Entwicklung und Analyse eines Materialmodells auf Basis der Reptationstheorie zur Abbildung des Dehnverhaltens von PET bei hohen Dehnraten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Hopmann
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 328107189

Der zweistufige Streckblasprozess hat sich als Verfahren zur Herstellung qualitativ hochwertiger Kunststoffhohlkörper mit hervorragenden mechanischen und optischen Eigenschaften etabliert. Die Verstreckung des Materials führt zu einer starken Orientierung der Molekülketten, wobei sich stabile, lamellare Strukturen ausbilden, die zu einem starken Anstieg der Festigkeit des Materials führen. Zur Vorhersage des Materialverhaltens bei hohen Dehnraten existieren Materialmodelle, die in der Prozessauslegung helfen, die Materialeffizienz bei der Herstellung von Hohlkörpern oder Folien zu steigern. In der Beschreibung von Polyethylenterephthalat (PET) werden die Materialmodelle derzeit im Wesentlichen durch Feder-Dämpfer-Modelle beschrieben und durch Spannungs/Dehnungskurven kalibriert. Diese Modelle können die Verformung innerhalb des kalibrierten Bereiches gut vorhersagen, werden aber außerhalb dieses Bereichs zunehmend ungenauer.In diesem Forschungsprojekt wird ein Materialmodell entwickelt, implementiert und validiert, welches das Spannungs/Dehnungsverhalten von PET auf Basis der Reptationstheorie vorhersagt. Dazu werden im ersten Schritt die Gleichungen der Repationstheorie implementiert, das Modell entwickelt und Materialdaten für amorphes (A) und teilkristallines (C) PET bestimmt. In der Modellbildung wird das Gleichungssystem zur Beschreibung von Kunststoffschmelzen durch die Reptationstheorie auf die Beschreibung von PET angepasst. Die Leistungsfähigkeit des Modells wird durch eine Validierung unter verschiedenen Bedingungen mit den genannten PET-Typen bewertet. Die erste Validierung des Modells erfolgt durch den Vergleich von experimentell ermittelten und simulierten Spannungs/Dehnungskurven für verschiedene Temperaturen und Dehnraten. Weiterhin wird das Modell in Simulationen des Membran-Inflations-Rheometers (MIR) und des Streckblasprozesses eingebunden und durch experimentelle Vergleiche die Vorhersagegenauigkeit analysiert. Ein Vergleich von simulierter und praktischer MIR-Messung ermöglicht die Analyse das Deformationsverhalten bei verschiedenen Dehnungen in kurzen Zeitschritten, so dass die Leistungsfähigkeit, aber auch Schwächen, des Modells identifiziert werden können.Schlussendlich wird das Materialmodell zur Simulation des zweistufigen Streckblasprozesses herangezogen. Das Resultat wird experimentell validiert und mit einem bestehenden hyperelastischen Materialmodell verglichen. Die komplexe Geometrie des Preforms und die inhomogene Temperaturverteilung im Material stellen hohe Anforderungen an die Vorhersagegenauigkeit des Modells. Mit dem erlangten Wissen über das Materialvorhalten von PET und die Abbildungsgüte des Modells sollen Prozesse material- und energieeffizienter gestaltet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen