DE4129978A1

DE4129978A1 - Verfahren zur bestimmung thermischer stoffwerte von kunststoffen bei hohen abkuehlgeschwindigkeiten

Info

Publication number: DE4129978A1
Application number: DE19914129978
Authority: DE
Inventors: Markus Cremer
Original assignee: Vereinigung zur Foerderung des Instituts fuer Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an Der Rhein
Current assignee: Vereinigung zur Foerderung des Instituts fuer Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an Der Rhein
Priority date: 1991-09-10
Filing date: 1991-09-10
Publication date: 1993-03-11

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung thermi scher Stoffwerte von Kunststoffen während der Verarbeitung, wie sie für Strömungs- und Abkühlsimulationsprogramme benö tigt werden nach Anspruch 1.

Das oben erläuterte Verfahren dient zur Ermittlung genaue rer Stoffwerte für die Strömungs- und Abkühlsimulations rechnung. Die Berechnung der Strömungs- und Abkühlvorgänge ist schon seit Jahren von großer Bedeutung in der Kunst stoffverarbeitung. Die heute zur Verfügung stehende Rech nerleistung hat dazu geführt, daß auch in Finite-Elemente- Programmen zur Füll- und Nachdruckphasensimulation mit vielen einzelnen Schichten in Dickenrichtung des Formteils gerechnet werden kann. Außerdem geht die Entwicklung dahin, nicht nur den Füllvorgang beim Spritzgießen oder die Strö mung durch eine Extrusionsdüse zu berechnen, sondern auch den anschließenden Abkühlvorgang inklusive der durch die Volumenänderung hervorgerufenen Schwindung. Gerade diese Programme sind daher auf eine sehr präzise Ermittlung der Temperaturprofile in Formteildickenrichtung angewiesen, weil alle weiteren zu bestimmenden Größen von diesem Tempe raturprofil abhängig sind /1/.

Im Bereich der Spritzgießsimulation wird heute mit der effektiven Temperaturleitfähigkeit nach /2/ gerechnet. Diese Größe ist speziell für die Abschätzung der Kühlzeit bzw. der Entformungstemperatur definiert und hat sich dafür auch bewährt. Bei einer Rechnung in Schichten über der Formteildicke ist diese Größe zu Beginn des Abkühlverlaufes und speziell für die schnell abkühlenden Außenschichten aber definitionsgemäß sehr ungenau. Die Außenschichten bleiben z. B. bei einigen teilkristallinen Thermoplasten aufgrund der hohen Abkühlgeschwindigkeit und Unterdrückung der Kristallisation amorph /3/. Eine effektive Temperatur leitfähigkeit kann dies nicht berücksichtigen. Dieser Feh ler wird sich speziell bei den Rechenprogrammen, die auch die mechanischen Eigenschaften in den einzelnen Formteil schichten ermitteln müssen, z. B. zur Eigenspannungs-, Schwindungs- und Verzugsberechnung, stärker auswirken, weil amorphe oder nur schwach kristalline Außenschichten andere mechanische Eigenschaften aufweisen als die höherkristalli nen Innenschichten.

Die Bestimmung der effektiven Temperaturleitfähigkeit a_eff ist nach dem /2/ beschriebenen Verfahren äußerst aufwendig, da nach jedem Versuch die Lage des im Spritzgießwerkzeug aufgespannten Thermodrahtes im Formteil bestimmt werden muß. Dadurch und durch die erschwerte Entformung ergibt sich der Nachteil, da die Spritzgießmaschine nicht im quasistationären Betrieb arbeitet.

Eine am IKV durchgeführte Weiterentwicklung der a_eff Er mittlung vermeidet diese Nachteile, indem drei in Injek tionsnadeln eingelötete Thermoelemente in ein 10 mm dickes Formteil mit Hilfe einer Hydraulikvorrichtung nach der Formfüllung in die Schmelze eingestochen werden. Die rela tiv große Masse von Nadel und Thermoelement, die nach der Formfüllung erst erwärmt werden muß, verhindert eine schnelle Messung zu Beginn der Abkühlung. Für die Ermitt lung von a_eff ist dies kaum von Bedeutung /2/, aber die Vorrichtung ist dadurch ungeeignet, Abkühlkurven oder Stoffwerte zu Beginn der Abkühlphase bzw. bei hohen Abkühl geschwindigkeiten zu ermitteln.

Im Bereich der Extrusionstechnik wird zwar mit temperatur abhängigen thermischen Stoffwerten gearbeitet /5/, jedoch weist insbesondere /5/ auf die Schwierigkeit der Bestimmung dieser Stoffwerte hin und hier insbesondere auf die ungenü gende Genauigkeit bei der Erfassung der Abhängigkeit der Stoffwerte von der Abkühlgeschwindigkeit /6/ und vom Druck.

Die Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die thermi schen Stoffwerte insbesondere die Temperaturleitfähigkeit bei hohen Abkühlgeschwindigkeiten zu ermitteln.

