Virtuell abschätzen – simulativ absichern

Die letzte Phase des Spritzgießprozesses ist die Entformung des Spritzlings aus der Kavität. Haltekräfte aufgrund von Schwindung, Verzug oder Hinterschnitten können den Entformungsvorgang erschweren. Daher ist es Aufgabe eines Entformungssystems, die auftretenden Haltekräfte zu überwinden und das Kunststoffbauteil gegen den Widerstand der Reibungskräfte aus dem Werkzeug zu schieben. Dabei werden in das noch teilweise plastische Bauteil Kräfte eingeleitet, die lokal zu einer Überbeanspruchung und damit einer Schädigung des Bauteils führen können.

Bisher werden die auftretenden Entformungskräfte größtenteils auf Basis von Erfahrungswissen abgeschätzt. Diese Vorgehensweise birgt die Gefahr, dass Fehlentscheidungen getroffen werden, die zeit- und kostenintensive nachträgliche Werkzeugkorrekturen notwendig machen. Mit zunehmendem Zeitdruck bei der Produktentwicklung besteht hier für Unternehmen die Gefahr, durch unkalkulierbare Werkzeuganpassungen im Wettbewerb zurück zu fallen. Zudem steigt die Abhängigkeit der Unternehmen vom personengebunden, subjektiven Erfahrungswissen der Mitarbeiter.

In früher Entwicklungsphase Entformbarkeit absichern

Ziel des Forschungsvorhabens ist daher die Entwicklung eines Berechnungsverfahrens, mit dem bereits in frühen Entwicklungsphasen die Entformbarkeit unter Berücksichtigung der mechanischen Beanspruchungen im Formteil simulativ abgesichert werden kann. Dadurch können zeit- und kostenintensive Werkzeugänderungen vermieden und die Produkteinführung beschleunigt werden. Ein solches Vorgehen steigert nicht nur die Wettbewerbsfähigkeit, sondern auch die Wirtschaftlichkeit, da durch die exakte Vorhersage der mechanischen Formteilbeanspruchungen beim Entformen ein zykluszeitoptimiertes Produkt entwickelt werden kann. Dieses Vorgehen erfordert die Implementierung eines integrativen Berechnungskonzeptes. Die integrierte Kopplung von Füll- und Struktursimulation erlaubt die durchgängige Betrachtung des Herstellungsprozesses. Ein solches Vorgehen ist erforderlich, da neben der Werkstoffwahl auch dem Verarbeitungsprozess ein großer Einfluss auf das Schwindungsverhalten des Formteils und damit die notwendigen Entformungskräfte zuzurechnen ist.

Im Rahmen der Untersuchungen wurden daher zunächst mit der Simulation Sigmasoft von Sigma Engineering, Aachen, Füllsimulationen durchgeführt. Die Software erlaubt die dreidimensionale Berechnung des Füll- und Abkühlverhaltens des Formteils in der Kavität. Als Demonstrationsbauteil wurde eine Kästchengeometrie gewählt, welche aufgrund ihrer Form ein Aufschrumpfen auf den Werkzeugkern und damit erhöhte Haltekräfte bewirkt. Der Entformungsvorgang wurde anschließend mit der Struktursimulationssoftware Abaqus von Dassault Systèmes, Providence, Rhode Island, USA, berechnet. Mittels der Software lassen sich strukturmechanische Finite-Elemente-Analysen für statische, dynamische und thermische Problemstellungen durchführen. In einem ersten Schritt wurde dazu die Kästchengeometrie eingelesen und mit Tetraederelementen vernetzt. Eine Herausforderung bei Kunststoffen ist die Modellierung ihres mechanischen Materialverhaltens.

Herausforderung – Modellierung mechanischen Materialverhaltens

Daher ist es eines der Ziele des Forschungsvorhabens, verschieden komplexe Materialmodelle in die Entformungssimulation zu implementieren und anschließend in Bezug auf die Ergebnisgenauigkeit zu bewerten.

