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.

Da in der Literatur aktuell noch wenige umfassende Modelle für Erstarrungsphänomene zur Verfügung stehen, sind Verständnis und numerische Vorhersage der beiden genannten Phänomene Kernziele dieses Projekts. Diese bilden jedoch nur das Fundament für das letztendliche Projektziel, dem Beherrschen der Phänomene durch die erstmalig inverse Auslegung einer Spritzgießform. Unter einem inversen Problem versteht man ganz allgemein die Nutzung des Ergebnisses eines physikalischen Prozesses (abgebildet in einer sogenannten Vorwärtssimulation), um die Ausgangsparameter des Prozesses zu bestimmen [TAR05]. Bei der inversen Auslegung eines Werkzeugs wird ausgehend von einer gewünschten Bauteilgeometrie direkt die Form der Kavität berechnet, welche unter Einbeziehung von Schwindung und Verzug die beste Bauteilqualität erzeugt. Die Form der optimierten Kavität kann sich mitunter deutlich von der Form des Bauteils unterscheiden. Die Fragestellung wird durch die numerische Lösung des diskreten inversen Problems adressiert.

 

Formänderungen einer Spritzgusssimulation und inversen Bestimmung der Werkzeuggeometrie

Skizze von Formänderungen bei einer Spritzgusssimulation und einer inversen Bestimmung der Werkzeuggeometrie. Urheberrecht: SFB 1120
 
 

Temperaturbedingte Erstarrung eines amorphen Werkstoffes in Bewegung

Temperaturbedingte Erstarrung eines amorphen Werkstoffes in Bewegung. Urheberrecht: SFB 1120
 
 

Schwindung und Verzug in einem inhomogen erwärmten Bauteil nach dem Auswurf

Bild 3: Schwindung und Verzug in einem inhomogen erwärmten Bauteil nach dem Auswurf. Urheberrecht: SFB 1120
 
 

Schwindung und Verzug im formoptimierten Bauteil

Schwindung und Verzug im formoptimierten Bauteil. Urheberrecht: SFB 1120