Kunststofftechnik

Vorwort

Vorwort zur 2. Auflage

Vorwort zur 1. Auflage

Der Autor: Prof. Christian Bonten

Hinweise zur Benutzung des Buches

Inhalt

1 Einleitung

1.1 Kunststoff – Werkstoff der Moderne

1.2 Einsatzgebiete von Kunststoffen

1.3 Kunststoffe und Design

1.4 Literaturverzeichnis

2 Grundlagen

2.1 Von Monomer zu Polymer – Grundlagen der Polymerchemie

2.1.1 Herkunft der Monomere

2.1.2 Polymersynthese

2.1.2.1 Polymerisation

2.1.2.2 Copolymerisation (Sonderform der Polymerisation)

2.1.2.3 Polykondensation

2.1.2.4 Polyaddition

2.1.3 Die Molmasse von Polymeren

2.1.4 Bindungskräfte und Brown’sche Molekularbewegung

2.1.4.1 Innermolekulare chemische Bindungen

2.1.4.2 Intermolekulare physikalische Bindungen

2.1.4.3 Brown’sche Molekularbewegung – Beweglichkeit der Polymerketten

2.1.5 Mechanismen der Erstarrung und Unterteilung der Polymere

2.1.6 Primärstruktur von Polymeren: Konstitution und Konfiguration

2.1.7 Sekundär- und Tertiärstrukturen von Polymeren: Konformation

2.1.7.1 Amorphe Strukturen

2.1.7.2 Kristalline Strukturen

2.1.7.3 Einfluss der Primärstruktur

2.1.7.4 Überstrukturen

2.1.8 Polymere – Rohstoff nicht nur für Kunststoffe

2.2 Grundlagen der Kraftübertragung

2.2.1 Wichtige Begriffe

2.2.1.1 Festigkeit

2.2.1.2 Steifigkeit

2.2.1.3 Zähigkeit

2.2.1.4 Spannungs-Dehnungs-Diagramme

2.2.2 Zustandsbereiche von Kunststoffen

2.2.2.1 Glasübergangstemperatur Tg

2.2.2.2 Kristallitschmelztemperatur Tm

2.2.2.3 Zustandsbereiche vernetzter Polymere

2.2.3 Mechanische Ersatzmodelle

2.3 Kunststoff und Kunststofftechnik – Begriffsbestimmung

2.4 Literaturverzeichnis

3 Kunststoff-Werkstofftechnik

3.1 Verhalten in der Schmelze – Fließeigenschaften und deren Messung

3.1.1 Strömungsmechanische Grundlagen

3.1.2 Einflüsse auf das Fließverhalten

3.1.3 Das Konzept der repräsentativen Viskosität

3.1.4 Dehnung von Schmelze

3.1.5 Strangaufweitung und Schrumpf

3.1.6 Rheometrie – die Messung der Fließeigenschaften

3.1.6.1 Die Messung des Schmelzemassefließrate MFR

3.1.6.2 Das Hochdruck-Kapillarrheometer

3.1.6.3 Rotationsrheometer

3.1.6.4 Dehnrheometer

3.2 Verhalten als Festkörper – Festkörpereigenschaften und deren Messung

3.2.1 Mechanische Eigenschaften von Kunststoffen

3.2.1.1 Der Zugversuch

3.2.1.2 Der Schnellzerreißversuch

3.2.1.3 Zeit- und Temperatureinfluss auf das mechanische Verhalten

3.2.1.4 Der Zeitstandversuch

3.2.1.5 Der Schwingversuch

3.2.1.6 Der Biegeversuch

3.2.2 Physikalische Eigenschaften

3.2.2.1 Elektrische Eigenschaften

3.2.2.2 Magnetische Eigenschaften

3.2.2.3 Optische Eigenschaften

3.2.2.4 Akustische Eigenschaften

3.2.3 Werte für den Wärme- und Stoffaustausch

3.2.3.1 Spezifische Enthalpie h

3.2.3.2 Spezifische Wärmekapazität cp

3.2.3.3 Dichte r

3.2.3.4 Wärmeleitfähigkeit l

3.2.3.5 Wärmeausdehnungskoeffizient a

3.2.3.6 Temperaturleitfähigkeit a

3.2.3.7 Wärmeeindringzahl b

3.2.3.8 Stofftransport

3.3 Beeinflussung der Eigenschaften durch Zusatzstoffe

3.3.1 Verstärkungsstoffe – Aktive Zusatzstoffe

3.3.1.1 Die Fasern und das Prinzip der Verstärkung

3.3.1.2 Die Aufgaben der Matrix

3.3.1.3 Kraftübertragung des Faserkunststoffverbunds

3.3.1.4 Defekte in Faserkunststoffverbunden

3.3.1.5 Nanopartikel als aktive Zusatzstoffe

3.3.2 Funktions-Zusatzstoffe – Additive

3.3.2.1 Viskositätsverändernde Zusatzstoffe – Fließhilfsmittel

3.3.2.2 Weichmacher

3.3.2.3 Zumischung anderer Polymere – Bildung von Polymerblends

3.3.2.4 Schlagzähmodifizierer

3.3.2.5 Keimbildner (Nukleierungsmittel)

3.3.2.6 Haftvermittler

3.3.2.7 Leitfähige Zusatzstoffe

3.3.3 Füllstoffe – Inaktive Zusatzstoffe

3.4 Von Polymer zu Kunststoff – Einführung in die Kunststoff-Aufbereitung

3.4.1 Der Doppelschneckenextruder

3.4.2 Verfahrenstechnik

3.4.3 Charakteristische Kennwerte

3.4.4 Zusatzaggregate

3.5 Prozess, Struktur, Eigenschaften – Beeinflussung im Verarbeitungsprozess

3.5.1 Eigenspannungen

3.5.2 Orientierung von Makromolekülen

3.5.3 Orientierung von Fasern

3.5.4 Kristallisation

3.5.5 Bildung einer Makrostruktur: Schäumen von Kunststoffen

3.6 Veränderungen mit der Zeit – Einblick in die Alterung von Kunststoffen

3.6.1 Alterungsursachen

3.6.2 Alterungsvorgänge

3.6.2.1 Mechanische Alterungsmechanismen

3.6.2.2 Physikalische Alterungsmechanismen

3.6.2.3 Chemische Alterungsmechanismen

3.6.2.4 Wirkweise von Alterungstabilisatoren

3.6.3 Alterungserscheinungen

3.6.4 Charakterisierung des Alterungsfortschritts

3.7 Kurzdarstellung einiger wichtiger Kunststoffe

3.8 Polyethylen (PE)

3.9 Polypropylen (PP)

3.10 Ethylen-Propylen-(Dien)-Copolymere (EPDM)

3.11 Polyvinylchlorid (PVC)

3.12 Polystyrol (PS)

3.13 Styrol-Butadien-Styrol-Copolymere (SBS)

3.14 Styrol-Acrylnitril-Copolymere (SAN)

3.15 Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere (ABS)

