Simulation der Entstehung der Gefügestruktur spritzgegossener teilkristalliner Thermoplaste mittels eines mikroskaligen Berechnungsansatzes unter Berücksichtigung der scherinduzierten Kristallformen (Alpha und Beta)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Hopmann
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 408012354

Teilkristalline Thermoplaste weisen teilweise kugelförmige sphärolithische Überstrukturen auf. Trotz der geometrischen Ähnlichkeit aller Sphärolithe gibt es drei unterschiedliche Formen (α-, β- und γ-Form), die aus einzigartigen Einheitszellen entstehen. Daraus ergeben sich unterschiedliche lokale mechanische, thermische und optische Bauteileigenschaften. Die α-Form stellt die vorherrschende Kristallmodifikation dar. Generell bilden sich bei der Kristallisation von teilkristallinen Homopolymeren aus ruhender Schmelze die Lamellen in Form von gefalteten Ketten aus. Isotaktisches Polypropylen (iPP) in der α-Form zeigt das einzigartige Phänomen, dass sich Lamellen in einer sogenannten „cross-hatched“-Struktur anordnen. Die β-Form weist einen niedrigeren Ordnungsgrad im Vergleich zur α-Form auf, was sich u. a. in einer höheren Kristallisationsgrad und einem niedrigeren Schmelzpunkt zeigt. Die Bildung der kristallinen Bereiche der β-Form kann durch Zugabe von Nukleierungsmitteln, durch die Wahl thermischen Bedingungen sowie durch Scherbeanspruchung gefördert werden. Die Bildung von Kristalliten der γ-Form tritt bei industriell hergestellten Bauteilen relativ selten und nur in geringen Anteilen auf. Es sei erwähnt, dass das am IKV entwickelte Modell zur Beschreibung des Kristallisationsprozesses zwischen verschiedenen Kristallformen nicht unterscheiden können. d. h. alle Sphärolithe werden gleich und in der α-Form betrachtet, was nicht der Realität entspricht, da der Einfluss der β-Sphärolithe vernachlässigt wird. In der wissenschaftlichen Literatur ist auch keine Arbeit bzw. kein Ansatz bekannt, der den Kristallisationsvorgang bei einem spritzgegossenen Bauteil aus teilkristallinen Thermoplasten unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Kristallformen simuliert.Das Ziel dieses Vorhabens ist die Simulation der Gefügestrukturentstehung unter Berücksichtigung der scherinduzierten Kristallisation und dementsprechend zwei dominierenden Kristallformen (α und β), um realitätsnahe Gefügestrukturen zu berechnen und somit präzise die Bauteileigenschaften vorhersagen. Dazu wird der am IKV entwickelte Modell dazu angepasst, so dass einzigartige Keimbildungs- sowie Wachstumsmodelle für jede Kristallform abgeleitet und mithilfe von experimentellen Versuchen kalibriert werden. Diese Modelle werden dann in die am IKV entwickelte Software SphäroSim implementiert. Die Randbedingungen für die Gefügesimulation ergeben sich aus Ergebnissen der Füllsimulation auf Basis eines eigenentwickelten Ansatzes, der die Randbedingungen mit einer hohen Auflösung beschreibt. Die simulierte Gefügestruktur wird anschließend mit unter gleichen Spritzgießprozessparametern hergestellten Bauteilen und deren realer Gefügestruktur verglichen und validiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen