Vorhandensein von Haftungsph nomenen zwi schen zwei Materialien die im Spritzgielsprozess kombiniert werden Als zuverl ssige Quelle zur Interpretation dieser Haftungsmechanismen stehen f r die Verarbeitung im Spritzgie prozess sogenannte Kompatibilit tsmatrizen zur Verf gung Allerdings beschr nken sich diese meist auf generelle Aussagen zur Kompatibilit t bzw Kom binierbarkeit der Materialien Ein grundlagenorientierter Ansatz ist nicht festzustellen Das Ziel dieser Arbeit ist es ein Verst ndnis f r die Zusammenh nge der Verbund bildung in der F gezone beim Spritzgie en zu bekommen Dabei steht auch die Erweiterung der Kompatibilit tsmatrix im Fokus Allerdings soll die Erweiterung nicht allein auf empirischen Methoden erfolgen sondern an Hand haftungsrelevanter messbarer physikalischer Eigenschaften und Vorraussetzungen nachvollziehbar sein Die Untersuchungen der Zusammenh nge Haftung und relevante Eigenschaf ten m nden in die Bereitstellung von anwendbaren
13. t 24 2 Grundlagen tung einer rauen Oberfl che Ebenfalls wird berichtet dass raue Oberfl chen gegl t tet werden aber glatte Oberfl chen nach der Plasmabehandlung keine Ver nderun gen in der Raunheit zeigen Die beobachteten Ph nomene werden auf die Temperatur des Plasmas und das damit verbundene Abschmelzen der Raunheitsspitzen und Rekristallisation zur ckgef hrt 13 43 69 2 6 4 2 Reinigung Der Reinigungseffekt des Plasmas wird durch unterschiedliche Mechanismen er zeugt Die Oberfl che wird mit Ionen und Elektronen beschossen Es kommt zu me chanischem oder chemischem Abtrag der Verunreinigung 33 Bei starker Tempera turerh hung konnen die Fremdstoffe auch verdampft werden Die meisten Arbeitsga se enthalten Sauerstoff welcher in der Entladung zu u erst reaktivem atomaren Sauerstoff gespalten wird Dieser reagiert dann mit den organischen Verschmutzun gen Fette le zu gasf rmigen Verbindungen wie CO und H20 Die Oberfl che wird so von Adsorptionsschichten und Verunreinigungen befreit 31 Eine kontrollier te kalte Verbrennung reinigt die Oberfl che von organischen Verunreinigungen Bei starker Kontamination muss die Oberfl che vorgereinigt werden 36 Das Entfernen grober Schichten mittels Plasma ist wirtschaftlich nicht sinnvoll allerdings kann durch Plasma eine Feinreinigung verschmutzter Oberfl chen bis zur Nachweisbarkeits grenze 35 36 durchgef hrt werden Die chemische Reaktion bei der Feinrei
14. A und B zu trennen Sie kann durch die Dupre Gleichung beschrieben werden Waa Oa Op Gap 3 Die Adh sionsarbeit steigt durch die Erh hung der Oberfl chenspannungen der beteiligten F gepartner A und B Da die Oberfl chenspannung des fl ssigen Part ners B nur schwer erh ht werden kann z B durch Abk hlung wird zur Erh hung der Adh sionsarbeit die Oberfl chenspannung des festen Partners A durch Vorbe handlung erh ht 8 32 53 98 101 Die Bestimmung der Oberfl chenspannung eines festen F gepartners erfolgt ber die statische Messung am liegenden Tropfen Bild 2 7 Durch die Auftragung einer definierten Testfl ssigkeit mit bekannter Oberfl chenspannung auf einen Festk rper bildet sich ein Tropfen im Kr ftegleichgewicht und damit ein Young scher Kontakt winkel 9 aus 12 Oa F gepartner A a Bild 2 7 Kr ftegleichgewicht am liegenden Tropfen Da die Oberfl chenspannung von Festk rpern o genauso wie die Grenzfl chen spannung Gap Nicht direkt gemessen werden kann ergeben sich nach der Gleichung von Young 2 Grundlagen 17 Oa 0 5 Op C0S Y 4 zwei unbekannte Terme Durch den Einsatz von Zustandsgleichungen z B nach Wu oder Neumann kann die Grenzfl chenspannung Oasg eliminiert werden so dass durch die Messung des Kontaktwinkels 9 und der Kenntnis ber die Oberfl chen spannung og der Testfl ssigkeit die Oberfl chenspannung des Festk rpers A be stimmt werden kann Nach Wu der weit
15. Einfluss der Erw rmung durch die Plasmabehandlung auf die Verbundhaf tung kann daher ausgeschlossen werden Wahrscheinlicher ist dass durch die Ober flachenmodifikation eine bessere Benetzung durch die zweite Komponente und damit ein Kontakt ber eine gr ere Fl che m glich ist 6 2 2 Inkompatible Kombinationen Durch die Oberfl chenmodifikation k nnen sehr hohe Verbundfestigkeiten bei origi n r inkompatiblen Kombinationen erzeugt werden Eine Abh ngigkeit der Verbund festigkeit zur Materialkombination Polyamid 6 oder Polyamid 66 kann nicht festge stellt werden Die Verbundfestigkeiten erreichen 70 bis 90 der Grundmaterial festigkeiten der Polyethylentypen Eine gesch ftete bzw schr ge Kontaktgeometrie kann die Verbundfestigkeit dabei noch einmal steigern vgl Bild 6 2 Bei der Verbin dung LLDPE PAG kann es sogar zum koh siven Versagen im Polyethylen Einschn rung kommen Auf Grund der geringen thermodynamischen Vertr glichkeit bzw schlechten Misch barkeit von PE und DAD wird von einem nur geringen Beitrag der Interdiffusion zur Verbundfestigkeit ausgegangen Prozessparameter Die Verbundfestigkeit der oberfl chenmodifizierten Kombinationen weisen eine gro e Unabh ngigkeit von den Prozessparametern auf Die Variation von Nachdruck 90 6 Bewertung und Massetemperatur haben keinen signifikanten Einfluss auf die Verbundfestigkeit Wie schon bei den kompatiblen Verbunden erm glicht die Plasmabehandlung ein
16. Grenzschicht zu berwindende Kraft F bezogen auf die wahre Oberfl che Aw ergibt die Haftfestigkeit 71 Unter einer mechanischen Modifikation einer Ober fl che werden alle mechanischen Prozesse wie Schleifen B rsten Polieren und Strahlen von F geteilen die die Oberfl chentopographie ver ndern verstanden 72 Allerdings k nnen auch durch physikalische Vorbehandlungen wie Plasma solche Effekte hervorgerufen werden Der wesentliche Effekt dieser Methoden ist die Erh hung der Oberfl chenrauheit und damit auch die Vergr erung der wirksamen Ober fl che 73 Untersuchungen an plasmabehandeltem Polyethylen zeigen allerdings dass die Rauheit nicht mit der Verbundhaftung korreliert 78 Der Einfluss der Oberfl chenrauheit auf die Benetzungsf higkeit wird in zahlreichen Literaturstellen erw hnt 12 51 66 67 Oberfl chenrauheits nderungen im Bereich 0 2 um bis 3 um Ra haben keinen Einfluss auf die Oberfl chenspannungen 51 Dagegen kann sich eine Aufrauung der Oberfl che auf Grund der schlechteren Be netzbarkeit der gesamten Oberfl che durch einen z hfl ssigen Verbundpartner im Spritzgiel prozess negativ auf die Verbundhaftung auswirken 41 da ein Eindringen in die Poren und Risse des Substrats nicht m glich ist Eine Gl ttung der Oberfl che ist zur Herstellung des Kontaktes zwischen zwei F gepartnern n tzlich 2 7 3 2 Reinigung Reinigungseffekte f hren zu einer deutlichen Steigerung der Verbundhaftung Nahe
17. Herstellung von 4 Experimentelle Einrichtungen 43 2K Proben f r diese Arbeit verwendet wurde Durch den Anbau und die Integration weiterer Bauteile wurde das Werkzeug f r die Temperatur bzw Strahlungsmessung mittels IR Kamera erweitert Die ausgew hlte IR Kamera wurde dabei an die d sen seitige Werkzeugh lfte des vorhandenen Spritzgie werkzeugmoduls adaptiert 89 104 Die ber die Dauer des Versuchs aus der Kavit t emittierte W rmestrahlung des Kunststoffes wird ber integrierte Saphiergl ser f r IR Strahlung transparente Gl ser mit einem Durchmesser von 21 mm ber ein Boreskop IR Strahlengang mit Umlenkeinheit in die adaptierte IR Kamera weitergeleitet vgl Bild 4 5 D senseite IR Fenster Werkzeug Verbundplatte IR Kamera Strahlengang Umlenkspiegel Kameraf hrungsblock zur Positionierung an den IR Fenstern KK dE L IR Kamera IR Gl ser Formteilkavit t Werkzeugschieber PtSi256 Detektor transparent f r IR Strahlung Bild 4 5 Erweitertes Werkzeug Verbundplatte mit adaptierter IR Kamera zur Messung der Temperatur in der Kontaktebene Die konstruktive Anbringung der Infrarotgl ser erlaubt auch eine Messung der IR Strahlung bei seitlicher Einspritzung der zweiten Komponente Daher sind drei Gl ser in gleichm igem Abstand ber die Breite des Probek rpers verteilt Die H hen ausrichtung der Gl ser ist so vorgenommen worden dass die Kontaktebene der beiden Komponent
18. Kompatibilit tsprinzipien Als ma gebliche Gr en sind die Temperatur in der Grenzfl che und die Zusammenset zung der F geoberfl chen identifiziert Im Rahmen eines ingenieurm igen Ansat zes sollen durch die Ermittlung der Kompatibilit tsprinzipien Prognosen Tendenzen bzw n tige Vorraussetzungen zur Ausbildung von Verbundhaftungen m glich sein Ma gebliches Kriterium zur Kategorisierung der Haftung ist die Verbundfestigkeit In dieser Arbeit wird die Verbundfestigkeit mit den haftungsrelevanten Gr en Tempe ratur und Oberfl che korreliert Die Herstellung der Probek rper zur mechanischen Pr fung erfolgt mit einem standardisierten Montagespritzgielswerkzeug Die Tempe raturmessung erfolgt dabei ber eine an das Spritzgie werkzeug adaptierte IR Kamera In situ lokal und zeitlich aufgel st in der F gezone der Kunststoffe Zur Charakterisierung der Oberfl che kommen thermoanalytische mikroskopische und spektroskopische Methoden zum Einsatz Um gezielt Oberfl chen zu beeinflussen und die Auswirkung auf die Verbundfestigkeit zu untersuchen wird eine Fertigungs zelle Plasma aufgebaut mit der eine prozessintegrierte In Line Plasmabehandlung m glich ist Weiterhin wird der Einfluss von werkstofflichen Eigenschaften wie Inkompatibilit t oder Kompatibilit t auf die Verbundbildung untersucht Prozessbehafteten Einfl ssen wird durch die Variation von Verarbeitungsparametern z B Massetemperatur Nach druck oder Einspritzges
19. Multi Material Molding Fifteenth International Conference amp Exhibit Molding 2005 New Orleans USA Ehrenstein G W Ames der S Schuck M 2005 Neue Kunststoffverbunde durch In Line Plasmavorbehandlung Fachtagung Spritzgie en 2005 Baden Baden Ehrenstein G W Ames der S Al Sheyyab A Schuck M M ller Th 2006 Prozessoptimierte Herstellung fl chiger Kunststoff Kunststoff und Kunststoff Metall Verbundbauteile In Geiger M Singer R F Hg Robuste verk rzte Prozessketten f r fl achige Leichtbauteile Industriekolloguium 2006 des SFB 396 Bamberg Meisenbach S 133 144 K hnert l Schuck M Feulner R Schmachtenberg E Thornagel M 2008 Multi Component Injection Moulding heat transfer thermal expansion and bonding strength In The Polymer Processing Society Hg PPS 24 24th Annual Meeting Salerno Italien 15 19 06 2008 1180 Schmachtenberg E Schuck M K hnert I 2007 Forming and Assembly in One Process In Kunststoffe International H 4 S 8 13 Schuck M 2007 Kunststoffverbunde mittels In Line Plasma In Plasmatreat Hg Anwendungsforum Plasmatreat 2007 Birkenfeld Schuck M 2008 Montagespritzgie en durch Inline Plasma In VDI Hg VDI Technikforum Tragende Hybridstrukturen mit Kunststoffen F rth 02 03 12 2008 VDI Schuck M Al Sheyyab A Ziegler C Stockinger A Stoll T Wittmann S et al 2007 Produktdatenmanagement als
20. Q1000 durchgef hrt Der W rmestromverlauf wurde im Bereich zwischen 0 C und 250 C bei einer Heizrate von 10 C min gemessen Da die Plasmabehandlung nur eine sehr d nne Oberfl chenschicht beeinflusst 13 m ssen Probek rper hergestellt werden an denen die durch die Plasmabehandlung beeinflussten Bereiche einen m glichst gro en Anteil einnehmen Ideal w ren Folien mit besonders geringer Dicke Die Plasmabehandlung insbesondere die thermische Komponente des Plasmas zeigen an Folien oder D nnschnitten allerdings eine ganz andere Wirkung als am kompakten Probek rper Ebenso besitzen Folien einen un terschiedlichen morphologischen Aufbau DSC Untersuchungen an plasmabehandel ten Folien oder D nnschnitten w ren deshalb mit den Untersuchungen an den bisher verwendeten kompakten Probek rpern nicht vergleichbar Daher wurden D nn schnitte aus den plattenf rmigen 2K Probek rpern senkrecht zur Plattenfl che ent nommen nachdem der kompakte Probek rper plasmabehandelt wurde um diese in der DSC zu untersuchen Da dies zeitnah durchgef hrt werden soll wurde die mobile Plasmaanlage ber einem Mikrotom aufgebaut Die Plasmad se wurde ber dem Mikrotomschlitten mit eingesetzten Probek rpern so positioniert dass die Oberfl che auf dem R ckzugs und Vorschubweg plasmabehandelt werden konnte Beim Schneidvorgang wurde mit der Bewegung des Schlittens eine ca 6 um dicke plas mabehandelte Oberfl che abgehoben 4 10 Spektroskopie
21. Technology H 173 174 S 826 830 Machate C 1989 Die Polymer Polymer Interdiffusion an der Grenzfl che des Kunststoff Kautschuk Verbundes aus Poly 2 6 dimethyl 1 4 phenylenether und Poly styrol co butadien Dissertation M nster Universit t M nster Kraft H 1993 Erweiterte Anwendungsbereiche f r das Mehrkomponenten Spritzgie en In Kunststoffe Jg 83 H 6 S 429 433 Letz J 1969 Diffuse Interphase Layer in Microheterogeneous Polymer Mixtures In Journal of Polymer Science Jg 7 H A 2 S 198 7ff Eckhardt H 1989 Verarbeitung von TPE auf Spritzgie maschinen und M glichkeiten der Anwendung des Mehrkomponentenspritzgie ens Thermoplastische Elastomere im Aufw rtstrend Fachtagung W rzburg S 95 123 Michaeli W Lettowsky C 2005 Mehrkomponenten Spritzgie en Verfahren und M glichkeiten In VDI Gesellschaft Kunststofftechnik Dol Spritzgie en 2005 D sseldorf Steinbichler G 1997 Verfahren und Werkzeugtechnik beim Mehrkomponentenspritzgie en Ein berblick In Ehrenstein G W Kuhmann K Hg Mehrkomponentenspritzgie en Technologie Prozess und Verbundeigenschaften Erlangen Ebert M 1997 Hart Weich Kombinationen mit Polyamiden In Interner Bericht Forschung und Entwicklung TTP EMS Chemie AG Domat Ems Schweiz Schmachtenberg E Johannaber F 2007 Montagespritzgie en Verfahrensprinzipien und Definition In Schuck M K hnert Schmacht
22. Teil sehr unterschiedliche Temperaturen zwischen den enthaltenen Teilchen auf Nieder druckplasmen k nnen deshalb nur im Teilvakuum vorkommen wo die StoRzahl der enthaltenen Teilchen so gering ist dass Energieunterschiede nicht ausgeglichen werden k nnen 2 6 4 Oberfl chenmodifikation durch Plasmen Je nach eingesetztem Arbeitsgas zu behandelndem Werkstoff und Prozessparamet risierung kann eine Plasmabehandlung unterschiedliche Auswirkungen haben und dabei verschiedene Funktionen erf llen Dadurch entsteht eine Oberfl chenmodifika tion mit einer gro en Auspr gungsvielfalt 2 6 4 1 Oberfl chenaufrauung Oberfl chengl ttung Je nach Substratart Prozessgas und Prozessparametern kommt es zu einer Ober flachenaufrauung oder gl ttung In der Textilindustrie haben sich Plasmaverfahren zur Aufrauung von Textilfasern etabliert Die Kleb und F rbbarkeit von Stoffen wurde mit diesen Verfahren erheblich verbessert 33 Auftretende Topografie nderungen sind im Allgemeinen auf thermische Effekte und chemische Reaktionen zur ckzuf h ren 34 Bei der Plasmabehandlung k nnen durch das Auftreffen hochenergetischer Partikel Mikrotrichter entstehen Durch eine zu intensive Behandlung k nnen auch Oberfl chen aufschmelzen oder verbrennen Durch die Verwendung von Sauerstoff oder CO anstatt Luft kann die Oberfl che des Kunststoffs aufgeraut werden 42 Laut Greenwood et al 68 f hrt eine Plasmabehandlung zu einer Einebnung bzw Gl
23. effizientes Werkzeug zur Vernetzung von Forschungsprojekten In Zeitschrift f r wirtschaftlichen Fabrikbetrieb ZWF H 11 Schuck M Ehrenstein G W 2005 Neue Kunststoffverbunde mittels In Line Plasmavorbehandlung In Mennig G nter Hg Technomer 2005 10 12 11 2005 Chemnitz Technische Universit t Schuck M K hnert I Schmachtenberg E Hg 2007 Fachtagung Montagespritzgielsen Formschluss Kraftschluss Stoffschluss Erlangen Schuck M K hnert I Schmachtenberg E Hoffmann L Mitzler J 2008 Plasma macht den Unterschied Montagespritzgiessen mit besserer Verbundhaftung In Plastverarbeiter Jg 59 H 8 Schuck M Schmachtenberg E 2007 Kompatibilibt tsprinzipien In Schuck M K hnert I Schmachtenberg E Hg Fachtagung Montagespritzgielsen Formschluss Kraftschluss Stoffschluss Erlangen S 242 262 106 9 Formelzeichen und Abk rzungen 9 Liste der Formelzeichen und Abk rzungen Formelzeichen APlasma DN PN2 Psp p R R2 Ra Sa OA OAB OV OVerbund Tg Ti Toas Te Tm Tm2 Twz Twz2 VPlasma mm mm mol m cm s J g Hz m s eV cm cm bar mN m kg m um um mN m mN m mN m mN m mN m N mm C C C C mm s Behandlungsabstand wahre Oberfl che Konzentration Diffusionskoeffizient Schmelzenthalpie Kraft in der Grenzschicht Plasmafrequenz Erdbeschleunigung H he Young scher Kont
24. erlaubt und eine ausreichende Quantendetektiereffizienz erm glicht Die Bauweise des Detektors wird ma geblich vom Sensorabstand bestimmt je kleiner desto kom pakter Des Weiteren hat der Abstand zwischen den einzelnen Sensoren einen Einfluss auf die Effizienz der Detektierung von allen auftreffenden Quanten Je gr Ger die Sensordichte ist umso mehr Quanten werden auf der bestimmten Fl che des Detektors detektiert Indiumkugeln Auslesechip Detektorchip Photonen Antireflex schicht Al Spiegel 2nm PtSi Bild 4 4 Kamera PtSi 256M links Aufbau Detektorchip PtSi 256M rechts Durch das pixelweise Auslesen ist die Bestimmung einzelner Intensit tsfl chen m g lich Als Resultat steigt der Stromfluss an wobei sich der Anstieg zu der empfange nen Strahlungsmenge proportional verh lt Das entsprechende Objektiv MWIR Tele verf gt ber eine Brennweite von 100 mm womit ein Arbeitsabstand durch Zwi schenringe von 0 25 m bis realisiert werden kann Durch den geringen Abstand zum Messobjekt k nnen st rende durch Reflexionen verursachte Fremdeinfl sse auf die Ermittlung der Temperatur ausgeschlossen werden 10 Die Auswerteinheit bildet ein Standard PC mit einer Framegrabberkarte der Fa MATRIX Vision vom Typ PC Image SDIG 4 3 2 Werkzeugaufbau IR Kamera Das bei den Versuchen mit der IR Kamera verwendete Werkzeug entspricht in der Formgebung des Probek rpers dem Werkzeug das f r die
25. gleichm igeren Prozess hin Den deutlichsten Einfluss auf die Qualit t des Verbundes hat die Erh hung der Einspritzgeschwindigkeit Der Einfluss des Nachdrucks ist zu vernachl ssigen e Nachdruck 450 bar Nachdruck 750 bar s Nachdruck 450 bar Nachdruck 750 bar Verbundhaftung N mm Massetemp 290 C Massetemp 310 C Verbundhaftung N mm PA6 PA66GF25 PA6 PA66GF25 0 20 mm s 100 mm s 20 mm s 100 mm s Einspritzgeschwindigkeit Einspritzgeschwindigkeit Bild 5 1 Verbundfestigkeit von PA6 erste Komponente PA66GF25 zweite Komponente in Abh ngigkeit von Einspritzgeschwindigkeit und Nachdruck bei unterschiedlicher Massetemperatur der Kunststoffschmelze von PA66GF25 links 290 C rechts 310 C Werkzeugtemperatur konst 80 C Der deutliche Einfluss der Einspritzgeschwindigkeit zeigt sich auch im Zusammen hang zwischen Eindringtiefe Temperatur und Verbundhaftung in Bild 5 2 Die detek tierte Eindringtiefe der W rme der zweiten Komponente die ein Ma der Erw rmung der ersten Komponente durch die zweite Komponente ist steigt mit zunehmender Einspritzgeschwindigkeit Aber nicht nur die Eindringtiefe steigt mit zunehmender Einspritzgeschwindigkeit sondern auch die gemessene Temperatur in diesem Ab stand Dies ist ein Hinweis darauf dass durch die hohe Einspritzgeschwindigkeit nicht nur die Temperatur der Schmelze schneller an die Kontaktfl che zur ersten Kompo nenten herangef hr
26. gro es Prozessfenster zur Verarbeitung Die geringen Standardabweichungen deu ten zudem auf einen sehr stabilen Prozess hin Weiterhin hat sich gezeigt dass der Ort der Probenentnahme keine Rolle spielt Kombinationen die am Rand der Pro benplatte entnommen worden sind zeigen gleiche Verbundfestigkeiten wie die in der Mitte entnommenen Proben 2 Komponente PA6 Plasmamedium ZA Druckluft NN Formiergas Materialfestigkeit PE 2 Komponente PA6 Plasmamedium LZA Druckluft NN Formiergas Materialfestigkeit PE Verbundhaftung N mm Verbundhaftung N mm HDPE LDPE LLDPE HDPE LDPE LLDPE l stumpfe Anbindung i gesch ftete Anbindung Bild 6 2 Verbundfestigkeit im Vergleich zu Grundfestigkeiten links stumpfe Anbindung rechts gesch ftete Anbindung VPiasma 20MmM S Die Temperatur die bei der Verbundbildung kompatibler Kombinationen eine wichti ge Gr e ist und ma geblich das Verarbeitungsfenster vorgibt spielt bei der Kombi nation inkompatibler Materialien eine untergeordnete Rolle Dadurch weitet sich das Prozessfenster f r die Spritzgie parameter und die Verarbeitung kann schonender f r die Materialien erfolgen Oberfl chenrauheit Mittels AFM und Wei lichtinterferometrie ist der Einfluss der Oberfl chenmodifikation durch Plasma auf die Rauheit nachweisbar Durch eine intensive Oberfl chenmodifi kation werden die Proben eingeebnet wogegen Oberfl chen die mit einer geringe ren Inte
27. haupts chlich auf Hauptvalenzbin dungen auch chemische oder prim re Bindungen genannt Zus tzlich k nnen Ne benvalenzbindungen eine Anziehung erm glichen 40 104 Eine adh sive Haftung zwischen zwei F gepartnern entsteht auf Grund intermoleku larer Kr fte in der Grenzfl che Diese intermolekularen Kr fte beruhen auf Nebenva lenzbindungen 2 56 12 2 Grundlagen Die Eigenschaften von Haupt bzw Nebenvalenzbindungen sind in Bild 2 5 aufge f hrt 32 51 57 58 Nebenvalenzbindungen Hauptvalenzbindungen TE eege Bet E Nebenvalenz Permanente Induzierte Dispersions H br cken NR kovalente metallische ionische bindungen Dipole Dipole kr fte bindungen Reichweite 4 03 05nm n 0 1 02 mm cb EE lt 20 lt 02 0 1 40 lt 50 60 700 110 260 600 1000 energie kJ mol theor berechn Absorptions 280 1750 35 300 60 360 500 17500 30 Kr fte MPa eXp gem Verbundfestig 4 15 25 keit MPa Bild 2 5 Haupt und Nebenvalenzbindungen 2 5 1 Koh sion Die bei Kunststoffen vorkommenden kovalenten Bindungen wirken innerhalb der Molek lkette Welche koh siven Bindungsmechanismen im Montagespritzgie en bei der Verbundbildung eine Rolle spielen ist nicht genau bekannt Nach 40 54 60 wird jedoch chemischen oder Hauptvalenzbindungen beim Montagespritzgie en keine Bedeutung zugemessen Laut 84 sind Hauptvalenzbindungen beim Verbundspritz gie en von unmodifizierten Thermop
28. in der Kontaktzone Ma geblich sind vier Adh sionsph nomene f r die Ausbildung einer Haftung zwi schen zwei F gepartnern aus Kunststoff verantwortlich 26 2 Grundlagen e mechanische Hinterschnitte mechanische Adh sion e Interdiffusion Diffusionstheorie e chemische und physikalische Wechselwirkungen Polarisations und Adsorpti onstheorie F r alle Ph nomene ist eine molekulare Ann herung bzw ein Kontakt Vorrausset zung 12 40 Wichtige spritzgie technische Einflussgr en auf die Verbundhaftung die der Anwender variieren kann sind Materialauswahl Prozessparameter sowie die Oberfl chenmodifikation durch Vorbehandlung Dabei l sst sich der Einfluss der Prozessparameter und der Oberfl chenmodifikation auf die Verbundfestigkeit mittels physikalischer Gr en wie Temperatur Rauhigkeit usw nachweisen 2 7 1 Material 2 7 1 1 Kompatibilit t Die Ausbildung der aus der Interdiffusion resultierenden Grenzschicht in der Molek le aus beiden F gepartnern vorliegen h ngt mit der thermodynamischen Vertr g lichkeit der Verbundpartner zusammen Die Vorraussetzung zur Interdiffusion ist eine Mischbarkeit der F gepartner A und B 12 Die Mischbarkeit kann durch thermoana Iytische Untersuchungen DSC DMTA nachgewiesen werden 64 65 Zwei Kom ponenten sind vollst ndig mischbar wenn sie in der Mischung nur einen Glas ber gang aufweisen 65 2 7 1 2 Inkompatibilit t Inkompatible Materialien lassen sich d
