Die Arbeit behandelt am Beispiel von flachsfaserverstärktem Polypropylen die Verarbeitung von naturfaserverstärkten Thermoplasten im Spritzgießverfahren und die resultierenden Verbundeigenschaften. Im Grundlagenteil der Arbeit werden die Flachsfasern mit ihren besonderen chemischen und physikalischen Eigenschaften vorgestellt, die theoretischen Grundlagen zur Suspensionsrheologie, der Beschreibung von räumlichen Orientierungszuständen, zur Faser-Makrostruktur-Ausbildung und zum Spannungs-Verformungsverhalten von kurzfaserverstärkten Thermoplasten dargelegt. Phänomenologisch wird das rheologische Verhalten der flachsfasergefüllten thermoplastischen Schmelze charakterisiert. Weiterhin wird der Formfüllvorgang simuliert. Für die Bewegung der in der Schmelze mitgeschleppten Fasern werden die für konventionelle Kurzfasern gebräuchlichen Berechnungsansätze benutzt und deren Vorhersagegenauigkeit für flachsfaserverstärktes Polypropylen anhand experimenteller Ergebnisse beurteilt. Die resultierende Verbundsteifigkeit wird mit einem analytischen Modell unter Berücksichtigung der Orientierungssituation und Zuhilfenahme von mikromechanisch berechneten Faserkennwerten bestimmt. Abschließend wird der Einfluss technologischer und konstruktiver Parameter dargelegt.

Im theoretischen Teil der Arbeit wird zunächst ein Überblick über die Grundlagen der Formfüllsimulation beim Spritzgießen thermoplastischer Kunststoffe gegeben. Es wird auf den wesentlichen Unterschied zwischen den 2,5D- und 3D-Modellen eingegangen. Anschließend wird der Formfüllvorgang mit dem Strömungsberechnungsprogramm FIDAP modelliert. Die Analyse konzentriert sich auf die Strömungssituation in den Fließfront- und Bindenahtbereichen. Die Ergebnisse der Simulation werden mit geeigneten Experimenten überprüft. Die neuen Erkenntnisse der Strömungsberechnungen sollen einen Beitrag zur Aufklärung relevanter Phänomene im Zusammenhang mit den Erscheinungen und Festigkeiten von Bindenähten leisten.

Die Arbeit behandelt ausgewählte Aspekte der Ausbildung strömungsinduzierter Orientierungen und deren Auswirkung auf die mechanischen Eigenschaften in spritzgegossenen LCP-Formteilen. Es werden die Grundlagen zum rheologischen Verhalten von LCP, zum Füllvorgang und zur Orientierungsausbildung beim Spritzgießen sowie zu den Methoden der Orientierungsuntersuchung zusammengefaßt. Rheologische Untersuchungen werden aus der Sicht der praktischen Kennwertermittlung durchgeführt. Dabei wird die Abhängigkeit der Viskosität von der Düsenlänge und von der thermo-rheologischen Vorgeschichte analysiert sowie eine Viskosimeter-Vorrichtung für die Spritzgießmaschine vorgestellt und erprobt. Die umfangreiche Analyse verarbeitungsinduzierter Formteileigenschaften behandelt schwerpunktmäßig Orientierungsphänomene in der Wanddickenrichtung. Die Orientierungseffekte werden durch Grauwertmessungen erfaßt. Ein Meßaufbau mit einer kalibrierten Mikroskop-Digitalkamera-Kombination ermöglicht die reproduzierbare, effektive Messung der Grauwerte in hoher Ortsauflösung und damit eine über die bisher bekannten qualitativen Vergleiche hinausgehende quantitative Auswertung. Anhand der Grauwertverläufe wird der Einfluss technologischer und konstruktiver Parameter auf die Orientierungsstruktur dargelegt und mit Ergebnissen der Computersimulation verglichen. Durch parallele Messung anisotroper mechanischer Kennwerte und Orientierungsmerkmale werden richtungsabhängige Struktur-Eigenschafts-Beziehungen bestimmt.

