Verschleißminimierung in der Kunststoffverarbeitung: Phänomene und Schutzmaßnahmen
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| Language: | German |
| Published: |
München
Hanser
2008
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| Edition: | 2. Aufl. |
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| Online Access: | Inhaltsverzeichnis |
| Item Description: | 1. Aufl. u.d.T.: Verschleiß in der Kunststoffverarbeitung |
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Titel: Verschleißminimierung in der Kunststoffverarbeitung
Autor: Mennig, Günter
Jahr: 2008
Inhalt
I Einführung 1
1 Entwicklung der Verschleißproblematik 1
2 Wirtschaftliche Bedeutung 5
II Tribologische Grundlagen 9
1 Allgemeine Prinzipien der Tribologie 11
1.1 Charakterisierung tribologisch relevanter Eigenschaften 11
1.1.1 Topographie 12
1.1.1.1 Rauheitskenngrößen 12
1.1.1.2 Charakterisierungsmethoden der Oberflächen¬
topographie 14
1.1.2 Mechanische Eigenschaften: Härte und Elastizität 23
1.1.3 Chemische Zusammensetzung von Oberflächen 25
1.1.4 Kontaktwinkelmessungen an Oberflächen 28
1.2 Kontaktmechanik 30
1.2.1 Kontaktmodelle für den elastischen Einzelkontakt 30
1.2.2 Elastischer Kontakt von rauhen Oberflächen (Mehrfachkontakt) 34
1.2.3 Plastischer Kontakt 36
1.2.4 Bindungs- und Nahwirkungskräfte 37
1.2.4.1 Bindungskräfte 37
1.2.4.2 Wechselwirkungskräfte 38
1.3 Reibung 40
1.3.1 Definition von Reibung 40
1.3.2 Klassifizierung von Reibungstypen 41
1.3.3 Reibung in ungeschmierten Kontakten 42
1.3.4 Reibung in geschmierten Kontakten 46
1.3.5 Reibung in MikroSystemen 47
1.3.6 Reibung und Werkstoffe 50
1.3.7 Reibungsprüfung 53
1.3.8 Reibungstheorie 54
1.4 Verschleiß 56
1.4.1 Definition von Verschleiß 56
1.4.2 Verschleißarten 56
1.4.3 Verschleißmechanismen 57
1.4.3.1 Adhäsionsverschleiß 57
1.4.3.2 Abrasionsverschleiß 60
1.4.3.3 Ermüdungsverschleiß 64
1.4.3.4 Tribochemischer Verschleiß 66
1.4.3.5 Weitere Verschleißmechanismen und Verschleißarten 67
1.4.4 Verschleißprüfungen 69
1.4.5 Verschleißmodelle 70
2 Tribosysteme in der Kunststoffverarbeitung 73
2.1 Verschleißrelevante Verfahrensbereiche 73
2.1.1 Feststoffbereich 74
2.1.2 Umwandlungsbereich 75
2.1.3 Schmelzebereich 77
2.1.3.1 Strömungen mit bewegter Wand 77
2.1.3.2 Einfache Druckströmung 79
2.2 Definition des Tribosystems 80
2.3 Verschleißmechanismen und -arten in der Kunststoffverarbeitung 83
2.3.1 Abrasion 83
2.3.2 Adhäsion 91
2.3.3 Weitere Mechanismen 92
2.3.3.1 Schichtverschleiß 92
2.3.3.2 Ermüdungsverschleiß 93
2.3.4 Überlagerte Verschleißmechanismen 94
2.4 Tribochemische Reaktionen 95
2.5 Werkstoffspezifischer Einfiuss auf den Verschleiß 96
2.6 Weitere tribo-rheologische Anforderungen 101
3 Korrosion in der Kunststoffverarbeitung 103
3.1 Einleitung 103
3.2 Korrosionserscheinungen durch plastifizierte Kunststoffe 104
3.3 Korrosionsbeständigkeit der Stähle 109
3.4 Korrosive Eigenschaften ausgesuchter Kunststoffe 111
3.4.1 Thermoplaste 111
3.4.2 Duroplaste 114
3.5 Abrasiv-korrosive Komplexbeanspruchung 116
III Verschleißpartner 119
1 Kunststoff-Formmassen, Füllstoffe und Additive 120
1.1 Aufbau der Kunststoffe 120
1.2 Ausgewählte Kunststoff-Formmassen 121
1.3 Das Verhalten von Polymerschmelzen 122
1.3.1 Fließeigenschaften 122