29. in eine C H oder C C Bindung Sauerstoff ist im angeregten Zustand sehr reaktiv Die Reaktion von Sauerstoffplas men mit Kohlenwasserstoffen erfolgt mit hoher Geschwindigkeit wobei Sauerstoff in eine Doppelbindung eingebaut werden kann Dabei bilden sich Epoxid Hydroxyl oder Carbonylgruppen Die Bildung von polaren Carbonylgruppen kommt bei der Ozonolyse vor Die Reaktion im Plasma erfolgt hnlich unter Einwirkung aktivierter Teilchen N 20 N C C mn e m 2 ED 20 e N fe Ethylen Carbonylgruppen Bild 3 4 Bildung von Carbonylgruppen in Kohlenwasserstoffen unter Einwirkung von Ozon Stickstoffplasma Durch Energieeinbringung wird der Stickstoff angeregt wobei die hochangeregten Molek le im Grundzustand bleiben 5 Die Dissoziation des Stickstoffmolek ls zu atomarem Stickstoff gilt als schwierig Tabelle 3 7 zeigt die Hauptreaktionen von Stickstoff durch Plasma 3 Werkstoffe und Materialkombinationen 37 N 0 gt 2NO 2CH N gt 2HCN 3H Tabelle 3 7 Hauptreaktionen des Stickstoffs im Plasma Bei dieser Reaktion wird das Stickstoffmolek l im Plasma aufgebrochen Die entste henden Radikale und lonen reagieren mit der Substratoberfl che Ein Beispiel f r funktionelle Gruppen die beim Einbau von Stickstoff in Kohlenwasserstoffen entste hen sind Amine Der Rest R der im nachfolgenden Bild dargestellten Aminen kann eine Kohlenwasserstoffkette sein Als Beispiel daf r ist ein einfaches Amin Ethyla min darges
30. kr ftig Die gute Aktivierbarkeit des Polyethylens ist durch die Oberfl chenspannungsmes sung best tigt worden Der Abfall der Verbundfestigkeiten durch die Geschwindig keitsvergr erung bei Druckluft als Plasmamedium ist mit der Abnahme der Oberfl 5 Untersuchungsergebnisse 75 chenspannungen und den polaren Anteilen der Oberfl chenspannung f r die Verbun de HDPE bzw LDPE mit PA6 korrelierbar Die gro e Standardabweichung bei den Ergebnissen der Oberfl chenspannungen f r LLDPE lassen diesen Schluss nicht direkt zu legen ihn aber auf Grund der Steigung der Verringerung der Oberfl chen spannung zumindest nahe unbehandelt Druckluft Vpjasma 100 mm s Druckluft Vpjasma 20 mm s Bild 5 16 mittlere Oberfl chenrauheit Ra AFM von HDPE nach Plasmabehandlung f r versch Plasmamedien und Behandlungsgeschwindigkeiten Aus den Messungen l sst sich weiterhin erkennen dass mit der Erh hung der Ober fl achenrauheit keine Steigerung der Verbundfestigkeit einhergeht Variation des Behandlungsabstands Ap asma Da sich in den vorhergehenden Versuchen gezeigt hat dass die Behandlungsge schwindigkeit einen geringeren Einfluss auf die Intensit t der Oberfl chenmodifikation und damit auf die Verbundfestigkeit hat wurde gezielt der Behandlungsabstand vari iert Die Behandlungsgeschwindigkeit wurde konstant gehalten Vpiasma 20 mm s Erste Versuche zeigen dass bei einem Behandlungsabstand ap assma gt 20 mm keine r
31. vgl Tabelle 4 3 Die in Vorversuchen ermittelte sinnvolle Spritzgie reihenfolge weist Polyethylen als erste Komponente aus Die Beeinflussung durch die Prozessparameter auf die verwende ten Materialien soll m glichst gleich sein Daher wurden f r alle drei Polyethylentypen gut verarbeitbare m glichst identische Einstellungen gefunden Weitere ac wc we Tabelle 4 3 Maschineneinstellungen f r inkompatibel Kombinationen 1 Komponente Polyethylen Massetemperatur Tm2 210 C 210 C 210 C 40 C Wichtige Einstellungen der zweiten Komponente PA6 bzw PA66 wurden zur Un tersuchung des Einflusses der Parameter variiert Dazu z hlen die Massetempera tur Te und der Nachdruck Dua Massetemperatur Tat 240 C 260 C 270 C 290 C Tabelle 4 4 Maschineneinstellungen f r inkompatibel Kombinationen 2 Komponente Polyamid Weitere notwendige Angaben sind bei in den Ergebnissen aufgef hrt 52 4 Experimentelle Einrichtungen 4 6 Mikroskopische Untersuchungen Zur Analyse der Oberfl chenmodifikation durch die Plasmabehandlung m ssen Pro bek rper hergestellt werden die eine m glichst einheitliche Oberfl che besitzen Lichtmikroskopische Untersuchung der Probek rper deren Oberfl che im Spritzguss durch direkten Kontakt mit der Werkzeugwand entstanden ist zeigen sehr unter schiedliche Oberfl chentypen Durch Abtragen der Oberfl chenschicht k nnen ein heitlichere Oberfl chen hergestellt werden Hie
32. zu alle industriell spritzgie technisch verarbeitete Kunststoffe enthalten Additive Anti Oxidantien Entformungshilfen L sungsmittel le Wachse und oder Restoli gomere Zus tzlich kann eine Verschmutzung durch die Handhabung der F gepart ner auftreten Diese Kontaminationen an der Oberfl che verringern die Kontaktfl che zwischen den F gepartnern oder bilden schwache Schichten Weak Boundary Lay ers aus womit die Verbundhaftung negativ beeinflusst wird 70 2 Grundlagen 29 2 7 3 3 tzen Die Abtragung unterscheidet sich von der Reinigung nur durch die Menge und die Art des entfernten Materials Abtragung ist vor allem f r die Entfernung von stark ver schmutzen schlechten Grenzschichten die zum Beispiel durch die Herstellung des Bauteils auftreten wichtig Schlechte Grenzschichten k nnen dabei verschmutzte Schichten aber auch quasiamorphe Randschichten oder Schichten sein bei denen F llstoffe die Oberfl che durchbrechen Da sich amorphe bzw quasiamorphe Be standteile leichter entfernen lassen als kristalline erreicht man zus tzlich zur Entfer nung der schlechten Schichten auch eine Aufrauung und damit eine Vergr erung der Oberfl che 70 2 7 3 4 Funktionalisieren Aktivieren Die Einbringung von reaktiven Gruppen in die Grenzfl che spielt eine wichtige Rolle bei der Verbundbildung Reaktive Gruppen bestehen meistens aus Sauerstoff Stickstoff Bindungen Sowohl die absolute Anzahl der vorhandenen funktionellen Gr
33. 06 Ultramid B3 Datenblatt Herausgegeben von Materialdatacenter BASF AG N N 2000 Plasmatechnik Prozessvielfalt und Nachhaltigkeit Herausgegeben von Bundesministerium f r Bildung und Forschung NN 2008 Eurobonding Informationen zum Kleben Herausgegeben von Fraunhofer Institut f r Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM H rtel V 1988 Das Binden von Gummi auf Substrat In Gummi Fasern Kunststoffe GAK Jg 41 S 294 302 Kuhmann K 1999 Untersuchungen zum Mehrkomponentenspritzgie en Dissertation Erlangen Friedrich Alexander Universit t Bischof C Possart W 1983 Adh sion theoretische und experimentelle Grundlagen Berlin Akademie Verlag Zhang D Sun Q Wadsworth L C 1998 Mechanism of Corona Treatment on Polyolefin Films In Polymer Engineering amp Science Jg 38 H 6 S 965 970 Friedrich J F Unger W Lippitz A Gross Th Rohrer P Saur W et al 1996 The improvement in adhesion of polyurethane polypropylene composites by short time exposure of polypropylene to low and atmospheric pressure plasmas In Mittal K L Hg Polymer Surface Modification Relevance to Adhesion VSP S 49 72 Bettenhausen K 1984 Beitrag zur Ermittlung der Adh sionseigenschaften von Kunststoff Metall Verbundsystemen Dissertation Hannover Universit t Hannover Pocius A V 2002 Adhesion and adhesives technology an introduction M nchen Carl Ha
34. 12 Polarisationstheorie Die Polarisationstheorie beruht auf dem Dipolcharakter der Molek le Begr nder dieser Theorie ist De Bruyne 59 Die Haftung wird dabei ber die molekularphysika schen Wechselwirkungen in der Grenzfl che von F gepartnern erkl rt Eine optima le adh sive Verbindung ist laut De Bruyne nur dann m glich sind wenn beide F ge teiloberfl chen die gleiche Polarit t besitzen Die Anwesenheit funktioneller Gruppen Hydroxyl Carboxyl Carbonylgruppen an der Oberfl che soll somit eine verbes serte Verbundhaftung zur Folge haben 5 6 7 2 6 Oberfl chenmodifikation Plasmatechnologie Aufgrund der hohen erzielbaren Leistungsf higkeit und der Umweltfreundlichkeit gewinnen Vorbehandlungsverfahren zur Oberfl chenmodifikation die auf physikali schen Prozessen beruhen immer mehr an Bedeutung Physikalische Vorbehandlun gen die vor allem bei Kunststoffen zum Tragen kommen sind in Tabelle 2 1 aufge f hrt Verfahren unter Einsatz Thermische Verfahren Elektrische Verfahren energiereicher Strahlen Elektronenbestrahlung Niederdruckplasma Radioaktive Bestrahlung Atmosph rendruck Plasma Laserstrahlung Mikroplasma z B Korona Verfahren UV Strahlen OpenAir Plasma Tabelle 2 1 Vorbehandlungsmethoden zur Oberfl chenmodifikation von Kunststoffen 30 2 6 1 Elektrische Verfahren Durch elektrische Verfahren k nnen Plasmen erzeugt werden Die Verfahren beru hen dabei auf demselben Wirkprinz
35. 2 23 11 2005 Haftungsverbesserung beim Mehrkomponentenspritzgie en durch Plasmavorbehandlung Kunststoffe f r die Praxis Oberfl chentechnologien und Anwendungen Bayreuth Brinkmann S 1996 Verbesserte Vorhersage der Verbundfestigkeit von 2 Komponenten Spritzgie bauteilen Dissertation Aachen RWTH Aachen Neumann A W Sell P J 1967 Bestimmung der Oberfl chenspannung von Kunststoffen aus Benetzungsdaten unter Ber cksichtigung des Gleichgewichts Spreitungsdruck In Kunststoffe Jg 57 H 10 S 829 834 Crimmann P 2003 Grenzfl chenmodifizierung und analyse im Polypropylen Kupfer Verbund Dissertation Halle Wittenberg Martin Luther Universit t Kr ger R 1980 Haftungsbestimmende Einflussgr en beim Lackieren und Kleben von Thermoplasten Dissertation Aachen RWTH Aachen Ehrenstein G W Kopczynska A 2006 Oberfl chenspannung von Kunststoffen In Gummi Fasern Kunststoffe GAK Jg 59 H 4 S 237 246 Bruyne N A de 1947 The Physics of Adhesion In Journal if Scientific Instruments Jg 24 H 2 S 29 35 Nikolova D 2005 Charakterisierung und Modifizierung der Grenzfl chen im Polymer Metall Verbund Dissertation Halle Wittenberg Martin Luther Universit t Schultz J Nardin M 1999 Theories and Mechanisms of Adhesion In Mittal K L Pizzi A Hg Adhesion Promotion Techniques Technological Applications New York Marcel Dekker Inc S 1 27 Voyutsk
36. 5 Untersuchungsergebnisse weist mit 164 69 J g eine kleinere Schmelzenthalpie auf als die unbehandelte mit 172 14 J g Durch die Plasmabehandlung mit Formiergas wird die Probenoberfl che ca eine Sekunde lang einer Temperatur von ca 150 C ausgesetzt Die Schmelztem peratur des HDPE liegt unter diesem Temperaturbereich Es ist daher m glich dass die Oberfl che des Probek rpers bei der Plasmabehandlung aufgeschmolzen wird Nach der sehr kurzen Einwirkungszeit des Plasmastrahls wird die Oberfl che der Umgebungsluft ausgesetzt und erstarrt bei Raumtemperatur Dies geschieht so schnell dass der Kunststoff eine amorphe Struktur erh lt und nicht kristallisiert Die kleinere Schmelzenthalpie der behandelten Probe zeigt dass die amorphen Bereiche einen gr eren Anteil annehmen als die bei der unbehandelten Probe DSC Analysen von getemperten unbehandelten D nnschnitten vgl Bild 5 27 best tigen diese Erkl rung Tempertemp 110 C Tempertemp 120 C S 5 z z 5 fr P 2 amp E AH 195 82 J g AH 184 14 Jig feet T 128 C 50 75 100 125 150 50 75 100 125 150 Temperatur C Temperatur C Tempertemp 130 C D D 2 D E gt AH 176 50 J g Bild 5 27 DSC Kurven getemperter 5 Sekunden plasma unbehandelter D nnschnitte HDPE f r verschiedene 2 m u a Temper Temperaturen Temperatur C T 128 C 5 Untersuchungsergebnisse 85 Diese wurden 5 Sekunden lang Temperature
37. Bild 5 29 links 86 5 Untersuchungsergebnisse Bild 5 29 REM Aufnahmen von HDPE nach Plasmabehandlung VPlasma 2 5 MM S apiasma 8 mm links Druckluft rechts Formiergas Dagegen tzt Formiergasplasma besonders stark an den Sph rolithgrenzen wo der hohe Anteil amorphen Materials zu einer geringeren Resistenz gegen ber der tzung f hrt vgl Bild 5 29 rechts Die Sph rolithe erhalten eine tropfenartige Form und grenzen sich zellenartig voneinander ab Die Oberfl che der Sph rolithe ist glatt Dies ist die Folge der thermischen Einwirkung des Formiergasplasmas ca 130 C und der wesentliche Unterschied zum Druckluftplasma ca 60 C Auch bei einigen in den AFM Untersuchungen der PE Proben gewonnenen Oberfl chenprofilen erkennt man globulare Strukturen Die mikroskopischen Vergleichsuntersuchungen best ti gen dass es sich hierbei um Sph rolithe handelt 6 Bewertung 87 6 Bewertung der Versuchsergebnisse 6 1 Bedeutung der Temperatur Das Kompatibilit tsprinzip beschreibt durch die Messungen der Temperatur in der Kontaktzone mittels IR Kamera den Zusammenhang zwischen Temperatur Eindring tiefe der Temperatur und der Verbundfestigkeit Die durchgef hrten Untersuchungen zur Temperaturentwicklung zeigen dass f r kompatible oder m ig kompatible Kunststoffkombinationen durch eine richtige Temperaturf hrung eine Verbesserung der Verbundhaftung m glich ist Wie nach gewiesen werden konnte ist die Eindringt
38. Durch die Wahl des Plasmamediums wird die Zusammensetzung des Plasmas be stimmt Eine gezielte Luftstr mung die durch die Medienleitung die das Plasmame dium transportiert entsteht separiert entlang der Entladungsstrecke die erzeugten Plasmabestandteile Somit werden die aktivierten Teilchen mit hoher Geschwindig keit durch eine Blende auf das zu behandelnde Substrat vgl Bild 4 8 rechts trans portiert Potentialf hrende Teilchen des Plasmastroms werden durch die Blende die an ein Massepotential angeschlossen ist am Austreten aus der D se gehindert So entsteht ein Plasma das bei h heren Geschwindigkeiten eine schonende effektive Oberfl chenbehandlung mit geringem thermischen Einfluss garantiert 8 9 48 4 Experimentelle Einrichtungen Der Plasmastrahl der eingesetzten D se erreicht mit der eingestellten Leistung sowie der gew hlten Form des D senaufsatzes durch die rotierende D se eine Behand lungsbreite von 20 mm und eine maximale L nge von 30 mm vgl Bild 4 8 rechts 4 4 2 Externe Plasmabehandlung Zur Plasmabehandlung ohne den verbindenden Spritzgielsprozess wurde ein mobiles und kompaktes System geschaffen welches eine einfache und reproduzierbare Vorbehandlung von Probek rpern erm glicht Die Plasmakopfeinheit ist dabei an einen Rahmen fixiert wohingegen die zu behandelnde Probe auf einem Verfahrtisch der linear auf einer Schiene gef hrt ist bewegt wird vgl Bild 4 9 Rahmen Plasmakopf Verfahr und Pr
39. E f r versch Plasmamedien in Abh ngigkeit der Behandlungsatmosph re bei Behandlungsabstand Aplasma 8 mm links HDPE mitte LDPE rechts LLDPE Auch die Behandlung mit sauerstoffreichem Plasmamedium NO Gemisch f hrt zu keiner wesentlichen Ver nderung der polaren Anteile der Oberfl chenspannung bzw des O C Verh ltnisses 80 70 60 50 40 30 20 4 m Druckluft A Formiergas 104 o NO Gemisch LDPE polarer Anteil LLDPE polarer Anteil HDPE polarer Anteil wem 0 U Eege el s I Li gi m Druckluft A Formiergas 0o22 NO Gemisch Luft Stickstoff Luft Stickstoff Luft Stickstoff Behandlungsatmosph re Behandlungsatmosph re Behandlungsatmosph re add a Druckluft A Formiergas Or NO Gemisch Foie Oberfl chenspannung mN m Oberfl chenspannung mN m Oberfl chenspannung mN m Bild 5 22 polare Anteile der Oberfl chenspannung oa von PE f r versch Plasmamedien in Abh ngigkeit der Behandlungsatmosph re bei Behandlungsabstand ap asma 8 mm links HDPE mitte LDPE rechts LLDPE Durch die Flutung der Polyethylenprobe mit Stickstoff ber 24 Stunden kann eine Migration des Sauerstoffs aus dem PE und die Niederschlagung an der Oberfl che des PE ausgeschlossen werden Trotzdem zeigt die Probe keinen Unterschied im 5 Untersuchungsergebnisse 81 O C Verh ltnis zur normalen Probe vgl Bild 5 23 Die O C Verh ltnisse f r
40. F gen ist jedoch nicht mit Montieren gleichzusetzen Als Montieren wird die Gesamt heit aller Vorg nge bezeichnet die dem Zusammenbau von geometrisch bestimmten K rpern dienen und wird stets unter Anwendung von F geverfahren durchgef hrt Zus tzlich schlie t es jedoch die Nebenfunktionen Handhaben Justieren Kontrollie ren sowie zus tzliche Sonderoperationen mit ein Bild 2 1 21 Im industriellen Einsatz haben sich bereits zahlreiche Sonderverfahren des Spritz gie ens bew hrt 24 92 Die Kombination dieser Sonderverfahren untereinander bzw mit zus tzlichen Prozesstechniken zum Montagespritzgie en bietet M glichkei ten f r innovative Produktentwicklungen Mittels Mehrkomponentenspritzgie en werden zwei oder mehrere Kunststoffe in einem Spritzgie zyklus zu multifunktionel len Bauteilen verbunden Das Mehrkomponentenspritzgie en umfasst sowohl die Kombination von Kunststoffen miteinander als auch die Kombination von Kunststof fen mit anderen Werkstoffen oder Halbzeugen wie Folien Textilien oder Metallen 25 Zus tzlich zum F gevorgang werden weitere Montagevorg nge und ansonsten vor bzw nachgeschaltete Abl ufe direkt in den Spritzgie prozess verlagert 26 4 2 Grundlagen Spritzgie en Montieren Mehrkomponentenspritzguss Mehrfarben Hinter spritzguss river oUt spritzen Mehrfach bewegliche spritzguss Verbunde B E Sandwich MID spritzguss 3D MID Kraftschluss Bild 2 1 Montagespritzgie en ver
41. Handlingger ten 40 2 3 3 Werkzeugtechnik Die Werkzeugkonstruktion ist entscheidend f r die Funktionsintegration und M glich keit der Teilegestaltung 40 69 Bild 2 3 zeigt verschiedene M glichkeiten der Werk zeugrealisierung beim Montagespritzgie en Unterschieden werden kann je nach Koordination der Einspritzvorg nge zwischen simultanen und seriellen Verfahren und je nach Handhabung des Vorspritzlings zwi schen station ren und umsetzenden bzw drehenden und nicht drehenden Verfah ren 40 80 81 Die Vorteile der drehenden Verfahren liegen in den realisierbaren kurzen Zykluszei ten und damit der wirtschaftlichen Fertigung da in einem Arbeitsschritt gleichzeitig ein Bauteil vor und fertiggespritzt werden kann Im Vergleich zur Core Back Technik Kernzugtechnik ergeben sich Vorteile in der Gestaltungsfreiheit 40 Bei der Core Back Technik oder Kernzugtechnik werden die Kunststoffe nacheinan der durch verschiedene Angusssysteme eingespritzt Nach Injektion der ersten Kom 2 Grundlagen 9 ponente wird die Kavit t durch das Bewegen eines Einsatzes oder Schiebers ver gr sert um Platz f r das Einbringen der zweiten Komponente zu schaffen Im Ver gleich zu den simultanen Verfahrensvarianten ergeben sich durch das Hintereinan derspritzen der Rohstoffe bei Beachtung der entsprechenden K hlzeit l ngere Zyk luszeiten Der Vorteil der Kernzugtechnik ist die geringe Wartezeit bis zum Ansprit zen der zweiten Komponen
42. NO Gemisch liegen zwischen 0 27 und 0 32 was bedeutet dass 27 bzw 32 der C Atome mit sauerstoffhaltigen Gruppen abges ttigt sind Obwohl Formiergas ber haupt kein Sauerstoff beinhaltet scheint es die Oberfl che am besten zu aktivieren so dass O C Verh ltnisse von 0 35 bis 0 42 entstehen 0 6 oO O1 oO D gt w Behandlungsatmosph re Plasmamedium Stickstoff A Druckluft Stickstoff nach Flutung m Formiergas NO Gemisch N O C Verh ltnis o unbehandelt Druckluft Formiergas NO Gemisch Bild 5 23 Sauerstoff zu Kohlenstoff Verh ltnis O C Verh ltnis von Polyethylen f r verschiedenen Plasmamedien bei unterschiedlichen Behandlungsatmosph ren ap asma 8 mm ESCA Messung Die Anreicherung von Sauerstoff oder Sauerstoff beinhaltenden Gruppen kann also nur durch die Umgebungsluft w hrend des Transportes zur Oberfl chenspannungs messung bzw zur Spritzgie maschine erfolgen da sonst kein Kontakt zu Sauerstoff stattfindet Wie man in Bild 5 24 sieht werden durch die Plasmabehandlung reaktive und polare Carbonyl bzw Carboxylgruppen in die Oberfl che des Polyethylens eingebracht die Wasserstoffbr ckenbindungen zu den Stickstoff bzw Sauerstoffat men des PA ausbilden k nnen Jedoch zeigen die Behandlungen unter verschiedener Atmosph re kaum eine Auswirkung auf die Zusammensetzung der Oberfl che Das Ergebnis der Behandlung unter Inertatmosph re zeigt dass durch
43. PE sowie deren polare Anteile deutlich Je nach In tensit t der Behandlung bersteigt die Oberfl chenspannung die Messgrenze von 72 mN m Die Oberfl chenspannung oa der festen Komponente PE liegt dabei immer ber der quasi konstanten Oberfl chenspannung og der schmelzefl ssigen Komponente PA6 Damit ist laut Adsorptionstheorie eine Benetzung gegeben Der Spreitungsdruck ps nimmt nach Formel 2 durch die Erh hung der Oberfl chen spannung oa Zu Ein erh hter Spreitungsdruck bedeutet eine bessere Benetzung Auch die Adh sionsarbeit Waq nimmt dabei zu vgl Bild 6 3 100 100 100 et TE N E 95 E 9 Ka E 95 Z Z A Z E E G 2 90 v HU v HU z z Z 8 8 85 2 D HDPE PA6 gt LDPE PA6 Ge LLDPE PA6 c 80 c 80 c 80 be 8 Druckluft 2 a Druckluft 2 a Druckluft e 75 0 Formiergas 75 Bet Formiergas S hL Formiergas je A NO Gemisch Ki use NO Gemisch Ki A NO Gemisch lt 0 EN em lt 0 0 4 8 12 16 4 8 12 16 4 8 12 16 Abstand Plasmabeh mm Abstand Plasmabeh mm Abstand Plasmabeh mm Bild 6 3 Adh sionsarbeit Wag nach Neumann 92 6 Bewertung Prinzipiell kann man sagen dass eine Erh hung der Oberfl chenspannung n tig ist um eine Benetzung durch die zweite Komponente zu erm glichen Dadurch erh hen sich die Adh sionsarbeit und der Spreitungsdruck Eine Aussage zur Korrelation zwischen der H he der Verbundfestigkeit und der H he der Oberfl chenspannung ist
44. Reaktionspro dukte der Substrate untereinander oder mit der umgebenden Luft z B Metalloxide Diffusionstheorie Die Diffusionstheorie basiert auf der Interdiffusion der zu f genden Substrate Dabei kommt es ber die Grenzfl che hinweg zu einer Penetration von Makromolek len bzw Polymerketten in den F gepartner Die Adh sion an der Phasengrenze zwi schen zwei chemisch identischen Materialien wird als Autoh sion bezeichnet woge gen die Adh sion zwischen verschiedenen Materialien als Heteroh sion bezeichnet wird 62 63 Sie bietet eine Erkl rung f r die Adh sion bei Polymer Polymer Verbunden Die Interdiffusion kommt durch die Mikro Brown sche Molekularbewe gung in beiden Phasengrenzfl chen zustande 56 61 Dieses Haftungsph nomen der Interdiffusion von Makromolek lketten setzt neben einer ausreichenden Beweg lichkeit der Molek le die von der Temperatur abh ngig ist weiterhin Polymere vor aus die l slich sind sowie gen gend Kettenmobilit t besitzen Eine weitere Bedin gung zur Erm glichung der Interdiffusion ist dass die Polymere keine wesentlichen Vernetzungen aufweisen 60 Bei der Verbindung von Polymeren mit Metallen spielt diese Theorie eine eher untergeordnete Rolle 8 Adsorption Die Adsorptionstheorie bezieht sich auf interatomare und molekulare Kr fte und Wechselwirkungen entlang der Grenzfl chen Nach dieser Theorie setzt die Ausbil dung von adh siven Kr ften eine ausreichende Ann herung de
45. Verarbeiter an zu 83 mit Spritzgie maschinen mit einem Aggregat also im Umsetz bzw Einlegverfahren die Verbunde erzeugen Die Technologie zur Erzeugung einer Verbindung beruht in 51 der F lle dabei auf einer stoffschl ssigen Verbindung Kraft und formschl ssige Verbindungen machen zusammen die restlichen 49 aus Die Umfrage zeigt weiterhin dass zur Erzeugung von stoffschl ssigen Verbunden kaum Vorbehandlungsmethoden zum Einsatz kom men 88 der Befragten die Sonderverfahren einsetzen best tigen dies Die restli chen 12 der Befragten geben an mechanisch chemisch oder physikalisch Ober flachen zu modifizieren um eine Verbundhaftung zu erzeugen Zusammengefasst kann man sagen dass im Bereich des Montagespritzgie ens noch ein erhebliches Entwicklungspotenzial gegeben ist Dies u ert sich gerade in dem geringen Einsatz von Mehrkomponentenspritzgie maschinen oder der Oberfl chenmodifikation die beide durch eine gr ere Freiheit bei der Verbundbildung und durch die Erweiterung der Eigenschaftskombinationen auch von origin r inkompatib len Materialien sehr attraktiv sind Die befragten Firmen sehen in den Bereichen Rezyklateinsatz Material und Eigenschaftskombination Integration von Montage schritten sowie Funktionsintegration das gr te Wachstumspotenzial f r das Spritz gie en 2 3 Technologie des Montagespritzgie ens 2 3 1 Verfahrensvarianten Der Verbund von zwei Werkstoffen der durch einen Montages