3.16 Acrylnitril-Styrol-Acrylester-Copolymere (ASA)

3.17 Polyamid (PA)

3.18 Polybutylenterephthalat (PBT)

3.19 Polyethylenterephthalat (PET)

3.20 Polycarbonat (PC)

3.21 Polymethylmethacrylat (PMMA)

3.22 Polyoxymethylen (POM)

3.23 Polytetrafluorethylen (PTFE)

3.24 Polyetheretherketon (PEEK)

3.25 Polyethersulfon (PES) und Polysulfon (PSU)

3.26 Polyphenylensulfid (PPS)

3.27 Cellulosederivate

3.28 Polyhydroxyalkanoate (PHA)

3.29 Polylactid (PLA)

3.30 Thermoplastisches Polyurethan (TPE-U, auch TPU)

3.31 Polyurethan (PUR)

3.32 Epoxidharze (EP)

3.33 Melaminformaldehydharz (MF)

3.34 Phenol-Formaldehyd- oder Phenolharz (PF)

3.35 Harnstoff-Formaldehydharz (UF)

3.36 Ungesättigtes Polyesterharz (UP)

3.37 Literaturverzeichnis

4 Kunststoff-Verarbeitungstechnik

4.1 Extrusion

4.1.1 Extruderschnecke und Zylinder

4.1.2 Der Hochleistungsextruder Helibar®

4.1.3 Rohr- und Profilextrusion

4.1.4 Flachfolien- und Plattenextrusion

4.1.5 Schlauch- und Blasfolienextrusion

4.1.6 Extrusions-Blasformen

4.1.7 Co-Extrusion

4.2 Spritzgießen

4.2.1 Der Spritzgießprozess

4.2.2 Das Plastifizieraggregat

4.2.3 Die Schließeinheit mit Spritzgießwerkzeug

4.2.3.1 Rheologische Auslegung

4.2.3.2 Thermische Auslegung

4.2.4 Einfluss des Spritzgießprozesses auf die Eigenschaften des Bauteils

4.2.5 Vorstellung einiger Sonderverfahren

4.2.5.1 Spritzprägen

4.2.5.2 Thermoplastschaum-Spritzgießen

4.2.5.3 Kaskaden-Spritzgießen

4.2.5.4 Spritzgießcompoundieren

4.2.5.5 Mehr-Komponenten-Verfahren

4.2.5.6 Sandwich-Spritzgießen

4.2.5.7 Fluidinjektionstechniken

4.2.5.8 Hinterspritztechnik

4.2.5.9 Spritzstreck-Blasformen

4.2.5.10 Variotherme Werkzeugtemperierung

4.3 Verarbeitung von vernetzenden Kunststoffen

4.3.1 Pressen

4.3.2 Transferpressen

4.3.3 Spritzgießen

4.3.4 Verarbeitung von Polyurethan

4.4 Technologie der Faserkunststoffverbunde

4.4.1 Handlaminieren und Faserspritzen

4.4.2 Pressen von SMC und GMT

4.4.3 Pultrusion von Endlosfasern

4.4.4 Arbeiten mit Prepregs

4.4.5 Harzinjektionsverfahren

4.4.6 Dreidimensionale Faserkunststoffverbundstrukturen

4.5 Weiterverarbeitung

4.5.1 Thermoformen

4.5.2 Mechanische Bearbeitung von Kunststoffen

4.5.3 Schweißen

4.5.3.1 Heizelementschweißen

4.5.3.2 Ultraschallschweißen

4.5.3.3 Vibrationsreibschweißen

4.5.3.4 Laserschweißen

4.5.4 Kleben

4.5.5 Fügen durch Schnappverbindungen, Schrauben und Nieten

4.5.6 Beschichten von Kunststoffen

4.5.6.1 Beschichtete Bauteile

4.5.6.2 Beschichtungsverfahren

4.6 Literaturverzeichnis

5 Produktentwicklung mit Kunststoffen

5.1 Kunststoffe als Konstruktionswerkstoffe

