Christian Bonten
Kunststofftechnik
Einführung und Grundlagen
Vorwort
6
Vorwort zur 2. Auflage
6
Vorwort zur 1. Auflage
6
Der Autor: Prof. Christian Bonten
10
Hinweise zur Benutzung des Buches
12
Inhalt
14
1 Einleitung
22
1.1 Kunststoff – Werkstoff der Moderne
22
1.2 Einsatzgebiete von Kunststoffen
26
1.3 Kunststoffe und Design
29
1.4 Literaturverzeichnis
32
2 Grundlagen
34
2.1 Von Monomer zu Polymer – Grundlagen der Polymerchemie
34
2.1.1 Herkunft der Monomere
34
2.1.2 Polymersynthese
37
2.1.2.1 Polymerisation
37
2.1.2.2 Copolymerisation (Sonderform der Polymerisation)
40
2.1.2.3 Polykondensation
41
2.1.2.4 Polyaddition
42
2.1.3 Die Molmasse von Polymeren
43
2.1.4 Bindungskräfte und Brown’sche Molekularbewegung
49
2.1.4.1 Innermolekulare chemische Bindungen
49
2.1.4.2 Intermolekulare physikalische Bindungen
51
2.1.4.3 Brown’sche Molekularbewegung – Beweglichkeit der Polymerketten
55
2.1.5 Mechanismen der Erstarrung und Unterteilung der Polymere
56
2.1.6 Primärstruktur von Polymeren: Konstitution und Konfiguration
59
2.1.7 Sekundär- und Tertiärstrukturen von Polymeren: Konformation
61
2.1.7.1 Amorphe Strukturen
62
2.1.7.2 Kristalline Strukturen
63
2.1.7.3 Einfluss der Primärstruktur
64
2.1.7.4 Überstrukturen
67
2.1.8 Polymere – Rohstoff nicht nur für Kunststoffe
70
2.2 Grundlagen der Kraftübertragung
71
2.2.1 Wichtige Begriffe
72
2.2.1.1 Festigkeit
72
2.2.1.2 Steifigkeit
72
2.2.1.3 Zähigkeit
72
2.2.1.4 Spannungs-Dehnungs-Diagramme
73
2.2.2 Zustandsbereiche von Kunststoffen
76
2.2.2.1 Glasübergangstemperatur Tg
76
2.2.2.2 Kristallitschmelztemperatur Tm
77
2.2.2.3 Zustandsbereiche vernetzter Polymere
78
2.2.3 Mechanische Ersatzmodelle
80
2.3 Kunststoff und Kunststofftechnik – Begriffsbestimmung
84
2.4 Literaturverzeichnis
86
3 Kunststoff-Werkstofftechnik
90
3.1 Verhalten in der Schmelze – Fließeigenschaften und deren Messung
91
3.1.1 Strömungsmechanische Grundlagen
92
3.1.2 Einflüsse auf das Fließverhalten
99
3.1.3 Das Konzept der repräsentativen Viskosität
105
3.1.4 Dehnung von Schmelze
107
3.1.5 Strangaufweitung und Schrumpf
110
3.1.6 Rheometrie – die Messung der Fließeigenschaften
112
3.1.6.1 Die Messung des Schmelzemassefließrate MFR
113
3.1.6.2 Das Hochdruck-Kapillarrheometer
114
3.1.6.3 Rotationsrheometer
116
3.1.6.4 Dehnrheometer
121
3.2 Verhalten als Festkörper – Festkörpereigenschaften und deren Messung
122
3.2.1 Mechanische Eigenschaften von Kunststoffen
123
3.2.1.1 Der Zugversuch
123
3.2.1.2 Der Schnellzerreißversuch
126
3.2.1.3 Zeit- und Temperatureinfluss auf das mechanische Verhalten
128
3.2.1.4 Der Zeitstandversuch
131
3.2.1.5 Der Schwingversuch
132
3.2.1.6 Der Biegeversuch
135
3.2.2 Physikalische Eigenschaften
138
3.2.2.1 Elektrische Eigenschaften
138