46. Wechselwirkungen auf Grund von Oberfl chenspannungen und energien bzw vom Dipolcharakter zwischen zwei Grenzfl chen aus Erkenntnisse aus der Forschung identifizieren die Temperatur in der Kontaktfl che sowie die Oberfl cheneigenschaften als wichtige Einflussgr en auf die Haftungs ausbildung Die Temperatur in der Kontaktzone beeinflusst die Brown sche Moleku larbewegung die Oberfl che der zu berspritzenden Komponente hingegen beein flusst die Oberfl chenspannung und die Polarit t in der Kontaktzone Die Charakteri sierung der Temperatur und der Oberfl che durch gezielte Modifikation Prozesspa rameter Plasmabehandlung zur Untersuchung der Verbundbildung erscheint daher sinnvoll 3 Werkstoffe und Materialkombinationen 31 3 Werkstoffe und Materialkombinationen Zur Untersuchung der Verbundmechanismen wurden verschiedene Kunststoffe untergliedert in Materialien f r die Herstellung origin ar kompatibler bzw origin r inkompatibler Verbunde aber auch verschiedene Plasmamedien zur physikalischen Modifikation der Kunststoffoberfl chen ausgew hlt 3 1 Werkstoffe f r das Montagespritzgie en Die Beschr nkung der Materialauswahl auf thermoplastische Kombinationen erleich tert die Interpretation der Verbundbildungsmechanismen da keine unbekannten speziellen Wechselwirkungen zwischen artfremden Materialien zu erwarten sind Polyamid Als Ausgangsmaterial wurden unverst rkte und verst rkte Standard Polyamide ver wend
47. abh ngig von den Dimen sionen der Vakuumkammer 2 6 2 2 Atmosph renverfahren Wie schon der Name sagt wird diese Art Plasma im Gegensatz zum Niederdruckver fahren bei Umgebungsdruck erzeugt Die Freie Wegl nge vor dem Zusammensto mit anderen Teilchen der im Plasma enthaltenen Elektronen ist in Gasen bei Atmo sph rendruck sehr klein Dies bedeutet dass der Energiegehalt zwischen Elektronen und lonen durch h ufige Sto prozesse ausgeglichen wird Die Temperatur dieser Gleichgewichtsplasmen kann einige Tausend Grad Celsius erreichen 33 Anlagen zur Erzeugung von Atmosph rendruckplasmen bestehen aus einem Generator zur Energieeinspeisung und einer Plasmad se mit Elektroden zur Erzeugung und zum gerichteten Austreiben des Plasmas Korona Plasma Beim Korona Verfahren wird zwischen zwei Elektroden eine hochfrequente Span nung angelegt die durch lonisation aus dem umgebenden Luftsauerstoff hoch reak tives Ozon entstehen l sst Wird nun zwischen die Elektroden ein isolierender Werk stoff Kunststoff Papier Textilien eingebracht so wird dessen Oberfl che mit lonen beschossen daher chemisch modifiziert bzw gereinigt Im Hinblick auf die Ozonbil dung ist eine Absaugvorrichtung oder auch ein Ozon Katalysator notwendig Die Leistungsdichte betr gt ca 0 005 W mm 30 31 39 OpenAir Das von der Firma Plasmatreat Steinhagen patentierte OpenAir Plasma Verfahren arbeitet bei Umgebungsdruck damit ohne Vakuumsystem und
48. achdruck Nachdruck Bild 5 7 Verbundfestigkeit von oberfl chenmodifizierten PE erste Komponente PA6 zweite Komponente Verbunden in Abh ngigkeit von Nachdruck und Massetemperatur der Kunststoffschmelze von PA6 links HDPE PA6 mitte LDPE PA6 rechts LLDPE PA6 Werkzeugtemperatur Konst 40 C apiasma 4 mm Vpiasma 20 mm s Lediglich die Kombination LDPE PAG6 zeigt bei Erh hung der Massetemperatur des Polyamids eine Verbesserung der Verbundhaftung hnlich wie bei der Kombination mit Polyamid 6 zeigt bei der Kombination mit Polya mid 66 der Verbund mit HDPE die h chsten Festigkeiten vgl Bild 5 8 sowie ein generelles Versagen in der Kontaktebene der beiden Komponenten Weitere Paralle len zeigen sich in der Qualit t der Verbundfestigkeit von LLDPE PA66 und LDPE PA66 Im Vergleich zu PA6 liegen die Verbundfestigkeiten auf gleichem Ni veau F r alle Verbunde zwischen Polyethylen und Polyamid 66 zeigt sich kein Einfluss des Nachdrucks und der Massetemperatur auf die Verbundhaftung Die geringe Stan dardabweichung der Verbundfestigkeiten weist ebenso auf einen durch die Plasma behandlung verursachten robusten Prozess hin Durch den Nachweis des geringen Einfluss der Massetemperatur auf die Verbundfes tigkeit von origin r inkompatiblen Materialien best tigen sich die in vorangehenden 68 5 Untersuchungsergebnisse Kapiteln beschriebenen Ergebnisse der guten bzw schlechten Kombinierbarkeit von kompatiblen Materialien mi
49. aktwinkel Elektronenenergie Neutralteilchendichte Elektronendichte Nachdruck 1 bzw 2 Komponente Spreitungsdruck Dichte Hauptkr mmungsradien eines Tropfens Mittenrauwert linear 2D Mittenrauwert fl chig 3D Oberfl chenspannung F gepartner A fest Grenzfl chenspannung Oberfl chenspannung F gepartner B fl ssig dispersiver Oberfl chenspannungsanteil polarer Oberfl chenspannungsanteil Verbundfestigkeit Glas bergangstemperatur Ionen Gas bzw Elektronentemperatur Massetemperatur 1 bzw 2 Komponente Werkzeugwandtemperatur 1 bzw 2 Komponente Behandlungsgeschwindigkeit Plasma 9 Formelzeichen und Abk rzungen Vs1 J Vs2 Wag X Ve Abk rzungen h f At e A B A PA DAG PA6GF25 PA66 PA66GF25 PE HPDE LDPE LLDPE TPE U TPU DL FG NO Gemisch IR mm s mN m 107 Einspritzgeschwindigkeit 1 bzw 2 Komponente Adh sionsarbeit lonisierungsgrad Elektronensto frequenz energiereiche Strahlung positives lon Elektron neutrales Teilchen angeregtes Teilchen Polyamid Polyamid 6 Polyamid 6 glasfaserverst rkt 25 Vol Polyamid 66 Polyamid 66 glasfaserverst rkt 25 Vol Polyethylen High Density Polyethylen Low Density Polyethylen Linear Low Density Polyethylen Thermoplastische Elastomer Druckluft Plasmamedium Formiergas Plasmamedium Stickstoff Sauerstoffgemisch Plasmamedium Infrarot www Ikt uni erlangen de ISBN 978 3 931864 44 6 Lehrstuhl
50. alle Gase eine Aktivierung unabh ngig von der Zusammensetzung erfolgt Dies spiegelt sich auch in den kaum variierenden Verbundfestigkeiten in Abh ngigkeit des Plasmamediums wider 82 5 Untersuchungsergebnisse x 10 N Atmosph re Druckluft Druckluft Formiergas Formiergas NO Gemisch NO Gemisch IV unbehandelt de T Im E E E S 296 292 288 284 280 296 292 288 284 280 Bindungsenergie eV Bindungsenergie eV Bild 5 24 ESCA Messung von HDPE ohne und mit Plasmabehandlung unter normaler Atmosph re links und Stickstoffatmosph re rechts Plasma 8 mm Vplasma 20 mm s Einfluss der Plasmatemperatur Um den Einfluss der Erw rmung der ersten Komponente zu untersuchen wurde die Temperatur des Plasmas in Abh ngigkeit des Abstandes aufgezeichnet Bild 5 25 180 180 wen Plasmageschw 20mm s e0 Plasmageschw 100mm s 8 Druckluft 8 Druckluft _ 140 A Formiergas _ 140 A Formiergas 120 O NO Gemisch 120 O NO Gemisch 5 5 5 100 Ss 100 2 80 2 80 CC 60 CC 60 40 40 0 O Abstand Plasmabeh mm Abstand Plasmabeh mm Bild 5 25 Temperaturmessung von verschiedenen Plasmamedien unter Variation des Behandlungsabstands Ap asma linKS Vpiasma 20 mm s rechts Vpjasma 100 mm s 5 Untersuchungsergebnisse 83 Im Anschluss wurde ein Hei luftf n anstatt der Plasmaeinheit an den Roboter mon tiert Mit diesem wurden die ermittelten T
51. as LLDPE PA6 Plasmamedium CZA Druckluft NN Formiergas Verbundhaftung N mm Verbundhaftung N mm Verbundhaftung N mm O 0 20 mm s 100 mm s 20 mm s 100 mm s 20 mm s 100 mm s Plasmageschwindigkeit Plasmageschwindigkeit Plasmageschwindigkeit Bild 5 11 Verbundfestigkeit von oberfl chenmodifizierten PE erste Komponente PA6 zweite Komponente Verbunden f r versch Plasmamedien links HDPE PA6 mitte LDPE PA6 rechts LLDPE PA6 Werkzeugtemperatur konst 40 C ap asma 12 mm 12 5 Untersuchungsergebnisse Die Verwendung von Formiergas f hrt dagegen zu einer Erh hung der Verbundfes tigkeit Das Verhalten der Verbunde LDPE bzw LLDPE mit PA6 zeigt das bekannte Verhalten Der Einfluss des Plasmamediums hat keinen die Erh hung der Behand lungsgeschwindigkeit Vpiasma hat dagegen einen vermindernden Einfluss auf die Ver bundfestigkeit von LDPE PAG Bei der Behandlung von LLDPE mit Druckluftplasma ist ein Abfall in der Verbundfestigkeit bei verringerter Intensit t der Oberfl chenmodi fikation zu erkennen Dahingegen ist lediglich ein geringer Abfall in den mechani schen Kennwerten bei Verwendung des Formiergases zu sehen Die Oberfl chenspannung oa der ersten festen Komponente die auf die Aktivierung r ckschlie en l sst zeigt dass mit der Erh hung der Behandlungsgeschwindigkeit bei Druckluft als Plasmamedium die Intensit t der Aktivierung des Polyethylens sinkt vgl Bild 5 12 80 80 80 70 70
52. ch eine Temperaturerh hung in der Kontaktzone positiv beeinflusst werden 62 2 7 3 Oberfl chenmodifikation Die Effekte von Oberfl chenmodifikation auf die Verbundhaftung lassen sich wie folgt kKlassifizieren e Entfernen durch Reinigung organischer Verschmutzungen die sich negativ auf die Verbundbildung auswirken wie Additive Verarbeitungshilfsmittel oder absorbierte Bestandteile der Oberfl che aus dem umgebenden Medium e Abbau und Abtragung durch tzen von gealterten oder degenerierten Poly merketten der Grenzschichten e erzweigung von oberfl chennahen Schichten durch die Erzeugung von reak tiven Gruppen entlang der Makromolek le und nachfolgende Bildung von Ver netzungen durch die Interaktion von reaktiven Gruppen untereinander bzw von reaktiven Gruppen und weiteren Makromolek len e Modifikation der chemischen Oberfl chenzusammensetzung durch die Reak tion von Oberfl chenmolek len mit freien Radikalen Ionen und angeregten Molek lfragmenten ausgel st durch eine direkte Behandlung mit Plasma oder 28 2 Grundlagen eine Reaktion an der Atmosph re nach einer Plasmabehandlung die zu einer Bildung von physikalischen Wechselwirkungen f hrt Die Effekte k nnen allein oder synergistisch auftreten 12 70 2 7 3 1 Oberfl chenaufrauung Oberfl chengl ttung Die Haftfestigkeit die zwei Stoffe durch Adh sion zusammenh lt ist definiert durch folgende Formel F O Verbund A 1 7 W Die in der
53. che wirkenden Kr fte wird die Blattfeder ausgelenkt Diese Auslenkung wird optisch oder kapazitiv erfasst Das in dieser Arbeit verwende te Ger t der Fa TA Instruments uTA 2990 kann einen Messbereich von 1 um bis 10000 um abdecken Die Ortsaufl sung betr gt dabei 1 um Die maximale Auslen kung der Nadel 10 um Durch das AFM ist es m glich den Mittenrauwert R entlang einer Linie zu bestimmen 16 4 Experimentelle Einrichtungen 53 4 6 3 Interferometer Interferometer nutzen die Interferenz von Lichtstrahlen zur Messung von Wegl ngen aus Wei lichtinterferometer verwenden breitbandiges Licht welches eine geringe Koh renzl nge im um Bereich besitzt Dies f hrt dazu dass die Lichtstrahlen nur dann interferieren wenn sich die Wegl ngen im Mess und Referenzzweig bis auf die Koh renzl nge gleichen Auf dem Messobjekt bildet sich somit nur dort ein Inter ferenzmuster ab wo der Abstand zwischen Strahlteiler und Oberfl che genau dem Abstand zwischen Strahlteiler und Spiegel entspricht Als Hilfestellung wird eine virtuelle Ebene eingef hrt die sich im besagten Abstand vom Strahlteiler befindet An den Stellen an denen die virtuelle Ebene das Messobjekt schneidet wird ein Interferenzmuster erzeugt Dieses wird in Form von Helligkeitsschwankungen von der CCD Kamera erkannt Durch vertikales Verfahren der Messanordnung kann ein H henprofil des Messobjekts erstellt werden indem jedem Pixel des Interferenzmus ters ein H henwert zuge
54. chmolzen Zus tzlich werden die Messungen bei verschiedenen Temperaturen in Argonatmosph re durchgef hrt Da die Methode auf dem Kr ftegleichgewicht zwischen Oberfl chenspannung und Schwerkraft beruht k nnen mit Hilfe der Kontur des Tropfens der Erdbeschleuni gung und der Dichte der Fl ssigkeit deren Bestimmung zuvor in einer pvT Messung erfolgte die Oberfl chenspannungen ermittelt werden Eine Aufteilung in polare und dispersive Anteile ebenso die Messung gef llter Kunststoffe ist mit dieser Methode nicht m glich Nach Wu ndern sich die polaren Anteile ber die Temperatur in dem Ma wie sich die Oberfl chenspannung ndert 4 9 Thermoanalytik 4 9 1 Differentialthermoanalyse DSC Mittels DSC k nnen charakteristische Eigenschaften eines Kunststoffs ermittelt und ausgewertet werden Exotherme und endotherme Umwandlungen z B berschrei tung der Glas bergangstemperatur Schmelzen oder Kristallisation werden detektiert 56 4 Experimentelle Einrichtungen und die entsprechenden Kennwerte quantifiziert Hauptaugenmerk lag auf der Detek tierung der Verarbeitungs bzw Behandlungseinfl sse auf die Proben Der Kristalli sationsgrad der ebenfalls durch Verarbeitungs Behandlungs und Gebrauchsbe dingungen beeinflusst wird kann durch die Kristallisations und Schmelzenthalpien AHc und AHm ermittelt werden Die DSC Untersuchungen wurden mittels eines Dy namischen W rmestrom Differenzkalorimeter der Firma TA Instruments Typ
55. chwindigkeit Rechnung gezollt Aber auch der Einfluss der Oberfl chenmodifikation durch die Plasmabehandlung auf die Verbundfestigkeit wird durch inh rente oder variierende Plasmaparameter Behandlungsabstand oder zeit untersucht 2 Grundlagen 3 2 Grundlagen 2 1 Entwicklung des Montagespritzgie ens Durch die Wahl der Werkstoffkombination der Bauteilgeometrie und der Spritzgie parameter lassen sich die Eigenschaften der im Montagespritzgie en hergestellten Verbindungen gezielt einstellen stoff form oder auch kraftschl ssig bis hin zu be weglich und flexibel Aktuelle Forschungsarbeiten und Industriekooperationen zeigen den Zusammenhang zwischen den Randbedingungen des Prozesses und den Ei genschaften der Verbindung auf 99 100 102 103 Das Spritzgie en ist nach DIN 8580 2003 04 den urformenden Fertigungsverfahren zugeordnet 20 Es hat in den vergangenen Jahren aufgrund der Verfahrensentwick lung und erweiterung ma geblich an fertigungstechnischer Tiefe gewonnen Dazu hat u a die Realisierung von F gevorg ngen F gen durch Urformen im Sinne der DIN beim Mehrkomponentenspritzgie en beigetragen 22 Der Begriff F gen be zeichnet in der Fertigungstechnik das dauerhafte Verbinden von mindestens zwei Bauteilen an einer definierten Kontaktstelle Diese Arbeitsschritte gehen mit einer Form nderung des neu entstandenen Teils einher Prinzipiell kann die Verbindung von fester oder beweglicher Ausf hrung sein 21
56. durch eine Einhausung gelingt den Sauerstoff komplett von der Verar beitung bzw Messung auszuschlie en F r die wirtschaftliche Anwendung der Plas ma und Oberfl chenmodifikationstechnologie sind jedoch nur die unter 3 2 be schriebenen Reaktionsmechanismen f r das Sauerstoffplasma interessant Oberfl chenmorphologie Ein Einfluss der Ver nderung der Oberfl chenmorphologie durch eine Plasmavorbe handlung auf die Verbundfestigkeit ist nicht erkennbar Der Energieeintrag ber die W rme des Plasmas bewirkt eine Neuordnung auf molekularer Ebene der Oberfl che Energiereiches Plasma z B Formiergas schmilzt die Polyethylenoberfl che an und diese erstarrt zu einer amorphen Randschicht Wie aus den Versuchen zu ent nehmen ist hat aber die Zusammensetzung der Oberfl che keinen Einfluss auf die Verbundfestigkeit Oberfl chen mit einem gro en kristallinen Anteil z B nach einer Plasmabehandlung mit Druckluft f hren zu gleichen Verbundfestigkeiten wie Ober fl chen die durch die Plasmabehandlung mit Formiergas einen hohen amorphen Anteil besitzen 6 3 Einfluss von St rgr en Durch den Aufbau einer Fertigungszelle Plasma ist es m glich eine Oberfl chenmo difikation an komplexen Bauteilgeometrien gezielt und lokal im Prozess durchzuf h ren H here absolute Verbundhaftungen sowie eine Reduzierung des Einflusses von haftungsmindernden St rgr en sind dabei ein wichtiger Vorteil der Plasmavorbe handlung im Hinblick auf ei
57. e bspw in Form von W rme elektromagnetischer Strahlung oder elektrischer Spannung zu einem Plas ma angeregt werden Man bezeichnet daher Plasma auch als vierten Aggregatszu stand Anhand von Geschwindigkeits bzw Energieverteilungsfunktionen der Plas 20 2 Grundlagen mabestandteile l sst sich dieses durch die Temperatur charakterisieren 9 Die zuge f hrte Energie wird beim Kontakt mit der Materialoberfl che wieder freigegeben und steht dort f r weitere Reaktionen zur Verf gung 29 Folgende Reaktionen treten bei der Erzeugung von Plasma auf lonisierung Durch Energiezufuhr werden Elektronen aus der Atomh lle gel st und das Atom in ein positives lon A und ein Elektron e gespalten Die Energieeinbringung geschieht z B durch Strahlung Teilchenst e oder elektrische Felder 33 Als zwei lonisie rungsvorg nge k nnen die Elektronen Sto ionisierung Formel 8 und die Photoio nisierung durch energiereiche Strahlung h f Formel 9 genannt werden a LO lt A e A Leite A h f gt A e 9 Der lonisierungsgrad x Formel 10 beschreibt dabei wie viele der Neutralteilchen im ionisierten Zustand vorliegen x 10 No Ne Ge Ne Elektronendichte no Neutralteilchendichte Aus dem lonisierungsprozess folgt die Quasineutralit t als eine charakteristische Eigenschaft des Plasmas Die Anzahl der negativen und positiven Teilchen muss demnach gleich sein 33 Rekombination Rekombination ist die Umkehru
58. e der anzuspritzenden Komponente in all ihren Auspr gungen und der Verbundfestig keit der Materialkombination 6 2 1 Kompatible Kombinationen Durch die Oberfl chenmodifikation mittels Plasma wird eine Steigerung der Verbund festigkeit f r kompatible Materialien erwirkt Dar ber hinaus erreicht man durch den 6 Bewertung 89 Einsatz der Oberfl chenmodifikation eine gewisse Unabh ngigkeit von den Prozess parametern Das Prozessfenster f r die Verarbeitung das gerade im Hinblick auf die Temperaturf hrung relativ klein ist kann durch die Oberfl chenmodifikation vergr Bert werden Durch die Behandlung mit Formiergas und Druckluftplasma bei Standardparametern VPlasma 20 mm s Ap asma 8 mm zeigt sich ein geringer Einfluss der Einspritzge schwindigkeit die durch die Schererw rmung Energie einbringt auf die Verbundfes tigkeit Selbst bei langsamen Einspritzgeschwindigkeiten k nnen nahezu identische Verbundfestigkeiten erzielt werden wie bei hohen Einspritzgeschwindigkeiten Wei terhin ist eine Unabh ngigkeit von der Massetemperatur erkennbar Allgemein kann f r die Verbundfestigkeit eine gewisse Unabh ngigkeit von den eingestellten Pro zessparametern erreicht werden Die Erw rmung der Kontaktoberfl che von PA6 bei den untersuchten kompatiblen Kombinationen durch das Plasma Vpiasma 20 mm s Ap asma 8 mm ist gering und liegt nur unwesentlich h her als die Glas bergangstemperatur Ta von PA6 Ein zu s tzlicher
59. e Arbeit entstand in den Jahren 2004 bis 2008 w hrend meiner T tig keit als wissenschaftlicher Mitarbeiter des Lehrstuhls f r Kunststofftechnik der Fried rich Alexander Universit t Erlangen N rnberg Mein erster Dank gilt Magnifizenz Ernst Schmachtenberg Rektor der RWTH Aachen und seinerzeit Inhaber des Lehrstuhls f r Kunststofftechnik Ihm m chte ich beson ders f r die Betreuung der Dissertation und das in mich gesetzte Vertrauen meiner ganzen Arbeit danken Herrn Prof Dr Ing Robert F Singer Inhaber des Lehrstuhls Werkstoffkunde und Technologie der Metalle danke ich f r die bernahme des Korreferates Herrn Prof Dr Ing Dr Ing E h mult Dr h c mult Manfred Geiger danke ich f r den Vorsitz des Pr fungskollegiums und f r die lehrreichen Diskussionen in den Gremien der Universit t sowie im Sonderforschungsbereich 396 Den Mitarbeitern des LKT danke ich f r Ihre Unterst tzung Meinen Freunden Herrn Dr Ing Ahmad Al Sheyyab und Herrn Dipl Ing Thomas M ller aus dem B ro EI danke ich f r den Zusammenhalt die Ermunterung und die Standfestigkeit in st rmi schen Zeiten Es war eine Freude an der Arbeit so exzellenter Wissenschaftler teil haben zu d rfen Ebenso m chte ich meinen Diplomanden Studienarbeitern und Hilfsassistenten D Bakula L Bazin S Gottauf M Gruhn B Klein H Kowalski K Mayer S Meister M Rosenbauer M Ernst M Geier G Schmidt A Grishin S Sevimli T Heinze M Kasseckert H
60. e Einrichtungen 4 2 Pr fk rperentnahme Die Probek rperentnahme erfolgte bei allen hergestellten und untersuchten Proben wie in Bild 4 3 gezeigt Durch das Werkzeug Verbundplatte wird eine 130 mm x 130 mm gro e Platte mit 4 mm Dicke hergestellt die sich aus der ersten Komponen te und zweiten Komponente mit jeweils Amm x 130 mm x 65 mm zusammensetzt Obwohl die Platte es erlaubt mehrere Probek rper zu entnehmen wurde auf Grund der pr ziseren Aussage immer nur eine 2K Zugprobe aus der Mitte der Platte mit den Abmessungen 10 mm x 4 mm x 130 mm entnommen Um keine Einfl sse durch undefinierte Spannungszust nde bei der mechanischen Pr fung zu haben wurde auf eine stumpfe Anbindung der zwei Materialien Wert gelegt Der Probenquerschnitt A ist f r beide Komponenten gleich vgl Formel 1 Pr fk rper 10 x 4 x 130 mm 130 mm 130 mm Amm Bild 4 3 Probek rpergeometrie und Entnahme der Probek rper 4 3 Aufbau In situ Temperaturmessung Jeder K rper der eine Temperatur hat die gr er ist als der absolute Nullpunkt T 273 16 C emittiert elektromagnetische Wellen und ist somit eine Strahlenquelle Die Spektralzusammensetzung und Intensit t der emittierten Strahlung ist abh ngig von der Temperatur des K rpers F r Oberfl chentemperaturen um 23 C liegt diese Strahlung im ultraroten oder infraroten Spektralbereich und kann mit geeigneten Messverfahren IR Messung detektiert werden Damit ist eine ber
61. e Steigerung der Prozessrobustheit und damit der Prozesssi cherheit Um variantenreiche Produkte in unterschiedlichen St ckzahlen herstellen zu k nnen m ssen neue Technologien zur rationellen Fertigung bereit stehen Die Kundenanforderungen bez glich Leichtbau und Funktionsintegration er ffnen dem Montagespritzgie sen dabei neue M glichkeiten Nur durch den richtigen Einsatz und die konsequente Weiterentwicklung dieser Methoden und Technologien ist eine rati onelle Fertigung realisierbar um so dem Kostendruck auszuweichen Zusammenge fasst gew hrleistet das Montagespritzgie en die Fertigung von Bauteilen mit Vortei len in Qualit t Zuverl ssigkeit sowie Zeit und Kostenaspekten Besonders interessante Aspekte ergeben sich beim Montagespritzgie en dadurch dass sich durch die Wahl der Werkstoffkombinationen Geometrie und Spritzgie pa rameter sowie durch erg nzende Verfahrensschritte gezielt die Eigenschaften der hergestellten Verbindungen einstellen lassen stoff form oder auch kraftschl ssig bis hin zu beweglich und flexibel Dabei muss zur Erzeugung stoffschl ssiger kom plexer und multifunktionaler Haftverbunde im Montagespritzgie en neben definierten Verarbeitungsbedingungen und der konstruktiven Gestaltung insbesondere die werk stoffliche Kompatibilit t der Materialien gew hrleistet sein Mit Hilfe chemischer Modi fikation z B Co Polymerisation oder physikalischer Oberfl chenbehandlung z B Plasma k nnen origin
62. ebliche Wirkung auf die Ausbildung der Verbundhaftung haben sind nach Kenntnisstand e die Temperatur in der Kontaktzone e und die Oberfl che der zu berspritzenden Komponente Temperatur Um die im Kontaktbereich der F gepartner vorherrschenden Temperaturen messen zu k nnen und damit bei der Erkl rung von Haftungsph nomenen im Montagespritz giessprozess hinzuziehbar sind m ssen Temperaturen optisch lokal In situ und zeitlich aufgel st w hrend des Spritzgie prozess direkt am Bauteil in der Kontaktzo ne der zwei Komponenten gemessen werden Oberfl che Damit der Einfluss der Oberfl chenbeschaffenheit auf die Haftung korrelierbar ist werden Oberfl chenanalysen mittels Kontaktwinkelmessung und ESCA Messung Elektronenspektroskopie zur chemischen Analyse durchgef hrt Die Messung des Kontaktwinkels l sst R ckschl sse auf die Oberfl chenspannungen sowie die Polari t ten in der Grenzfl che zu Unterst tzt werden die Analysen durch ESCA Messungen Diese Untersuchungsmethode wird eingesetzt um Oberfl chenmodifi kationen zu detektieren sowie den Aktivierungseffekt der von chemischen oder phy sikalischen Oberfl chenvorbehandlungen bewirkt wird nachzuweisen Spektroskopi sche und mikroskopische Methoden k nnen zur Charakterisierung der Oberfl che speziell zur Untersuchung der Rauheit und der Morphologie herangezogen werden Durch eine Plasmabehandlung kann die Oberfl che gezielt ver ndert werden um den Einflus