Lösung

Die Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels eines Verfahrens nach Anspruch 1 gelöst und gliedert sich in zwei Teile. Zunächst muß das gesamte Temperaturprofil des Formteils mit Hilfe möglichst vieler Meßstellen, die weder einen nennens werten Wärmeableitfehler noch eine zu große Zeitverzögerung haben dürfen, ermittelt.

Diese Aufgabe wird von einem Sensor nach Anspruch 1 gelöst. Als Trägermaterial für die äußerst kleinen Thermoelemente (Meßstellenbreite 1-100 µm) kommt wegen der schlechten Wärmeleitfähigkeit der zu messenden Kunststoffe auch nur ein schlechter Wärmeleiter in Frage. Andererseits muß das Trägermaterial den Verarbeitungstemperaturen der Kunst stoffmassen standhalten.

Wärmeleitfähigkeit verschiedener Stoffe
Stoff
Wärmeleitfähigkeit

[W/mK]
Metalle
Stahl	50,5
Aluminium	221,0
Kupfer	393,0
Keramik @	Aluminiumoxid	40,0
Bornitrid	25,0
Zirkoniumoxid	1,4
Kunststoffe @	Polyethylen	0,36
Polyamid	0,22
Polyimid	0,17

Tabelle 1 macht deutlich, daß Polyimid aufgrund der gerin gen Wärmeleitfähigkeit ein sehr gutes Trägermaterial dar stellt. Polyimid ist bis etwa 400°C kurzzeitig einsetzbar und ist daher ebenfalls für fast alle Abkühlmessungen im Kunststoffverarbeitungsbereich geeignet. Bei höheren ther mischen- oder Verschleißbeanspruchungen ist die Zirkonium oxidkeramik am besten geeignet.

Das Problem des schnellen zeitlichen Ansprechverhalten wird durch die sehr dünne Metallschicht der Thermoelementleiter bahnen gelöst. Bedingt durch den guten Wärmeübergangskoef fizienten α zwischen Kunststoffe und Metall - in der Ex trusionstechnik wird mit α=500 W/m²K gerechnet und im Bereich der Spritzgießsimulation wird mit α→∞ gerech net - ergibt sich selbst für die Rückseite, d. h. für den Bereich zwischen Metallschicht und Trägermaterial, keine nennenswerte Ansprechzeit, wie die FEM-Berechnungsergeb nisse in Bild 3a und 3b zeigen. Die Bilder 3a und 3b zeigen die Temperaturen der Kunststoffschmelzen (Pos. 1), die dem Rechenprogramm vorgegeben wurden, die Temperatur in der Metallschicht zur Polyimidseite hin (Pos. 2) und die Tem peratur der Polyimidfolien (Pos. 3). Bemerkenswert ist, daß die dünne Metall- bzw. Thermoelementschicht der Schmelze temperatur nahezu verzögerungsfrei folgt (Kurven sind deckungsgleich).

Bild 3a zeigt die Temperaturverläufe in der Mitte des Schmelzekanals bzw. des Formteils (Bild 1) und Bild 3b die entsprechenden Temperaturverläufe in Wandnähe. Hier macht sich die Wärmeleitung des Polyimides in das gekühlte Werk zeug deutlich bemerkbar. Die Thermoelementschicht selbst folgt aber trotzdem der Schmelzetemperatur.

Mit Hilfe dieses Sensors kann das Temperaturprofil über der Formteildicke während des gesamten Abkühlverlaufes vermes sen werden.

Im zweiten Schritt werden nun Stoffwertfunktionen für die Abkühlberechnung vorgegeben und durch Vergleich von Messung und Rechnung eine verbesserte Stoffwertfunktion ermittelt. Dies ist eine übliche Mehrgrößenregressionsrechnung und daher im Bereich vieler anderer Anwendungen zu finden.

Die Methoden mit denen die beiden Thermoelementmetalle auf das Trägermaterial aufgebracht werden können, sind Stand der Technik, z. B. im Bereich der Halbleiterindustrie. Es soll deshalb hier nicht näher darauf eingegangen werden.

