Simulation of the development of the microstructure of injection-moulded semi-crystalline thermoplastics by means of a multi-scale approach under consideration of shear-induced crystal forms (alpha and beta)
Final Report Abstract
Im Rahmen dieser Arbeit wurde SphäroSim, eine Simulationssoftware für die Kristallisation teilkristalliner Thermoplaste weiterentwickelt, um verschiedene Kristallmodifikationen (alpha und beta) in ihrem Wachstumsmodell und dem implementieren Keimbildungsmodell zu berücksichtigen. Dazu wurde für jede Kristallform eine eigene Nukleationsrate berechnet. Um die Nukleationswahrscheinlichkeit zu berechnen und zu bestimmen, zu welcher Kristallmodifikation eine neu erstarrte Zelle gehört wurden zwei verschiedene Algorithmen implementiert. Die Auswirkung der Zellgröße auf den Keimbildungsprozess wurde untersucht und mit den experimentellen Ergebnissen aus DSC-Messungen verglichen. Diese zeigen, dass die Simulationsergebnisse umso realistischer sind, je kleiner die Zellgröße ist. Zur Verifikation der implementierten Nukleationsalgorithmen wurde ein Abschnitt einer spritzgegossenen Platte aus isotaktischem Polypropylen unter einem Polarisationsmikroskop untersucht. Es wurde beobachtet, dass die Beta- Sphärolithe in Bereichen mit mittleren Scherraten auftreten, während die Alpha-Sphärolithe die ruhigen Bereiche dominieren. Der genaue Ausschnitt aus dem Teil wurde mit beiden Algorithmen simuliert. Interessanterweise wurde kein signifikanter Unterschied zwischen ihnen festgestellt. Allerdings können die Simulationen mit dem zweiten Algorithmus bis zu 23 % länger dauern, da ein zusätzlicher Vergleich durchgeführt werden muss, was nicht zu vernachlässigen ist. Das Modell wurde für die Beta-Modifikation von iPP anhand von Heißstufenmessungen experimentell kalibriert. Die Ergebnisse zeigen, dass diesbezüglich weiterer Untersuchungsbedarf besteht und eine Messung der Wachstumsgeschwindigkeit bei niedrigeren Temperaturen erforderlich ist. Es wurde ein Hot-Stage-Experiment simuliert, bei dem die Temperatur von 180 °C auf vier verschiedene Plateaus absinkt und bis zur Erstarrung der Probe anhält. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit den Experimenten, wenn man die Durchmesser der Sphärolithe vergleicht. Abschließend kann gesagt werden, dass SphaeroSim in der Lage ist, einen nukleierten teilkristallinen Thermoplast unter Berücksichtigung verschiedener Kristallmodifikationen vorherzusagen.