63. eit Einspritzgeschwindigkeit Bild 5 6 Verbundfestigkeit von plasmabehandeltem PA6 erste Komponente PA6GF25 zweite Komponente in Abh ngigkeit von Einspritzgeschwindigkeit und Nachdruck bei unterschiedlicher Massetemperatur der Kunststoffschmelze von PA66GF23 links 290 C rechts 310 C Werkzeugtemperatur konst 80 C aplasma 8 mm VPlasma 20 mm s Generell zeigt sich dass die Oberfl chenmodifikation eine Verbesserung der Ver bundhaftung unabh ngig von der Massetemperatur herbeif hrt Weiterhin wird eine Unabh ngigkeit von der Einspritzgeschwindigkeit erreicht Die Abnahme der Stan dardabweichung bei geringen Massetemperaturen l sst auf einen robusteren Prozess schlie en 5 2 Inkompatible Kombinationen Durch die Kombination von Kunststoff mit hohem E Modul den z B der technische Thermoplast Polymaid aufweist mit einem g nstigen und medienbest ndigen Ther moplasten wie Polyethylen innerhalb eines wirtschaftlichen Herstellprozesses erge ben sich interessante Eigenschaftskombinationen in multifunktionalen Verbunden Daher wurden in dieser Arbeit verschiedene Polyethylentypen LLDPE HDPE und LDPE verwendeten und mit zwei Polyamiden PA6 und PA66 kombiniert Durch die Verwendung von unterschiedlichen Polyethylentypen kann der Einfluss der unterschiedlichen Ausbildung von Seitengruppen bei PE auf die Aktivierbarkeit und damit auch die erzielbaren Verbundfestigkeiten untersucht werden Durch den Ein satz von zwei v
64. emperaturen im Spritzgie versuche nachge stellt so dass die Oberfl chenmodifikation lediglich durch die Temperatur und nicht durch das Plasma erzeugt wird Durch die Temperaturvorbehandlung ohne Plasma konnte allerdings kein Verbund zwischen den Polyethylenen und Polyamid erzeugt werden Somit kann der Einfluss der Temperatur des Plasmamediums auf die Verbundbildung zwischen inkompatiblen Kombinationen ausgeschlossen werden Wie aus Bild 5 25 zu erkennen ist entwickelt Formiergas die h chste und das NO Gemisch die niedrigste Temperatur Die Temperatur als Zeichen des Energiege halts des Plasmamediums korreliert hier mit der Einbringung von reaktiven bzw pola ren Gruppen vgl Bild 5 23 und erkl rt damit auch die gute Aktivierung der Oberfl che durch das Formiergas obwohl keine Sauerstoffanteile im Formiergas enthalten sind Bild 5 26 zeigt die erste Aufheizkurve von HDPE D nnschnitten die aus einer plas mabehandelten Oberfl che entnommen wurden exo O T AH g 6 unbehandelt 128 C 172 14 J g Druckluft 129 C 174 46 J g Formiergas 127 C 164 69 J g W rmestrom W g D 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Temperatur C Bild 5 26 DSC Kurven f r HDPE nach Behandlung mit versch Plasmamedien VPlasma 100 mm s ap asma 4 mm Die Schmelzenthalpie AHm der mit Druckluft behandelten Probe zeigt keinen signifi kanten Unterschied zur unbehandelten Probe Die mit Formiergas behandelte Probe 84
65. en Wechselwirkungen der beiden Komponenten in der Kontaktzone 87 Wechselwirkungen bzw Kr fte welche die Festigkeit der Grenzschicht und damit die Verbundhaftung bestimmen werden auch als Adh sionskr fte bezeichnet Diese Wechselwirkungen beruhen auf Intramoleku laren aber auch intermolekularen Wechselwirkungen 2 40 Die wirksame Bin dungsenergie ergibt sich aus der Differenz zwischen der Summe der Einzelenergien wenn sich die beteiligten Partner unendlich weit entfernt voneinander befinden und der Energie der beiden Partner wenn sie verbunden sind Bindungsarten lassen sich in chemische Bindungen Hauptvalenzbindungen und physikalische bzw zwi schenmolekulare Bindungen Nebenvalenzbindungen einteilen 32 Der dabei auf tretende Widerspruch zwischen den theoretisch berechneten Adh sionskr ften und den experimentell gemessenen Verbundfestigkeiten wird auf st rende Einfl sse im Festk rper zur ckgef hrt Schwachstellen in der Grenzfl chenschicht 41 2 3 2 Maschinenkonzepte Die zahlreichen Maschinenkonzepte f r Mehrkomponentenspritzgie maschinen werden haupts chlich durch die Anzahl und Anordnung der Einspritzeinheiten be stimmt Im Allgemeinen sind die Maschinen modular aufgebaut so dass Maschinen bett Hydraulik Schlie einheit Einspritzeinheit und Steuerung entsprechend kombi niert werden k nnen Kombinationskriterien sind konstruktive Anforderungen der Werkzeuge Platzbedarf Zug nglichkeit und der Einsatz von
66. en der 2 Komponente nach dem Core Back Verfahren realisiert Ein weiteres Merkmal des Werkzeuges ist die homogene Temperaturverteilung in beiden Formtei len Das Anspritzen der Formteile erfolgt ber einen frontalen Filmanguss 1 Kom ponente bzw einen umgelenkten Filmanguss 2 Komponente Gegen ber anderen Angussarten hat dies den Vorteil eines gleichm igeren Schmelzeflusses sowie einer besseren Entformbarkeit Weiterhin kommt es zu keinen eingepr gten Kr ften in der Kontaktzone weil die bereits im Herstellungsprozess auftretende entgegen gesetzte Schwindung der Komponenten zu keinem Spannungsaufbau f hrt Der Zyklusablauf sowie das Funktionsprinzip des Core Back Werkzeugs ist in Bild 4 2 dargestellt Einspritzen Spritzgie zyklus Ken Schieber einfahren EE Werkzeug schlie en amp ee er Einspritzen 1 Komponente Nachdruck amp A ne R Schieber eingefahren Zwischenk nhlzeit Einspritzen Schlie druckabbau Schieber ziehen 2 Komponente en Le Einspritzen 2 Komponente Nachdruck re K hlzeit en lem Werkzeug ffnen Entformen Schieber gezogen Bild 4 2 Spritzgie zyklus und Funktionsprinzip 2K Werkzeug Verbundplatte Die Kontaktgeometrie im Bereich in dem die zwei Kunststoffe sich verbinden ist stumpf ausgef hrt Durch eine geschickte Temperaturf hrung k nnen die Werkzeug h lften oben und unten getrennt temperiert werden 40 4 Experimentell
67. en in der Mittelebene der Gl ser liegt Dies erm glicht eine ge naue Untersuchung von gegenseitigen Temperatureinfl ssen der beiden Komponen ten In den Untersuchungen wurden die Messungen immer ber das mittlere IR Glas vorgenommen 4 3 3 Konzept der IR Temperaturmessung Kalibrierung In Vorversuchen wurde das temperaturabh ngige Emissionsverhalten der verwende ten Kunststoffe nachgewiesen und dargestellt Zur Kalibrierung wurde in einem be heizbaren Metallzylinder Kunststoffgranulat aufgeschmolzen und bei definierten Temperaturen gemessen mit Thermoelementen in der Abk hlkurve die Intensit t gemessen Die Verwendung des gleichen Werkzeugstahls als Zylindermaterial und gleiche geometrische Verh ltnisse Abstand Kamera Kunststoff sorgten f r ver gleichbare Bedingungen wie im Spritzgie werkzeug Aus den gemessenen Intensi t tsverl ufen konnten so Kalibrierkurven f r die zu erwartenden Temperaturen bis 330 C erstellt werden Diese werden f r die Umrechung der beim Spritzgie en ge messenen Intensit tsverl ufe in Temperaturen ben tigt Aufbereitung der In situ Messungen Wie aus Bild 4 6 bzw Bild 4 7 ersichtlich l sst sich die Bewegung und die Tempera tur der Schmelzefront w hrend des Einspritzvorgangs durch die IR Kamera verfolgen und messtechnisch auswerten Am Beispiel der Temperaturmessung von HAD soll das Messprinzip erl utert werden Die Kontaktfl che markiert die Linie an der die Schmelze der ersten Kompo
68. enberg E Hg Montagespritzgie en Formschluss Kraftschluss Stoffschluss Erlangen S 1 18 Ehrenstein G W Diaz L F Brocka Z Laich H 2004 Prozessoptimierte Herstellung fl chiger Hybridstrukturen Robuste verk rzte Prozessketten f r fl chige Leichtbauteile Arbeits und Ergebnisbericht 2002 2004 des SFB 396 Erlangen Schmachtenberg E Schuck M K hnert I 2007 Urformen und Montieren in einem Prozess In Kunststoffe Jg 97 H 4 S 24 31 Michaeli W 2006 Einf hrung in die Kunststoffverarbeitung 5 Aufl M nchen Hanser Verlag Schuck M K hnert I Schmachtenberg E 2008 Advanced Compatibility Matrices by Mulit Component Injection Moldung Process In SPE Hg ANTEC 2008 Proceedings Milwaukee USA S 349 353 Ehrenstein G W Hg 2004 Handbuch Kunststoff Verbindungstechnik M nchen Carl Hanser Verlag 8 Literaturverzeichnis 105 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 Jaeger A 2001 Kombinationen potenzieren das Leistungsverm gen In Kunststoffe Jg 91 H 10 S 91 94 K hnert l Schuck M Schmachtenberg E 2007 Zwei in Einem Montagespritzgielsen Neues Probek rper und Werkzeugkonzept In Plastverarbeiter Jg 58 H 8 S 36 38 Ehrenstein G W Ames der S Schuck M 2005 In Line Activation of Polymer Surfaces with Atmospheric Plasma leads to a Strong Bond in
69. ensit t der Oberfl chenmodi fikation durch die Plasmabehandlung bei Abst nden Aap asma lt 16 mm vgl Bild 5 19 an Im Vergleich zu unbehandelten Proben steigt der Wert der Oberfl chenspannung bei der am wenigsten intensiven Behandlung Aap asma 16 mm auf das Doppelte an Wie aus vorhergegangenen Versuchen bekannt wird dabei die Oberfl chenspannung des benetzenden Partners PA6 berschritten Damit ist eine gute Benetzung bzw Erh hung der Adh sionsarbeit gegeben F r HDPE und LLDPE zeigt sich kein aus gepr gtes Plateau wie bei LDPE und bersteigt bei HDPE und der intensivsten Be handlung sogar den m glichen Messbereich Bei HDPE und LDPE bildet sich allerdings zwischen 12 mm und 16 mm Behand lungsabstand eine deutliche Senkung der Oberfl chenspannung aus Dies korreliert mit dem Verhalten der Verbundfestigkeit wo ebenso ein ausgepr gter Verlust an Verbundfestigkeit zu sehen ist 78 5 Untersuchungsergebnisse m Druckluft A Formiergas o NO Gemisch m Druckluft A Formiergas 0 NO Gemisch m Druckluft A Formiergas 0 NO Gemisch Oberfl chenspannung OFS mN m Oberfl chenspannung OFS mN m Oberfl chenspannung OFS mN m OFS HDPE unbehandelt OFS LLDPE unbehandelt 4 8 12 16 4 8 12 16 4 8 12 16 Abstand Plasmabeh mm Abstand Plasmabeh mm Abstand Plasmabeh mm Bild 5 19 Oberfl chenspannung oa von PE f r versch Plasmamedien in Abh n
70. eproduzierbaren Verbundfestigkeiten f r alle verwendeten Plasmamedien erzielbar sind Bei diesem Abstand ist auf Grund der Reichweite des entstehenden Plasmas keine typische Verf rbung der Entladungen erkennbar 76 5 Untersuchungsergebnisse Alle PE PA6 Verbunde zeigen ab einem Behandlungsabstand von 12 mm gleich welches Plasmamedium zum Einsatz kam eine Verringerung der Verbundfestigkeiten vgl Bild 5 17 Das Plasmamedium mit dem meisten Sauerstoffanteil NO Gemisch 50 Stickstoff und 50 Sauerstoff weist dabei den geringsten Abfall auf Deutlich ist auch zu er kennen dass ein ausgepr gter S ttigungseffekt entsteht vgl Bild 5 17 Bei Unter schreitung eines bestimmten Behandlungsabstands f r HDPE und LDPE sind es 8 mm bei LLDPE liegt die Grenze bei 12 mm kann eine Erh hung der Verbundfes tigkeit trotz der Zunahme der Intensit t der Oberfl chenmodifikation nicht festgestellt werden Diese Grenze ist je nach Plasmamedium und behandelter Polyethylenober flache mehr oder weniger ausgepr gt LLDPE PA6 LZA Druckluft NN Formiergas X NO Gemisch HDPE PA6 LZA Druckluft NN Formiergas DS NO Gemisch LDPE PA6 LZA Druckluft NN Formiergas X NO Gemisch Verbundhaftung N mm Verbundhaftung N mm Verbundhaftung N mm 12 16 8 12 16 Abstand Plasmaben mm Abstand Plasmaben mm Abstand Plasmaben mm Bild 5 17 Verbundfestigkeit von oberfl chenmodifizierten PE erste Komponente PA6 zweite Kompo
71. erhin in polare und dispersive Anteile o bzw o unterscheidet wird die Grenzfl chenspannung nach der Methode des har monischen Mittels bestimmt 12 Neumann l sst bei seiner Bestimmung der Grenz flachenspannung die polaren Anteile der Oberfl chenspannung unber cksichtigt 51 9 D D P P On OO OR O Wu Dap Oa t Og 4 SE e D D P P Og tO Og trO 2 Neumann Ong Oa 0 2 0 05 e V PEAR 6 Zur Ermittlung der polaren und dispersiven Anteile der Oberfl chenspannungen ist es allerdings n tig die Messung mit mindestens zwei Testfl ssigkeiten durchzuf h ren 54 93 Die Oberfl chenspannung von Fl ssigkeiten oder hochviskosen Stoffen kann direkt mit der Stempel Methode gemessen werden Dabei wird die Pr ffl ssigkeit auf einen vergoldeten Stempel aufgebracht bzw ein Granulatkorn auf dem Stempel unter Iner tatmosph re zur Verhinderung von Abbaureaktionen aufgeschmolzen Durch das Kr ftegleichgewicht zwischen Oberfl chenspannung und der auf die Fl ssigkeit wir kenden Schwerkraft bildet sich eine spezifische Tropfenkontur aus Bild 2 8 Bild 2 8 Stempel Methode zur Bestimmung von O5 Durch die Kontur und die Dichte kann die Oberfl chenspannung Og mittels der Young Laplace Gleichung bestimmt werden vgl Formel 7 18 2 Grundlagen Ap g h SH ee 7 D Ta Die polaren Anteile der Oberfl chenspannung ndern sich in hnlichem Ma e mit der Temperatur wie die Gesamtoberfl chenspannung
72. erschiedenen Polyamiden sollen Prognosen zur bertragung von Ergebnissen auf chemisch hnliche Materialien zul ssig sein 66 5 Untersuchungsergebnisse 5 2 1 Verarbeitung In situ Temperaturmessung In Vorversuchen hat sich gezeigt dass keine stoffschl ssige Verbindung trotz der Variation der Einspritzreihenfolge und der Prozessparameter zwischen den ausge w hlten Materialien ohne Vorbehandlung m glich ist Es best tigen sich die Annah men dass eine stoffschl ssige Verbindung alleine durch die Prozessparametervaria tion oder durch die nderung der Einspritzreihenfolge nicht zu erreichen ist Auf eine In situ Temperaturmessung wurde daher verzichtet da bei dieser inkompatiblen Kombination das Kompatibilit tsprinzip Temperatur keine Erkl rung f r die Verbund haftung liefern kann 5 2 2 Oberfl chenmodifikation Plasmabehandlung Trotz einer Plasmabehandlung des Polyamids erste Komponente und anschlie en dem Anspritzen des Polyethylens zweite Komponente ist kein haftfester Verbund erzielbar Auch durch die Variation der Prozessparameter kann keine Anhaftung der beiden Komponenten erreicht werden Die Umkehrung der Einspritzreihenfolge er m glicht es jedoch in allen sechs Kombinationsm glichkeiten Polyethylen und Poly amid haftend miteinander zu verbinden 5 2 2 1 Einfluss der Maschinen und Prozessparameter Prozessparameter Um den Einfluss der Spritzgie prozessparameter auf die Verbundhaftung bei der Oberfl chenm
73. est tigen auch die Oberfl chen spannungen nach Wu Die polaren Gruppen des Polyethylens k nnen damit auch in eine Wechselwirkung mit den inh rent vorhandenen polaren Gruppen des Polya mids treten Weiterhin best tigen sich die Reaktionsm glichkeiten die unter 3 2 auf gef hrt sind Bei der Oberfl chenmodifikation durch Plasma kommt es zu einer Inser 6 Bewertung 93 tion von Sauerstoff in eine der vorliegenden Bindungen von Polyethylen C H bzw C C Dabei ist es unabh ngig durch welches Plasmamedium die Oberfl chenmodifika tion erfolgt Ob die Umgebungsatmosph re in der die Behandlung stattfindet einen Einfluss auf die Verbundfestigkeit hat l sst sich nicht eindeutig kl ren Zwar kann die Behand lung der Oberfl chen in einer Inertatmosph re erfolgen jedoch kommt die Oberfl che zwangsl ufig bei der Messung der Oberfl chenspannung bzw dem berspritzen in der Spritzgie maschine mit normaler Luftatmosph re in Kontakt Es muss ange nommen werden dass bei diesem Kontakt sauerstoffhaltige reaktive Gruppen in der Oberfl che eingebaut werden Dies l sst auch die ESCA Messung vermuten Insge samt zeigt die Oberfl chenspannung dabei kaum eine Ver nderung auf Die polaren Anteile der Oberfl chenspannung der in Stickstoffatmosph re behandelten Proben zeigen jedoch eine signifikante Erh hung Die ESCA Messungen weisen allerdings geringere O C Verh ltnis auf Eine eindeutige Aussage kann nur dann erfolgen wenn es z B
74. et wie sie auch als Konstruktionswerkstoff im Automobilbereich eingesetzt werden Das verst rkte Polyamid hat dabei einen Kurzglasfaseranteil von 25 Vol Die in dieser Arbeit verwendeten Kurzbezeichnungen sowie Handelsnamen Herstel ler und die wichtigsten Materialkennwerte sind in Tabelle 3 1 aufgef hrt Kurzbezeichnung pe PA PA66GF25 F25 Ultramid B3 Ultramid A3K E A3EG5 Fa BASF Fa BASF Fa BASF en SES Schmelzeindex l Zug E Modul tr If N mm 3000 1100 3000 1100 8600 6500 Streckspannung tr If N mm 90 45 85 50 175 120 Streckdehnung rt Schmelztemperatur C BCS Glas bergangs e C temperatur Wasseraufnahme o Wasser Normklima Ke Tabelle 3 1 Kurzbezeichnung und Materialkennwerte der untersuchten Polyamidwerkstoffe tr trocken If luftfeucht ER 3 Werkstoffe und Materialkombinationen Die chemische Struktur der verwendeten Polyamide ist in Bild 3 1 dargestellt Polya mid besitzt einen polaren Charakter und dank der zwischenmolekularen Wasser stoffbr ckenbindungen die aus der hohen Affinit t benachbarter Sauerstoff und Wasserstoffatome resultieren eine gro e Z higkeit 1 2 3 Ai H H H Seek f N CH J a n n Polyamid 6 Polyamid 66 Bild 3 1 Chemische Struktur der Polyamide 3 Polyurethan Elastomere Thermoplastische Polyurethan Elastomere TPU geh ren zur Gruppe der Thermo plastischen Elastomere TPE die in ihrem Makromolek l thermoplastische und elast
75. f r Kunststofftechnik Tel 49 9131 85 2 97 00 Am Weichselgarten 9 Fax 49 9131 85 2 97 09 D 91058 Erlangen Tennenlohe
76. f K LEHRSTUHL F R KUNSTSTOFFTECHNIK Marcus Schuck Kompatibilit tsprinzipien beim Montagespritzgie en Technisch wissenschaftlicher Bericht Friedrich Alexander Universit t Erlangen N rnberg m Kompatibilit tsprinzipien beim Montagespritzgie en Titel der Arbeit Technische Fakult t der Universit t Erlangen N rnberg zur Erlangung des Grades DOKTOR INGENIEUR vorgelegt von Dipl Ing Marcus Schuck Erlangen 2009 Als Dissertation genehmigt von der Technischen Fakult t der Universit t Erlangen N rnberg Tag der Einreichung 19 12 2008 Tag der Promotion 04 05 2009 Dekan Prof Dr Ing habil Johannes Huber 1 Berichterstatter Prof Dr Ing Ernst Schmachtenberg 2 Berichterstatter Prof Dr Ing Robert F Singer Marcus Schuck Kompatibilit tsprinzipien beim Montagespritzgie en technisch wissenschaftlicher Bericht Als Dissertation genehmigt von der Technischen Fakult t der Friedrich Alexander Universit t Erlangen N rnberg M Schuck Kompatibilit tsprinzipien beim Montagespritzgie en Herausgeber Lehrstuhl f r Kunststofftechnik Prof Dr Ing Ernst Schmachtenberg Universit t Erlangen N rnberg Am Weichselgarten 9 91058 Erlangen Tel 09131 8529700 Fax 09131 8529709 Lehrstuhl f r Kunststofftechnik Erlangen 2008 ISBN 978 3 931864 44 6 Copyright 2009 by Lehrstuhl f r Kunststofftechnik Alle Rechte vorbehalten All Rights Reserved Vorwort Die vorliegend
77. formationstiefe ver ndert werden Der Einfall winkel betrug bei den vorliegenden Analysen 45 F r den praktischen Gebrauch stehen Bindungsenergietabellen und Spektrenkatalo ge funktioneller Gruppen zur Verf gung die bei der Interpretation der Spektren zu Rate gezogen werden k nnen vgl Tabelle 4 7 Bindungsenergie Tabelle 4 7 Bindungsenergien funktioneller Gruppen 19 Die Auswertung der aufgenommenen Spektren erfolgt ber ein bersichts und ein Bereichsspektrum Ersteres gibt Aufschluss ber die Zusammensetzung der Oberfl che und wird ber einen gro en Energiebereich 0 eV bis 800 eV gemessen Da in einem bersichtsspektrum die Bindungsverh ltnisse bedingt durch die im allgemei nen geringe energetische Aufl sung schwierig zu ermitteln sind werden an Hand der bersichtsspektren die Energiebereiche f r die Einzelspektren Bereichsspektren festgelegt Diese energetisch h her aufgel sten Spektren eignen sich sowohl f r die qualitative Analyse als auch zur Bestimmung der chemischen Verschiebung welche R ckschl sse ber den Bindungszustand der detektierten Signale zul sst Die ESCA 58 4 Experimentelle Einrichtungen erm glicht somit eine qualitative und quantitative chemische Analyse von funktionel len chemischen Gruppen die f r die Verbundbildung wichtig sind Die Verschiebung der Emissionsspektren die sich durch die positive Aufladung der Oberfl che ergibt kann auf den Intensit tspeak des C1s Orbi
78. fschl ssigen Verbundbildung nennen 11 2 5 1 KON AS On en EE 12 2 9 2 Areler lee EE 12 2 6 Oberfl chenmodifikation Plasmatechnologie nennen 18 2 6 1 Elektrische Verfahren ass aussen innen 18 2 6 2 Erze g ng von DEE E 19 2 6 3 Eigenschaften von GE nl EE 22 2 6 4 Oberfl chenmodifikation durch Dlaemen nennen 23 2 7 Einflussgr en auf die Verbundbildung in der Kontaktzone onen 25 2 7 1 Vu ek E 26 2 1 2 BR le TEE 26 Sec Oberfl chenmodifikation AA 27 2 8 Zusammenfassende Bewertung des Kenntnisstandes nenne nenne 30 3 Werkstoffe und Materialkombinationen nennen ennnnnn nennen nennen 31 SE Werkstoffe f r das Montagesprtzoielien nennen nennen nennen nennen 31 3 121 kompatible Materialkombinationen Rene nenne nenne nenne nnnn ann nnnne nennen 34 3 1 2 inkompatible Materialkombinationen 0000 ennnn nenne nenn nenn ann nnnnn nennen 35 3 2 Pldasmamedlens dee ee 35 4 Experimentelle Einrichtungen Versuchsdurchf hrung und auswertung een 38 4 1 elle EE 38 4 1 1 elle Daer ll 38 4 1 2 SPIIZGIEBWETKZEUG een einen 38 4 2 S Neies ui un EE 40 4 3 Aufbau In situ TemperaturmMeSsung sss1rnensrrrrrrrsrrrrrsrrrrnrnrnrsrrrrnrntrrrrrnsnrrrnnrrnnnrnennnnen 40 4 3 1 IRK AIMO EE 41 4 3 2 Werkzeugaufbau IHRkamera A 42 4 3 3 Konzept der IR Temperaturmessung 0000 nnnno nenne nenne nnnnnnnn nenne nenn 44 T 8 9 IV Inhaltsverzeichnis 4 4 EEN egene i UNG EE 47 4 4 1 OpenAir Plasma EE 47 4 4 2 Externe Plasmabehandlung
79. g Kraftschluss entsteht durch die Anwendung von Kraft welche durch geeignete Spannung erzeugt wird Hierzu z hlen z B Druck oder Reibungskr fte die durch geeignete Spiel oder Presspassungen bestimmte Kr fte oder Momente bertragen Dazu wird bei der Erzeugung der Verbunde gezielt die unterschiedliche Schwindung der einzelnen Werkstoffe genutzt 85 87 Um eine stoffliche Verbindung zu vermei den ist eine werkstoffliche Inkompatibilit t erw nscht zudem sind Temperatur und Druck im Kontaktbereich so einzustellen dass ein lokales Aufschmelzen und Defor mationen vermieden werden 85 86 88 Durch geeignete Materialpaarung lassen sich Kriterien wie Materialunvertr glichkeit Prozesskompatibilit t und tribologische Eigenschaften wie Reibung und Verschlei beeinflussen 85 871 2 3 1 3 Stoffschl ssig Um eine stoffschl ssige Verbindung im Spritzgie prozess zwischen zwei Komponen ten zu realisieren muss eine Kompatibilit t der beiden F gepartner gew hrleistet sein 87 Origin r inkompatible Werkstoffe k nnen durch chemische Modifikation z B Co Polymerisation oder durch physikalische Oberfl chenbehandlung z B Plasma stoffschl ssig gef gt werden 51 87 Wichtige Prozessparameter des Spritzgie prozesses wie Massetemperatur Nachdruck Einspritzgeschwindigkeit oder K hlzeit des Vorspritzlings beeinflussen die Verbundhaftung ma geblich 54 85 871 8 2 Grundlagen Stoffschl ssige Verbindungen beruhen auf stark
80. g von polaren Gruppen an der Oberfl che die eine Wechselwirkung zwischen dem origin r inkompatiblen und unpolaren Polyethylen und dem von Haus aus polaren Polyamid erm glichen Der Abfall der Oberfl chenspannungen zwischen 12 und 16 mm ist f r das Plasmamedium Druckluft sehr gut zu erkennen Dies korreliert mit der Verbund festigkeit der vorhergegangenen Versuche Einfluss der Umgebungsatmosph re Um die Haftungsmechanismen zwischen den origin r inkompatiblen Materialien auf zukl ren wurde weiterhin der Einfluss der umgebenden Atmosph re auf die Oberfl chenmodifikation speziell auf die Einbringung von reaktiven oder polaren Gruppen in die Oberfl che untersucht Dabei wurden die Spritzgie prozessparameter konstant gehalten und die Plasmabehandlung in Inertgasatmosph re hier Stickstoff durchge f hrt Die Plasmabehandlung fand in einer eingehausten externen Plasmavorbehand lungsstation statt Danach wurde entweder der Kontaktwinkel zur Bestimmung der Oberfl chenspannung untersucht oder der Vorspritzling in das Versuchswerkzeug transferiert und mit PA6 berspritzt Dabei wurde darauf geachtet dass die Zeit zwi schen Oberfl chenmodifikation und Messung bzw Verarbeitung so klein wie m glich gehalten wurde Bei den gemessenen Verbundhaftungen gab es keine Abweichung im Vergleich zu den unter normaler Umgebungsluftatmosph re hergestellten Proben Wie in Bild 5 21 dargestellt ndert sich die Oberfl chenspannung oa kaum un
