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

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Bei der Herstellung thermoplastischer Spritzgießbauteile führt inhomogene Materialschwindung zu Verzug. Die lokale Schwindung ergibt sich aus der Abkühlgeschwindigkeit und der Nachdruckwirkung während der Erstarrung, was dem grundsätzlichen pvT-Verhalten von Kunststoffen entspricht. Demnach besitzen Kunststoffe eine starke Abhängigkeit des spezifischen Volumens von den herrschenden Druck- und Temperaturverhältnissen. Im Spritzgießprozess sind innerhalb der Schmelze, die eine Kavität abformt, während der Bauteilherstellung lokal deutlich unterschiedliche Druck- und Temperaturniveaus zu finden, die wiederum von geometrischen und prozesstechnischen Faktoren, wie z. B. der Wanddicke und der Position relativ zum Anschnitt, bestimmt werden.

Um eine gleichmäßige Materialschwindung zu erreichen, ist eine gezielte Kompensation dieser Faktoren durch eine bedarfsorientierte Wärmeabfuhr erforderlich, die sich jedoch aufgrund der Vielzahl der Einflussgrößen und ihrer Wechselwirkungen nicht intuitiv und manuell mit analytischen Mitteln erfassen lässt. Bei der manuellen Werkzeugauslegung werden daher in der Regel Vereinfachungen getroffen. Allgemein wird im Rahmen der heutigen thermischen Werkzeugauslegung in einem ersten Schritt ersatzweise eine homogene Temperaturverteilung an der Werkzeugwand der Kavität angestrebt.

Dieses Kriterium wird den Entstehungsmechanismen des Bauteilverzugs jedoch nicht gerecht, da hierdurch keine gleichmäßige Erstarrung erzielt werden kann. In der Regel führt dies dazu, dass im Konstruktionsprozess mehrere Iterationsschleifen durchgeführt werden, in der unterschiedliche Temperiersysteme und deren Auswirkung auf das Formteil analysiert werden. Ist ein ausreichend homogenes System gefunden, kann das Werkzeug gefertigt und anschließend einer Abmusterung unterzogen werden. Diese Abmusterung erfordert i. d. R. wiederholte Nachbearbeitungen bis zum Erreichen der geforderten Bauteilpräzision.

Somit ist es das Ziel des Teilprojekts, den Verzug von Spritzgießbauteilen zu verringern und gleichzeitig die Zahl der Abmusterungsschritte zu reduzieren. Hierzu ist es notwendig, den lokalen Kühlbedarf rechnergestützt zu ermitteln und bei der Auslegung als Zielgröße zugrunde zu legen, was den methodischen Teilansätzen „Analysieren und Verstehen“ des SFB-1120 entspricht. Es wird ein geeigneter FEM-basierter Algorithmus entwickelt. Dabei werden einerseits vorhandene FEM-Ansätze und -Modelle aufgegriffen, andererseits aber fundamentale Prinzipien der heutigen Prozesssimulation (Vorwärtssimulation) hinterfragt und dagegen alternative Ansätze im Sinne einer inversen Werkzeugkonstruktion entwickelt.

Darauf aufbauend werden Methoden zur automatischen Generierung eines Temperiersystems erarbeitet, welches dem errechneten lokalen Kühlbedarf durch Bereitstellen einer entsprechenden lokalen Kühlintensität bestmöglich genügt, was dem dritten Teilansatz des SFB-1120 „Beherrschen“ des Prozesses entspricht. Dies umfasst ebenfalls die Erstellung eines optimalen Kühlkanalverlaufes im Werkzeug sowie die Anpassung der lokalen thermischen Materialeigenschaften des Werkzeugs. Durch die enge Vernetzung der Teilprojekte (z.B. wechselseitig zu diesem Teilprojekt B 2 und A 5) des SFB-1120 untereinander können wichtige Impulse (z.B. der lokale Kühlbedarf) aus dem Teilprojekt in weitere Teilprojekte (siehe auch Bild 3.12.4) einfließen, wie auch die Arbeit anderer Teilprojekte (z.B. zeitabhängiger Wärmeübergangskoeffizient zwischen Schmelze und Werkzeugstahl) durch Weiterentwicklungen und Austausch Eingang in dieses Teilprojekt findet.

 

Ablauf der Inversen Temperierkanalauslegung

Ablauf der Inversen Temperierkanalauslegung Urheberrecht: SFB 1120
 
 

Vergleich eines konventionellen Layout und eines numerisch optimierten Layout

Vergleich eines konventionellen Layout und eines numerisch optimierten Layout Urheberrecht: SFB 1120