3.2.2.2 Magnetische Eigenschaften
140
3.2.2.3 Optische Eigenschaften
141
3.2.2.4 Akustische Eigenschaften
149
3.2.3 Werte für den Wärme- und Stoffaustausch
151
3.2.3.1 Spezifische Enthalpie h
151
3.2.3.2 Spezifische Wärmekapazität cp
153
3.2.3.3 Dichte r
156
3.2.3.4 Wärmeleitfähigkeit l
157
3.2.3.5 Wärmeausdehnungskoeffizient a
160
3.2.3.6 Temperaturleitfähigkeit a
161
3.2.3.7 Wärmeeindringzahl b
163
3.2.3.8 Stofftransport
163
3.3 Beeinflussung der Eigenschaften durch Zusatzstoffe
168
3.3.1 Verstärkungsstoffe – Aktive Zusatzstoffe
168
3.3.1.1 Die Fasern und das Prinzip der Verstärkung
172
3.3.1.2 Die Aufgaben der Matrix
175
3.3.1.3 Kraftübertragung des Faserkunststoffverbunds
176
3.3.1.4 Defekte in Faserkunststoffverbunden
180
3.3.1.5 Nanopartikel als aktive Zusatzstoffe
184
3.3.2 Funktions-Zusatzstoffe – Additive
186
3.3.2.1 Viskositätsverändernde Zusatzstoffe – Fließhilfsmittel
186
3.3.2.2 Weichmacher
187
3.3.2.3 Zumischung anderer Polymere – Bildung von Polymerblends
189
3.3.2.4 Schlagzähmodifizierer
189
3.3.2.5 Keimbildner (Nukleierungsmittel)
191
3.3.2.6 Haftvermittler
192
3.3.2.7 Leitfähige Zusatzstoffe
193
3.3.3 Füllstoffe – Inaktive Zusatzstoffe
194
3.4 Von Polymer zu Kunststoff – Einführung in die Kunststoff-Aufbereitung
195
3.4.1 Der Doppelschneckenextruder
196
3.4.2 Verfahrenstechnik
197
3.4.3 Charakteristische Kennwerte
201
3.4.4 Zusatzaggregate
202
3.5 Prozess, Struktur, Eigenschaften – Beeinflussung im Verarbeitungsprozess
205
3.5.1 Eigenspannungen
206
3.5.2 Orientierung von Makromolekülen
207
3.5.3 Orientierung von Fasern
210
3.5.4 Kristallisation
211
3.5.5 Bildung einer Makrostruktur: Schäumen von Kunststoffen
211
3.6 Veränderungen mit der Zeit – Einblick in die Alterung von Kunststoffen
213
3.6.1 Alterungsursachen
214
3.6.2 Alterungsvorgänge
215
3.6.2.1 Mechanische Alterungsmechanismen
215
3.6.2.2 Physikalische Alterungsmechanismen
216
3.6.2.3 Chemische Alterungsmechanismen
218
3.6.2.4 Wirkweise von Alterungstabilisatoren
220
3.6.3 Alterungserscheinungen
221
3.6.4 Charakterisierung des Alterungsfortschritts
222
3.7 Kurzdarstellung einiger wichtiger Kunststoffe
225
3.8 Polyethylen (PE)
229
3.9 Polypropylen (PP)
230
3.10 Ethylen-Propylen-(Dien)-Copolymere (EPDM)
231
3.11 Polyvinylchlorid (PVC)
234
3.12 Polystyrol (PS)
236
3.13 Styrol-Butadien-Styrol-Copolymere (SBS)
238
3.14 Styrol-Acrylnitril-Copolymere (SAN)
239
3.15 Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere (ABS)
242
3.16 Acrylnitril-Styrol-Acrylester-Copolymere (ASA)
243
3.17 Polyamid (PA)
246
3.18 Polybutylenterephthalat (PBT)
252
3.19 Polyethylenterephthalat (PET)
253
3.20 Polycarbonat (PC)
256
3.21 Polymethylmethacrylat (PMMA)
258
3.22 Polyoxymethylen (POM)
260
3.23 Polytetrafluorethylen (PTFE)