81. gemeinsamen Fertigungsprozess Die an einen Sechs Achs Knickarmroboter adaptierte Plasmaanlage erm glicht dabei eine reproduzierbare Plasmabehandlung eines Formteils in der 2K Spritzgussmaschine zwischen zwei Einspritzvorg ngen Zur Formgebung wurde das unter 4 1 2 beschriebene Werkzeug benutzt Durch den Roboter ist es m glich den Vorspritzling reproduzierbar mit definierter Geschwindigkeit und definiertem Abstand zu behandeln vgl Bild 4 11 Herstellen des Plasmabehandlung Aufspritzen der Vorspritzlings im Werkzeug 2 Komponente Abstand SZ Probek rper u freigestellter e wel 1 Komponente Vorspritzling e Vosne d mm Bild 4 11 Zyklus der In Line Plasmabehandlung beim Spritzgie en 50 4 Experimentelle Einrichtungen Im Spritzgie zyklus wie in Bild 4 11 dargestellt wird im ersten Schritt der stumpfe Vorspritzling 1 Komponente gefertigt Danach wird das Werkzeug ge ffnet und ber das Ziehen des Kerns bzw Schiebers der Vorspritzling freigestellt An der Kon taktfl che wird die Plasmavorbehandlung bei ge ffneter Maschinent r im Werkzeug durchgef hrt Die Verfahrgeschwindigkeit des Roboters und damit die Behandlungsgeschwindig keit des Plasmas VPpiasma l sst sich im Bereich zwischen 1 mm s und 100 mm s variie ren Eine Geschwindigkeit von 20 mm s entspricht bei dem gegebenen Durchmes ser des Plasmastrahls von 20 mm einer Behandlungsdauer von 1 Sekunde Der Abstand ap asma Zur behandelten Oberfl che wird durch die
82. gigkeit des Behandlungsabstands links HDPE mitte LDPE rechts LLDPE Ein deutliches Abweichen in der Oberfl chenspannung zwischen den verschiedenen Plasmamedien ist lediglich bei LLDPE ausgebildet Der Kurvenverlauf der Oberfl chenspannungen f r die mit Formiergas behandelten LLDPE Oberfl chen zeigt einen deutlicheren Anstieg als die Oberfl chenspannung der beiden anderen Plasmame dien Die Untersuchung der polaren Anteile zeigt dass schon bei geringem Abstand von Aplasma 16 mm ein deutlicher Anstieg im Vergleich zur unbehandelten Probe zu erreichen ist vgl Bild 5 20 60 HDPE polarer Anteil LDPE polarer Anteil LLDPE polarer Anteil E j E w 40 CG i Be i O O VR O S S E Ze ek 5 30 3 A e a Druckluft z 3 20 Druckluft Ze A Formiergas Zu a Druckluft S A Formiergas S o NO Gemisch S A Formiergas Ki 10 0 NO Gemisch K E o NO Gemisch 2 IT 4 8 12 16 4 8 12 16 4 8 12 16 Abstand Plasmabeh mm Abstand Plasmabenh mm Abstand Plasmabeh mm Bild 5 20 polare Anteile der Oberfl chenspannung oa von PE f r versch Plasmamedien links HDPE mitte LDPE rechts LLDPE 5 Untersuchungsergebnisse 79 Die Behandlung mit einem Abstand von 20 mm ergibt dagegen die gleichen polaren Anteile der Oberfl chenspannung wie unbehandelte Proben Der starke Anstieg der polaren Anteile der Oberfl chenspannung oa ist ein Hinweis auf die Ausbildun
83. gkeit wird eine Erh hung der Verbundfestigkeiten erreicht Bild 5 4 links unten Auch die Werkzeugtemperatur hat nur einen geringen Einfluss auf die Ver bundhaftung Erst durch eine zunehmende Massetemperatur wird durch die Erh hung der Werkzeugtemperatur eine leichte Steigerung der Verbundfestigkeit erreicht Insgesamt bewegen sich die Verbundhaftungen auf gleichem Niveau Die Untersuchungen mit der IR Kamera zeigen dass sich bei einem normierten Ab stand von 1 mm zur Kontaktebene in der ersten Komponente die Temperaturen nach Einspritzen der zweiten Komponente je nach gew hlter Massetemperatur einstellen vgl Bild 5 5 Einspritzgeschwindigkeit 60 mm s Einspritzgeschwindigkeit 80 mm s 20 20 E o Massetemperatur 170 C m o Massetemperatur 170 C Massetemperatur 185 C Massetemperatur 185 C 154 4 Massetemperatur 200 C 15 4 4 Massetemperatur 200 C Z Z O O 10 ze ge 4 5 10 E e E C C P 2 5 gt gt L O PA6 TPU L O PA6 TPU 0 160 170 180 190 0 160 170 180 190 Temperatur C in Abstand 1 mm Temperatur C in Abstand 1 mm zur Kontaktebene zur Kontaktebene Einspritzgeschwindigkeit 100 mm s 20 E Oo Massetemperatur 170 C Massetemperatur 185 C d 154 4 Massetemperatur 200 C Z 3 10 Werkzeugtemperatur 40 C Werkzeugtemperatur 50 C 5 Werkzeugtemperatur 60 C 0 gt 0 0 160 170 180 190 Temperatur C in Abstand 1 mm zur Kontaktebene Bild 5 5 Temperatu
84. glatten oder polierten Oberfl chen eine Haftung erzielt werden kann 32 45 Der rein mechanischen Adh sion wird nur geringe Bedeutung zugemessen 41 2 5 2 2 Spezifische Adh sion Da Adh sion nicht nur ein mechanisches Ph nomen ist wurde der Begriff der spezi fischen Adh sion erg nzend zur mechanischen Adh sion eingef hrt 30 Die spezi fische Adh sion unterscheidet zwischen physikalischen chemischen oder thermo dynamischen Wechselwirkungen der beiden Grenzfl chen Der Wirkungsbereich der Adh sionskr fte ist kleiner als 1 nm 46 471 14 2 Grundlagen Die spezifische Adh sion beinhaltet sechs verschiedene Theorieans tze e Chemisorption e Elektrostatische Theorie e Weak Boundary Layer Modell e Diffusionstheorie e Adsorptionstheorie e Polarisationstheorie Chemisorption Bei der Chemisorptionstheorie wird angenommen dass sich zwischen den Grenz schichten chemische Bindungen ausbilden Bei Metallklebungen konnten chemische Bindungen experimentell nachgewiesen werden wohingegen dieser Nachweis bei Kunststoff Kunststoff Verbunden bisher noch nicht gelungen ist 46 Elektrostatische Theorie Nach Derjaguin kommt es in der Grenzfl che zur Bildung einer elektrischen Doppel schicht wodurch zwischen den F gepartnern Adh sionskr fte entstehen 48 Diese elektrische Doppelschicht entsteht durch das Streben nach thermodynamischem Gleichgewicht in der Grenzfl che Die Potentialdifferenz beider Kontaktpartner wird
85. heint der Einfluss bei LDPE am deutlichsten ausgebildet zu sein wogegen LLDPE eine gro e Robustheit gegen ber der Oberfl chenmodifikation besitzt Dies k nnte ein Hinweis darauf sein dass beim stark verzweigten LDPE nur wenige Ketten modifiziert werden k nnen wogegen beim LLDPE die Molek lketten gut f r das Plasma erreichbar sind 5 2 2 2 Einfluss des Plasmamediums Um die Oberfl chenmodifikation des Polyethylens bzgl verschiedener Aktivierungs mechanismen die mit der Wahl des Plasmamediums einhergehen zu untersuchen vgl 3 2 wurden unter Beibehaltung der sich als robust erwiesenen Spritzgie pro zessparameter der zweiten Komponente verschiedene Gase eingesetzt Zus tzlich wurde noch die Behandlungsgeschwindigkeit Vpiasma Und der Abstand Ap asma variiert Die Ergebnisse der mechanischen Pr fung ergeben bei allen Kombinationen ein L sen in der F gezone Kontaktebene der Verbunde Bei einem Behandlungsab stand ap assma Von 12 mm zeigen sich f r die verschiedenen Verbunde von PE mit PA Unterschiede im Verhalten der Verbundfestigkeit Wie in Bild 5 11 links zu erkennen zeigt sich bei HDPE PAG bei Verwendung von Druckluft als Plasmamedium der schon aus vorhergehenden Versuchen bekannte Abfall der Verbundfestigkeit bei Erh hung der Behandlungsgeschwindigkeit Vpjasma Variation der Behandlungsgeschwindigkeit Vpiasma HDPE PA6 Plasmamedium CZA Druckluft NN Formiergas LDPE PA6 Plasmamedium CZA Druckluft NN Formierg
86. hlt Die wichtigsten Daten der Kamera sind Tabelle 4 1 zu entnehmen Aufl sung N bei 21 mm Messfl che 50 Bilder pro Sekunde Messbereich Deere 2 9 um bis 5 4 um Temperaturmessbereich 40 C bis 500 C 40 40 Chi bis 500 C Tabelle 4 1 charakteristische Daten der IR Kamera PtSi 256M 11 Das PtSi Detektorelement funktioniert wie eine Fotodiode d h sein elektrischer Widerstand ver ndert sich wenn IR Strahlung mit der entsprechenden Wellenl nge einf llt Die ermittelte Intensit t der Strahlung h ngt davon ab wie viel Strahlung pro Zeiteinheit detektiert wird ber die Intensit t ist es m glich die Temperatur zu bestimmen Der hier vorliegende Detektor ist ein so genannter Focal Plane Array Detektor FPA bestehend aus einer Anordnung von mehr als 65 000 einzelnen Platin Silizid PtSi Sensoren in einer Matrix von 256 x 256 Elementen Der Abstand Apixe Zwischen den einzelnen Elementen betr gt 40um Der Detektor der PtSi 256M wird von einem so genannten Stirling Mikrok hler auf eine Temperatur von 77 K 42 4 Experimentelle Einrichtungen 196 C gebracht Dies ist n tig um St reinfl sse die von der eigenen IR Strahlung der Kamera ausgehen so gering wie m glich zu halten Das eigentliche PtSi Detektorarray ist ber Mikrok gelchen aus Indium mit einem dar berliegenden Auswertesiliziumchip verbunden Bild 4 4 rechts Der Indium Kugel Mittenabstand betr gt 40um was eine kompakte Bauweise des Detektors
87. ichnungen und wichtigsten Kennwerten sind in Tabelle 3 3 aufgef hrt Kurzbezeichnung LDPE LLDPE Lupolen 4261 Lupolen 1800S LL 6301XR Fa Basell Fa Basell Fa Exxon Dichte g cm Schmelzeindex MFR 190 2 16 Zug E Modul N mm g 10 min Streckspannung Nimm Streckdehnung K l emperatur Tabelle 3 3 Kurzbezeichnung und Materialkennwerte der untersuchten Polyethylenwerkstoffe HDPE High Density Polyethylen LDPE Low Density Polyethylen LLDPE Linear Low Density Polyethylen 34 3 Werkstoffe und Materialkombinationen Der Verzweigungsgrad der bei den Polyethylene durch die Zahl der Seitenkette pro 1000 Hauptkettenatome bestimmt ist beeinflusst ma geblich die Eigenschaften des Kunststoffs Langkettige Polyethylene z B LDPE zeichnen sich durch niedrige Dichte reduzierte Kristallinit t und Festigkeit aber erh hte Z higkeit aus 2 Die chemische Struktur von Polyethylen ist in Bild 3 3 abgebildet TI L E Bild 3 3 Chemische Struktur von Polyethylen 2 Vor allem beim strauchartig verzweigten LDPE treten seitenst ndige Methylgruppen R CH3 und Langkettenverzweigungen ca 0 5 bis 5 je 1000 C Atome auf Dage gen ist das HDPE linear aufgebaut und es sind nur wenige Kurzketten ca 4 bis 10 pro 1000 C Atome vorhanden Das LLDPE ist ebenso linear aufgebaut weist aber viele Kurzketten ca 10 bis 35 pro 1000 C Atome auf 1 3 1 1 kompatible Materialkombinationen Um den Einfluss der Temperatur
88. ie Verschlechterung der Verbundfestigkeit verbun den Die Untersuchung der Ver nderung der Oberfl chenrauheit der Polyethylene nach der Oberfl chenmodifikation durch Plasma zeigt ein uneinheitliches Bild vgl Bild 5 15 0 4 0 4 2 a Druckluft a Druckluft o 0 3 A Formiergas on A Formiergas N 0 3 0 2 D 0 2 Kez c Be gt gt gt 0 1 D 0 1 E C C ab 5 0 0 O 0 0 Op H H T C Be 2 2 Hl a Druckluft O 0 2 x gt 0 2 4 A Formiergas 2 3 LLDPE lt 0 3 lt 0 lt 0 3 20 mm s 100 mm s 20 mm s 100 mm s 20 mm s 100 mm s Plasmageschwindigkeit Plasmageschwindigkeit Plasmageschwindigkeit Bild 5 15 Abweichung der fl chigen mittleren quadratischen Oberfl chenrauheit Sa Wei lichtinterferometer der Polyethylene nach Plasmabehandlung f r versch Plasmamedien links HDPE mitte LDPE rechts LLDPE F r HDPE und LDPE zeigt die Plasmabehandlung mit hoher Intensit t geringe Be handlungsgeschwindigkeit eine Einebnung der Oberfl che Dies zeigen auch Rau heitsmessungen mittels AFM vgl Bild 5 16 exemplarisch HDPE Besonders deut lich ist die Einebnung bei Behandlung mit Formiergas und Vpiasma 20 mm s zu er kennen Dagegen f hrt die Behandlung mit geringer Intensit t zu einer Aufrauung der Oberfl che Die Entwicklung der Oberfl chenrauheit von LLDPE ist durch die hohe Standardabweichung f r die Behandlung mit niedriger Intensit t nicht sehr aussage
89. iefe der Temperatur sowie die H he der Temperatur entscheidend f r die Verbundhaftung vgl Bild 6 1 Mit zunehmender Tiefe der durch die zweite Komponente erw rmten Zone der ersten Komponente und H he der Temperatur in dieser Zone geht eine Zunahme der Verbundfestigkeit ein her Dies gilt f r die untersuchten gleichartigen Materialien PA6 PA66GF25 PA6GF25 in st rkerem Ma als f r die Kombination unterschiedlicher Materialien PA6 TPU N O O O Gu O pe rl E O N O 182 C 121905 175 C 0 O PA6 TPU _ O Verbundhaftung N mm LA O x PA6 PA66GF25 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 Abstand Temperatur Eindringtiefe von Trennebene mm Bild 6 1 Verbundfestigkeit in Abh ngigkeit der gemessenen Eindringtiefe und dort detektierter Temperatur f r verschiedene Kombinationen 88 6 Bewertung Die Erkl rung der Verbundbildung durch die Diffusionstheorie besagt dass eine ausreichend molekulare Bewegung in der Verbundzone erforderlich ist um die Inter diffusion zu erm glichen Die Temperatur in der Kontaktzone muss zumindest die Glastemperatur T des Vorspritzlings PA6 berschreiten Durch die Messung mit tels IR Kamera kann nachgewiesen werden dass T berschritten wird Dar ber hinaus zeigen die Messungen auch die Erw rmung der ersten Komponente bis zu einem Abstand von 3 mm bezogen auf die Kontaktfl che Phasengrenzfl che sowie die Ausbildung einer Verbundzone In dieser Verbundz
90. ii S S 1963 Autohesion and Adhesion of High Polymers New York London Sydney John Wiley amp Sons 8 Literaturverzeichnis 103 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 Voyutskii S S 1971 Some Comments on the Series of Papers Interfacial Contact and Bonding in Autohesion In Journal Adhesion S 69 76 Vollmert B 1988 Grundri der makromolekularen Chemie Karlsruhe Verlag E Vollmert Utracki L A 1989 Polymer Alloys and Blends M nchen Wien Carl Hanser Verlag Busscher H J van Pelt A W J Boer P de Jong H P de Arends J 1984 The Effect of Surface Roughening of Polymers on MEasured Contact Angels of Liquids In Colloids and Surfaces Jg 9 S 319 331 Neumann A W Spelt J K 1996 Applied Surface Themodynamics New York Marcel Dekker Inc Greenwood O D Boyd R D Hopkins J Baydal J P S Hydrophobic recovery of repeatedly plasma treated silicone rubber Polymer Surface Modification Relevance to Adhesion S 17 32 Menges G Michaeli W Mohren P 1999 Anleitung f r den Bau von Spritzgie Werkzeugen 5 v llig berarbeitete Auflage M nchen Carl Hanser Verlag Liston E M Martinu L Wertheimer M R Plasma surface modification of polymers for improved adhesion a critical view Polymer Surface Modification Relevance to Adhesion S 3 39 Bischof C Bauer A Leonhard
91. ild 4 3 vorbereitet und getestet Unmittelbar nach der 54 4 Experimentelle Einrichtungen Zugpr fung wurden die Proben bzw die Bruch Versagensfl chen noch einmal op tisch untersucht Die Versagensarten wurden folgenderma en eingeteilt Versagensmechanismus Abk rzung Adh sionsversagen Bruch in der Trennebene Kontaktebene Adh sionsversagen Teile von der 2 Komponente haften an 1 Komponente Tabelle 4 5 Versagensarten 4 8 Oberfl chenspannung Oberfl chenenergie Die Ermittlung des Randwinkels und die daraus abzuleitende Bestimmung der Ober flachenspannung der Einzelkomponenten wurde dem Ger t OCA2O der Firma Da taPhysics GmbH durchgef hrt Die Messung wurde in der Form quivalent zur Ver arbeitungsform durchgef hrt D h die erste Komponente lag w hrend der Verarbei tung im Montagespritzgie prozess als planarer Festk rper vor und wurde ggf mittels des externen Plasmasystems behandelt Die zweite Komponente lag im fl ssi gen schmelzefl ssigen Zustand vor Planare Festk rper Die Oberfl chenspannung von Festk rpern kann nur indirekt ber den Kontaktwinkel einer Messfl ssigkeit erfolgen Die verwendete statische Methode des liegenden Tropfens erfolgt ber die Aufbringung eines Tropfens der Messfl ssigkeit auf den zu messenden Festk rper Als Testfl ssigkeiten kamen die in Tabelle 4 6 zusammenge fassten Substanzen zum Einsatz Da vor allem durch die Plasmabehandlung eine gute Benetzung bzw hohe Oberfl
92. in der Kontaktzone kann durch die Ein bringung von zus tzlicher Energie z B durch die Erh hung der Schmelzetemperatur der zweiten Komponente mittels Schererw rmung positiv beeinflusst werden Die Oberfl chenmodifikation durch Plasma zeigt dass dadurch der Montagespritzgiels prozess robuster wird und unabh ngiger von den Einfl ssen der Prozessparameter Die Ausbildung der Verbundfestigkeit l sst sich mit der Diffusionstheorie erkl ren Als Kompatibilit tsprinzip f r inkompatible Verbunde l sst sich festhalten dass allein durch die Optimierung der Temperatur in der Kontaktzone kein stoffschl ssiger Ver bund erzeugpar ist Eine Interdiffusion zwischen den inkompatiblen Materialien findet offensichtlich berhaupt nicht oder nur in keinem Verbundfestigkeit steigernden Ver h ltnis statt Untersuchungen zur Rauheit lassen keinen Zusammenhang zwischen gesteigerter Rauheit bzw Oberfl chenvergr erung der zu berspritzenden Kompo nente und zunehmender Verbundfestigkeit erkennen F r die Benetzung durch die zweite Komponente ist dagegen eine Gl ttung der ersten Komponente vorteilhaft Elektronenmikroskopische Untersuchungen ergeben zwar einen Einfluss der Ober 98 7 Zusammenfassung flachenmodifikation auf die Morphologie der Oberfl che allerdings wird dadurch die Verbundfestigkeit nicht beeinflusst Spektroskopische Messungen best tigen die Einbringung von polaren und reaktiven sauerstoffhaltigen Gruppen in die Oberfl che du
93. ip Zwischen zwei Elektroden wird eine Spannung angelegt die zun chst die in der Luft vorhandenen geladenen Teilchen beschleunigt 2 Grundlagen 19 Ab einer gewissen Spannung bzw Feldst rke zwischen den Elektroden werden zus tzliche Ladungstr ger erzeugt es kommt zu einer Z ndung Je nach Stromfluss kann man im Gleichstrombetrieb Dunkelentladung Glimmentladung Bogenentla dung Koronaentladung und Funkenentladung unterscheiden 33 2 6 2 Erzeugung von Plasmen Unter Plasma versteht man ein teilweise ionisiertes Gas das aus Elektronen lo nen Neutralgasteilchen und Radikalen besteht vgl Bild 2 9 31 Aufgrund der im Plasma vorhandenen beweglichen Ladungstr ger besitzt ein Plasma eine hohe elektrische Leitf higkeit Nach au en hin verh lt es sich jedoch elektrisch neutral und wird somit auch als quasineutral eingestuft 15 Energieb nder bewegliche Elektronen und L cher bewegliches Kontinuum KAA O 0 0 09 Feststoff Fl ssigkeit Gasmolek le CG Gasmolek le angeregt O lonen freie Elektronen Molek lfragmente Plasma bewegliche neutrale Molek le ionisiertes Gas im Grundzustand System beweglicher Elektronen und lonen quasineutral Bild 2 9 Aggregatszust nde von Materie Die freien Elektronen und positiven lonen bewirken einen Strom leitendes Gas ein Magnetfeld wird aufgebaut oder elektronische Wellen emittiert 8 28 Ein Gas kann unter geeigneten Bedingungen durch Zuf hren von Energi
94. it der Temperaturh he bzw dem zeitlichen Verlauf der Temperatur mit den gemessenen Verbundfestigkeiten korreliert werden 4 Experimentelle Einrichtungen 47 4 4 Plasmavorbehandlung 44 1 OpenAir Plasma Die in dieser Arbeit benutzte Plasmaanlage der Firma Plasmatreat besteht aus ei nem Generator einem Transformator aus der Plasmakopfeinheit vom Typ RD1004 Die Plasmakopfeinheit wird durch den Generator FG 3002 und den Hochspan nungswandler HTR 12 mit Strom versorgt Der Transformator erh ht die Ausgangs spannung des Generators von 1000 V auf eine Z ndspannung von 40 kV sowie auf eine Brennspannung von 20 kV f r die Plasmakopfeinheit Die Z ndung erfolgt bei einer Arbeitsfrequenz von 16 18 kHz 7 Ferner bernimmt der Generator diverse Steuerungs und Sicherheitsfunktionen Auswertung Endschalter T renverriegelung Notaus Modul Druckluft und Materialkontrolle Die Plasmakopfeinheit vgl Bild 4 8 links vereint die Plasmakammer in der mittels einer Hochspannungsentladung das Plasma aus dem Plasmamedium erzeugt wird mit der Plasmad se sowie mit der n tigen Peripherie f r Stromversorgung und Plas mamedienleitung Spannngs Plasmamedien versorgung leitung I Blende Isolationsschicht Entladungs Elektrode bereich S Pl smastrahl Plasmastrahl g POtentialfrei Entladungsstrecke D senkopf Si potentialbehaftet Plasmastrahl Substrat p lt potentialfrei Bild 4 8 Aufbau der Plasmakopfeinheit
95. jeweilige Werkzeug ff nungsweite festgelegt Anschlie end wird in einem zweiten Einspritzvorgang Over moulding die zweite Komponente an die erste Komponente Vorspritzling ange spritzt Durch die Variation der Plasmaparameter ap asma UNd VPpiasma l sst sich die Intensit t der Oberfl chenmodifikation beeinflussen 4 5 Verbundkombinationen Kompatible Kombinationen Die Spritzgielsbedingungen f r die 1 Komponente wurde nicht variiert und folgen den Herstellerangaben vgl Tabelle 4 2 Dabei sollte die Beeinflussung durch die Pro zessparameter auf die verwendeten Materialien m glichst gleich sein Die Einstellun gen der zweiten Komponente wurden zur Untersuchung des Einflusses der Parame ter auf die Verbundfestigkeit variiert Dazu z hlen die Massetemperatur Tm der Nachdruck pn sowie die Einspritzgeschwindigkeit vs Weiter notwendige Angaben sind in den Ergebnissen aufgef hrt Massetemperatur Tmz 280 C 290 310 C 170 185 200 C Tabelle 4 2 Maschineneinstellungen f r kompatible Kombinationen 1 Komponente PA6 bzw 2 Komponente PA66GF25 TPU 4 Experimentelle Einrichtungen 51 F r die hohen Massetemperaturen Tm von TPU wurde eine l ngere K hlzeit be gew hlt Dies hat aber keinen Einfluss auf die Verbundfestigkeit gezeigt Inkompatible Kombinationen Die Spritzgiel bedingungen f r die 1 Komponente wurden auch f r die inkompatiblen Kombinationen nicht variiert und folgen den Herstellerangaben
96. ken von 10 bis 10 bar erzeugt werden 34 Die mittlere freie Wegl nge der Elektronen ist hier lang genug um die Erzeugung neuer Ladungstr ger im Prozessgas zu bewirken 33 Sto prozesse zwischen enthaltenen Teilchen sind so selten dass die Temperaturen von lonen und Elektronen sehr unterschiedlich sind Es handelt sich demnach um Nichtgleichgewichtsplasmen Die Temperatur der lonen liegt im Bereich der Raum temperatur die der Elektronen erreicht mehrere 10000 K F r die Oberfl chen behandlung von Kunststoffen ist dies von besonderem Interesse da dadurch eine thermische Sch digung nahezu ausgeschlossen ist 32 Man spricht weiterhin daher auch von nicht thermischem oder kaltem Plasma Au erdem lassen sich mit Nieder druckplasma aufgrund seiner guten Spaltg ngigkeit auch komplexe Bauteilgeomet rien bestrahlen Die bei der Behandlung eventuell entstehenden gesundheitssch dli chen Reaktionsprodukte k nnen abgesaugt werden Dar ber hinaus erm glicht die Vielzahl von prozesstechnischen Parametern elektrische Anregung Prozessdruck Prozessgas eine auf den Anwendungsfall zugeschnittene Oberfl chenbehandlung 15 31 Als gro er Nachteil dieser Verfahrensvariante ist jedoch der mit der Vakuumisierung der Arbeitskammer einhergehende Mehraufwand zu sehen Des Weiteren muss die Problematik des Formteilhandlings entsprechend gel st werden Zudem ist die Gr ER 2 Grundlagen Be des Werkzeugs und damit des zu fertigenden Bauteils
97. kn pft Mehrkomponentenspritzgie en mit Montageprozessen Werden diese Montageschritte nun ganzheitlich in das Mehrkomponentenspritzgie Ben einbezogen verschmilzt der reine F gevorgang mit weiteren Arbeitsschritten zum Montagespritzgie en Bild 2 1 Dabei kann der eigentliche Montageschritt noch klar erkennbar und vereinzelbar z B In Line Plasmavorbehandlung in den Spritz gie prozessablauf integriert werden oder aber durch geschickte Werkzeuggestaltung z B Herstellung von Rutschkupplungen und unter Ausnutzung der Prozessparame ter z B Clinchen und Sicken im Spritzgie prozess aufgehen 87 96 971 Insgesamt ist das Montagespritzgielsen als ein Sonderverfahren des Spritzgie ens und als Methode einer kosteng nstigen Montage im Sinne der Einsparung von Ar beitsschritten zu begreifen 23 Die Integration von Prozessschritten in den Urform vorgang zur Verk rzung der Prozesskette erm glicht neben einer Kosteneinsparung auch eine Steigerung der Prozessrobustheit und damit der Prozesssicherheit Um variantenreiche Produkte in unterschiedlichen St ckzahlen herstellen zu k nnen m ssen neue Technologien zur rationellen Fertigung bereit stehen Nur durch den 2 Grundlagen 5 richtigen Einsatz und die konsequente Weiterentwicklung dieser Methoden und Technologien ist eine rationelle Fertigung realisierbar um dem Kostendruck auszu weichen Zusammengefasst gew hrleistet das Montagespritzgie en die Fertigung von Bauteilen mit Vortei
