Integrative Simulation zur mechanischen Spritzgießwerkzeugauslegung am Beispiel des Entformungsvorgangs und des Umspritzens von Einlegeteilen

In der vorliegenden Dissertationsschrift werden neue Ansätze zur mechanischen Werkzeugauslegung beim Spritzgießen mittels der integrativen Simulation entwickelt und experimentell validiert. Diese werden anhand von zwei typischen Problemstellungen bei der Spritzgießverarbeitung von Kunststoffen umgesetzt: 1. Die Belastung des Kunststoffbauteils beim Entformen und 2. die Einlegeteilverformung beim Umspritzen mit Kunststoffschmelze.

Spritzgießwerkzeuge müssen u. a. sehr hohen Schließkräften, Kavitätsinnendrücken und thermischen Spannungen standhalten. Gleichzeitig müssen sie aber auch sehr hohen Anforderungen hinsichtlich der Bauteilqualität und der Wirtschaftlichkeit des Herstellungsprozesses gerecht werden. Bereits kleinste Verformungen des Werkzeugs können am fertigen Bauteil zu Maßungenauigkeiten führen und sind bei heutigen Qualitätsvorgaben nicht mehr tolerierbar. Ebenso kann beim Entformen eine Überbeanspruchung des Formteils zu einer Zerstörung führen. Werden Einlegeteile beim Umspritzen mit thermoplastischer Schmelze zu stark belastet, ist die sichere Funktionserfüllung des Endproduktes nicht mehr sichergestellt. Mit der Tendenz zu geometrisch und funktionell anspruchsvolleren Kunststoffbauteilen steigt auch der Bedarf an neuen Auslegungsmethoden, um der zunehmenden Komplexität in der Werkzeug- und Produktentwicklung zu begegnen. Die numerischen Simulationsmethoden leisten bereits einen wichtigen Beitrag bei der thermischen und rheologischen Auslegung des Spritzgießprozesses mittels der Spritzgießsimulation und der mechanischen Bauteilauslegung mittels der Struktursimulation. Die Kopplung beider Programmpakete zu einer geschlossenen Simulationskette hat das Potenzial die Genauigkeit der mechanischen Werkzeugauslegung deutlich zu verbessern. Daher werden in dieser Arbeit zwei integrative Berechnungsmethoden vorgestellt, die die genauere Auslegung des Entformungssystems und die Simulation der Einlegeteilbeanspruchung beim Umspritzen ermöglichen. Zur Simulation der Entformung werden zunächst die prozessbedingten Bauteilspannungen und die lokalen Temperaturen des Formteils mit der Spritzgießsimulation berechnet. Über eine kommerzielle Schnittstelle werden die Ergebnisse an ein Modell zur Strukturanalyse der Entformung als Anfangsbedingungen aufgegeben und die Beanspruchungen bei der Entformung berechnet. Die prozessnahe Validierung der Simulationsergebnisse erfolgt auf einer Spritzgießmaschine, indem über einen Kraftmesssensor das zum Entformen notwendige Kraftsignal ausgegeben und mit den Berechnungen verglichen wird. Im Vergleich weisen die Simulationsergebnisse aller Prozesseinstellungen eine hohe Genauigkeit auf. Dazu trägt insbesondere die Verwendung prozessnah gemessener Reibungskoeffi zienten bei, die im Simulationsmodell zur Kontaktbeschreibung hinterlegt werden. Abweichungen zwischen der Simulation und den Messungen resultieren aus Werkzeug-Klemmkräften, die im Berechnungsmodell nicht abgebildet werden. Zur Berechnung der Einlegeteilverformung werden die thermischen und mechanischen Belastungen durch die einströmende Schmelze mittels der Spritzgießsimulation ermittelt und anschließend über eine neu entwickelte Schnittstelle an die Struktursimulation zur Vorhersage der resultierenden Verformungen und Einlegeteilbeanspruchung übergeben. Aufgrund der sich zeitlich ändernden Belastungen erfolgt der Datenaustausch automatisiert zu vordefinierten Zeitpunkten während der Kavitätsfüllung. Außerdem wird eine Rückkopplung der berechneten Verformung über die Schnittstelle an die Spritzgießsimulation vorgenommen. Durch die Neuberechnung der Elementdicke lassen sich auf diese Weise Verformungen des Einlegeteils im nächsten Füll-Zeitschritt berücksichtigen. Die prozessnahe Validierung der Simulationsergebnisse erfolgt auf einem Spritzgießwerkzeug mit einem Sichtglas-Einsatz. Dadurch lässt sich mittels einer Hochgeschwindigkeitskamera der Umströmprozess aufnehmen und anschließend auswerten. Die Ergebnisse weisen auch bei der zweiten Berechnungsmethode eine sehr hohe Genauigkeit nach, wenn die Verformungsberechnung auf Grundlage der lokalen Temperaturen, Druck- und Schubspannungen erfolgt. Insbesondere die Schubspannungen dominierender dabei bei allen Untersuchungen die Gesamtverformung zu teilweise über 60 %.