1.3.2 Schmelzen unter Langzeitbelastung 132
1.3.3 Verschleiß und Korrosion durch Rezyklate 133
1.4 Kunststoff-Additive 133
1.4.1 Ausgewählte Materialien 138
1.4.1.1 Silikate 138
1.4.1.2 Carbonate und Sulfate 140
1.4.1.3 Kohlenstoff. 142
1.4.1.4 Oxide und Hydroxide 142
1.4.1.5 Metalle und anorganische Fasern 144
1.4.1.6 Organische Fasern 144
1.4.2 Funktionsstoffe 145
1.4.3 Farbmittel 148
1.5 Einfluss der Formmasse auf den Verschleiß 149
1.5.1 Polymerspezifische Einflussgrößen 150
1.5.2 Zusatzstoffspezifische Einflussgrößen 152
1.5.3 Feststoffbereich 154
1.5.4 Schmelzebereich 156
2 Metallische Werkstoffe und Verschleißschutzschichten 160
2.1 Stähle für die Kunststoffverarbeitung 163
2.1.1 Werkstoffauswahl für Plastifiziereinheiten 164
2.1.1.1 Nitrierstähle 164
2.1.1.2 Durchhärtende Stähle 166
2.1.1.3 Korrosionsbeständige Stähle 171
2.1.1.4 Martensitaushärtbare Stähle 173
2.1.1.5 Schnellarbeitsstähle 173
2.1.2 Werkstoffauswahl für Kunststoffformen 173
2.1.2.1 Einsatzstähle 174
2.1.2.2 Vergütete Stähle 176
2.1.2.3 Korrosionsbeständige Stähle 176
2.1.2.4 Durchhärtende und martensitaushärtbare Stähle 177
2.1.3 Wärmebehandlung der Werkzeugstähle 177
2.1.3.1 Weichglühen und Spannungsarmglühen 179
2.1.3.2 Härten 180
2.1.3.3 Anlassen 181
2.1.4 Härtbare Werkstoffe auf Fe-Cr-V-C-Basis 181
2.2 Hartlegierungen 183
2.2.1 Hartlegierungen auf Fe-Cr-C- und Fe-Cr-C-B- und
Fe-V-Cr-C-Basis 187
2.2.2 Hartlegierungen auf Nickel- und Kobalt-Basis 190
2.2.3 Hartstoff-Hartlegierung-Verbundwerkstoffe 193
2.3 Zerspanbare Hartstoffe 196
2.4 Hartmetall 201
2.4.1 Hartstoffe und Bindertypen 201
2.4.2 Herstellung von Hartmetall 202
2.4.2.1 Pulverherstellung 202
2.4.2.2 Formgebung und Sinterverfahren 203
2.4.3 Gefüge und Eigenschaften 205
2.5 Oberflächenbehandlungs- und Beschichtungsverfahren 206
2.5.1 Oberflächenbehandlungsverfahren 208
2.5.1.1 Nitrieren und Nitrocarburieren 208
2.5.1.2 Borieren 211
2.5.2 Beschichtungsverfahren 212
2.5.2.1 Verchromen 212
2.5.2.2 Vernickeln 213
2.5.2.3 CVD-Verfahren 213
2.5.2.4 PVD-Verfahren 215
2.5.2.5 Kombinationsbehandlung Plasmanitrieren und
PVD-Beschichten 220
2.5.2.6 Thermisches Spritzen 221
2.6 Panzern 223
2.6.1 Schneckenstegpanzern durch Auftragschweißen 225
2.6.2 Zentrifugalschleudergießen von Zylinderauskleidungen 230
2.6.3 Thermisches Spritzen 235
2.6.4 Heiß-Isostatisches-Pressen (HIP) 237
3 Keramik 242
3.1 Stand der Technik 243
3.1.1 Mechanisch-Thermische Eigenschaften Technischer Keramiken 246
3.1.2 Mechanische Eigenschaften 248
3.1.3 Thermische Eigenschaften 249
3.2 Verschleißverhalten von Keramiken 250
3.2.1 Grundlagen 250
3.2.2 Trockengleitverschleiß 252
3.2.3 Verschleiß im Schmelzekontakt 253
3.3 FEM-gestützte Konstruktion und Anwendungsbeispiele 256
3.3.1 Keramisches Meteringzonensegment in der Plastifiziereinheit 256
3.3.2 Einsatzrelevante Lötverbunde 259
3.4 Zusammenfassung und Ausblick 263
IV Verschleißprüfung 265
1 Der Kategoriegedanke 266
2 Verschleißrnessgrößen 270
3 Prüfmethoden 274
3.1 Betriebsnahe Prüfmethoden 274
3.1.1 Verschleißuntersuchungen in der Praxis 274
3.1.2 Praxisgerechte Labormethoden 275
3.2 Prüfung am Modellsystem 280
3.2.1 Prüfverfahren für plastifizierte Formmassen 281
3.2.2 Prüfverfahren für feste Formmassen 284
3.2.4 Prüfverfahren für adhäsiven Verschleiß 286
