Ob Spritzgießen, Extrusion oder Blasformen – in nahezu jedem Kunststoffverarbeitungsverfahren wird das Material zeitweise in einen schmelzflüssigen Zustand überführt und unter Druck sowie Scherung durch Werkzeuge oder Düsen geführt. Das Verhalten der Schmelze unter diesen Bedingungen ist kein Zufallsprodukt: Es gehorcht den Gesetzmäßigkeiten der Rheologie, der Wissenschaft vom Fließen und Verformen von Materie. Für Verfahrenstechniker, Werkzeugkonstrukteure und Qualitätsverantwortliche ist das Verständnis rheologischer Grundlagen deshalb keine akademische Übung, sondern eine praktische Notwendigkeit.
Kunststoffschmelzen zählen zu den komplexesten Fluiden, mit denen die verarbeitende Industrie umgeht. Sie verhalten sich weder wie ideale Flüssigkeiten noch wie elastische Festkörper, sondern weisen ein viskoelastisches Verhalten auf: Sie fließen und speichern dabei gleichzeitig einen Teil der eingebrachten Energie elastisch. Diese Eigenschaft beeinflusst Schwindung, Verzug, Oberfläche und mechanische Kennwerte des fertigen Bauteils unmittelbar.
Viskosität und Scherrate: Das Grundprinzip des Fließverhaltens
Die zentrale Kenngröße der Rheologie ist die Viskosität. Sie beschreibt den inneren Widerstand einer Flüssigkeit gegen Verformung und wird in Pascal-Sekunden (Pa·s) angegeben. Bei einfachen Flüssigkeiten wie Wasser ist die Viskosität nahezu unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit – man spricht von newtonischem Verhalten. Kunststoffschmelzen hingegen sind in aller Regel strukturviskos: Ihre Viskosität sinkt mit zunehmender Scherrate. Dieses Phänomen ist auf die Ausrichtung und Entkopplung der Polymerketten unter Scherbeanspruchung zurückzuführen.
Die Scherrate, auch Schergeschwindigkeit genannt und in der Einheit s⁻¹ angegeben, beschreibt den Geschwindigkeitsgradienten in der Schmelze senkrecht zur Fließrichtung. In einem engen Angusskanal oder einer Extrusionsdüse können Scherraten von mehreren tausend s⁻¹ auftreten; im Angussbereich eines Spritzgießwerkzeugs sind Werte zwischen 1.000 und 10.000 s⁻¹ typisch. Die Abhängigkeit von Viskosität und Scherrate wird in Viskositätskurven dargestellt, die für die Auslegung von Fließwegen und die Simulation unverzichtbar sind.
Ein weiterer entscheidender Einflussparameter ist die Temperatur. Höhere Schmelzetemperaturen senken generell die Viskosität, jedoch in unterschiedlichem Ausmaß je nach Polymertyp. Während Polyolefine wie PP oder PE vergleichsweise temperaturunempfindlich sind, reagieren technische Thermoplaste wie PA oder PBT deutlich sensibler auf Temperaturschwankungen. Dieses Wissen ist für die Einstellung enger Prozessfenster essenziell.
