Analyse der thermischen Kopplung von Schmelze, Gefüge und Werkzeug zur präzisen Vorhersage von Schwindung und Verzug im Spritzgießprozess

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Sowohl die Kunststoff- als auch die Metallverarbeitung haben in Bezug auf die urformenden Verfahren gemeinsam, dass zunächst eine Schmelze in die abzuformende Kavität des Werkzeugs befördert wird und dort erstarrt. Temperaturausgleichsvorgänge zwischen Schmelze, sich ausbildenden Gefügestrukturen und Werkzeugform bestimmen hierbei die resultierenden Ordnungszustände auf molekularer und atomarer Ebene, die sowohl die Ausbildung der Morphologie als auch die Entstehung von Eigenspannungen entscheidend prägen. Diese inneren Eigenschaften führen bei Kunststoffbauteilen, die eine niedrige Toleranz hinsichtlich der Endkontur verlangen, oftmals zu gravierenden Problemstellungen während des Herstellungsprozesses, wie zum Beispiel Schwindung und Verzug. Die zugrunde liegenden Mechanismen werden bisher in der Forschung zur Kunststoffverarbeitung in der Gesamtheit jedoch noch nicht betrachtet. Gründe hierfür sind sowohl fehlende Modelle für die Temperaturausgleichsvorgänge zwischen Schmelze, Gefüge und Werkzeug als auch fehlende thermische Materialdaten in Bezug auf die Morphologie und die aufwendige Ermittlung von Wärmeübergangskoeffizienten der Materialpaarungen Metall/Kunststoff. In dem geplanten Forschungsvorhaben sollen in diesem Teilprojekt die Temperaturausgleichsvorgänge mit dem Ziel einer Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit des Verzugs von Kunststoffbauteilen untersucht und in den anschließenden Förderperioden modelliert und in der Spritzgießsimulation berücksichtigt werden. Bisherige integrative Simulationsansätze, bei denen die thermischen Wechselwirkungen nur durch Näherungen approximiert werden, ermöglichen noch nicht die vollständige Vermeidung kostenintensiver, nachträglicher Anpassungen am Spritzgießwerkzeug. Um die Simulation zu verbessern, müssen daher die bisher noch unzureichend berücksichtigten thermischen Wechselwirkungen analysiert, verstanden und beherrscht werden. Weil es aktuell keine Möglichkeit gibt, das Temperaturfeld in der Schmelze und dem erstarrenden Gefüge zu messen, stellt die Entwicklung, Fertigung und Inbetriebnahme einer neuen Messvorrichtung zur hochaufgelösten Bestimmung des Temperaturfeldes in der Schmelze und im erstarrenden sowie im erstarrten Gefüge den zentralen Arbeitspunkt der ersten Projektphase dar.

Als Messmethode kommen dazu unterschiedliche Ansätze zur Anwendung. So wird neben einer Messung der Kontakttemperatur mittels Thermoelektrizität auch mit Infrarotsensoren die Temperatur gemessen. Zusätzlich wird eine ultraschalltomographische Messung der Schallgeschwindigkeit in der Schmelze durchgeführt und anhand von Änderungen im Schallgeschwindigkeitsfeld auf die Temperatur zurückgeschlossen. Aufgrund der komplexen Fragestellung beinhaltet dieses Arbeitspaket auch die Weiterentwicklung und Kombination der unterschiedlichen Messmethoden. Für die Materialpaarung Kunststoff/Metall an der Werkzeugwand wird zudem eine bestehende Messvorrichtung erweitert, um die Messung des Wärmeübergangskoeffizienten druckabhängig unter spritzgießrelevanten Randbedingungen zu ermöglichen. Zusätzlich müssen thermische Stoffdaten in Abhängigkeit des Gefüges ermittelt werden. Im Rahmen dieses Projekts sollen häufig im Spritzgießprozess verarbeitete, teilkristalline Kunststoffe wie z. B. Polypropylen (PP) und Polyoxymethylen (POM) in verschiedenen Modifikationen näher untersucht werden.

Durch das neue Spritzgießwerkzeug stellt das Teilprojekt erstmalig eine Möglichkeit zur Verfügung, mit der neue Simulationsansätze, wie sie beispielsweise in den Teilprojekten B 5 und B 6 entwickelt werden, für die Temperaturfeldberechnung im Spritzgießverfahren hochaufgelöst validiert werden können. Die gemessenen Materialwerte dienen zusätzlich als Eingangsgrößen für die Materialmodelle und ermöglichen so die Entwicklung von neuen Simulationsansätzen.

  Am IKV entwickeltes Werkzeugkonzept zur Durchführung ultraschalltomografischer Temperaturmessungen. Urheberrecht: IKV

Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 1120 „Präzision aus Schmelze“ wurde eine Methode auf Basis der Ultraschalltomografie entwickelt, mit der die Temperaturverteilung sowohl ortsaufgelöst als auch kontaktfrei ermittelt werden kann. Hierzu wurde am IKV ein spezielles Werkzeug zur entwickelt (vgl. Bild 1). Um eine zylinderförmige Kavität mit einem Durchmesser von 30 mm sind 20 Ultraschallsensoren angeordnet. Dadurch kann die Temperatur an über 200 Orten im Messquerschnitt aus den Laufzeiten rekonstruiert werden.

 
 
B4 -3- Videos, Animationen, Bilder
 

Im diesem Video wird die Entwicklung der Laufzeitsignale für drei unterschiedliche Winkel (18°, 90° und 180°) gezeigt. Nachdem die Füllphase beendet wurde, können die Laufzeitsignale detektiert werden. Während benachbarte und gegenüberliegende Wandler eine gute Signalintensität liefern, ist das Signal des 90°-Wandlers zwar erkennbar aber aufgrund des ungünstigen Schallwegs stark abgeschwächt. Ebenfalls deutlich im Signalverlauf erkennbar, ist die Beendigung der Nachdruckphase. Durch die rapide Änderung des Druckes ändert sich ebenfalls die Dichte des Materials, die die Geschwindigkeit der Ultraschallwelle maßgeblich beeinflusst. Am deutlichsten ist dieser Effekt am gegenüberliegenden Wandler zu erkennen. Die Erfassung der Signale kann für jede Ultraschallwandler-Kombination erzielt werden, was die generelle Anwendbarkeit der Ultraschalltomografie zeigt. Die Komplexität der Laufzeitsignale, die aufgrund des Materialgefüges entsteht, erschwert jedoch die Ermittlung des für die Temperaturrekonstruktion benötigten konkreten Laufzeitsignals.