Analysis of fiber attrition and fiber-matrix separation during injection molding of long fiber-reinforced thermoplastic parts PDF Download

Author: Sara Simon
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Languages : en
Pages : 101

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Book Description
Die Erhaltung der ursprünglichen Faserlänge bei der Verarbeitung von glasfaserverstärkten Thermoplasten ist von großem Interesse, da die Endfaserlänge die mechanischen Eigenschaften des Fertigteils bestimmt. Faserbruch im Zuge der Verarbeitung ist unvermeidlich und eine große Herausforderung, da er schwierig zu kontrollieren ist und die zugrunde liegende Physik nach wie vor noch nicht vollständig erforscht ist und verstanden wird. Um ein besseres Verständnis zu bekommen wurde die Faserschädigung von langglasfaserverstärktem Polypropylen in einer Couette Strömung untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass das verwendete Couette Rheometer ein geeignetes Gerät ist um die Auswirkungen von unterschiedlichen Prozessbedingungen auf den Faserbruch zu eruieren, zu isolieren und diese des Weiteren auch zu quantifizieren. Es konnte nachgewiesen werden, dass sowohl die Temperatur, als auch die Faserkonzentration, die Schergeschwindigkeit und die Verweilzeit einen großen Einfluss auf die Faserschädigung haben, die sich in einem Faserbruch von bis zu 90 % widerspiegelt. Die Faserbruchstudie wurde erweitert indem die Faserlängenverteilung entlang der Strömungsrichtung von Spritzgussteilen analysiert wurde. Ein weiterer Teil dieser Arbeit beschäftigte sich mit der Untersuchung der Faser-Polymer-Trennung in Spritzgussteilen, da auch dieses Phänomen beträchtlich zu einem heterogenen Eigenschaftsprofil in den Fertigteilen beiträgt. Zur Evaluierung dieser Faser-Matrix Separation wurden Computertomographie Scans angefertigt, die in Folge mit digitale Bildverarbeitung ausgewertet wurden. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen eine deutliche Faser Agglomeration in der Kernschicht des Formteils, in welcher eine Erhöhung der Faserkonzentration von bis zu 40 % festgestellt werden konnte. Die experimentellen Daten aus den Couette Rheometer Experimenten wurden in weiterer Folge zur Validierung und Bewertung von verfügbaren Tools zur Vorhersage der Faserschädigung (Faserbruch Simulation) verwendet. Ein spezielles Augenmerk wurde auf das Phelps Kontinuum Modell gelegt, welches implementiert und in weiterer Folge für die Couette Rheometer Versuche angewandt wurde. Des Weiteren wurden die empirischen Modellparameter aus dem Phelps Modell als Eingangsvariablen für eine Moldex3D Simulation verwendet, um den Faserbruch in einem spritzgegossenem Fertigteil zu bestimmen. Das Phelps Modell wurde erfolgreich umgesetzt, jedoch war es mit den erhaltenen Ergebnissen nicht möglich die Materialabhängigkeit der empirischen Modellparameter zu bestätigen. Die Ergebnisse aus den Modex3D Simulationen zeigen, dass die Phelps Modell Parameter nicht verwendet werden können um den Faserbruch in Spritzgusssimulationen vorherzusagen, da die Parameter nicht übertragbar sind - auch nicht zwischen dem gleichen Material. Da Single Particle Modelle in Prozesssimulationen an Beliebtheit gewinnen, wurde ein kürzlich veröffentlichtes Single Particle Modell auf seine Vorhersagekraft für Faserbruch getestet. Es war möglich, das Modell in einem ersten Schritt qualitativ zu validieren. Jedoch sind zusätzliche Simulationen notwendig, um die Gültigkeit des Modells für ein breiteres Spektrum von Daten zu bestätigen.*****Preserving the initial fiber length of glass fiber-reinforced thermoplastics during processing is from major interest since the residual fiber length determines the mechanical properties of the finished part. Fiber length attrition during processing is still an inevitable and substantial challenge, because it is difficult to control and the underlying physics are not completely understood. In order to gain a better understanding in the phenomena of fiber breakage, the fiber degradation of long glass fiber-reinforced polypropylene in a Couette flow was studied. The results of this work show that the Couette rheometer is an important device to isolate and quantify the impact of processing conditions on the fiber breakage for long glass fiber-reinforced thermoplastics. Temperature, residence time, fiber concentration and processing speed all have a major impact on fiber attrition with breakage rates of up to 90 %.The study was expanded to injection molded parts and the fiber length distribution along the flow path was analyzed. An additional study of injection molded parts focused on the phenomena of fiber-matrix separation since it also causes highly heterogeneous properties within the finished part. This analysis was conducted using micro computed-tomography scans and digital image processing. The results clearly show a substantial fiber agglomeration in the core layer of the molded part of up to 40 % increase from the nominal value.Lastly, the experimental data obtained in this work was used to evaluate available predictive tools for fiber breakage simulation. A comprehensive study focused on the Phelps continuum model, which was implemented and applied for the Couette rheometer experiments. Additionally, the empirical model parameters from the Phelps model were used as an input for a Moldex3D simulation to determine the fiber breakage in an injection molded plaque. The Phelps model was successfully implemented. However, the results were not able to prove the material dependency of the empirical model parameters. The results from the Moldex3D simulations display that the Phelps model parameter cannot be used to accurately predict the fiber breakage in injection molding simulations since the model parameters seem to be not transferable even for the same material. As single particle models become more popular in process simulation, a recently published single particle model was tested for its ability to predict fiber breakage. It was possible to validate the single particle model in a first step, but to confirm the model ́s validity for a broader set of data additional simulations are necessary.