98. lasten eher unwahrscheinlich 2 5 2 Adh sion Es gibt grunds tzlich keine universell anwendbare Adh sionstheorie die s mtliche bisher ermittelten Erkenntnisse ber cksichtigt oder alle komplexen Wirkmechanis men der Adh sion entschl sseln kann 44 Deshalb werden zur Erkl rung der Adh sion verschiedene Modelle aufgestellt welche als Adh sionstheorien bezeichnet werden Bild 2 6 32 2 Grundlagen 13 Adh sionstheorien m Mechanische Adh sion Spezifische Adh sion elektrostatische Weak Boundary Diffusions Adsorptions Polarisations Theorie Layer Model theorie theorie theorie hiihii TE LS a Chemisorption Bild 2 6 Adh sionstheorien 2 5 2 1 Mechanische Adh sion Die Theorie der mechanischen Adh sion z hlt zu den ltesten Theorien der Adh si onsforschung Sie beinhaltet die Verankerung bzw Verzahnung einer Beschichtung mit der Substratoberfl che Dabei dringt das Beschichtungsmaterial in Poren Hohl r ume und Vertiefungen einer stark strukturierten Oberfl che des Substrats ein Druckknopfprinzip Dieses Adh sionsmodell beschreibt im Wesentlichen die Ver klebung von stark por sen Substraten Holz Papier d h es wird eine gen gend hohe Oberfl chenrauheit vorausgesetzt Zwar kann diese Theorie auf andere Werk stoffe bertragen werden doch kann sie keine Erkl rung bieten warum auch auf vollkommen
99. len in Qualit t Zuverl ssigkeit sowie Zeit und Kostenaspek ten 87 97 Die Auspr gung der Eigenschaften der Verbindung sowie der Einfluss der Randbedingungen des Prozesses sollen f r das Montagespritzgie en aufgezeigt werden 2 2 Bedeutung des Montagespritzgie ens Im Rahmen einer Arbeit des LKT wurde im Jahr 2006 eine Umfrage unter Spritzgie verarbeitern im Postleitzahlengebiet 9xxxx durchgef hrt um die Bedeutung des Mon tagespritzgie ens aufzuzeigen Obwohl 69 der befragten Unternehmen die Montagespritzgie technologie einset zen zeigt sich dass das Montagespritzgie en lediglich einen geringen Anteil am Gesamtumsatz des Spritzgie ens ausmacht vgl Bild 2 2 So machen mehr als die H lfte 56 der Spritzgie verarbeiter weniger als 20 ihres Gesamtumsatzes mit Sonderverfahren 100 _ 90 Ee 80 a O 70 c 60 2 0 5 50 56 40 gt 41 30 C lt 20 10 0 L lt 20 20 40 40 60 60 80 gt 80 Anteil am Umsatz Bild 2 2 Anteil von Sonderverfahren am Umsatz Die Zusammensetzung der eingesetzten Sonderverfahren zeigt dabei dass die Addi tionsverfahren mit 53 3 am h ufigsten zum Einsatz kommen Zu jeweils 18 3 6 2 Grundlagen wird die Gasinjektionstechnik und das Folienhinterspritzen verwendet Sandwichver fahren Wasserinjektionstechnik Sch umen sowie diverse weitere Sonderverfahren kommen sind zusammen 10 im Einsatz Beim Einsatz des Additionsverfahrens geben die
100. meist nur mit Luft als Prozessgas Das Plasma wird innerhalb einer Plasmakammer mittels Hochspan nungsentladung gebildet Eine gezielte Luftstr mung entlang der Entladungsstrecke separiert die erzeugten Plasmabestandteile und transportiert die aktivierten Teilchen mit hoher Geschwindigkeit durch eine Blende auf das zu behandelnde Substrat 2 6 3 Eigenschaften von Plasmen Wesentliche Kenngr en mit denen ein Plasma charakterisiert werden kann sind Elektronendichte ne lonisierungsgrad x Plasmafrequenz fp Ionentemperatur Ti Gastemperatur T4 Elektronenenergie KT und Elektronenstof frequenz ve 33 2 Grundlagen 23 Energie des Plasmas Die Energie eines Plasmas kann durch eine Temperatur T K Spannung U V Fre quenz f Hz oder Geschwindigkeit v m s angegeben werden Dies ergibt sich aus folgenden quivalenten Ausdr cken f r Energie KT eU mv 2 bzw h f Temperaturen eines Plasmas Die Energien kT der einzelnen Plasmateilchen sind zum Teil sehr unterschiedlich Es m ssen daher Temperaturen f r das Gas Teas die Elektronen Te und lonen T zur Beschreibung eines Plasmas herangezogen werden Bei Hochdruckplasmen gilt n herungsweise Teas Te Ti Sie werden auch Gleichgewichtsplasmen bzw iso therme Plasmen genannt In Gleichgewichtsplasmen ist die Sto zahl der enthaltenen Teilchen sehr hoch Energieunterschiede zwischen den Teilchen werden so ausge glichen Niederdruckplasmen sind nicht isotherme Plasmen Sie weisen zum
101. n Kompatibilit tsprinzipien tragen zur Erweiterung der Kompatibilit tsmatrix bei Unter Beachtung der Kompatibilit tsprinzipien f r kompatible und inkompatible Material kombinationen besteht die M glichkeit zur Erzielung oder Verbesserung der Ver bundfestigkeit 8 Literaturverzeichnis 99 1 2 3 4 gt 6 DH 8 9 10 11 12 13 14 Literaturverzeichnis Oberbach K Baur E Brinkmann S Schmachtenberg E Hg 2004 Saechtling Kunststoff Taschenbuch 29 Aufl M nchen Wien Carl Hanser Verlag Ehrenstein G W 1999 Polymer Werkstoffe Struktur Eigenschaften Anwendung 2 v llig berarbeitete Auflage M nchen Wien Carl Hanser Verlag Domininghaus H 1986 Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften 2 neubearb u erw Auflage D sseldorf VDI Verlag Menges G Haberstroh E Michaeli W Schmachtenberg E 2002 Werkstoffkunde Kunststoffe 5 v llig berarbeitete Auflage M nchen Wien Carl Hanser Verlag Wittenbeck P 1994 Oberfl chenbehandlung von Kunststoffen am Beispiel der Plasmabehandlung von Polypropylen Dissertation Bayreuth Universit t Bayreuth N N 2004 Industriekreis Plasma Krauss Maffei Technologies GmbH Plasmatreat GmbH Neue Materialien F rth GmbH Lehrstuhl f r Kunststofftechnik Universit t Erlangen N rnberg KraussMaffei Technologies GmbH M nchen NN 2003 Benutzerhandbuch OpenAir Plasma Herau
102. n 0 20 sek nach Einspritzen In den Bildern der zweiten Komponente Bild 4 7 ist deutlich der W rme bertrag der zweiten in die erste Komponente zu erkennen Dies spiegelt sich in der quantitativen Auswertung der Temperaturen anhand der Eindringtiefe de wieder Der Temperatur abfall an der Kontaktfl che zur ersten Komponente sowie auch deren Erw rmung bis in ca 2 mm N he der Kontaktfl che l sst sich an den Diagrammen ablesen Deutlich erkennbar ist auch die rasche Abk hlung der zweiten Komponente innerhalb von ca 3 Sekunden auf 120 C 46 4 Experimentelle Einrichtungen r 350 a 300 Eindringtiefe ce O de 250 S O KS D 200 S 0 amp 150 S X d S E 100 s s H E Se 50 Q P lt O 0 S 11 11 A 11 2 Abstand von der Kontaktfl che mm N N 350 SS 11 e 300 S Q _ 250 lt 5 Se T 200 2 E 0 2 g D 150 E E 100 D k SH 50 lt P 1 Komponente 2 Komponente 11 A 11 Abstand von der Kontaktfl che mm Bild 4 7 Momentaufnahmen links des Temperaturverlaufs ber den Querschnitt des IR Glases w hrend des Einspritzvorgangs der zweiten Komponente und Temperaturverlauf rechts von der IR Kamera aufgezeichnet oben 0 14 sek nach Einspritzen unten 2 78 sek nach Einspritzen Die resultierende W rmeeinflusszone sch tzt die Tiefe bezogen auf die Trennebene der in den Vorspritzling eingedrungenen W rme ab Die Eindringtiefe de also die lokal aufgel ste Temperatur soll zusammen m
103. n von 110 C 120 C und 135 C ausge setzt Diejenigen unterhalb 130 C zeigen in der DSC Analyse eine Temperschulter und sehr hohe Schmelzenthalpien AHm von ber 180 J g Durch das Tempern kristal lisieren amorphe Bereiche und bilden kleine instabile Kristalle die unterhalb der Schmelztemperatur des Basismaterials wieder aufschmelzen Dies erkl rt die Tem perschulter und die hohen Schmelzenthalpien Die mit 130 C getemperte Probe zeigt keine Temperschulter und eine Schmelzenthalpie AHm von 176 5 J g Dies ist nur durch ein Aufschmelzen und amorphes Erstarren des HDPE zu erkl ren Durch die Plasmabehandlung bei einem Behandlungsabstand apiasma 8 mm mit Druckluft entstehen auf der Oberfl che von HDPE lamellare Strukturen die mit zu nehmender Intensit t der Plasmabehandlung deutlicher hervortreten vgl Bild 5 28 links Die Oberfl chenmodifikation durch Formiergas bei demselben Abstand erzeugt keine Strukturen die bei dieser Vergr erung erkennbar sind Druckluft Vplasma 20 mm s Formiergas Vplasma 20 mm s 2 um 2 um Druckluft Vpiasma 2 5 mm s Formiergas Vplasma 2 5 mm s 2 um 2 um pi nm se ragen a Bild 5 28 EISEM Aufnahmen von HDPE nach Plasmabehandlung Mikroskopische Vergleichsuntersuchungen an einem HAD zeigen dass durch die Plasmabehandlung Sph rolithe freigelegt werden vgl Bild 5 29 Druckluftplasma atzt die amorphen Bereiche bis die sternf rmig angeordneten Lamellen der Sph ro lithe freiliegen vgl
104. n zu Kompatibilit tsprinzipien sind an einer 2K Spritzgussmaschi ne KM125 390 160CZ der Firma Krauss Maffei mit zwei Einspritzaggregaten durch gef hrt worden Wie man auch der Werkzeugkonstruktion entnehmen kann wurde die 1 Komponente mit dem vertikalen Aggregat die 2 Komponente mit dem hori zontalen Aggregat eingespritzt Die Maschine hat eine Schlie kraft von 1250 KN Der Schneckendurchmesser betrug f r die Plastifiziereinheit 40 mm und f r die Plastifi ziereinheit II 35 mm bei einem jeweiligen Ls D Verh ltnis von 20 1 In Bild 4 1 sind die wichtigsten Maschinenparameter f r die Versuche der 2K Spritzgiel maschine zusammengefasst 1 Komponente Parameter Bezeichnung TT Massetemperatur Toad Toz 2 Ve Werkzeugwandtemperatur Tual Ivo Einspritzgeschwindigkeit Val Va Nachdruck Du Pie Prz Plastifiziereinheit Il 2 Komponente PA d Tiz Tiza T m1 S A Schlie Werkzeug Plastifiziereinheit einheit Bild 4 1 Zweikomponentenspritzgie maschine mit Prozessparametern 4 1 2 Spritzgie werkzeug Mit dem in dieser Arbeit verwendeten 2K Spritzgie werkzeug Verbundplatte wurden alle Probek rper f r die analytischen Untersuchungen hergestellt Die erzeugte Pro bek rperform war dabei immer konstant Um extrem kurze Zwischenk hlzeiten bzw 4 Experimentelle Einrichtungen 39 Behandlungszeiten durch die Plasmabehandlung zu gew hrleisten wurde das An spritz
105. ndhaftungsqualit t haben sich die polaren Anteile der Ober flachenenergie als brauchbar erwiesen 54 30 2 Grundlagen Die Behandlung mit sauerstoffhaltigem Plasma f hrt zur Bildung von funktionellen polaren und reaktiven Gruppen an der behandelten Oberfl che Allerdings k nnen diese durch den zeitlichen Einfluss der Umgebungsbedingungen auch wieder verlo ren gehen was sich in einer Reduzierung der Oberfl chenenergie niederschl gt 13 42 431 2 8 Zusammenfassende Bewertung des Kenntnisstandes Das Montagespritzgielsen ist Stand der Technik und erm glicht eine prozessintegrier te Fertigung multifunktioneller Bauteile Als F gemechanismus kommen Kraft Form und Stoffschluss zum Einsatz Auf Grund des erheblichen Rationalisierungspotenzi als ist eine stoffliche Verbindung w nschenswert und wird auch umgesetzt Das Zustandekommen die Auspr gung und die Funktionsweise von stofflichen Verbin dungen sind jedoch noch nicht ausreichend erforscht um zuverl ssige Voraussagen auch bzgl der Verbundfestigkeit zuzulassen Wichtige Ans tze um die Verbundfestigkeit zwischen Materialien zu beschreiben stellen Adh sionstheorien dar Die f r das Spritzgie en von Thermoplasten relevan ten Theorien sind Diffusionstheorie Adsorptionstheorie und Polarisationstheorie Die Diffusionstheorie geht dabei von intermolekularen Verschlaufungen in der Grenzfl che aus Die Adsorptions und die Polarisationstheorie gehen von der Ausbildung von
106. nen robusten Fertigungsprozess und eine gleichm igere 94 6 Bewertung Haftung Der geringe Einfluss von St rgr sen zeigt sich z B in der Unempfindlichkeit der Verbundfestigkeit nach einer Einlagerung der Proben in einem Klimawechseltest vgl Bild 6 4 Wassergehalt DAG 8 8 HDPE PA6 LDPE PA6 Ze Plasmamedium u Plasmamedium CZA Druckluft 6 S CZA Druckluft 6 gt AN Formiergas o gt AN Formiergas Tl lt ken D N D E as i o ZE e 5 gt 2 2 2 2 S z gt 0 dy 2 8 16 82 satt dy 2 8 16 82 satt Einlagerungszeit Zyklen Einlagerungszeit Zyklen 8 LLDPE PA6 K Plasmamedium z CZA Druckluft 6 gt NN Formiergas 3 4 2 o 5 g 5 Bild 6 4 _Verbundfestigkeit von 2 2 N S g EEA 2 2 oberfl chenmodifizierten PE S S erste Komponente PA6 0 zweite Komponente dy 2 8 16 82 satt Verbunden nach Klimatest Einlagerungszeit Zyklen Auch nach der Einlagerung im f r Automobilanwendungen blichen Klimatest 40 C bis 80 C 80 rel Feuchte 1 Zyklus 12 Stunden zeigt die gemessene Ver bundhaftung keine nominelle Abweichung von den Referenzproben die in getrockne tem Zustand dry gepr ft worden sind Wie in Bild 6 4 f r die Kombination PE PA6 gut zu erkennen ist konnte trotz der zunehmenden Wasseraufnahme der Polyamid komponente mit zunehmender Zyklenanzahl im Klimawechseltest kein Einfluss auf die Verbundhaftung festgestellt werden 6 Bewertung 95 6 4 Erweiterung der Kompatibilit tsma
107. nente Verbunden f r versch Plasmamedien links HDPE PA6 mitte LDPE PA6 rechts LLDPE PA6 Werkzeugtemperatur konst 40 C Vpiasma 20 mm s Untersuchungen der Bruchoberfl che zeigen deutlich dass unter Verwendung von Formiergas sukzessive eine Verbesserung der Verbundhaftung mit der Intensivierung der Plasmabehandlung einhergeht vgl Bild 5 18 Die Bruchfl chen von Verbunden die mit einem Abstand von 4 mm hergestellt worden sind zeigen eine deutlich besse re Verbundhaftung vgl Bild 5 18 oben als weniger intensiv behandelte Proben Bild 5 18 unten W hrend bei einem Behandlungsabstand von 16 mm ein adh sives Versagen in der Kontaktebene vorliegt kann man bei 4 mm Abstand von einem Mischbruch adh siv koh siv Versagen sprechen da deutlich sichtbar PE Frakturen an der PA Oberfl che anhaften 5 Untersuchungsergebnisse T Mischbruchfl che APlasma 4 mm ee PAG H eerst DEE Cafi HDPE Bruchfl che ap asma 16 mm ____PA6 Bruchfl che ap asma 16mm AX 2 7ER IS N A Ze SA Bild 5 18 REM Aufnahme von HDPE PA6 Verbunden bei Variation des Behandlungsabstand ap asma Formiergas Vpiasma 20 mm s Ein Einfluss auf die Oberfl chenspannung oa bei einem Behandlungsabstand Ap asma von 20 mm ist nicht zu detektieren Die Oberfl chenspannungen bei diesem Abstand sind identisch mit unbehandelten Oberfl chen Dagegen steigt die Oberfl chenspan nung der behandelten Polyethylene mit zunehmender Int
108. nente auf den Schieber des Core Back Werkzeugs trifft Bild 4 6 oben und unten ist eine Auswertung der Temperaturverteilung bis zum vollst ndigen F llen der ersten Kavit t durch PA6 dargestellt Deutlich zeigen die Kurven wie sich die hei e Schmelzefront Richtung Kontaktfl che bewegt Zum Zeitpunkt von 0 20 Sekunden erfolgte die Um schaltung auf Nachdruck Ab diesem Zeitpunkt k hlt die Schmelze an der Werkzeug bzw Schieberwand ab Die Hintergrundstrahlung bezeichnet die vom metallischen Schieber emittierte Strahlung die auf Grund der Kalibrierung auf den Kunststoff 4 Experimentelle Einrichtungen 45 sowie Reflexionseffekten an der spiegelnden Oberfl che des Schiebers eine h here Temperatur anzeigt als eigentlich vorherrscht E 350 11 Q E 300 2 i S 1 Komponente Sen S gt 2 ae G T 200 SI Hng E 2 Z v 2 D 150 100 Ki 50 Metallober et 5 o 1 Komponente fl che Si 11 0 11 2 Abstand von der Kontaktfl che mm N 350 O zl in LI l 5 250 Hintergrund 5 200 D strahlung 3 SL d O 2 V 5 150 Ke E E 100 s ke O 2 50 lt Metallober lt O 1 Komponente fl che 11 0 11 Abstand von der Kontaktfl che mm Bild 4 6 Momentaufnahmen links des Temperaturverlaufs ber den Querschnitt des IR Glases w hrend des Einspritzvorgangs der ersten Komponente und Temperaturverlauf rechts von der IR Kamera aufgezeichnet oben 0 12 sek nach Einspritzen unte
109. ng frictional or integral The integral joint of materials in the injection moulding process postulates a certain compatibility of the involved materials which is documented in a compatibility matrix In the scope of this work principles for joining of compatible and originally incompatible plastics using assembly injection molding are investigated The compatibility principles are based on adhesion theories On the basis of mechanical examinations of the bonding strength relevantly identified variables like the temperature within the contact area and the surface condition are examined For the in situ temperature measurement a modified mould with an attached IR camera is used The influence of the surface condition is examined by purposeful modification with In Line Plasma Pretreatment Methods such as surface tension measurement microscopy spectrographic analysis and thermalanalytic analysis are used for the characterisation of the surface As a result of the investigations in this work the compatibility matrix expands by the use of compatibility principles Inhaltsverzeichnis Ill 1 EIS ue BE 1 2 Stl ndlagenweien aan udn 3 2 1 Entwicklung des Montagespritzgie ens nennen nnnnnnnnnennnn nennen nnennnnnnnenn 3 2 2 Bedeutung des Montagespritzgie ens A 5 2 3 Technologie des Montagesprtzoieliens nne 6 2 3 1 e Eil EE 6 2 3 2 TEE ENEE EEN 8 2 3 83 AEN Leer Keen een 8 2 4 S ller ellen BEE 9 2 4 1 er ee ee re een 10 2 9 Mechanismen bei der stof
110. ng der lonisierung Aus lonen und Elektronen oder zwei lonen unterschiedlicher Ladung werden wieder neutrale Teilchen gebildet Zwingend ist dabei die Energieabgabe in H he der lonisierungsenergie Dies bedeu tet dass Rekombinationen nur an der Wand des Plasmabeh ltnisses oder unter Einwirkung eines dritten Teilchens vorkommen k nnen Eine direkte Rekombination Ion Elektron Rekombination von positiven lonen mit Elektronen Formel 11 ist sehr unwahrscheinlich da die bersch ssige Energie an ein drittes Teilchen abge geben werden muss Als m gliche Variante hiervon ist die Elektronen Sto rekombination Formel 12 zu nennen AT ez A nicht m glich 11 2 Grundlagen 21 A e e A e 12 Gase mit hoher Elektronenaffinit t k nnen negative lonen bilden Diese stehen dann f r eine lonen lonen Rekombination Formel 13 14 zur Verf gung Die dabei freiwerdende Energie ist in den entstehenden Neutralteilchen enthalten 22 Diese k nnen als angeregte Teilchen A oder als Teilchen mit hoher kinetischer Energie Bischnei Vorkommen A B e A B Energie 13 AT B e gt A Bscnnel 14 Die Umkehrung der Photoionisation ist die Strahlungsrekombination Formel 15 Je nach Gasart k nnen noch weitere Rekombinationsprozesse vorkommen A te gt A h f 15 2 6 2 1 Niederdruckplasma Niederdruckplasma wird durch lonisierung eines oder mehrerer Arbeitsgase in einer Vakuumkammer erzeugt Niederdruckplasmen k nnen bei Dr c
111. nicht m glich Dennoch ist die Intensit t der Plasmabehandlung f r die Ausbildung der Qualit t der Verbundfestigkeit verantwortlich Die Intensit t der Oberfl chenmodifikation wird durch die Behandlungsgeschwindig keit Vplasma und den Behandlungsabstand Ap asma bestimmt In den Versuchen hat sich der Plasmaparameter ap asma als h hersignifikant herausgestellt Bei einem zu gro en Abstand Ap asma gt 20 mm ist eine ausreichende Beeinflussung der Oberfl che nicht mehr durch eine Oberfl chenspannungsmessung nachweisbar Eine Verbund festigkeit ist bei diesem Abstand nicht mehr gegeben Je intensiver die Behandlung durch die Verringerung des Behandlungsabstands wird umso h her wird die Ver bundfestigkeit Dabei ist ein S ttigungseffekt feststellbar d h ab einer bestimmten Intensit t ist keine Zunahme der Verbundfestigkeit zu erzielen Dieser Effekt ist f r verschiedene Plasmamedien und Materialkombinationen in Abh ngigkeit des kriti schen Behandlungsabstand Ap asma unterschiedlich stark ausgepr gt vgl Tabelle 6 1 Plasmamedium HDPE LDPE en Tabelle 6 1 kritischer Behandlungsabstand ap asma Oberfl chenfunktionalisierung Durch die Messungen mittels ESCA kann die Verbundfestigkeit durch die Polarisati onstheorie erkl rt werden Durch die Einbringung polarer Gruppen Hydroxyl Car boxyl Carbonylgruppen die in der ESCA Messung detektiert werden k nnen wird das eigentliche unpolare Polyethylen polar Dies b
112. nigung erzeugt aus organischen Verunreinigungen und Luftsauerstoff leicht verdampfende Verbindungen 37 Diese k nnen dann in einem Vakuum abgepumpt werden Dabei werden bis zu 500 mg organischer Substanzen pro Quadratmeter entfernt 37 2 6 4 3 tzen Plasma tzen hat insbesondere in der Herstellung hochkomplexer Halbleiterbauele mente eine gro e Bedeutung erreicht Hier erf llt es die hohen Anforderungen be z glich Anisotropie und Ma haltigkeit Die Erzeugung dreidimensionaler Strukturen kleiner als 2 5 um mit hohen Aspektverh ltnissen kann bei gleichzeitiger Vermei dung von Sch den am Substrat erfolgen 33 Die urspr nglich weit verbreiteten nasschemischen tzverfahren wurden wegen der leichteren Handhabbarkeit sowie der geringeren Umweltproblematik durch das Plasma tzen f r bestimmte Anwen dungen vollst ndig verdr ngt 2 6 4 4 chemische Modifikation Plasmaprozesse deren Wirkung auf chemischen Reaktionen basiert sind Beschich ten Plasmarandschichtverfahren Aktivierung und Funktionalisierung 37 2 Grundlagen 25 Beschichten Zur Beschichtung geeignete Plasmen verwenden Prozessgase mit Kohlenstoff Sili zium oder Schwefel Die in den Plasmen enthaltenen Teilchen besitzen die F higkeit zur Kettenbildung W hrend die Elemente im Plasma fragmentiert vorkommen ver binden sie sich auf der Oberfl che zu einer meist hoch vernetzten oder amorphen Struktur Mit einer abgestimmten Steuerung der Parameter Druck Arbeit
113. nser Verlag Gleich H 2004 Zusammenhang zwischen Oberfl chenenergie und Adh sionsverm gen von Polymerwerkstoffen am Beispiel von PP und PBT und deren Beeinflussung durch die Niederdruck Plasmatechnologie Dissertation Duisburg Essen Universit t Duisburg Essen Giese V M 1995 Adh sive Kunststoff Metall und Kunststoff Kunststoff Verbindungen im Hinblick auf die Spritzgussverarbeitung Dissertation Erlangen N rnberg Friedrich Alexander Universit t 102 48 49 50 EN 52 93 54 95 96 97 98 99 60 61 62 8 Literaturverzeichnis Derjaguin B V Krotova N A Karassev V V Kirillova Y M Aleinikova I N 1957 Electrical Phenomena Accompanying the Formation of New Surfaces and Their Role in Adhesion and Cohesion 2 International Congress of Surface Activity London Ill Butterworths Scientific Publications Bikerman J J 1968 Science of Adhesive Joints 2 Rev Ed New York Academic Press Inc Kinloch A J 1987 Adhesion and Adhesives 1 Aufl London New York Tokyo Chapman and Hall Kopczynska A 2008 Oberfl chenspannungsph nomene bei Kunststoffen Bestimmung und Anwendung Dissertation Erlangen N rnberg Friedrich Alexander Universit t Potente H Kr ger R 1979 Oberfl chenspannungen und Haftfestigkeiten bei Coronavorbehandeltem PP In Z Ad sion Jg 23 H 12 S 381 389 Schuck M Hoffmann L 2
114. nsit t beaufschlagt wurden eine Erh hung der Oberfl chenrauheit aufwei sen Dem klassischen Ansatz nach dem eine Aufrauung die Oberfl che vergr ert und damit auch ein gr eres Verbundfestigkeitspotenzial bietet kann hier nicht ge folgt werden Sowohl glatte wie auch aufgeraute Polyethylenoberfl chen bilden eine 6 Bewertung 91 Verbundfestigkeit zu Polyamid aus Die Verbundfestigkeit zwischen glatten Oberfl chen ist mit der Theorie der mechanischen Adh sion nicht erkl rbar Tendenziell weisen intensiv behandelte Oberfl chen eine h here Verbundfestigkeit auf als aufge raute Dies kann daran liegen dass die z hfl ssige Schmelze glatte Oberfl chen besser benetzen kann und somit eine gr ere Fl che in Wechselwirkung tritt Dage gen kann die Schmelze der zweiten Komponente in die durch die Aufrauung ge schaffenen Riefen und Vertiefungen auf Grund ihrer hohen Viskosit t nicht eindrin gen und keinen Beitrag zur mechanischen Verklammerung leisten Oberfl chenspannung Als Kompatibilit tsprinzip kann der Zusammenhang zwischen Oberfl chenspannung und der Verbundhaftung postuliert werden Durch die Intensit t der Plasmabehand lung wird die Oberfl chenspannung der ersten Komponente PE beeinflusst Die Oberfl chenspannung der zweiten Komponente PA ist nur geringf gig von der Temperatur der Schmelze abh ngig Die Oberfl chenmodifikation durch Plasma erh ht die messbare Oberfl chenspan nung der ersten Komponente
