Erste Ergebnisse aus dem laufenden Forschungsvorhaben GEO-FaserMap
Einleitung
Bindenähte entstehen, wenn zwei Fließfronten während der Formfüllung aufeinandertreffen. Aufgrund von unzureichender Diffusion der Polymerketten und veränderter Faserorientierung können diese Bereiche signifikant schwächer sein als der unbeeinflusste Werkstoff. Ziel der Arbeit [1] war es, zu untersuchen, inwieweit die Geometrie von Fließhindernissen die Faserorientierung und damit die mechanischen Eigenschaften an Bindenähten beeinflusst. Die zentrale Frage lautete: Führt eine Änderung der Hindernisgeometrie zu einer messbaren Veränderung der Bindenahtfestigkeit? Die Erkenntnisse dieser Arbeit lassen sich mit den Inhalten des Artikels „Bindenahtfestigkeiten von Kunststoffbauteilen einfach abschätzen“ von PART Engineering vergleichen, der sich mit Methoden zur Vorhersage der Festigkeit von Bindenähten beschäftigt.
Versuchsaufbau und Methodik
Um den Einfluss der Geometrie zu analysieren, wurden Prüfplatten aus verschiedenen kurzfaserverstärkten Kunststoffen hergestellt. Die Materialien umfassten PA6, PA6-GF15, PA6-GF40, PBT-GF30 und PP-LGF40, da diese in technischen Anwendungen weit verbreitet sind. Die Prüfplatten enthielten gezielt eingebrachte Fließhindernisse (Bild 1) mit vier unterschiedlichen Geometrien (Zylinder, Rechteck, 90°- und 120°-Hindernis) und zwei Plattendicken (2 mm und 4 mm).
Zur Bestimmung der Bindenahtfestigkeit wurden mechanische Prüfungen durchgeführt. Zusätzlich wurden Computertomographie (CT)-Analysen eingesetzt, um die Faserorientierung in den Bindenähten sichtbar zu machen. Parallel zu den experimentellen Untersuchungen wurden Simulationen zur Bestimmung der Fließvorgänge sowie integrative Struktursimulationen mit MatScape, Converse und Simcenter Nastran durchgeführt. Ziel war es, die experimentellen Ergebnisse mit den Simulationsvorhersagen zu vergleichen.
Ergebnisse
Die Ergebnisse zeigen, dass die Geometrie der Fließhindernisse keinen signifikanten Einfluss auf die Faserorientierung oder die Bindenahtfestigkeit hat. Viel entscheidender sind Grundmaterial, Fasergehalt und -länge, sowie die Plattendicke (Bild 2).
Während die Simulationen gewisse geometrische Einflüsse auf die Faserorientierung vorhersagen, zeigen die experimentellen Untersuchungen, dass dieser Einfluss vernachlässigbar ist.
Eine Anpassung der lokalen Steifigkeiten und Festigkeiten in der Bindenaht scheint das Ergebnis nicht zu verbessern. Vielmehr ist ein geeigneter Faktor zur Reduzierung der Bindenahtfestigkeit zur Beurteilung von Simulationsergebnissen nach diesen Untersuchungsergebnissen ausreichend.
Einen solchen Bindenahtfaktor kann, wie hier beschrieben, in MatScape berechnet und in S-Life Plastics für einen Festigkeitsnachweis verwendet werden. Dieser Faktor lässt sich aber nicht direkt mit allen hier ermittelten Faktoren vergleichen, da die hier untersuchten Bindenähte nicht ausschließlich stagnierende Bindenähte waren.
Bei stagnierenden Bindenähten ist die Diffusion der Polymerketten eingeschränkt, was zu einer geringeren mechanischen Festigkeit führt (z.B. beidseitig angespritzter Zugstab). Bei fließenden Bindenähten fließt das Material weiter, wie in den verwendeten Platten.
Die CT-Analysen zeigen, dass sich die Fasern im Bereich der stagnierenden Bindenaht umorientieren und zum Teil quer zur Fließrichtung ausrichten. Dies reduziert die mechanischen Eigenschaften. Ein Vergleich zwischen Bindenähten, die durch verschiedene Fließhindernisse hervorgerufen wurden, zeigte jedoch keine signifikanten Unterschiede in der Faserorientierung zueinander (Bild 4). Zwar wurde festgestellt, dass der Winkel der Fließfronten je nach Geometrie des Hindernisses variiert, aber dieser Unterschied hatte keine messbare Auswirkung auf die Faserorientierung in der Bindenaht selbst.
Es zeigt sich, dass der Fasergehalt und die Faserlänge einen wesentlicheren Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der Bindenähte haben. Mit steigendem Fasergehalt nimmt der Festigkeitsabfall im Bindenahtbereich zu, da die Fasern dort oft nicht optimal ausgerichtet sind und die Festigkeit somit stärker von der Matrix abhängt. Besonders bei hochgefüllten Materialien wie PA6-GF40 und PBT-GF30 kann eine deutlich reduzierte relative Bindenahtfestigkeit beobachtet werden.
Auch die Faserlänge spielt eine wichtige Rolle: Während Langfasern grundsätzlich eine höhere mechanische Verstärkung bieten, können sie an der Bindenaht ungünstig ausgerichtet sein, was die relative Schwächung verstärkt. Dies wurde beim PP LGF40 festgestellt. Kurzfasern sind einfacher zu verarbeiten und führen zu einer eher gleichmäßigeren Verstärkung, bieten aber insgesamt geringere maximale Festigkeiten als Langfasern.
Es konnte zudem gezeigt werden, dass die Dicke der Platte bzw. der Probe einen größeren Unterschied ausmacht, allerdings auch hier erst bei höheren Fasergehalten (Bild 5).
Fazit
In dieser ersten Untersuchung an Plattenprobekörpern konnte gezeigt werden, dass die Geometrie der Fließhindernisse keinen entscheidenden Einfluss auf die Faserorientierung und damit die Festigkeit von Bindenähten hat. Stattdessen spielen die Materialwahl, der Fasergehalt/-länge und die Plattendicke eine größere Rolle. Anisotropen Simulationen und die Reduzierung der erlaubten Festigkeiten in Bindenahtbereichen liefern verbesserte Ergebnisse im Vergleich zu herkömmlichen isotropen Materialmodellen ohne Berücksichtigung der Bindenaht. Es zeigt sich demnach, dass eine einfache abschätzende Methodik, wie im Artikel „Bindenahtfestigkeiten von Kunststoffbauteilen einfach abschätzen“ hinreichend genau genug ist.
Autor:
M.Sc. Daniel Lattek, Technische Universität Braunschweig, Braunschweig
Co-Autoren:
Steffen Jacob, Entwicklungsingenieur, Kunststoff-Zentrum in Leipzig gGmbH, Leipzig
Sascha Pazour, Berechnungs- und Vertriebsingenieur, PART Engineering GmbH, Bergisch Gladbach
Literatur:
[1] Daniel Lattek, Experimentelle Untersuchung der Geometrieabhängigkeit der Faserorientierung an Bindenähten von spritzgegossenen Prüfplatten, Technische Universität Braunschweig, 06.02.2025
