Abstract:

Funktionalisierte Kunststoffe werden vielfältig eingesetzt und sind in der Lage konventionelle Werkstoffe aufgrund ihrer optimierten Eigenschaften von Kunststoff und Füllstoff zu substituieren. In PEM-Brennstoffzellen sollen spritzgegossene Bipolarplatten die bisher heißgepressten Bipolarplatten ersetzen um wirtschaftlicher zu produzieren. Um den Anforderungen zu genügen, werden die eigesetzten Thermoplaste mit elektrisch leitfähigen Füllstoffen wie Graphit, Ruß oder Carbon Nanotubes (CNT) compoundiert. Es entstehen elektrisch und thermisch leitfähige Compounds, die mit dem wirtschaftlichen Spritzgießprozess produziert werden sollen. Um diese Entwicklung zu unterstützen und geeignete Spritzgießwerkzeuge auf diese Anwendung auslegen zu können, wird unterstützend die Spritzgießsimulation eingesetzt, womit Prozessdrücke während der Einspritzphase und der Abkühlvorgang berechnet werden können. Da es sich nicht mehr um reine Thermoplaste handelt, muss z.B. die Charakterisierung der Materialdaten gegenüber den Standardcharakterisierungsverfahren bewusst abweichend erfolgen. In dieser Arbeit wird ein entwickeltes Materialmodell vorgestellt, dass die besondere Charakterisierung der rheologischen Daten berücksichtigt und anhand mehrerer Versuchswerkzeuge erprobt wurde. Die Versuchswerkzeuge sind mit Werkzeuginnendrucksensoren ausgestattet um mehrere Vergleichspunkte auswerten zu können. Neben den materialspezifischen Simulationen und Spritzgießversuchen wurde der Einfluss der Netzqualität auf die Simulationsergebnisse untersucht. Aufgrund des hohen Füllgehaltes der Füllstoffe im Compound (bis zu 80% gew.) ist die numerische Beschreibung der Randschicht durch eine feine Diskretisierung von besonderer Bedeutung. Das Material kühlt mit sehr hohen Abkühlraten im Werkzeug ab (bis zu 80K/s). Diskretisierungsfehler wirken sich somit auf verschiedene Parameter sehr stark aus. Die Ergebnisse sind Teil des öffentlich geförderten BMBF-Forschungsprojektes CarboPlate, einem Anwendungsprojekt der Innovationsallianz Carbon Nanotubes.