115. ntagespritzgie prozess stoffschl ssig miteinander verbunden Die entstandenen Verbunde wurden dabei aus kompatiblen mischbaren bzw inkompatiblen thermodynamisch unvertr glichen Kunststoffen auf einer Zweikomponentenspritzgiel maschine hergestellt Zur Analyse der Haf tungsph nomene wurde sowohl der Einfluss der Temperatur in der Kontaktfl che als auch der Einfluss der Oberfl chenauspr gung der Kontaktfl che unter Variation der Prozessparameter auf die Verbundfestigkeit untersucht Die lokal und zeitlich aufgel ste Untersuchung der Temperatur erfolgte dabei durch eine an das Spritzgie werkzeug adaptierte IR Kamera Durch die Integration eines Boreskops und Saphirgl sern in das Werkzeug kann die Messung in der Kontaktfl che der Kunststoffkomponenten erfolgen Durch den Aufbau einer Fertigungszelle Plasma war es m glich den Vorbehandlungsprozess in den Spritzgie prozess zu integrieren und durch die Variation der Plasmaparameter die Oberfl chenmodifikati on gezielt zu beeinflussen Die Kompatibilit tsprinzipien f r kompatible Verbunde zeigen einen gro en Einfluss der Auspr gung der Temperatur in der Kontaktfl che auf die Verbundfestigkeit Die Verbundfestigkeit nimmt mit zunehmender Eindringtiefe und H he der Temperatur die in der ersten Komponente gemessen wird zu Dabei wird nachweislich Tg der ersten Komponente berschritten wodurch eine Interdiffusion zwischen den Materia lien m glich ist Die Temperaturauspr gung
116. ntagespritzgiel en zu kommen Verbundfestigkeit verbessern generieren kompatible Kombinationen inkompatible Kombinationen ez mm em em mm mm mmm em pm Em pm em E e e e mm pm Em Em Em Em Em E e pm pm Em Em Em Em Em Em E E E E a e mm mm mm em em ememr mm pm pm mm pm em em em e e mm mm em Em Em Em em e e e pm Em em em Em Em E E E a Erzeugung Verbesserung Erzeugung Maximierung der Kontakttemperatur 1 Komponente unpolares Material Maximierung der Eindringtiefe der Temperatur 2 Komponente polares Material 4 ausreichende Verbundfestigkeit B gt Oberfl chenmodifikation lt robuster Prozess 1 Komponente durch Plasma Erh hung der Oberfl chenspannung Gl ttung der Oberfl che Einbringung von reaktiven Gruppen dee deele wee Ae M I I sau M Steigerung der Polarit t robuste hohe Verbundfestigkeit Bild 6 6 Vorgehensweise bei der Erzeugung von Verbunden im Montagespritzgie prozess Grunds tzlich dient die bersicht zur prozessintegrierbaren Erzeugung eines stoffli chen Verbunds zwischen kompatiblen und inkompatiblen Materialien Nat rlich er hebt die bersicht keinen Anspruch auf Vollst ndigkeit und klammert bewusst auf wendige und schlecht in den normalen Montagespritzgie sprozess integrierbare Ver fahren wie chemische Modifikation der Komponenten oder Behandlung im Nieder druckplasma aus 7 Zusammenfassung 97 7 Zusammenfassung In dieser Arbeit wurden Kunststoffe im Mo
117. obentisch F hrungs und Antriebsschiene Bild 4 9 externe Plasmaanlage ohne Umhausung Je nach gew nschter Behandlungsdauer kann zum einen die Verfahrgeschwindigkeit und zum anderen die Anzahl der Wiederholungen variiert werden Um den Einfluss des Behandlungsabstandes ermitteln zu k nnen kann die Plasmakopfeinheit durch L sen der Verschraubung im Abstand zur Probe variiert werden Damit die Plasmabehandlung auch unter definierter Atmosph re durchgef hrt wer den kann wurde eine geeignete Umhausung entworfen Zwei Ausgleichsventile erm glichen es weiterhin dass die Umhausung mit Gasen geflutet werden kann die schwerer bzw leichter als Luft sind F r diese Arbeit wurde eine Stickstoffatmosph re gew hlt Durch den Ausschluss der Luftatmosph re soll unter Inertatmosph re aus Stickstoff der Einfluss der Plasmabehandlung auf die Zusammensetzung der Oberfl chen der verwendeten Kunststoffe speziell auf die Einbringung reaktiver Gruppen untersucht werden 4 Experimentelle Einrichtungen 49 4 4 3 In Line Plasmabehandlung Um einen robusten Prozess zu gew hrleisten wurde eine integrative Fertigungszelle Plasma aufgebaut vgl Bild 4 10 Fi Aa p N N V V J N a N s o j K j SE i 108 mm 3 La b TTT kg 14 d r fR D K x d 7 g E x Bild 4 10 Fertigungszelle Plasma In Line Plasmavorbehandlung 6 Die Fertigungszelle Plasma vereint und koordiniert mehrere eigenst ndige Ger te in einem
118. odifikation durch Plasmabehandlung zu untersuchen wurde unter Bei behaltung der Parameter der Plasmabehandlung der Nachdruck sowie die Masse temperatur der zweiten Komponente variiert Die Plasmabehandlung wurde bei einem Abstand apiasma von 4 mm und einer Vorschubgeschwindigkeit Vpiasma von 20 mm s durchgef hrt Wie in Bild 5 7 erkennbar zeigt sich bei der Verbindung zwischen Polyamid und dem Polyethylen hoher Dichte HDPE die h chste Verbundhaftung Generell ist diese Beobachtung f r alle folgenden Untersuchungen festzustellen Bezogen auf die Grundmaterialfestigkeit der Polyethylene erreichen die Verbundhaftungen sehr gute Werte im Bereich von 70 bis 90 wobei das Versagen stets in der Trennebene auftritt F r alle Verbunde zwischen Polyethylen und Polyamid 6 zeigt sich kein Einfluss des Nachdrucks auf die Verbundhaftung Die geringe Standardabweichung der Verbund 5 Untersuchungsergebnisse 67 festigkeiten weist auf einen robusten Prozess initiiert durch die Plasmabehandlung hin Bei den Kombinationen HDPE PA6 und LLDPE PAG ist weiterhin eine Unabh ngig keit der Verbundhaftung von Nachdruck und Massetemperatur zu erkennen LA O1 LLDPE PA6 Massetemperatur 7 240 C LDPE PA6 Massetemperatur C 240 C HDPE PA6 Massetemperatur 1240 C N N O O a O _ 0O O Verbundhaftung N mm a Verbundhaftung N mm Verbundhaftung N mm 0 450 bar 650 bar 450 bar 650 bar 450 bar 650 bar Nachdruck N
119. omere Bestandteile nebeneinander enthalten Pfropf Copolymere Damit ver einen TPE die Eigenschaften thermoplastische Verarbeitbarkeit Rezyklierbarkeit und Schwei barkeit mit den gummielastischen Eigenschaften von vernetzten Elastome ren vgl Tabelle 3 2 1 Elastollan C78 A Fa Elastogran Dichte g cm Verena 1 mm Set 9 1 a Wasseraufnahme Wasser Normklima 1 2 0 4 1 18 k A k A 50 200 40 Tabelle 3 2 Kurzbezeichnung und Materialkennwerte der untersuchten Thermoplastischen Elastomere 3 Werkstoffe und Materialkombinationen 33 Elastollan wird durch Polyaddition dreier Komponenten gebildet Kurzkettige Diole und Diisocyanat bilden den harten Bestandteil langkettige Diole Polyole und Diiso cyanat den weichen Bestandteil des TPU Weichsegment Hartsegment H O H J j ORO C N X N C 0 CH 0 C N X N C n H O H O n Bild 3 2 Chemische Struktur von TPU 3 Polyethylen Durch den Einsatz eines kosteng nstigen und chemikalienbest ndigen Polyethylens in Kombination mit einem verschlei festen z hen Konstruktionswerkstoff wie Polya mid k nnen die Vorteile des Montagespritzgie ens die Vereinigung unterschiedli cher Werkstoffeigenschaften in einem Bauteil realisiert werden Um den Einfluss des Polymeraufbaus auf die Oberfl chenmodifikation durch Plasma nachzuweisen wur den die verschiedenen Polyethylene in dieser Arbeit ausgesucht Die verwendeten Polyethylene mit Ihren Kurzbeze
120. one herrscht auf Grund der Temperaturauspr gung eine ausreichende Beweglichkeit der Molek le beider Kom ponenten was zu einer Verbundbildung f hren kann Insbesondere ist es sinnvoll eine Komponente die bei h heren Temperaturen ver arbeitet werden kann auf eine Komponente zu spritzen die bei niedrigeren Tempe raturen verarbeitet wird In den Untersuchungen haben sich damit sehr gute Ver bundfestigkeiten f r die Kombination PA6 PA66GF25 erzielen lassen Durch ge schickte Temperaturf hrung ist es auch m glich zwei Materialien zu verbinden deren Verarbeitungstemperaturen sich umgekehrt verhalten PA6 TPU Dies ist vor allem auf Grund der geringer beeinflussten Formstabilit t der ersten Komponente vorteilhaft Die Verbindung von inkompatiblen Kunststoffen kann dagegen nicht allein durch die Steuerung der Temperatur in der Kontaktzone erfolgen Als ma gebliche Prozessparameter werden Einspritzgeschwindigkeit sowie Masse temperatur identifiziert Die Massetemperatur stellt die Grundtemperatur bereit Die Einspritzgeschwindigkeit kann die Schmelze zum einen schneller an die Kontaktzone heranf hren und erm glicht dadurch einen geringeren Temperaturverlust und zum anderen wird durch die mit zunehmender Einspritzgeschwindigkeit erh hte Friktion zus tzlich W rme Schererw rmung in die Schmelze eingebracht 6 2 Bedeutung der Oberfl chenmodifikation Das Kompatibilit tsprinzip beschreibt den Zusammenhang zwischen der Oberfl ch
121. onen GPS Oberfl chenbeschaffenheit Tastschnittverfahren Benennungen Definitionen und Kenngr en der Oberfl chenbeschaffenheit Entwurf DIN EN ISO 25178 2008 Geometrische Produktspezifikation GPS Oberfl chenbeschaffenheit Fl chenhaft NN 2007 SD Oberfl chen Messtechnik Die ISO Norm 25178 ber flachenbezogene 3D Oberfl chenbeschaffenheiten In Quality Engineering H 1 2 S 40 41 Beamson G Briggs D 1992 High resolution XPS of organic polymers The Scienta ESCAS300 database Chichester Wiley Norm DIN 8580 2003 Fertigungsverfahren Begriffe Einteilung Norm DIN 8593 0 2003 Fertigungsverfahren F gen Teil 0 Allgemeines Einordnung Unterteilung Begriffe Norm DIN 8593 4 2003 Fertigungsverfahren F gen Teil 4 F gen durch Urformen Einordnung Unterteilung Johannaber E Michaeli W 2004 Handbuch Spritzgiefsen 2 Aufl M nchen Carl Hanser Verlag Michaeli W Lettowsky C 2004 Mehrkomponententechnik Die Zukunftssicherung durch Verfahrensintegration In Kunststoffe Jg 94 H 5 S 20 24 Steinbichler G 2000 Aktueller Stand der Mehrkomponententechnik Verfahrensvarianten Maschinentechnik Anwendungen und Perspektiven In Ehrenstein G W Drummer D Kuhmann K Hg Mehrkomponentenspritzgie technik 2000 Stand Anwendungen und Perspektiven D sseldorf Springer VDI Verlag S 1 20 Stitz S Keller W 2001 Spritzgie technik Verarbeitung
122. ordnet wird Wei lichtinterferometer k nnen somit zur Mes sung der Topographie auch bei rauen Oberfl chen benutzt werden Die laterale Auf l sung wird durch die Optik der CCD Kamera und die Rauheit der Oberfl che be grenzt F r die Messungen des Einflusses der Oberfl chenmodifikation auf die To pographie kommt das Messger t Talysurf CCI 1000 der Firma Taylor Hobson zum Einsatz Die untersuchten modifizierten Fl chen betrugen 0 9 x 0 9 mm Dabei wurde der Mittenrauwert S der ber eine Fl che ermittelt wird bestimmt 17 18 4 7 Mechanische Pr fung 4 7 1 Zugversuch Die Zugversuche wurden auf einer Universalpr fmaschine Zwick 1465 Fmax 20KN unter Normalklimabedingungen 23 C 50 rel Luftfeuchte in Anlehnung an ISO 527 1 Stand 1992 durchgef hrt Die Einstellungen der Zugpr fmaschine blieben f r alle Proben gleich Die Pr fgeschwindigkeit betrug 5 mm min Alle Proben sind vor der Zugpr fung 48 Stunden im Trockenschrank Vakuum 70 C gelagert worden um die Polyamidkomponenten in einen homogenen Zustand zu pr fen Ausgenommen davon sind die nach Klima oder Wassereinlagerungen getes teten Proben Hier wurde zus tzlich noch nach der Carl Fischer Titration die aufge nommene Feuchte gemessen Als Verbundfestigkeit wurde die Bruchkraft der Probe bezogen auf den gemessenen Ausgangsquerschnitt der Probe definiert Von jeder Parametervariation wurden f nf Streifenproben mit den Abmessungen 10 mm x Amm x 130 mm vgl B
123. pritzgielsvorgang er zeugt wird kann auf einer formschl ssigen kraftschl ssigen oder stoffschl ssigen Verbindung oder einer Kombination aus den drei Verbindungstypen beruhen 39 Die ma gebliche Gr e beim Erzeugen eines Verbundes ist die Verbundhaftung oder Verbundfestigkeit ov Oy ba Ay Die Verbundfestigkeit wird aus der gemessenen Kraft F beim Zugversuch und dem Nennquerschnitt A der Probe ermittelt 40 2 Grundlagen T Dabei soll der Bestimmung der Verbundfestigkeit m glichst ein bertragbarer ein achsiger Normalspannungszustand zu Grunde liegen Weiter M glichkeiten Ver bundfestigkeiten zu bestimmen bestehen aber auch in der Durchf hrung von ledig lich vergleichbaren Sch l oder Scherpr fungen 2 3 1 1 Formschl ssig Ein formschl ssiger Verbund entsteht durch das Ineinandergreifen von mindestens zwei Verbindungspartnern mittels geeigneter Gestaltung der Grenzfl chengeometrie 85 Dies wird durch Umspritzen Durchbr che oder Hinterschneidungen im Einlege teil oder in der zuvor eingespritzten Komponente beim Anspritzen der darauffolgen den Komponente erreicht 2 40 85 86 Die formschl ssige Verbundfestigkeit h ngt von der Belastungsart von den verwen deten Werkstoffen den Abmessungen und der Querschnittsgeometrie des Form schlusselements ab 86 Somit kann sowohl eine feste Verbindung realisiert werden als auch bei gezielter Nichthaftung ein beweglicher Verbund 85 86 2 3 1 2 Kraftschl ssi
124. r Molek le der F ge partner voraus 12 50 Da die Reichweite der Bindungskr fte unterhalb 1 nm ist m ssen die Haftpartner zur Erzielung hoher Verbundfestigkeiten in nahezu molekula ren Kontakt kommen 44 Um diesen Kontakt zu gew hrleisten muss deswegen zwischen den Partnern eine ausreichende Benetzung stattfinden Als Benetzung bezeichnet man die Ausbildung einer Grenzfl che zwischen zwei Partnern A und B 51 Je gr er die Anziehungskraft der Partner ist umso geringer ist die Grenzfl chenspannung woraus eine gute Benetzung resultiert 51 Die Benetzung und damit auch mittelbar die potenzielle adh sive Haftung h ngt in starkem Ma e von den Oberfl chenspannungen der Verbundpartner ab 32 52 Die Neigung zur Be 16 2 Grundlagen netzung kennzeichnet der Spreitungsdruck ps Je gr er der Spreitungsdruck ist umso besser ist die Benetzung Psp Oa Oe Oap 2 Dabei ist oa Og die Differenz der Oberfl chenspannung der F geteile und Gap die Grenzfl chenspannung Partner A fest wird dabei von Partner B fl ssig schmelze fl ssig benetzt Wie aus der Gleichung abzulesen ist kann die Benetzung positiv beeinflusst werden wenn man die Oberfl chenspannung des Festk rpers erh ht Die adh sive Haftung wird auch als Adh sionsarbeit Waa bezeichnet Diese Adh si onsarbeit die ebenfalls von den Oberfl chenspannungen der Komponenten abh ngt kennzeichnet das Ma der Arbeit das ben tigt wird um zwei Oberfl chen
125. rametern bei einem Abstand Ap asma Von 8 mm und einer Vorschubgeschwindigkeit Vplasma VON 20mm s durchgef hrt Als Plasmamedium wurde Druckluft verwendet 5 1 2 1 Einfluss der Prozessparameter Durch den Einsatz der Plasmabehandlung konnte bei niedrigen Massetemperaturen der eingespritzten zweiten Komponente eine Steigerung der Verbundhaftung erreicht werden wobei das Versagen bei allen Proben in der Trennebene auftrat vgl Bild 5 6 Diese liegt bei hohen Einspritzgeschwindigkeiten 10 N mm bei geringen Ein spritzgeschwindigkeiten dagegen 25 N mm bzw 40 N mm ber den Werten f r unbehandelte Kombinationen Bei hohen Massetemperaturen ist f r den hohen Nachdruck von 750 bar ebenfalls eine Steigerung der Verbundfestigkeit um 5 N mm f r niedrige bzw 15 N mm gegen ber unmodifizierten Proben erkennbar Trotz des geringeren Wertes f r die Verbundhaftung bei niedrigem Nachdruck hoher Einspritz geschwindigkeit und hoher Massetemperatur ist unter Ber cksichtigung der Stan dardabweichung die Tendenz zu einer Verbesserung der Verbundfestigkeit unter Einfluss der Plasmabehandlung ebenfalls nachweisbar 5 Untersuchungsergebnisse 65 Nachdruck 450 bar Nachdruck 750 bar__ m e Nachdruck 450 bar Nachdruck 750 bar Verbundhaftung N mm Verbundhaftung N mm mit Plasma mit Plasma Massetemp 290 C Massetemp 310 C PA6 PA66GF25 0 PA6 PA66GF25 20 mm s 100 mm s 20 mm s 100 mm s Einspritzgeschwindigk
126. rch eine Plasmabehandlung Aus dem origin r unpolaren Polyethylen wird ein polarer Werkstoff der nach der Polarisa tionstheorie Wechselwirkungen zu dem origin r polaren Polyamid ausbilden kann Das Plasmamedium hat auf die Einbringung kaum einen Einfluss da die aktivierte Oberfl che mit dem Sauerstoff der Umgebungsatmosph re abreagiert Mit der Oberfl chenmodifikation durch Plasma geht eine Ver nderung der Oberfl chenspannung bzw energie einher Die Oberfl chenspannung der ersten Kompo nente steigt dabei ber die Oberfl chenspannung der zweiten Komponente was den Spreitungsdruck erh ht und eine gute Benetzung erm glicht Dadurch k nnen die beiden Grenzfl chen besser miteinander in Kontakt treten Weiterhin resultiert aus der Erh hung der Oberfl chenspannung ein Anstieg der Adh sionsarbeit Die be rechneten Adh sionsarbeiten korrelieren in der Tendenz mit den Verbundfestigkei ten Die Oberfl chenspannung und damit die Adh sionsarbeit kann durch den Plas maparameter Abstand beeinflusst werden Die absoluten Adh sionsarbeiten lassen jedoch keinen R ckschluss auf die zu erwartende Verbundfestigkeit zu Eine absolu te Prognose der Verbundfestigkeit ist damit nicht m glich Eine eindeutige Identifizierung der wirksamen Adh sionstheorien ist nicht m glich Die Ergebnisse zeigen dass ein Kollektiv der f r das Montagespritzgie en relevan ten Theorien zur Auspr gung der Verbundfestigkeit verantwortlich ist Die ermittelte
127. ren in der 1 Komponente bei einem Abstand von 1 mm zur Kontaktebene unter Variation der Einspritzgeschwindigkeit Masse und Werkzeugtemperaftur Zeitpunkt Umschalten auf Nachdruck der 2 Komponente 64 5 Untersuchungsergebnisse Bei einer eingestellten Massetemperatur von 170 C sind unabh ngig von der Ein spritzgeschwindigkeit Temperaturen zwischen 160 C und 165 C im Abstand von 1 mm zur Kontaktebene messbar Generell liegen die gemessenen Temperaturen bei diesem Abstand zwischen 5 C bis 10 C niedriger als die eingestellten Massetempe raturen Bei hohen Massetemperaturen von 200 C kann die Erw rmung auch 15 C unter der Massetemperatur liegen Auch in dieser Kombination ist der geringe Einfluss der Werkzeugtemperatur zu er kennen Die Erh hung der Werkzeugtemperatur hat einen geringen Anstieg der Ver bundhaftung von 1 3 N mm zur Folge Zu erkennen ist aber auch dass es eine Korrelation zwischen Temperatur und Ver bundhaftung gibt Je h her die gemessene Temperatur im Abstand von 1mm ist um so h her ist die Verbundhaftung Dies ist ma geblich auf die Erh hung der Masse temperatur und der Einspritzgeschwindigkeit zur ckzuf hren 5 1 2 Oberfl chenmodifikation Plasmabehandlung Um den Einfluss einer Oberfl chenmodifikation auf die Verbundhaftung aufzuzeigen wurde unter Beibehaltung der Variation der Prozessparameter zus tzlich eine Plas mabehandlung durchgef hrt Die Plasmabehandlung wurde mit Standardpa
128. rf r wurden ca 10 x 10 mm gro e Bereiche aus der ersten Komponente der 2K Probek rper herausgeschnitten in Harz eingebettet und mit einem Mikrotom berschnitten Die freigelegte Oberfl che wurde plasmabehandelt und analysiert Die durch das berschneiden hergestellten Oberfl chenstrukturen Schnittriefen in Schneidrichtung und Rattermarken bzw Wellen parallel zur Schnittkante des Messers stellten eine gute Basis zur Dokumen tation von Ver nderungen der Oberfl chentopographie dar 4 6 1 Elektronenmikroskopie Der Einfluss der Oberfl chenmodifikation auf die Thermoplastoberfl che wurde mit tels Rasterelektronenmikroskop REM untersucht Durch die geringe Modifikation der Plasmabehandlung musste teilweise mit einer hohen Aufl sung untersucht wer den wof r im Standard REM eine so hohe Elektronenstrahlleistung ben tigt wurde dass die Polyethylenproben aufschmolzen Wegen der thermischen Empfindlichkeit der Thermoplaste wurden auch Untersuchungen an einem FE SEM der Fa Hitachi Modell S4800 durchgef hrt Field Emission Scanning Electron Microscope Beide Verfahren zeichnen sich durch eine hohe Tiefensch rfe gegen ber anderen Verfah ren aus 4 6 2 AFM Durch ein Atomic Force Microscope Rasterkraftmikroskop ist die Abtastung von Oberfl chen und damit eine Bestimmung der Rauheit m glich Dabei wird eine an einer Blattfeder angebrachte Nadel zeilenweise ber eine Oberfl che gef hrt Durch die zwischen Nadel und Oberfl
129. rgas S Wi A Formiergas S S A Formiergas E 60 E 60 c 60 2 50 2 50 D 50 gt gt 40 40 g 40 2 30 30 Po p 2 30 2 2 5 20 20 S 20 E 10 HDPE f E 10 LDPE 10 LLDPE 2 polarer Antei S polarer Anteil O polarer Anteil O 0 O 0 O 0 20 mm s 100 mm s 20 mm s 100 mm s 20 mm s 100 mm s Plasmageschwindigkeit Plasmageschwindigkeit Plasmageschwindigkeit Bild 5 13 polare Anteile der Oberfl chenspannung oa von PE f r versch Plasmamedien links HDPE mitte LDPE rechts LLDPE Die in Schmelze gemessene Oberfl chenspannung oe von PAG ist in Bild 5 14 aufge zeigt 45 PA6 44 43 42 41 Oberfl chenspannung mN m 40 0 235 240 245 250 255 260 265 270 275 280 Schmelzetemperatur C Bild 5 14 Oberfl chenspannung op von PA6 schmelzefl ssig bei verschiedenen Temperaturen Mit zunehmender Temperatur sinkt die Oberfl chenspannung von PA6 Unabh ngig davon liegen die Oberfl chenspannungen oa der Polyethylene generell h her als die 74 5 Untersuchungsergebnisse von PA6 os Das erm glicht f r alle durchgef hrten Versuche einen ausreichenden Spreitungsdruck Psp und damit eine ausreichende Benetzung vgl Formel 2 Eine Ann herung der Oberfl chenspannung von PE an die von PA6 verschlechtert die Benetzung und kann somit zu einer schlechteren Kontaktierung der Oberfl chen in der Grenzschicht f hren Weiterhin ist damit ein Absinken der Adh sionsarbeit Wag vgl Formel 3 und damit auch d
130. s der Modifizierung der Oberfl chenstruktur und Oberfl chenzusammenset zung auf die Verbundhaftung zu untersuchen 2 4 1 Kompatibilit tsmatrix Zum Vergleich der stofflichen Kombinierbarkeit von Werkstoffen werden vor allem von Materialherstellern Materialkompatibilit tsmatrizen zur Verf gung gestellt 40 54 90 Derartige Matrizen besitzen allerdings eine eingeschr nkte Aussagef higkeit da sie die immanenten Werkstoffeigenschaften nicht widerspiegeln Materialmodifikationen und Unterschiede in der genauen Materialzusammensetzung selbst gleicher Materi algruppen werden nicht n her betrachtet Eine bertragbarkeit der Ergebnisse auf 2 Grundlagen 11 eine ganze Materialgruppe ist daher nicht m glich 54 Weitere Einflussgr en auf die Verbundhaftung wie Temperatur und Oberfl chenbeschaffenheit sind ebenfalls nicht enthalten Durch den Einsatz und die Ber cksichtigung von Kompatibilit tsprin zipien l sst sich eine Kompatibilit tsmatrix allerdings erweitern ohne Kompatibilit tsprinzipien zweite Komponente Thermoplaste Werkstoff kombinationen bell Vu O O Ke ab Be gt gute Haftung m ige Haftung keine Haftung Bild 2 4 Kompat bilit tsmatrix ohne die Anwendung von Kompatibilit tsprinzipien 91 2 5 Mechanismen bei der stoffschl ssigen Verbundbildung Koh sion bezeichnet die Anziehungskr fte zwischen Atomen bzw Molek len inner halb eines Stoffes Die Anziehungskr fte beruhen
131. setemperatur der Kunststoffschmelze PA66 Werkzeugtemperatur konst 40 C Verbundhaftung N mm Abstand Plasmabehandlung a Plasma Vor allem bei den Kombinationen HDPE und LDPE mit PA66 ist der Abfall der Ver bundfestigkeit bei Vergr erung des Behandlungsabstandes aber Beibehaltung der geringen Behandlungsgeschwindigkeit gegeben Hingegen ist kein Einfluss auf die Verbundfestigkeit durch die Verringerung des Behandlungsabstandes f r die Kombi nation LLDPE PA66 erkennbar Der Einfluss der Behandlungsgeschwindigkeit f r die Verbunde PE PA66 folgt analog dem Einfluss f r die PE PA6 Verbunde Die Verringerung der Intensit t der Plasma behandlung erwirkt bei h herer Behandlungsgeschwindigkeit bei den Verbunden zwischen LDPE bzw HDPE und PA66 eine Verringerung der Verbundfestigkeit Le diglich die Verbindung LLDPE PA66 zeigt keinen Einfluss auf die Variation der Ober flachenmodifikation durch Verringerung der Intensit t der Plasmabehandlung Die Versuche zeigen auch dass kein Unterschied in der Auspr gung der Verbundfes tigkeit zwischen Verbunden mit Polyamid 6 oder Polyamid 66 bestehen In den fol genden Versuchsreihen wird daher zur besseren bersichtlichkeit auf PE PA6 Verbunde eingegangen Generell l sst sich f r die Verbunde Polyethy len Polyamid festhalten dass sich durch die Verringerung der Intensit t der Plasma 5 Untersuchungsergebnisse 71 behandlung eine geringere Verbundhaftung ausbildet Dabei sc
