Verbesserte Verarbeitung thermoplastischer Elastomere durch Simulation mit belastungsabhängig korrigierter Viskosität

Thermoplastische Elastomere (TPE) vereinen gummielastisches Verhalten mit thermoplastischer Verarbeitbarkeit, ohne eine irreversible Vernetzung zu benötigen. Sie sind thermisch umformbar, in der Verarbeitung vollständig recycelbar und werden unter anderem in der Automobilindustrie und Medizintechnik eingesetzt. Dennoch bestehen erhebliche Herausforderungen bei ihrer Prozessauslegung: Spritzgusssimulationen bilden das reale Füllverhalten häufig unzureichend ab und unterschätzen bei vorgegebenem Druck und vorgegebener Einspritzzeit den Füllweg.

Als wesentliche Ursache wird die besondere Materialstruktur der TPE vermutet. Bei styrolbasierten TPE (TPS) bilden Hart- und Weichsegmente eine mehrphasige Morphologie. Die harten Bereiche wirken unterhalb ihrer Glasübergangstemperatur als physikalische Vernetzungspunkte und ermöglichen Elastizität und Rückstellfähigkeit. Durch hohe Temperaturen und Scherkräfte lässt sich diese Struktur aufbrechen, wodurch das Material thermoplastisch verformbar wird. Strukturelle Veränderungen in der Schmelze können zudem eine sprunghafte Viskositätsabnahme auslösen. Ob und wie schnell sich die ursprüngliche Viskosität bei sinkender Scherbeanspruchung wieder einstellt, ist bislang ungeklärt.

Die bisherige Prozesssimulation behandelt TPE weitgehend wie hartzähe Thermoplaste. Grundlage sind im Hochdruckkapillarrheometer ermittelte Viskositätskurven und temperaturabhängige, scherverdünnende Modelle. Veränderungen während der Plastifizierung sowie Einflüsse der Temperatur- und Scherhistorie bleiben dabei unzureichend berücksichtigt. Auch möglicher Polymerabbau erschwert die Bewertung. Diese Wissenslücken führen zu zeit- und kostenintensiven empirischen Entwicklungsprozessen und begrenzen die Nutzung des Werkstoffpotenzials.

Ziel des Forschungsvorhabens ist eine prozesssichere Auslegung des Aufschmelzprozesses, die eine konstant homogene TPE-Schmelze mit möglichst niedriger Viskosität ohne Polymerabbau ermöglicht. Aufgrund ihrer Marktrelevanz stehen zunächst TPS im Mittelpunkt. Untersucht wird, ob Schneckengeometrie, Temperatur und Drehzahl durch eine Homogenisierung der Morphologie eine sprunghafte, reversible Viskositätssenkung bewirken und ob diese mittels Online-Rheometrie erfasst werden können. Begleitende, TPS-optimierte Schneckensimulationen grenzen die erforderlichen Bedingungen ein. Darauf aufbauend können angepasste Viskositätsdaten sowohl Schnecken- als auch Füllsimulationen verbessern.