Literatur

/1/ Pötsch, G.: Prozeßsimulation zur Abschätzung von Schwindung und Verzug thermoplastischer Spritzgußteile, Dissertation an der RWTH Aachen, 1991.
/2/ Wübken, G.: Einfluß der Verarbeitungsbedingungen auf die innere Struktur thermoplastischer Spritzgußteile unter besonderer Berücksichtigung der Abkühlverhältnisse, Dissertation an der RWTH Aachen, 1974.
/3/ White, J. L., Hsiung, C. M, Cakmak, M.: Structural Gradients in Injection Molded PPS, Intern. Polymer Processing V. 1990, 2, S. 109-123.
/4/ Jürgens, W.: Untersuchungen zur Verbesserung der Formteilqualität beim Spritzgießen teilkristalliner und amorpher Thermoplaste, Dissertation an der RWTH Aachen, 1969.
/5/ Kalwa, M.: Anwendungen der Finite Elemente Methode zur Simulation von Wärmetransportvorgängen in der Kunststoffverarbeitung, Dissertation an der RWTH Aachen, 1990.
/6/ Menges, G.: Werkstoffkunde der Kunststoffe Carl Hanser Verlag, München, Wien, 1990.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der thermischen Stoffwerte (Wärmeleitfähigkeit λ, Wärmekapazität c_p, Dichte p bzw. der resultierenden Größe der Temperaturleitfähig keit a = λ/(c_p p) von Kunststoffen insbesondere bei großen Abkühlgeschwindigkeiten (< 2°C/sec) für die Verwendung in Strömungs- und Abkühlsimulationsprogram men, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (Bild 1, Pos. 1) bestehend aus einem schlecht wärmeleitenden Trägermate rial (Polyimidfolie oder Zirkoniumoxidkeramik) mit mehr als 3 Thermoelementen bzw. Meßstellen (Bild 1, Pos. 1) pro Millimeter Meßbereich auf der Oberfläche versehen werden. Die Leiterbahnen der Thermoelemente (Bild 1, Pos. 3) besitzen eine Dicke von 0,05-10 µm, die Meßstelle eine Breite <100 µm. Das Temperaturprofil des Kunststoffes wird dann mit diesem Sensor während der Verarbeitung gemessen. Die Thermospannungen werden mittels eines Kabels, das in einem Kabelkanal des Werkzeugs verlegt ist (Bild 1, Pos. 5), einem Thermospannungsverstärker und einem Meßrechner mit A/D-Wandler zugeführt. Diese Messungen werden bei verschiedenen Betriebspunk ten der Kunststoffverarbeitungsmaschine durchgeführt und anschließend die interessierende Temperaturleitfä higkeit als Funktion der Temperatur und der Abkühlge schwindigkeit mit Hilfe mehrerer Iterationen eines Simulationsprogrammes und Vergleich von Messung und Rechnung bestimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßbereich des Sensors 0,5-5 mm Höhe (Bild 1, Pos. 6) aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor insbesondere in Spritzgieß- (Bild 1, Pos. 7) und Extrusionswerkzeugen eingesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor und die Methode der Stoffwertermittlung auch in Analyse- bzw. Meßgeräte für Kunststoffe, wie z. B. in eine p-v-T-Meßanlage ein gesetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial des Sen sors im Falle einer Polyimidfolie durch Aufbringen von zusätzlichen Materialien (Kleben oder Schweißen) ver steift wird, ohne daß der Bereich der eigentlichen Meßstelle verdickt wird, oder eine Polyimidträgermate rialgeometrie nach Bild 2 verwendet wird (Meßbereich angespitzt).

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial des Sen sors im Falle von Zirkoniumoxid in Richtung der Meß stellen angespitzt wird, um den Wärmeableitfehler zu minimieren (Bild 2). Die zu erwärmende Masse im Bereich des Sensors wird dadurch minimiert und zum anderen durch die geringere Querschnittsfläche die Wärmeleitung reduziert.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Sensor mit einer Verschleißschutzschicht aus SiO₂, anderen Kera mikschichten oder einer plasmapolymiersierten Schicht versehen ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich einfach zu er mittelnde Stoffwerte bei langsamen Abkühlgeschwindig keiten - hierzu werden herkömmliche Meßverfahren wie z. B. die DSC-Analyse oder die p-v-T-Messung mit a-Wert- Bestimmung verwendet - der Iterationsrechnung zugeführt werden um die letztlich zu bestimmende Stoffwertfunk tion: a = f(ϑ, )
mit
ϑ = Temperatur
= Temperaturgradient bzw. Abkühlgeschwindigkeitnoch zu vervollständigen bzw. besser abgesicherte Werte zu erhalten.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus den erhaltenen Tempera turwerten auch die effektive Temperaturleitfähigkeit nach /2/ berechnet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oben beschrieben Sensor zur Überprüfung von Simulationsergebnissen verwendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Druckabhängigkeit der Stoffwerte durch eine Druckvariation und Erfassung mit Hilfe eines Drucksensors (Bild 1, Pos. 8) in der Nähe des Temperatursensor mit ermittelt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstelle kurz vor der Messung durch einen mit auf das Trägermaterial aufge brachten Heizleiter erwärmt wird um der Schmelzetempe ratur des Kunststoffs näher zu kommen und die Verzöge rungszeit noch weiter zu reduzieren.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Thermoelementpaarungen Ni/NiCr (Nickel-Chrom-Nickel), Fe/FeCu (Eisen-Konstan tan) und insbesondere auch Au/Al (Gold-Aluminium) ein gesetzt werden.

14. Verfahren nach den Ansprüchen 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere auch vernet zende Formmassen vermessen werden können.