263
3.24 Polyetheretherketon (PEEK)
264
3.25 Polyethersulfon (PES) und Polysulfon (PSU)
266
3.26 Polyphenylensulfid (PPS)
268
3.27 Cellulosederivate
270
3.28 Polyhydroxyalkanoate (PHA)
272
3.29 Polylactid (PLA)
273
3.30 Thermoplastisches Polyurethan (TPE-U, auch TPU)
275
3.31 Polyurethan (PUR)
276
3.32 Epoxidharze (EP)
277
3.33 Melaminformaldehydharz (MF)
279
3.34 Phenol-Formaldehyd- oder Phenolharz (PF)
280
3.35 Harnstoff-Formaldehydharz (UF)
281
3.36 Ungesättigtes Polyesterharz (UP)
282
3.37 Literaturverzeichnis
283
4 Kunststoff-Verarbeitungstechnik
286
4.1 Extrusion
287
4.1.1 Extruderschnecke und Zylinder
288
4.1.2 Der Hochleistungsextruder Helibar®
296
4.1.3 Rohr- und Profilextrusion
298
4.1.4 Flachfolien- und Plattenextrusion
304
4.1.5 Schlauch- und Blasfolienextrusion
305
4.1.6 Extrusions-Blasformen
307
4.1.7 Co-Extrusion
308
4.2 Spritzgießen
310
4.2.1 Der Spritzgießprozess
313
4.2.2 Das Plastifizieraggregat
316
4.2.3 Die Schließeinheit mit Spritzgießwerkzeug
318
4.2.3.1 Rheologische Auslegung
321
4.2.3.2 Thermische Auslegung
323
4.2.4 Einfluss des Spritzgießprozesses auf die Eigenschaften des Bauteils
326
4.2.5 Vorstellung einiger Sonderverfahren
329
4.2.5.1 Spritzprägen
330
4.2.5.2 Thermoplastschaum-Spritzgießen
331
4.2.5.3 Kaskaden-Spritzgießen
332
4.2.5.4 Spritzgießcompoundieren
333
4.2.5.5 Mehr-Komponenten-Verfahren
334
4.2.5.6 Sandwich-Spritzgießen
336
4.2.5.7 Fluidinjektionstechniken
338
4.2.5.8 Hinterspritztechnik
339
4.2.5.9 Spritzstreck-Blasformen
341
4.2.5.10 Variotherme Werkzeugtemperierung
342
4.3 Verarbeitung von vernetzenden Kunststoffen
344
4.3.1 Pressen
346
4.3.2 Transferpressen
347
4.3.3 Spritzgießen
348
4.3.4 Verarbeitung von Polyurethan
349
4.4 Technologie der Faserkunststoffverbunde
354
4.4.1 Handlaminieren und Faserspritzen
355
4.4.2 Pressen von SMC und GMT
356
4.4.3 Pultrusion von Endlosfasern
359
4.4.4 Arbeiten mit Prepregs
361
4.4.5 Harzinjektionsverfahren
362
4.4.6 Dreidimensionale Faserkunststoffverbundstrukturen
364
4.5 Weiterverarbeitung
366
4.5.1 Thermoformen
366
4.5.2 Mechanische Bearbeitung von Kunststoffen
373
4.5.3 Schweißen
377
4.5.3.1 Heizelementschweißen
379
4.5.3.2 Ultraschallschweißen
383
4.5.3.3 Vibrationsreibschweißen
385
4.5.3.4 Laserschweißen
386
4.5.4 Kleben
387
4.5.5 Fügen durch Schnappverbindungen, Schrauben und Nieten
392
4.5.6 Beschichten von Kunststoffen
395
4.5.6.1 Beschichtete Bauteile
396
4.5.6.2 Beschichtungsverfahren
399
4.6 Literaturverzeichnis
403
5 Produktentwicklung mit Kunststoffen
406
5.1 Kunststoffe als Konstruktionswerkstoffe
407
5.1.1 Kunststoffspezifische Alleinstellungsmerkmale
407
5.1.2 Werkstoffvorauswahl
411
5.2 Geometrische Unterteilung von Produkten
413
5.2.1 Großflächige Produkte
413
5.2.2 Gehäuseartige Produkte