Aufbauend auf den Grundlagen der Standard- und Mehrkunststoffspritzgießtechnik sowie der verarbeitungsinduzierten Grenzflächen (Bindenaht, Zwei-K-Grenzflächen) erfolgt eine detaillierte experimentelle Analyse von wichtigen Einflussfaktoren. Dabei werden Material- und Prozessparameter variiert und deren Auswirkungen auf die resultierende Verbundfestigkeit untersucht. Es wird auf das komplexe Zusammenspiel der Formänderungen und dadurch veränderter Wärmetransportbedingungen eingegangen. Im theoretischen Teil der Arbeit werden die experimentellen Erkenntnisse zur Festlegung der Anfangs- und Randbedingungen eines zweidimensionalen Berechnungsmodells angewandt, so dass die für eine Grenzfläche relevanten Abkühl- und Temperaturausgleichsabläufe nachgebildet werden können. Schwerpunkt ist dabei die Anpassung der lokal unterschiedlichen Wärmeübergangsbedingungen hinsichtlich der einzelnen Prozessphasen. Im Ergebnis der Analyse der Einflussgrößen konnte ein Beitrag zur Optimierung der Prozessführung und somit der Verbundfestigkeit erbracht werden.

Gegenstand der Arbeit ist die Analyse eines neu entwickelten Verfahrens zur Oberflächenmodifizierung, das bereits während des Spritzgießens die Haftungs- und Benetzungseigenschaften einer Formteiloberfläche verbessert. Damit kann die teilweise kosten- und anlagenintensive Oberflächenbehandlung nach dem Formgebungsprozess, wie z. B. durch Beflammen, Korona- oder Plasmabehandlung, eingespart werden. Die in dieser Arbeit betrachtete chemische Oberflächenmodifizierung von Polycarbonatformteilen hängt vor allem von den beim Spritzgießen sich einstellenden thermischen Verhältnissen ab. Daher werden im ersten Teil der Arbeit mittels Simulationsrechnungen die Temperaturen in dem Bereich ermittelt, in dem die Reaktion stattfindet. Auf der Basis der Temperaturberechnungen lässt sich die Reaktionsgeschwindigkeit der Modifizierung abschätzen. Zudem sind die Temperaturen an der Formteiloberfläche experimentell gemessen, mit den Berechnungser-gebnissen verglichen und bewertet worden. Randwinkelmessungen sowie Untersuchungen der Verbundfestigkeit von verklebten Probekörpern stellen einen Zusammenhang zwischen den beim Spritzgießen gewählten Prozessparametern und dem Modifizierungsergebnis her. Im letzten Teil der Arbeit wird gezeigt, dass sich das in situ Modifizierungsverfahren nicht nur bei Polykondensaten wie dem Polycarbonat, sondern auch für Polyolefine (z. B. Polypropylen) anwenden lässt, wobei die verfahrenstechnischen Unterschiede und Einschränkungen aufgezeigt werden.

Nowadays, the filling and solidification of macro-scale injection mouldings can be predicted using commercial CAE software. For micro-injection moulding, the conventional tools do not work for all process conditions. The reasons might be the lack of high quality database used in the simulation and the improperly specified boundary conditions which do not reflect the real state in the cavity. Special aspects like surface tension or "size dependent" viscosity might also be responsible for the inaccuracy of the simulations. In this paper, those aspects related to the boundary conditions were taken into consideration, especially the thermal contact behaviour and the melt compression in the barrel which affects not only the temperature of the melt due to the compression heating, but also reduces the actual volume rate in the cavity. It can be shown that the heat transfer coefficient between the melt and the mould wall has a significant influence on the simulation results. In combination with precise material data and considering the reduction of the volume rate due to the melt compression in the barrel, the heat transfer coefficient may be quantified by means of reverse engineering. In general, it decreases when either the cavity thickness or the injection speed increases. It is believed that a pressure dependent model for the heat transfer coefficient would be more suitable to describe the thermal contact behaviour in micro injection moulding. The melt compression in the barrel affects definitely the filling behaviour and subsequently the heat transfer in the cavity as well, which is especially true for micro parts of high aspect ratio.

Im Rahmen dieser Arbeit werden die Nanopartikel mittels verschiedener Beschichtungsverfahren auf eine Zwischenoberfläche (Substrat) appliziert. Diese wird anschließend in die Kavität einer Spritzgießmaschine eingelegt, wobei es während des Spritzgießprozesses zur Übertragung der Nanopartikel auf das PC-Formteil kommt. Als Modellsystem werden dafür Goldnanopartikel (AuNP) verwendet, da diese charakteristische optische, chemische und physikalische Eigenschaften aufweisen. Im weiteren Verlauf wurde die Übertragung von Kohlenstoffnanoröhren (CNT) und Siliziumdioxidnanopartikeln (SiO2-NP) untersucht. Die Oberflächen der SiO2-NP wurden außerdem mithilfe funktioneller Alkoxysilane modifiziert, um den Einfluss der Nanopartikeloberfläche auf die Übertragung zu untersuchen.