5.1.1 Kunststoffspezifische Alleinstellungsmerkmale

5.1.2 Werkstoffvorauswahl

5.2 Geometrische Unterteilung von Produkten

5.2.1 Großflächige Produkte

5.2.2 Gehäuseartige Produkte

5.2.3 Behälterartige Produkte

5.2.4 Komplexe Produkte

5.2.5 Funktionsspezifische Produkte

5.2.6 Bedeutung für die Wahl des Verarbeitungsverfahrens

5.3 Konstruieren mit Kunststoffen

5.3.1 Anforderungen an Produkte und Funktionen

5.3.2 Nutzen der Gestaltungsfreiheit – Integration von Funktionselementen

5.3.3 Nutzung der Gestaltungsfreiheit – Erhöhung des Flächenträgheitsmoments

5.3.4 Werkstoffgerechtes Konstruieren

5.3.5 Fertigungsgerechtes Konstruieren

5.3.6 Beanspruchungsgerechtes Konstruieren

5.3.6.1 Dimensionierung gegen eine zulässige Spannung

5.3.6.2 Dimensionierung gegen eine kritische Dehnung

5.3.6.3 Dimensionierung gegen den Zeiteinfluss – Lebensdauervorhersage

5.3.7 Kurzzusammenfassung der kunststoffgerechten Konstruktion

5.4 Nutzen von Prototypen in der Produktentwicklung

5.4.1 Rapid Prototyping

5.4.1.1 Stereolithographie (SLA)

5.4.1.2 Selektives Lasersintern (SLS)

5.4.1.3 Laminated Object Manufacturing (LOM)

5.4.1.4 3-D-Printing (3-D-P)

5.4.1.5 Strangablegeverfahren (FDM oder FFF)

5.4.2 Rapid Tooling

5.4.2.1 Gießverfahren

5.4.2.2 Lasersintern

5.4.3 Wahl eines Prototypverfahrens

5.4.3.1 Anforderungen an den Prototyp

5.4.3.2 Protoypen für großflächige Produkte und für gehäuseartige Produkte

5.4.3.3 Protoypen für behälterartige Produkte

5.4.3.4 Protoypen für komplexe Produkte

5.5 Literaturverzeichnis

6 Kunststoffe und Umwelt

6.1 Kunststoffabfälle

6.2 Sind Kunststoffe giftig?

6.3 Biopolymere und Biokunststoffe

6.3.1 Bioabbaubare Kunststoffe

6.3.2 Biobasierte Kunststoffe

6.3.3 Von Biopolymer zu Biokunststoff – Aufbereitung von Biopolymeren

6.4 Ressourcenschonung mit Kunststoffen

6.4.1 Herkunft des Begriffes der „Nachhaltigkeit“

6.4.2 Der Brundtland-Bericht und das Kyoto-Protokoll

6.4.3 Ressourcenschonung mit Kunststoffen

6.4.4 Regenerative Energieerzeugung mit Kunststoffen

6.5 Fazit

6.6 Literaturverzeichnis

A Empfehlungen zur Abfassung einer Bachelor-/Masterarbeit am IKT

A.1 Unterschiedlicher Anspruch an eine Bachelor-, Master- und Doktorarbeit

A.2 Wissenschaftliche Methoden

A.2.1 Quellen-untersuchende Methoden

A.2.2 Theoretische Methoden

A.2.3 Empirische Methoden

A.3 Wissenschaftliche Arbeit

A.4 Bachelor- oder Masterarbeit

A.4.1 Zum Titel der Abschlussarbeit

A.4.2 Zum Inhalt der Arbeit

A.4.2.1 Zusammenfassung

A.4.2.2 Einleitung

A.4.2.3 Hauptteil

A.4.2.4 Schlussbemerkungen

A.4.2.5 Anhang

A.4.3 Zum Umfang der Arbeit

A.4.4 Zum Schreibstil der Arbeit

Index