3.2.5 Prüfverfahren zur Analyse von Korrosionserscheinungen 287
4 Messen mit Modellprüfverfahren 294
4.1 Modifizierte Plättchenapparaturen 297
4.2 Untersuchung der Korrosion mittels modifizierter Verschleißmessstände . 298
5 Übertragung auf die Praxis 300
V Verschleiß in der betrieblichen Praxis 303
1 Aufbereiten 305
1.1 Charakterisierung des Verfahrens 305
1.1.1 Verfahrensschritte beim Aufbereiten 306
1.1.2 Aufbereitungsmaschinen 306
1.1.2.1 Kontinuierliches Aufbereiten 308
1.1.2.2 Diskontinuierliches Aufbereiten 310
1.1.3 Anwendungsbeispiele 311
1.1.3.1 Aufbereiten von PVC 311
1.1.3.2 Füllen und Verstärken von Technischen Kunststoffen 313
1.1.3.3 Herstellen von Pigment-Konzentraten 315
1.1.3.4 Entgasen von Polysulfon (PSU) 316
1.1.3.5 Aufbereiten von Härtbaren Formmassen 317
1.1.3.6 Aufbereiten von Kautschuk auf Innenmischern 317
1.2 Verschleißerscheinungen an Aufbereitungsmaschinen 318
1.2.1 Beanspruchungsanalyse 318
1.2.2 Abrasiver Verschleiß 323
1.2.3 Adhäsiver Verschleiß 326
1.2.4 Korrosiver Verschleiß 327
1.3 Verschleißschutzmaßnahmen 328
1.3.1 Konstruktive Lösungen 328
1.3.1.1 Schneckengehäuse-Baukasten 329
1.3.1.2 Schnecken-Baukasten 330
1.3.2 Beanspruchungsgerechte Werkstoffauswahl 331
1.3.2.1 Werkstoffe für Schneckengehäuse 331
1.3.2.2 Werkstoffe für Schneckensatzelemente 335
1.3.2.3 Werkstoffe für diskontinuierliche Maschinen 338
1.3.3 Verfahrenstechnische Maßnahmen 340
1.4 Ausblick 342
2 Granulieren und Fördern 343
2.1 Granulieren 343
2.1.1 Charakterisierung des Verfahrens 343
2.1.2 Einsatzbereich 344
2.1.3 Granulieren aus der Schmelze 345
2.1.3.1 Verfahrensspezifische Systematisierung der Granulier¬
vorrichtungen 345
2.1.3.2 Verschleißproblematik 349
2.1.3.3 Werkstoffauswahl 353
2.1.3.4 Entwicklungstendenzen 356
2.1.4 Granulieren von Formkörpern aus festem Kunststoff 356
2.1.4.1 Einsatzbereich 356
2.1.4.2 Aufbau und Wirkungsweise von Feststoffgranulatoren 356
2.1.4.3 Verschleißproblematik 357
2.1.4.4 Werkstoffauswahl : 358
2.1.5 Neue Verfahren 358
2.2 Pneumatische Förderung 358
2.2.1 Verschleißarten in pneumatischen Förderungen 359
2.2.1.1 Prall- und Strahlverschleiß 359
2.2.1.2 Verschleißschutzmaterialien 360
2.2.2 Verschleiß bei der pneumatischen Förderung von Kunststoff¬
granulat 361
2.2.2.1 Druckförderverfahren 361
2.2.2.2 Aufbau einer pneumatischen Förderung mit gekennzeich¬
neten Verschleißstellen 363
2.2.2.3 Verschleißstellen und Schutzmaßnahmen 364
2.2.2.4 Verschleißmechanismen in pneumatischen Granulatförder¬
anlagen 369
2.2.3 Verschleiß bei der pneumatischen Förderung von Kunststoff¬
pulvern 372
2.2.3.1 Verschleißintensive Pulver im Kunststoffbereich 372
2.2.3.2 Förderverfahren 375
2.2.3.3 Aufbau einer pneumatischen Förderung mit gekennzeich¬
neten Verschleißstellen 375
2.2.3.4 Verschleißstellen und Schutzmaßnahmen 377
2.2.3.5 Verschleißmechanismen in pneumatischen Pulver¬
förderungen 381
2.2.3.6 Verschleißschutzmaterialien 383
3 Pressen und Spritzpressen 384
3.1 Das Verfahren 384
3.1.1 Pressen 385
3.1.2 Spritzpressen 386
3.1.3 Verfahrensablauf 386
3.2 Werkzeuge zum Pressen und Spritzpressen 389
3.2.1 Pressformen 390
3.2.2 Spritzpressformen 391
3.3 Besonderheiten beim Pressen und Spritzpressen von Duroplasten 392
3.3.1 Aufbau Härtbarer Formmassen 392
