Algorithmen zur Auslegung eines Temperierlayouts für Spritzgießwerkzeuge unter Berücksichtigung des lokalen Kühlbedarfs

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Das Spritzgießen von Thermoplasten beinhaltet einen diskontinuierlichen Wärmetauschprozess, bei dem heiße Kunststoffschmelze in ein temperiertes Werkzeug eingespritzt, abgekühlt und ausgeformt wird. Basierend auf der Geometrie des Formteils, den Prozessparametern sowie den lokalen Temperierbedingungen ergeben sich Temperatur- und Druckgradienten über dem Formteil, welche zu inhomogener Materialschwindung führen. Der daraus resultierende Verzug ist ein kritisches Problem in der Fertigung, der häufig zu Abweichungen von Form- und Lagetoleranzen bzw. zu einer Überarbeitung des Formteils und des zugehörigen Spritzgießwerkzeugs führt.
Diese Überarbeitungen sind ein relevanter Faktor in den Fertigungskosten in der Spritzgießfertigung. Der aktuelle Standard in der thermischen Werkzeugauslegung sind Prozesssimulationen mittels kommerziell erhältlicher Software. Basierend auf den Ergebnissen der Simulation wird das Temperierlayout manuell angepasst und der Erfolg der Anpassung in einer weiteren Simulation überprüft. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis die Prozess- und Qualitätsgrößen in einem befriedigenden Bereich liegen.

In diesem Teilprojekt wird als visionäres Ziel das verzugsfreie spritzgegossene Formteil vorgegeben. Da das Spritzgießwerkzeug die Schmelze zum Formteil ausformt, wird die Methodik der inversen thermischen Werkzeugauslegung entwickelt und erweitert. Hierbei muss der Konstrukteur außer der geplanten Kühlzeit sowie der anvisierten Entformungstemperatur keine weiteren Parameter für die Berechnung des Temperierkanallayouts vorgeben. Die Methodik errechnet unabhängig von einem existierenden Temperiersystem einen optimalen Wärmehaushalt im Spritzgießwerkzeug. Ausgehend von einer simulativ bestimmten Starttemperaturverteilung im Formteil werden die thermischen Randbedingungen im Werkzeug derart berechnet, dass mit Hinblick auf die verwendeten Materialmodelle und Modellierung ein thermisch optimales Formteil zum Ende der Kühlphase produziert wird. Zur praktischen Realisierung der berechneten optimalenthermischen Randbedingungen muss ein Kühlkanalsystem anhand von Isoflächen, die die Position der dort nötigen Wärmestroms darstellen, abgeleitet werden (vgl. Bild 1).

Für die Optimierung des lokalen Wärmehaushalts wird ein Zielfunktional verwendet, welches die thermische Homogenität aber auch die Morphologie des Formteils über die Kühlrate als zentrales Kriterium für die Gefügeausbildung bewertet. Demnach wird die Annahme getroffen, dass gleichmäßige Bedingungen über das Formteil während der Erstarrung zu einer homogenen Morphologie führen. Aus einer Homogenisierung dieses Faktors ergeben sich gleichmäßige Materialeigenschaften. Die Definition eines „optimalen Formteils“ ergibt sich somit aus der Definition des Zielfunktionals.
Zur korrekten Bewertung des thermischen Zustands während der Abkühlung mit dem Zielfunktional ist die korrekte Beschreibung des Materialverhaltens essenziell. Die in der Simulation häufig verwendete Materialmodelle des komplexen pvT-Verhalten der Kunststoffe bilden das quasi-statische Verhalten des spezifischen Volumens in Labormessungen sehr gut ab. Im sehr dynamischen Spritzgießprozess treten allerdings hohe Kühlraten von mehreren tausend K/min auf. In Kooperation mit B04 wird ein eigenes kühlratenabhängiges Modell entwickelt, für das die richtige Verschiebung der Übergangstemperatur bis 3.600 K/min bereits für ein isotaktisches Polypropylen experimentell validiert ist. Mit diesem Modell können für die schnell abkühlenden Randbereiche des Formteils realitätsnahe Werte in der Simulation berechnet werden und eine höheres spezifisches Volumen resultiert. Die Differenz des spezifischen Volumens von einer Simulation mit einem konventionellem und einem temperaturratenabhängigen pvT-Modell zeigt die verbesserte Genauigkeit. Bild 2 zeigt die Differenz des spezifische Volumens beider Modelle für ein Raspberry Pi-Gehäuse und aufgrund der höheren Abkühlgeschwindigkeit in den Randbereichen und dünnwandigen Zonen findet sich dort ein höheres spezifisches Volumen mit dem kühlratenabhängigen Modell.

Zusätzlich wurden Methoden zur automatischen Generierung von Temperierkanalsystemen erarbeitet, welches den errechneten Wärmehaushalt bestmöglich umsetzt. Somit wird für eine konturnahe Temperierung bereits ein ganzheitliches Konzept für eine objektive und automatisierte Auslegungsmethodik. In der nächsten Phase des Projekts ist eine Erweiterung dieser Methodik auf gebohrte gradlinige Kühlkanäle angedacht, um den breiteren Anwendungsbereich für kostengünstigere Temperiersysteme abzudecken.
Des Weiteren zeigen die Ergebnisse aus den Kooperationen mit den Teilprojekten A12, A02 und A10, dass zusätzlich zur Beherrschung des Wärmehaushalts durch Lokalisierung der optimalen Wärmeabfuhr zusätzliche Manipulationsmethoden positiv auf die Formteilpräzision im Spritzgießen wirken. Die Impulse aus der Vernetzung der Teilprojekte haben zur praktischen und simulativen Nachweisen geführt den Wärmehaushalt zu kontrollieren. Eine lokale Energiezufuhr auf der Kavitätsoberfläche (A12), gezielte Gefügemanipulation für eine variable Wärmeleitfähigkeit im Werkzeugstahl (A02) und die Einstellung des Wärmeübergangs durch keramische Beschichtungen (A10) sind weitere erprobte Möglichkeiten die lokale Temperaturverteilung und Kühlrate zu kontrollieren. Nach der generellen Anwendung im Spritzgießprozess, werden die Randbedingungen für eine gezielte Nutzung dieser Methoden in der nächsten Projektphase berechnet.
Außerdem liegt der Fokus in der nächsten Förderperiode auf der Berücksichtigung des Spannungseinflusses auf die Schwindung und den Verzug. Bei beispielsweise faserverstärkten Kunststoffen ist eine rein thermische Betrachtung zur Verzugsminimierung nicht ausreichend. Die anisotrope Schwindung besteht wegen der Faser-Matrix-Anbindung und Faserorientierung. Zudem kann behinderte Schwindung durch bspw. Einleger etc. ohne Abbildung der inneren Spannungen nicht berücksichtigt werden.

  Ablauf der Methodik zur inversen thermischen Werkzeugauslegung in TP B01 Urheberrecht: © SFB 1120 Bild 1: Ablauf der Methodik zur inversen thermischen Werkzeugauslegung in TP B01
 
  Simulierte Differenz des spezifischen Volumens von einem konventionellen und kühlratenabhängigen pvT-Modell bei einem RaspberryPi Gehäuse Urheberrecht: © SFB 1120 Bild 2: Simulierte Differenz des spezifischen Volumens von einem konventionellen und kühlratenabhängigen pvT-Modell bei einem RaspberryPi Gehäuse