132. sgaszufuhr Leistung k nnen Gradientenschichten aufgebaut werden 38 die ver nderliche Struktur und Vernetzungsgrad aufweisen Ziel einer solchen Behandlung ist bei spielsweise die Schaffung wasserabweisender gasdichter oder kratzfester Oberfl chen 29 Plasmarandschichtverfahren Bei Plasmarandschichtverfahren f hren die im Plasma enthaltenen Teilchen zu Re aktionen mit einer d nnen Oberfl chenschicht des Substrats Sie werden z B beim H rten von Metalloberfl chen eingesetzt Aktivierung Eine Aktivierung wird von inerten Gasen Edelgasen oder Molek len ohne zur Ket tenbildung f higer Atome bzw Molek le N2 O2 NH3 erreicht Die im Plasma enthal tenen Elektronen energiereiche Strahlung lonen und weitere angeregte Teilchen brechen Bindungen auf dem Substrat auf und erzeugen so Radikalstellen 38 Diese Radikalstellen k nnen entweder miteinander reagieren und zu einer h heren Vernet zung f hren oder sie bleiben auf der Oberfl che erhalten und stehen damit f r weite re Reaktionen zur Verf gung Funktionalisierung Prozessgase wie O2 N2 NH3 erzeugen bei der lonisierung Fragmente die in die Oberfl che eingebaut werden k nnen 38 Bei Polyethylen werden durch Sauer stoffplasma z B Hydroxyl Carbonyl und weitere sauerstoffhaltige funktionelle Grup pen in der Oberfl che erzeugt Bei diesem Vorgang handelt es sich um eine Funktio nalisierung der Oberfl che 2 7 Einflussgr en auf die Verbundbildung
133. sgegeben von Plasmatreat GmbH Ames der S Kopczynska A Ehrenstein G W 2003 Plasma sorgt f r festen Verbund In Kunststoffe Jg 93 H 9 S 124 129 Buske C Kaute D A Einsatz einer neuen in line Atmosph rendruck Plasma Vorbehandlung Reinigung Aktivierung und Beschichtung mittels OpenAir Plasma Herausgegeben von Plasmatreat GmbH N N 2003 Das Infrarot Kamerasystem Herausgegeben von Thermosensorik GmbH Erlangen NN 2003 Datenblatt PtSi 256M Herausgegeben von Thermosensorik GmbH Erlangen Wu Souheng 1996 Polymer interface and Adhesion New York Marcel Dekker Inc Friedrich J F Unger W Lippitz A Gross T Rohrer P Saur W et al 1995 The improvement in adhesion of polyurethane polypropylene composites by short time exposure of polypropylene to low and atmospheric pressure plasmas In Journal of adhesion science and technology H 9 Zeiler T 1997 Oberfl chenmodifizierung von thermoplastischen Polymerwerkstoffen in Hinblick auf die Verbesserung ihrer Verklebbarkeit Dissertation Erlangen N rnberg Friedrich Alexander Universit t 100 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 8 Literaturverzeichnis Rie K 2001 Plasmamodifizierung von Polyethylen Dissertation Halle Wittenberg Martin Luther Universit t Norm DIN EN ISO 4287 1998 Geometrische Produktspezifikati
134. sowie die Oberfl chenauspr gung in der Kontakt zone bei bekannten origin r kompatiblen Materialpaarungen zu untersuchen wurde unverst rktes mit verst rktem Polyamid bzw TPU kombiniert Tabelle 3 4 Bezeichnung Kombination 1 Komponente 2 Komponente PA66GF25 PA6 PA66GF25 Tabelle 3 4 Materialpaarung zur Untersuchung kompatibler Werkstoffe 1 Komponente eingespritzte Komponente 2 Komponente anspritzende Komponente Aufgrund der Untersuchungen von Kuhmann kann eine Mischbarkeit und damit eine Kompatibilit t zur Ausbildung von intermolekularen Verschlaufungen Interdiffusion zwischen Polyamid 6 und Polymaid 66 vorausgesetzt werden 40 Laut 91 kann PA6 mit TPU in der unten aufgef hrten Reihenfolge miteinander verbunden werden 3 Werkstoffe und Materialkombinationen 35 Die Einspritzreihenfolge sowie die Materialkombination k nnen Tabelle 3 4 entnom men werden 3 1 2 inkompatible Materialkombinationen Um Kompatibilit tsprinzipien an origin r inkompatible Kombinationen darstellen zu k nnen wurden Polyamide Polyethylen Verbunde hergestellt vgl Tabelle 3 5 Da bei kamen verschiedene Typen von Polyethylen zum Einsatz um einen Zusammen hang zwischen den speziellen Eigenschaften der Polyethylene sowie der Verbund haftung der Oberfl chenbeschaffenheit bzw den Verarbeitungsparametern aufzu zeigen 1 Komponente HDPE LDPE LLDPE PA6 PA66 2 Komponente II ele ele el o o el Stelle weem ee upee
135. t H W 1983 Haftfestigkeitsuntersuchungen an Metall Polymer Verbunden Theoretische und experimentelle Grundlagen Stand und Grenzen der Pr fmethoden In Plaste und Kautschuk Jg 30 H 1 S 1 5 M ller K P 2003 Praktische Oberfl chentechnik Vorbehandeln Beschichten Beschichtungsfehler Umweltschutz Braunschweig Wiesbaden Vieweg Verlag Haufe M 2002 Methoden zur Verbesserung der Adh sion von Klebstoffen an metallischen Oberfl chen Dissertation Bielefeld Universit t Bielefeld Noeske M Degenhardt J Strudthoff S Lommatzsch U 2004 Plasma jet treatment of five polymers at atmospheric pressure In Int J of Adhesin amp Adhesives Jg 24 S 171 177 Foerch R Kill G Walzak M J 1994 Plasma surface modification of polyethylene short term vs long term plasma treatment In Strobel M Lyons C S Mittal K L Hg Plasma surface modification of polymers Utrecht Tokyo VSP S 99 111 Weng D Andries J Morin P Saunders K Politis J Fundamentals and Material Development for Thermoplastic Elastomer TPE Overmolding In Journal of Injection Molding Technology Jg 4 H 22 28 104 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 8 Literaturverzeichnis Tahara M Cuong N K Nakashima Y 2003 Improvement in adhesion of polyethylene by glow discharge plasma In Surface and Coatings
136. t bzw ohne Plasmabehandlung LA O1 Q9 O1 Q9 O1 LLDPE PA66 Massetemperatur 77270 C LDPE PA66 Massetemperatur 77270 C L 290 C HDPE PA66 Massetemperatur C ke LA O CA O LA O N O1 N O1 N O1 20 N O N O Verbundhaftung N mm z Verbundhaftung N mm a Verbundhaftung N mm a 10 10 10 5 5 5 A 0 0 450 bar 650 bar 450 bar 650 bar 450 bar 650 bar Nachdruck Nachdruck Nachdruck Bild 5 8 Verbundfestigkeit von oberfl chenmodifizierten PE erste Komponente PA66 zweite Komponente Verbunden in Abh ngigkeit von Nachdruck und Massetemperatur der Kunststoffschmelze von PA66 links HDPE PA66 mitte LDPE PA66 rechts LLDPE PA66 Werkzeugtemperatur konst 40 C apiasma 4 MM Vpiasma 20 mm s Plasmaparameter Um den Einfluss der Intensit t der Oberfl chenmodifikation auf die Verbundhaftung zu untersuchen wurde unter Beibehaltung des Prozessparameter Nachdruck bei 450 bar die Plasmaparameter Abstand ap asma und Geschwindigkeit Vpiasma variiert Die Plasmabehandlung wurde bei einem Abstand Aap asma Von 4 mm bzw 8 mm und einer Vorschubgeschwindigkeit Vpiasma von 20 mm s bzw 100 mm s durchgef hrt Dabei entspricht die Geschwindigkeit Vpjasma 20 mm s bei einem Durchmesser der Plas maflamme von 20 mm einer Behandlungszeit von 1 Sekunde Da sich in den Versu chen der Prozessparametervariation eine wenn auch kleine Abh ngigkeit von der Massetemperatur gezeigt hat so w
137. t wird sondern dass eine Erw rmung durch h here Friktion auf 5 Untersuchungsergebnisse 61 Grund der erh hten Scherraten der Kunststoffkomponente stattfindet Das best tigt sich durch die Ergebnisse der Spritzgie simulation vgl Bild 5 3 Bild 5 2 Verbundhaftung N mm 80 ZU Einspritzge schwindigkeit SE GE 100mm s Es O 30 I u 220 C 215 C Einspritzge 10 schwindigkeit 20mm s 0 0 0 5 1 0 1 9 2 0 2 9 3 0 3 9 Abstand Temperatur Eindringtiefe von Trennebene mm Verbundfestigkeit in Abh ngigkeit der gemessenen Eindringtiefe und dort detektierter Temperatur f r PA6 PA66GF25 bei 450 bar Nachdruck Diese Erw rmung durch die hohe Einspritzgeschwindigkeit kann die Verluste der Abk hlung durch W rmeverlust an das Werkzeug zumindest ausgleichen und garan tiert eine h here Kontakttemperatur Vs 20 mm s Tm1 290 C Vs 100 mm s Tm 290 C Bild 5 3 Temperatur C gt 300 2 1 257 236 214 192 171 lt 150 Temperaturverteilung der 2 Komponente PA66GF25 bei variierenden Einspritzgeschwindigkeiten und kompletter F llung der Kavit t Simulation 62 5 Untersuchungsergebnisse Materialkombination PA6 TPU Bei der Kombination von Polyamid mit einem thermoplastischen Elastomer ist von einer m igen Verbundhaftung auszugehen 91 Wie schon bei der Materialpaarung von zwei Polyamiden wurde unter Variation von drei Prozessparametern die Ver bundhaftung
138. tal der bei 284 7 eV liegt zur ckgerechnet und eliminiert werden 19 Durch die Bestimmung der funktionellen Gruppen ist es weiterhin m glich ein Sau erstoff zu Kohlenstoff Verh ltnis O C Verh ltnis zu ermitteln welches einen Schluss auf die Polarit t der Oberfl che zul sst 5 Untersuchungsergebnisse 59 5 Untersuchungsergebnisse Um den Einfluss der Temperatur und der Oberfl chenauspr gung auf die Verbund haftung zu untersuchen wurden ausgesuchte bekannte kompatible bzw origin r inkompatible Kombinationen hergestellt 5 1 Kompatible Kombinationen Wie schon die Kompatibilit tsmatrix in 2 4 1 zeigt lassen sich Polyamid 6 und Polya mid 66 miteinander ohne Modifikation verbinden Ebenso trifft dies f r die Kombinati on PA6 und TPU zu In Vorversuchen hat sich allerdings gezeigt dass eine Verbund ausbildung zwischen DAD als zweite und PA66 als erste Komponente nicht reprodu zierbar war Daher wurde PA6 als erste Komponente ausgew hlt und der entspre chende Verbundpartner PA66GF25 bzw TPU angespritzt Durch die In situ Temperaturmessung in der Kontaktzone und die gezielte Oberfl chenmodifikation durch Plasma kann an den ausgew hlten origin r kompatiblen Kombinationen der Einfluss der Prozessparameter auf die Verbundhaftung mittels Zugpr fung untersucht werden Dadurch ist es m glich Aussagen zu Kompatibilit tsprinzipien zu machen 5 1 1 Verarbeitung In situ Temperaturmessung Als charakteristische Gr
139. te bzw der Oberfl chenvorbehandlung durch den Wegfall des Transports des Vorspritzlings 40 82 84 nichtdrehendes Verfahren drehende Verfahren d 1 Komponente 1 Komponente 1 Komponente a 13 L 2 Komponente 2 Komponente si 2 Komponente Core Back Technik drehbare Werkzeugh lfte Drehkreuz Indexplatte Bild 2 3 Werkzeugkonzepte f r das Montagespritzgie en 2 4 Kompatibilit tsprinzipien In der Physik wird ein Prinzip oftmals als ein Grundsatz oder eine allgemeine Regel definiert die Ihren Ursprung in get tigten Beobachtungen und Untersuchungen hat Im Zusammenhang mit Kompatibilit t die sich aus der Vereinbarkeit von Systemen erkl rt kann man den Begriff Kompatibilit tsprinzip als eine ermittelte Richtlinie zur Kopplung von zwei Systemen ableiten Im bertragenden Sinne bedeutet dies f r das Montagespritzgie en das Aufzeigen von werkstofflichen verarbeitungstechni schen und konstruktiven Richtlinien zur Erzeugung eines Verbundes aus zwei oder mehreren Werkstoffen Vor allem f r Verarbeiter sind Kompatibilit tsprinzipien n tz lich und werden gerne auch in Kompatibilit tsmatrizen f r die Herstellung von mehr komponentigen Bauteilen zusammengefasst 85 871 Um Kompatibilit tsprinzipien f r Verbunde ableiten zu k nnen ist es wichtig die haftungsrelevanten Einflussgr en aus dem Montagespritzgie prozess beeinflussen 10 2 Grundlagen bzw messen zu k nnen Einflussgr en die eine ma g
140. tellt i 8 T Mer R N H R N H HNH EC Prim r Sekund r Terti r Ethylamin Bild 3 5 Prim re sekund re und terti re Amingruppen R Molek lrest Zwischen N H Gruppen k nnen sich zwischenmolekulare Bindungen N HN ausbilden die aber nicht so stark sind wie die Bindungen O H O zwischen O H Gruppen Ebenso k nnen sich zwischen N H und O H Gruppen Wasserstoffbr cken ausbilden Sowohl mit der N H als auch mit der O H Gruppe k nnen also zus tzliche zwischenmolekulare Kr fte zwischen ein Substrat und ein Adh siv ein gebracht werden Die Polarit t dieser Gruppen verbessert auch die Benetzung durch andere polare Stoffe Wasserstoffplasma Wasserstoff kommt unter Normalbedingungen als Molek l H gt vor Um das Molek l zu spalten muss sehr viel Energie aufgewendet werden Die Atomisierungsenthalpie wird mit 436 kJ mol angegeben Wasserstoffatome reagieren sofort nach ihrer Ent stehung in einer exothermen Reaktion zu H2 Das Wasserstoffmolek l bleibt kurze Zeit nach seiner Entstehung in einem angeregten Zustand in dem sich die chemi schen Eigenschaften vom normalen Verhalten unterscheiden Normaler Wasserstoff kann z B die Reduktion von einer sauren Kaliumpermanganatl sung oder Kalium dichromatl sung nicht ausl sen 38 4 Experimentelle Einrichtungen 4 Experimentelle Einrichtungen Versuchsdurchf hrung und auswertung 4 1 Spritzgie en 4 1 1 Spritzgie maschine Alle Untersuchunge
141. ter Einfluss der Inertgasatmosph re Wie schon bekannt reagiert das LLDPE am sensi tivsten der behandelten Kunststoffe und weist einen geringen Anstieg der Oberfl chenspannung bei der Behandlung mit Druckluft bzw NO Gemisch als Plasmamedi um auf Betrachtet man sich die polaren Anteile der Oberfl chenspannungen vgl Bild 5 22 so l sst sich unabh ngig vom Plasmamedium ein Anstieg der polaren Anteile f r die Behandlung unter Inertatmosph re erkennen Das steigende O C Verh ltnis vgl Bild 5 23 und die Detektierung von sauerstoffhaltigen Gruppen vgl Bild 5 24 zeigt dass nur die Einbringung von Sauerstoff f r den Anstieg der polaren Anteile in der Oberfl che verantwortlich sein kann Interessant ist jedoch dass trotz der v lligen Abwesen heit von Sauerstoff bei der Plasmabehandlung mit Formiergas als Plasmamedium unter Stickstoffatmosph re die polaren Anteile der Oberfl chenspannung zunehmen vgl Bild 5 22 80 5 Untersuchungsergebnisse 80 70 Z Z Z E E E 60 D 2 50 gt mD mD c 40 o Q Q Q e 8 Druckluft e a Druckluft e 30 4 s Druckluft E A Formiergas A Formiergas S 20 4 4 Formiergas z Oe NO Gemisch 0 NO Gemisch 10 0 NO Gemisch D i O d z HDPE S LDPE ZS o LLDPE Luft Stickstoff Luft Stickstoff Luft Stickstoff Behandlungsatmosph re Behandlungsatmosph re Behandlungsatmosph re Bild 5 21 Oberfl chenspannung oa von P
142. toffschluss Die feste Verbindung von Materialien mittels Stoffschluss im Spritzgie verfahren setzt bei den beteiligten Partnern immer eine gewisse Kompatibi lit t voraus die in einer Kompatibilit tsmatrix dokumentiert ist In dieser Arbeit werden Prinzipien die zur Verbundbildung bei kompatiblen bzw originar inkompatiblen Kunststoffverbindungen innerhalb der Prozesskette Spritzgie en beitragen aufge stellt Grundlage der aufgestellten Prinzipien bilden die Adh sionstheorien Auf der Basis mechanischer Pr fungen der Verbundfestigkeit werden die als relevant identi fizierten Kenngr en Temperatur im Kontaktbereich und Oberfl chenbeschaffenheit untersucht Die Temperaturmessung erfolgt mittels eines modifizierten Werkzeugs In situ durch eine IR Kamera Der Einfluss der Oberfl che wird durch gezielte Modifi kation mittels In Line Plasmabehandlung untersucht Zur Charakterisierung der Ober flache kommen Verfahren wie Oberfl chenspannungsmessung Mikroskopie Spekt ralanalyse und thermoanalytische Methoden zum Einsatz Aus den Untersuchungen ergibt sich eine durch Anwendung von Kompatibilit tsmatrizen erweiterte Kompatibili tatsmatrix Abstract The assembly injection moulding process integrates the combination of different components from different or identical materials in an injection moulding process The properties of the joints can be selectively set flexible or firm Firm joints result from three connecting mechanisms form fitti
143. trix Aus den im Bereich des Montagespritzgie ens gewonnenen Ergebnissen gehen f r die Verarbeitung die Konstruktion und die Werkstoffauswahl Kompatibilit tsprinzi Dien zum stoffschl ssigen Verbund hervor Die B ndelung aller Kompatibilit tsprinzi pien schl gt sich in der Erweiterung der Kompatibilit tsmatrix nieder erweiterte Kompatibilit tsmatrix zweite Komponente U m Thermoplaste Werkstoff kombinationen a LLI A H E S eh A gt Ti UL H K K K K K K K K Thermoplaste gute Haftung m ige Haftung keine Haftung K Anwendung von Kompatibilit tsprinzipien Bild 6 5 erweiterte Kompatibilit tsmatrix durch die Anwendung von Kompatibilit tsprinzipien Die Systematik in der Durchf hrung der Untersuchungen erm glicht die Zusammen stellung dieser erweiterten Kompatibilit tsmatrix unter Ber cksichtigung des Potenzi als der Temperaturf hrung in der Kontaktzone und der In Line Plasmavorbehand lung Diese Matrix wird gest tzt durch die Ber cksichtigung der wichtigsten Einfl sse aus Verarbeitung Anspritzreihenfolge Massetemperatur Einspritzgeschwindigkeit Nachdruck Material und Plasmabehandlung Behandlungsgeschwindigkeit Be handlungsabstand Plasmamedium 96 6 Bewertung 6 5 Prozessgestaltung Die in diesem Arbeitspunkt erstellte bersicht vgl Bild 6 6 liefert eine M glichkeit schnell zu einer robusten stofflichen Verbindung und guten Verbundfestigkeiten im Mo
144. tung der geringen Be handlungsgeschwindigkeit deutlich erkennbar Der Verbund LLDPE PAG zeigt dage gen kaum einen Einfluss durch die Vergr erung des Behandlungsabstandes Die Erh hung der Behandlungsgeschwindigkeit und damit die Verringerung der In tensit t der Plasmabehandlung zeigt bei geringem Abstand lediglich bei dem Verbund zwischen LDPE und PA6 einen Einfluss auf die Verbundfestigkeit Allen Verbunden gemein ist dass die Verringerung der Intensit t durch die Vergr erung des Behand lungsabstandes und der Erh hung der Behandlungsgeschwindigkeit zu einer Verrin gerung der Verbundfestigkeit f hrt Analog zum Verhalten bei den Verbunden mit DAD zeigt sich kein Einfluss der Erh hung der Massetemperatur auf die Verbundhaftung bei Polyethylen Polyamid 66 Verbunden vgl Bild 5 10 Die Verbundfestigkeiten von PE PA66 liegen allgemein auf gleichem Niveau wie die von PE PA6 ZU 5 Untersuchungsergebnisse L__1Massetemp 270 C HDPE PA66 C Massetemp 290 C 20 mm s L__ Massetemp 270 C LDPE PA66 C Massetemp 290 C 20 mm s 100 mm s 100 mm s Plasma Verbundhaftung N mm Verbundhaftung N mm Abstand Plasmabehandlung a Abstand Plasmabehandlung a Plasma Plasma L__1Massetemp 270 C LLDPE PA66 S Massetemp 230 C Bild 5 10 Verbundfestigkeit von z Zoe 20 mmis oberfl chenmodifizierten Fee POO MINS PE erste Komponente PA66 zweite Komponente Verbunden in Abh ngigkeit der Mas
145. uppen als auch die Zusammensetzung der funktionellen Gruppen spielt bei der Auspr gung der Adh sion eine Rolle 74 Die starke Polarit t der funktionellen Gruppen hat auch den Effekt Dipol Wechselwirkungen oder Wasserstoffbr ckenbin dungen sowie eine bessere Benetzbarkeit hervorzurufen 41 Wobei zu bemerken ist dass eine gute Benetzung nicht zwangsl ufig eine gute Adh sion mit sich bringt 93 Die Benetzbarkeit garantiert nur dass eine Ann herung der F gepartner in der Grenzschicht m glich ist und sich dadurch Wechselwirkungen ausbilden k nnen So kann schmelzefl ssiges Polyethylen zwar ein Polyamid gut benetzen aber auf Grund fehlender Wechselwirkungen keine Adh sion ausbilden 76J Weitere Untersuchungen haben gezeigt dass die Pr senz von kurzkettigen nied rigmolekularen Verbindungen an der Oberfl che die Verbundhaftungseigenschaften verbessern 75 Weiterhin besteht eine starke Abh ngigkeit zwischen der Oberfl chenenergie und der Sauerstoffkonzentration an der Kunststoffoberfl che wobei die Konzentration von der Behandlungsart abh ngt Durch Messungen konnte nachgewiesen werden dass trotz gleicher chemischer Oberfl chenzusammensetzung eine Erh hung der Oberfl chenenergie spannung des ersten F gepartners eine Verbesserung der Verbundhaftung mit sich bringt 74 94 95 Eine Angleichung der Oberfl chenspan nung der F gepartner bewirkt ebenso eine Steigerung der Verbundhaftung 54 Zur Absch tzung der Verbu
146. urch L slichkeitsparameter bestimmen 40 76 Partner mit substantiell divergierenden L slichkeitsparametern bilden keine ausreichende Verbundhaftung aus Die L slichkeitsparameter k nnen durch Oberrfl chenbehandlungen modifiziert werden 76 2 7 2 Temperatur Die f r die Interdiffusion zwischen den F gepartnern entscheidende Diffusionsge schwindigkeit ist von der Molek lbeweglichkeit abh ngig Die Molek lbeweglichkeit h ngt im starken Ma auch von der Temperatur ab 62 Die Geschwindigkeit des Konzentrationsausgleichs bei Diffusionsprozessen kann folgenderma en beschrie ben werden 2 Grundlagen 27 2 dc D d c dt 8 16 dc dt Konzentrationsausgleich D Diffusionskoeffizient c Konzentration Dabei kann die Temperaturabh ngigkeit des Diffusionskoeffizienten ber einen Arrhenius Ansatz beschrieben werden 12 40 Relevante Einflussgr en auf die Interdiffusion beinhalten sowohl Materialeigen schaften als auch Verarbeitungsparameter Wie schon erw hnt ist eine Interdiffusion zwischen thermodynamischen vertr glichen Partnern m glich 12 Aber auch bei inkompatiblen Partnern oder Partnern mit einer geringen Vertr glichkeit ist eine In terdiffusion m glich Allerdings findet hier nur eine partielle Interdiffusion mit geringen Auswirkungen auf die Verbundfestigkeit ber eine sehr geringe Distanz statt 12 78 80 Die Mikro Brown sche Beweglichkeit und damit auch die Verbundfestigkeit kann dur
147. urde auch die Massetemperatur der zweiten Kom ponente wie zuvor variiert In Vorversuchen hat sich gezeigt dass keine Verbundhaf tung gleich mit welcher Behandlungsgeschwindigkeit die Versuche durchgef hrt worden sind bei einem Abstand ap assma gt 20 mm erzielbar sind Wie aus den Versuchen unter Variation der Prozessparameter vermutet zeigt sich bei allen PE PA6 Verbunden vgl Bild 5 9 kein Einfluss der Massetemperatur auf die Verbundhaftung Wie ebenfalls aus den vorhergehenden Versuchen bekannt erkennt 5 Untersuchungsergebnisse 69 man lediglich eine Steigerung der Verbundhaftung bei der Kombination LDPE PA6 Bild 5 9 rechts oben 35 L__1Massetemp 240 C HDPE PA6 L__ Massetemp 240 C LDPE PA6 304 E Massetemp 260 C E Massetemp 260 C E 25 20 mm s e 20 mm s 20 Plasma 100 MM S 100 mm s 2 15 3 F g o E 25 E 09 09 gt 0 gt Abstand Plasmabehandlung a Abstand Plasmabehandlung a Rn L__ Massetemp 240 C LLDPE PA6 E DJ Massetemp 260 C Bild 5 9 Verbundfestigkeit von lt Vpisna d mm s oberfl chenmodifizierten Zeen 100 mm s PE erste Komponente 3 DAG zweite Komponente E Verbunden in Abh ngigkeit E der Massetemperatur der 3 Kunststoffschmelze PA6 S Werkzeugtemperatur konst 40 C Abstand Plasmabehandlung a Plasma Bei den Kombinationen HDPE und LDPE mit DAG ist der Abfall der Verbundfestigkeit bei Vergr erung des Behandlungsabstandes aber Beibehal
148. zwischen PAG6 als erste und TPU als zweite Komponente untersucht Unter Variation von drei Parameterstufen wurde der Einfluss der Werkzeugtempera tur der Einspritzgeschwindigkeit und der Massetemperatur untersucht vgl Bild 5 4 6 WZ Temperatur 40 C WZ Temperatur 50 C 4 WZ Temperatur 60 C e WZ Temperatur 40 C m WZ Temperatur 50 C amp WZ Temperatur 60 C Massetemperatur 170 C Massetemperatur 185 C Vebrundhaftung N mm Vebrundhaftung N mm PA6 TPU PA6 TPU 60 mm s 80 mm s 100 mm s DU mm s 80 mm s 100 mm s Einspritzgeschwindigkeit Einspritzgeschwindigkeit A en Bild 5 4 Materialverbund PA6 erste Se Wiere B K Komponente TPU zweite ee Komponente unter Variation der Einspritzgeschwindigkeit und Werkzeugtemperatur Massetemperaturen zweite Komponente Massetemperatur 200 C Vebrundhaftung N mm links oben 170 C PA6 TPU rechts oben 185 C 60 mm s 80 mm s 100 mm s links unten 200 C Einspritzgeschwindigkeit Die Zugpr fung ergab hohe Bruchdehnungen von durchschnittlich 210 Dabei trat das Versagen der Verbundprobek rper aber stets in der Trennebene auf Dabei ge hen h here Festigkeiten mit einer h heren Bruchdehnung einher Wie in Bild 5 4 zu erkennen hat die Massetemperatur der zweiten Komponente alleine keinen signifi kanten Einfluss auf die Verbundhaftung Erst in Kombination mit der Einspritzge 5 Untersuchungsergebnisse 63 schwindi

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