Numerische Modellierung und Kompensation des Schwindungs- und Verzugsverhaltens bei Spritzgussverfahren

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Im Gegensatz zu den spanenden Fertigungsverfahren, die einen direkten Zusammenhang zwischen dem Prozess und der Form des erzeugten Bauteils ermöglichen, haben schmelzbehaftete Verfahren, in diesem Fall speziell die Gießverfahren, mit dem Problem zu kämpfen, dass die Geometrie der Kavität durch den Prozess nicht eins zu eins auf das Bauteil übertragen wird. Nichtlineare Materialeigenschaften während des Füllvorgangs und aber insbesondere auch während des Erstarrungsvorgangs sorgen dafür, dass die erzeugte Bauteilgeometrie unintuitiv und schwer vorhersagbar ist. Primär aus diesem Grund haben sich numerische Simulationen im Spritzguss in der Vergangenheit als wichtiges Mittel zur Unterstützung des Werkzeugbauers bei der manuellen Auslegung etabliert. Der nächste Schritt auf dem Weg zu einer verbesserten Genauigkeit und gleichzeitig geringeren Kosten ist die computerbasierte Auslegung, bei der der Computer aktiv die Gestaltung des Werkzeugs übernimmt.

In Zusammenhang mit der Erstarrung thermoplastischer Schmelzen innerhalb des Spritzgusswerkzeugs gibt es zwei wesentliche, die Produktqualität beeinflussende Phänomene: Schwindung und Verzug. Es gibt zwei grundlegende Stellschrauben, mit denen diese Phänomene kontrolliert und so die Bauteilqualität erhöht werden können: ein kontrollierter Abkühlprozess mit speziell angepasster Temperierung (vgl. Teilprojekt B1) sowie eine Kavität, welche so ausgelegt ist, dass Schwindung und Verzug kompensiert werden. Letzteres ist der Fokus dieses Teilprojekts. Damit wird gemeinsam mit B1 eine ganzheitliche Betrachtung des Spritzgusswerkzeugs möglich.

Für die automatisierte Auslegung der Kavität stehen unterschiedliche Ansätze zur Verfügung. Einerseits ist es möglich, Simulationen von Teilprozessen vollständig invers zu formulieren. Dies gilt insbesondere für die Simulation von Schwindung und Verzug nach dem Auswurf des Bauteils. Unter gewissen Annahmen lässt sich die Verformung des Bauteils zu diesem Zeitpunkt stationär formulieren, wodurch die inverse Lösung begünstigt wird. Bezüglich der Verformungen nach dem Auswurf, welche in Folge von inhomogenen Temperaturverteilungen oder durch die Erstarrung verursachten Residualspannungen entstehen können, lässt sich somit eine gute Vorhersage für eine sinnvolle Kavitätsform berechnen.

Ein weiterer Ansatz zur Formauslegung der Kavität besteht in herkömmlichen Optimierungsmethoden, welche versuchen eine definierte Zielfunktion zu minimieren, die in diesem Fall die Formtreue des Bauteils beschreibt. Derartige Optimierungsmethoden basieren auf der Durchführung zahlreicher Iterationsschritte, während derer die optimale Lösung nach und nach angenähert wird. Im Gegensatz zu inversen Formulierungen von Simulationsschritten lässt sich in diesen Methoden allerdings der gesamte Spritzgussprozess berücksichtigen, ohne dass bestimmte Modellvereinfachungen durchgeführt werden müssen. Die hohe Laufzeit solcher Optimierungsmethoden kann reduziert werden, indem die Durchführung der Vorwärtssimulation beschleunigt wird. Um das zu ermöglichen kommen Modellreduktionsverfahren, wie etwa Proper Orthogonal Decomposition (POD), zum Einsatz.

 
Gewöhnliche und inverse Formulierung der Verzugssimulation Urheberrecht: © SFB 1120 Gewöhnliche und inverse Formulierung der Verzugssimulation
 
 
Temperaturbedingte Abkühlung und Erstarrung im Spritzgussprozess Urheberrecht: © SFB 1120 Temperaturbedingte Abkühlung und Erstarrung im Spritzgussprozess
 
 
Formparametrisierung zur Anwendung von Modellreduktionsmethoden im Spritzguss Urheberrecht: © SFB 1120 Formparametrisierung zur Anwendung von Modellreduktionsmethoden im Spritzguss