Materialcharakterisierung von Kunststoffen fürs Thermoformen unter Nutzung neuer Messtechnologien

Für die Herstellung von Kunststoffformteilen, z.B. Verpackungen, Komponenten für Haushaltsgeräte, Automobil- oder Medizinbranche, werden aufgrund von Mikrostrukturen, neuen sowie hybriden Materialien und dem zunehmenden Kostendruck steigende Anforderungen an das Formteil, das Verfahren und den Prozess gestellt. Entsprechende Technologien zur Verbesserung des Umformprozesses stehen vor der Markteinführung oder werden derzeit entwickelt. Aufgrund des damit einhergehenden Anstiegs der Technologiekomplexität werden zunehmend Material- und Prozessmodelle eingesetzt. Die dienen der Technologieentwicklung, der Optimierung des Prozesses und bilden eine Hilfestellung bei der Inbetriebnahme. Ein Schwerpunkt und eine Herausforderung ist dabei die Materialmodellierung. Während des Umformens ins Werkzeug beim Thermoformen treten verschiedene Effekte auf: z. B. Dehnung und Verschiebung der Polymerketten, Bildung von amorphen und kristallinen Strukturen. Das sich daraus ergebende Verhalten ist durch geeignete Materialmodelle und deren Parametrisierung abzubilden. Ein gängiger Ansatz zur Bestimmung des Materialverhaltens und die damit verbundene Bestimmung der Materialparameter ist die Reverse-Engineering-Methode. Zu diesem Zweck stehen verschiedene Ersatzversuche zur Auswahl, z.B. Membrane-Inflation- Rheometer (MIR), Thermoformen-Material-Charakterisierung (TMC) und uniaxiale sowie biaxiale Zugversuche. Mit Hilfe geeigneter Modelle werden die Parameter entsprechend der experimentellen Daten gefittet. Für die Abbildung des Umformprozesses in einem numerischen Modell ist die Implementierung des Materialmodells in ein Prozessmodell notwendig. Um quantitative und qualitative Aussagen zur Übereinstimmung des numerischen Modells mit dem tatsächlichen Umformprozess zu erhalten, ist stets eine Validierung notwendig, indem experimentelle Simulationen durchgeführt und anhand ausgewählter Zielgrößen analysiert und den numerischen Ergebnissen gegenübergestellt werden. Zu diesem Zweck stehen verschiedene neue Messmethoden zur Verfügung, z.B. GEWAND, OCT, Hall-Effekt-Dickenmesser