Structure development and properties in advanced injection molding processes : development of a versatile numerical tool

Spuitgieten is een van de meest gebruikte technieken om polymere materialen vorm te geven. De techniek is populair doordat complexe geometrieën kunnen worden gerealiseerd met hoge productiesnelheden. Verbeteringen in de techniek, ingevoerd sinds de jaren 50, zijn voornamelijk gericht op verhoging van de productie-efficiency en van de productkwaliteit. Ook werden er onconventionele productietechnieken ontwikkeld, zoals gasinjectie enmeerkomponent-spuitgieten, terwijl daarnaast soms ook meerdere materiaalsoorten worden gebruikt, zoals bij het omspuiten van metalen of keramieke objecten. Productontwikkelaars richten zich nu op verkleining van de lengteschaal, verhogen van de precisie en voorspelling van de levensduur. Om dit proces te ondersteunen zijn in de laatste 30 jaar verschillende numerieke modellen ontwikkeld. De meeste daarvan richten zich op verbeterd productontwerp om problemen te voorkomen met inhomogeen vulgedrag, ongebalanceerde druk- en temperatuurverdelingen en typische spuitgietproblemen als positie van samenvloeinaden en luchtinsluitingen. Ook richt de modelleringaandacht zich op het voorspellen van eigenschappen, voornamelijk gefocuseerd op de voorspelling van krimp en kromtrekgedrag. Dit proefschrift poogt bij te dragen aan de voorspelling van eindeigenschappen van gespuitgiete producten en bouwt voort op het in onze groep ontwikkelde volledig driedimensionale computermodel, VIp3D, zoals dat in Hoofdstuk 2 wordt gepresenteerd. In Hoofdstuk 3 bestuderen we amorfe polymeren gespoten via GAIM, gasinjectie, en voorspellen de stromings-geïnduceerde residu-spanningen in termen van de ingevroren moleculaire oriëntatie. Hierbij wordt een ontkoppelde berekening gebruikt waarin de elastische effecten geen invloed hebben op de kinematica van de stroming. InHoofdstuk 4 berekenen we de temperatuur- en drukgeïnduceerde spanningen, gebruikmakend van een gelineariseerd visco-elastisch constitutiefmodel. De 3D resultaten worden vergeleken met 2D berekeningen bekend uit de literatuur. Vervolgens richt de aandacht zich op semikristallijne polymeren en meer precies op de morfologie-ontwikkeling in isotactisch Polypropeen (iPP). De complexe thermomechanische geschiedenis die materiaaldeeltjes ondergaan in het spuitgietproces, maakt het voorspellen van kristallisatie, gegeven de sterke afhankelijkheid daarvan van de stromingscondities, niet eenvoudig; zelfs de stroming in de extruder kan invloed hebben. Vandaar dat eenvoudiger stromingen, met beter gedefinieerde begin-en randvoorwaarden, vereist zijn om de modellen voor de beschrijving van kristallisatie-kinetiek te valideren. In Hoofdstuk 5 wordt de morfologieontwikkeling in iPP bestudeerd gebruikmakend van een zogenaamde multi-pass reometer en van een capillairviscosimeter. In beide opstellingen wordt het materiaal blootgesteld aan eenduidige stromingscondities en is de geschiedenis bekend; we noemen dit prototype stromingen. Het gehanteerde model maakt gebruik van een genestelde set differentiaalvergelijkingen om stromings-geïnduceerde kristallisatie te beschrijven. De voorspelde laagdiktes, die gedeeltelijk het gevolg zijn van stromings-geïnduceerde kristallisatie, en gedeeltelijk van kristallisatie in rust, worden vergeleken met experimentele resultaten verkregen met gepolariseerde optische microscopie. De voorspelde morfologieën blijken opvallend en verheugend kwantitatief. In Hoofdstuk 6 richten we ons op de experimentele en numerieke morfologieën zoals die zich ontwikkelen bij het spuitgieten van een schijf, waarbij gebruik is gemaakt van een nieuwe, zij het wat academische, spuitgiet-technologie waarin één helft van de matrijs tijdens injectie kan roteren en transleren. De microstructuur wordt gekarakteriseerd en demoleculaire oriëntatie gemeten. De volledige 3D simulaties blijken in staat het proces te beschrijven. Tot slot worden in Hoofdstuk 7 de belangrijkste conclusies samengevat en aanbevelingen voor toekomstig onderzoek gegeven.