3.3.2 Übliche Verschleißprüfung 392
3.4 Einfluss von Rezepturbestandteilen auf den Verschleiß bei duroplastischen
Formmassen 396
3.4.1 Einfluss des Bindemittels 396
3.4.2 Einfluss der Füllstoffe 397
3.4.3 Einfluss von Verstärkungsstoffen 399
3.4.4 Einfluss sonstiger Rezepturbestandteile 400
3.4.5 Einfluss des Fließ-Härtungsverhaltens der Formmasse 401
3.5 Verfahren zur Verschleißminderung 401
3.5.1 Wahl der Stahlqualität 401
3.5.2 Oberflächenveredelung 404
3.6 Ausblick 405
4 Spritzgießen 407
4.1 Die Verschleißproblematik beim Spritzgießen 407
4.2 Das Spritzgießverfahren 410
4.3 Prozess- und verfahrensbedingte Beanspruchungen 413
4.3.1 Vorbereitung, Unterbrechung und Beendigung der Fertigung 413
4.3.2 Der Einfluss der Prozessparameter 414
4.4 Verschleiß an der Plastifiziereinheit 415
4.4.1 Spritzgießschnecke 416
4.4.2 Rückstromsperre 423
4.4.3 Schneckenzylinder 426
4.4.4 Zylinderkopf 427
4.5 Spritzgießwerkzeug 428
5 Verschleiß an Spritzgießwerkzeugen 429
5.1 Einleitung 429
5.2 Abrasionsverschleiß 429
5.2.1 Schadensformen an Werkzeugen und Heißkanälen und dadurch
hervorgerufene Formteilfehler 430
5.2.2 Abhilfemaßnahmen 433
5.2.2.1 Konstruktive Maßnahmen 433
5.2.2.2 Oberflächen- und Schichttechnologien 433
5.3 Korrosionsverschleiß 433
5.3.1 Ursachen und Schadensformen an Werkzeugen und dadurch
hervorgerufene Formteilfehler 435
5.3.2 Abhilfemaßnahmen 436
5.3.2.1 Werkstoffauswahl 436
5.3.2.2 Oberflächen- und Schichttechnologien 437
5.4 Reibverschleiß an Werkzeugelementen 437
5.4.1 Schadensformen an Werkzeugelementen 438
5.4.2 Abhilfemaßnahmen 438
5.4.2.1 Konstruktive Maßnahmen 438
5.4.2.2 Oberflächen- und Schichttechnologien 439
5.5 Ausblick und Entwicklungstrends 442
6 Extrudieren 445
6.1 Einführung 445
6.1.1 Einschneckenextruder 446
6.1.1.1 Bauformen der Einzugszone 449
6.1.1.2 Schneckenbauformen 450
6.1.1.3 Zweistufen-Schnecke 451
6.1.1.4 Barriere-Schnecke 452
6.1.1.5 Entgasungsschnecken 454
6.1.1.6 Scher- und Mischteile 454
6.1.1.7 Verschleißreduzierung durch geeignete Werkstoffauswahl . 456
6.1.2 Gegendrall-Doppelschneckenextruder 457
6.1.2.1 Maschinenbauformen 457
6.1.2.2 Verschleißfeste Zylinder und Schnecken für hohe Wirt¬
schaftlichkeit 459
6.1.3 Gleichdrall- Doppelschneckenextruder für die Direktextrusion 461
6.1.3.1 Maschinenkonzept 462
6.1.3.2 Einsatzgebiete 463
6.1.3.3 Stand der Technik bei der Direktextrusion 464
6.1.3.4 Aspekte der Direktextrusion 466
6.2 Beanspruchung der Plastifiziereinheit 467
6.3 Praxiserfahrungen und Lösungsansätze zur Verschleißreduzierung 468
6.3.1 Werkstoffauswahl 468
6.3.2 Konstruktion und Fertigungstechnik 469
6.3.3 Richtige Rohstoffauswahl beim In-line Dispergieren 471
6.3.4 Verfahrenstechnische Entwicklung 475
6.3.4.1 Schnelllaufende Extruder in Verbindung mit
Schmelzepumpen 475
6.3.4.2 Nutbuchsenextruder mit 30D- bzw. 33D-Schnecken 477
6.3.4.3 Erhöhter Durchsatz ohne Anwachsen des Verschleißes 478
6.4 Reparieren von Plastifiziereinheiten 483
6.4.1 Zylinder 483
6.4.2 Schnecken 484
6.5 Einflüsse auf die Standzeiten von Zylindern und Schnecken 484
6.6 Check-Liste zur Verschleißanalyse 485
6.7 Ausblick 485
7 Schadensanalyse 487
7.1 Grundlagen der Schadensanalyse 487
7.2 Ablauf der Schadensanalyse 488
Anhang 494 |
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