Abstract in Deutsch:

Anhand der erarbeiteten Zusammenhänge zwischen Prozessparametern des Spritzgießprozesses und der elektrischen Leitfähigkeit spritzgegossener Formteile aus hochgefüllten Thermoplasten, können definierte elektrische Leitfähigkeiten ermöglicht werden. Die Ergebnisse können zu verschiedenen Schlussfolgerungen führen. Einerseits ist es möglich, ausgehend von einer Materialrezeptur, den Materialwiderstand drastisch zu reduzieren und ein optimal leitfähiges Formteil zu erzeugen, andererseits kann der Verarbeitungsprozess vereinfacht werden. Je nach Anforderung eines Produktes hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit, wofür es bereits materialseitige Lösungen gibt, können nun Compounds mit einem geringeren Füllstoffgehalt eingesetzt werden. Das dargestellte Optimierungspotential bietet die Möglichkeit, den Gesamtfüllstoffanteil um 5-10 % zu senken. Die Senkung des Füllstoffanteils ist förderlich für die Fließfähigkeit der Compounds. Dies unterstützt einen robusten Spritzgießprozess sowie die Möglichkeit, Standardspritzgießmaschinen einzusetzen. Diese Vorteile bringen ein deutliches Kosteneinsparpotential mit sich, da sowohl der Materialbedarf für hochpreisige Füllstoffe sowie hohe Investitionskosten für Maschinen gesenkt werden können. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass sich bei einem Vergleich zweier Compounds, die sich nur durch den Sekundärfüllstofftyp (Ruß oder CNT) unterscheiden, unterschiedliche elektrische Eigenschaften ergeben. Bei diesem Vergleich konnten durch die Verwendung der CNTs geringere Materialwiderstände erzielt werden. Auch die Fließfähigkeit von Material 2 wurde anhand mehrerer Prozessmessdaten positiv bewertet. Aus diesem Ergebnis ergibt sich das Potential, größere spritzgegossene Formteile zu fertigen, als es bislang möglich war. Für die Beispielanwendung BPP bedeutet eine größere aktive Fläche gleichzeitig einen Sprung im Leistungsniveau einer PEM-BZ. In der Vorstellung verschiedener Strategien zur Materialmodellbildung wurde die in der Industrie häufig verwendete Vorgehensweise der Werkzeugkonstruktion für die Auslegung eines Spritzgießwerkzeuges vorgestellt. Es wurde eine Strategie entwickelt, die Spritzgießprozesse für neue Kunststoffe oder Compounds in der Spritzgießsimulation abbildet. Die Berücksichtigung prozessrelevanter Einflüsse und Detailbetrachtungen bei der Ermittlung der Stoffdaten verhalfen in Kombination mit den ausgewählten Simulationsvariablen zu einer Kalibrierungsmöglichkeit. Im vorgestellten Fall wurde der Verlauf der Werkzeuginnendruckkurve als Zielkriterium definiert. Die erfolgreiche Kalibrierung ermöglichte die zeitlich korrekte Berechnung der Formfüllung eines Spritzgießprozesses. Aufgrund der erfolgreichen Darstellung der Kalibrierungsfähigkeit anhand ausgewählter Prozessdaten können fortan Prognoseberechnungen durchgeführt werden, die bei der Auslegung neuer Werkzeugkonzepte Entwicklungszeiten einsparen, z. B. für größere BPP. Auch alle weiteren bekannten Vorteile der Spritzgießsimulation sind nach erfolgreicher Kalibrierung einsetzbar. Die Prognose der Bauteileigenschaften geht aus der Spritzgießsimulation nicht direkt hervor, jedoch kann das erarbeitete Wissen aus den experimentellen Untersuchungen bei der Konstruktion neuer spritzgegossener Produkte hilfreich sein. Bei der Bearbeitung dieser Themen, sind viele neue Ideen generiert worden, die nicht im Rahmen dieser Arbeit umgesetzt werden konnten, aber für zukünftige Aktivitäten interessant sind. Zur weiteren Reduzierung der Herstellungskosten einer BPP ist es unumgänglich, den finalen Nachbearbeitungsschritt (Schleifen oder Fräsen) zu eliminieren. Der grundsätzliche Vorzug des Spritzgießprozesses, keine Nachbearbeitung zu benötigen, muss in diesem Fall wissenschaftlich erarbeitet werden. Ein wichtiger Faktor dafür wird die variotherme Prozessführung sein, wobei es erstrebenswert ist, die Temperaturdifferenz zwischen der Schmelze und dem Werkzeug zu minimieren. Die Randschichtbildung bzw. die Erstarrung von außen nach innen sollte erst dann einsetzen, wenn der Füllvorgang vollständig abgeschlossen wurde. Eine frühzeitige Bildung der Randschicht, wie es aktuell der Fall ist, sorgt für eine Inhomogenität bzgl. der Füllstoffverteilung entlang und quer zur Fließrichtung. Die experimentellen Versuche haben ebenfalls aufgezeigt, dass bei Werkzeugtemperaturen oberhalb 120 °C Prozessveränderungen stattfinden müssen, da sonst Schmelze zurückströmen kann. Dies kann durch eine längere Aufrechterhaltung des Nachdruckes oder durch ein intelligentes Verschlusssystem innerhalb des Werkzeugs erfolgen. Letzteres käme der Reduzierung der Zykluszeit entgegen. Auf Seiten der Simulation wurde die Ermittlung der rheologischen Stoffdaten als besonders wichtig bewertet. Dabei sind Viskositätsdaten bei sehr kleinen Schergeschwindigkeiten ein Fokus. Die Ermittlung dieser Daten ist jedoch aufgrund von Blockströmung und des hohen Viskositätsniveaus schwierig. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass zum einen der Faktor Nachdruck einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf die Leitfähigkeit hat und zum anderen die Nachdruckzeit, die gegenüber der Einspritzzeit überwiegt. Für die Simulationssoftware wird der Aufbau eines automatischen Simulationsalgorithmus angestrebt, um Bedienungsfehler zu minimieren und Zeit einzusparen. Die Erweiterung auf mehr als zwei Faktoren zur Kalibrierung, um den Gültigkeitsbereich zu vergrößern, ist durch den Einsatz einer Automatisierung deutlich leichter zu erreichen. Sowohl das erarbeitete Simulationsmodell als auch die experimentellen Ergebnisse dieser Arbeit leisten einen Beitrag zur Optimierung von PEM-BZ oder anderen Anwendungen, die hochgefüllte und elektrisch leitfähige Kunststoffe einsetzen.