Die Arbeit behandelt die Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von naturfaserverstärktem Langfasergranulat. Ausgehend von den speziellen Eigenschaften von Naturfasern und dem Stand der Technik bei der Verarbeitung von naturfaserverstärkten Thermoplasten wird ein neues Verfahrensprinzip für die Herstellung von Langfasergranulat mit Naturfaserverstärkung konzipiert. Die konstruktive Auslegung der einzelnen Anlagenkomponenten wird theoretisch betrachtet und durch geeignete Modelle beschrieben. Mit der praktischen Umsetzung des Verfahrensprinzips werden wesentliche Zusammenhänge zwischen den Prozessbedingungen und den Granulateigenschaften analysiert. Die resultierenden Eigenschaften von Natur-Langfasergranulaten werden phänomenologisch charakterisiert und mit konventionellen Langfasergranulaten verglichen. Unter Anwendung bekannter Modellvorstellungen zu den mechanischen Eigenschaften von faserverstärkten Kunststoffen wird das theoretische Eigenschaftspotenzial von diskontinuierlich langfaserverstärkten Naturfaserverbunden berechnet und durch experimentelle Untersuchungen an flachsfaserverstärktem Polypropylen verifiziert.Abschließend erfolgt die Darstellung der experimentell ermittelten mechanischen, morphologischen und rheologischen Eigenschaften der im Spritzgießverfahren hergestellten Verbunde aus Natur-Langfasergranulaten.

Gegenstand der Arbeit ist die Analyse eines neu entwickelten Verfahrens zur Oberflächenmodifizierung, das bereits während des Spritzgießens die Haftungs- und Benetzungseigenschaften einer Formteiloberfläche verbessert. Damit kann die teilweise kosten- und anlagenintensive Oberflächenbehandlung nach dem Formgebungsprozess, wie z. B. durch Beflammen, Korona- oder Plasmabehandlung, eingespart werden. Die in dieser Arbeit betrachtete chemische Oberflächenmodifizierung von Polycarbonatformteilen hängt vor allem von den beim Spritzgießen sich einstellenden thermischen Verhältnissen ab. Daher werden im ersten Teil der Arbeit mittels Simulationsrechnungen die Temperaturen in dem Bereich ermittelt, in dem die Reaktion stattfindet. Auf der Basis der Temperaturberechnungen lässt sich die Reaktionsgeschwindigkeit der Modifizierung abschätzen. Zudem sind die Temperaturen an der Formteiloberfläche experimentell gemessen, mit den Berechnungser-gebnissen verglichen und bewertet worden. Randwinkelmessungen sowie Untersuchungen der Verbundfestigkeit von verklebten Probekörpern stellen einen Zusammenhang zwischen den beim Spritzgießen gewählten Prozessparametern und dem Modifizierungsergebnis her. Im letzten Teil der Arbeit wird gezeigt, dass sich das in situ Modifizierungsverfahren nicht nur bei Polykondensaten wie dem Polycarbonat, sondern auch für Polyolefine (z. B. Polypropylen) anwenden lässt, wobei die verfahrenstechnischen Unterschiede und Einschränkungen aufgezeigt werden.

Nowadays, the filling and solidification of macro-scale injection mouldings can be predicted using commercial CAE software. For micro-injection moulding, the conventional tools do not work for all process conditions. The reasons might be the lack of high quality database used in the simulation and the improperly specified boundary conditions which do not reflect the real state in the cavity. Special aspects like surface tension or "size dependent" viscosity might also be responsible for the inaccuracy of the simulations. In this paper, those aspects related to the boundary conditions were taken into consideration, especially the thermal contact behaviour and the melt compression in the barrel which affects not only the temperature of the melt due to the compression heating, but also reduces the actual volume rate in the cavity. It can be shown that the heat transfer coefficient between the melt and the mould wall has a significant influence on the simulation results. In combination with precise material data and considering the reduction of the volume rate due to the melt compression in the barrel, the heat transfer coefficient may be quantified by means of reverse engineering. In general, it decreases when either the cavity thickness or the injection speed increases. It is believed that a pressure dependent model for the heat transfer coefficient would be more suitable to describe the thermal contact behaviour in micro injection moulding. The melt compression in the barrel affects definitely the filling behaviour and subsequently the heat transfer in the cavity as well, which is especially true for micro parts of high aspect ratio.