414
5.2.3 Behälterartige Produkte
415
5.2.4 Komplexe Produkte
415
5.2.5 Funktionsspezifische Produkte
416
5.2.6 Bedeutung für die Wahl des Verarbeitungsverfahrens
416
5.3 Konstruieren mit Kunststoffen
418
5.3.1 Anforderungen an Produkte und Funktionen
419
5.3.2 Nutzen der Gestaltungsfreiheit – Integration von Funktionselementen
422
5.3.3 Nutzung der Gestaltungsfreiheit – Erhöhung des Flächenträgheitsmoments
426
5.3.4 Werkstoffgerechtes Konstruieren
430
5.3.5 Fertigungsgerechtes Konstruieren
441
5.3.6 Beanspruchungsgerechtes Konstruieren
444
5.3.6.1 Dimensionierung gegen eine zulässige Spannung
447
5.3.6.2 Dimensionierung gegen eine kritische Dehnung
449
5.3.6.3 Dimensionierung gegen den Zeiteinfluss – Lebensdauervorhersage
452
5.3.7 Kurzzusammenfassung der kunststoffgerechten Konstruktion
455
5.4 Nutzen von Prototypen in der Produktentwicklung
457
5.4.1 Rapid Prototyping
457
5.4.1.1 Stereolithographie (SLA)
458
5.4.1.2 Selektives Lasersintern (SLS)
460
5.4.1.3 Laminated Object Manufacturing (LOM)
460
5.4.1.4 3-D-Printing (3-D-P)
461
5.4.1.5 Strangablegeverfahren (FDM oder FFF)
462
5.4.2 Rapid Tooling
464
5.4.2.1 Gießverfahren
465
5.4.2.2 Lasersintern
468
5.4.3 Wahl eines Prototypverfahrens
469
5.4.3.1 Anforderungen an den Prototyp
469
5.4.3.2 Protoypen für großflächige Produkte und für gehäuseartige Produkte
470
5.4.3.3 Protoypen für behälterartige Produkte
472
5.4.3.4 Protoypen für komplexe Produkte
473
5.5 Literaturverzeichnis
474
6 Kunststoffe und Umwelt
476
6.1 Kunststoffabfälle
476
6.2 Sind Kunststoffe giftig?
481
6.3 Biopolymere und Biokunststoffe
486
6.3.1 Bioabbaubare Kunststoffe
487
6.3.2 Biobasierte Kunststoffe
492
6.3.3 Von Biopolymer zu Biokunststoff – Aufbereitung von Biopolymeren
497
6.4 Ressourcenschonung mit Kunststoffen
499
6.4.1 Herkunft des Begriffes der „Nachhaltigkeit“
499
6.4.2 Der Brundtland-Bericht und das Kyoto-Protokoll
499
6.4.3 Ressourcenschonung mit Kunststoffen
501
6.4.4 Regenerative Energieerzeugung mit Kunststoffen
506
6.5 Fazit
509
6.6 Literaturverzeichnis
510
A Empfehlungen zur Abfassung einer Bachelor-/Masterarbeit am IKT
512
A.1 Unterschiedlicher Anspruch an eine Bachelor-, Master- und Doktorarbeit
512
A.2 Wissenschaftliche Methoden
513
A.2.1 Quellen-untersuchende Methoden
513
A.2.2 Theoretische Methoden
513
A.2.3 Empirische Methoden
514
A.3 Wissenschaftliche Arbeit
515
A.4 Bachelor- oder Masterarbeit
516
A.4.1 Zum Titel der Abschlussarbeit
516
A.4.2 Zum Inhalt der Arbeit
516
A.4.2.1 Zusammenfassung
517
A.4.2.2 Einleitung
517
A.4.2.3 Hauptteil
517
A.4.2.4 Schlussbemerkungen
519
A.4.2.5 Anhang
519
A.4.3 Zum Umfang der Arbeit
519
A.4.4 Zum Schreibstil der Arbeit
519
Index
522
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