Zur Kalibrierung der Materialmodelle wurden zunächst an Campus-Zugstäben temperierte Zugversuche durchgeführt. Als Werkstoff für die Untersuchungen wird Polycarbonat Makrolon 2805 von Bayer Materialscience, Leverkusen, verwendet. Neben der Temperatur hat auch die lokale Dehnrate einen Einfluss auf das mechanische Werkstoffverhalten. Voruntersuchungen haben gezeigt, dass beim Entformen Dehnraten bis 20 1/s auftreten können. Dehnratengeregelte Zugversuche konnten hingegen nur bei sehr geringen Dehnratenniveaus umgesetzt werden. Deshalb wurde ein anderer Ansatz gewählt. Zunächst werden in Zugversuchen unter Einsatz eines optischen Dehnungsmesssystems von Limess Messtechnik & Software, Pforzheim, bei konstanter Temperatur und Abzugsgeschwindigkeit wahre Spannungs/Dehnungs-Kurven aufgezeichnet und die lokale Dehnrate im Einschnürbereich der Zugprobe berechnet. Aufgrund der logarithmischen Abhängigkeit der Spannung von der Dehnrate können die ermittelten Spannungs/Dehnungs-Kurven in einen dehnratenabhängigen Verlauf transformiert werden. Als Ergebnis konnten wahre Spannungs/Dehnungs-Kurven in Abhängigkeit der Temperatur (bis 100°C) und der Dehnrate (bis 1 1/s) erzeugt werden.
Zum Zeitpunkt der Entformung können im Formteil Temperaturen über 100°C und Dehnraten bis 20 1/s auftreten. Daher werden die transformierten wahren Spannungs/Dehnungs-Kurven anschließend mittels eines Ansatzes zur Zeit/Temperatur-Verschiebung in den höheren Temperaturbereich verschoben. Aufgrund der Überlagerung von Zeit und Temperatur erfolgt diese Verschiebung zudem in den Bereich höherer Dehnraten. Mittels der generierten Materialdaten konnte in Abaqus ein temperatur- und dehnratenabhängiges elastisch-plastisches Materialmodell implementiert werden. Um den Einfluss auf die Simulationsgüte herauszustellen, wurden ein temperaturabhängiges elastisch-plastisches und ein linear-elastisches Materialmodell implementiert, deren Materialdaten mit geringerem Aufwand ermittelt werden können.
In einem ersten Struktursimulationsschritt wurde in Abaqus zunächst das Aufschrumpfen des Kästchenbauteils auf den Werkzeugkern simuliert. Dazu werden mittels der Schnittstelle SigmaLink von Sigma Engineering die zuvor aus dem Aufschrumpfen des Bauteils berechneten lokalen Restspannungswerte vom Sigmasoft-Netz an das Abaqus-Netz übergeben. Über die Schnittstelle wird zudem die Temperaturverteilung im Bauteil an Abaqus übertragen.
In einem zweiten Berechnungsschritt kann dann der Auswerfvorgang berechnet werden. Dazu wurden verschiedene Entformungskonfigurationen in der Struktursimulation modelliert. Der Werkzeugkern wird als ideal steifer Körper im Modell angenommen.

Kunststoff/Werkzeug-Reibwerte vor dem Entformen bestimmen

Bei der Betätigung der Auswerfer muss zunächst die von der berechneten Flächenpressung abhängende Reibkraft überwunden werden, bevor eine Relativbewegung zwischen Formteil und Werkzeugkern stattfinden kann. Abaqus erlaubt die Beschreibung des Kontaktes zwischen beiden Körpern, indem die auftretenden Reibungskoeffizienten temperatur- und druckabhängig an Abaqus übergeben werden. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden durch UL international TTC, Krefeld-Uerdingen, prozessnahe Reibwertmessungen an dem Polycarbonat durchgeführt.

Das zur prozessnahen Reibwertmessung entwickelte Spritzgießwerkzeug erlaubt die Bestimmung der Kunststoff/Werkzeug-Reibwerte unmittelbar vor dem Entformen des Prüfkörpers. Dadurch können Abhängigkeiten von der Prozesszeit, der Werkzeugtemperatur, der Massetemperatur, der Oberflächenrauhigkeit und der Flächenpressung berücksichtigt werden.
Die Ergebnisse der Struktursimulation zeigen bei Wahl einer ungünstigen Auswerferkonfiguration deutliche Spannungsspitzen im Formteil. In diesem Bereich ist mit einer plastischen Verformung und damit einer Schädigung des Formteils zu rechnen. Verwendet wurden hierbei zwei mittige Stiftauswerfer. Bei der Wahl von vier Auswerferstiften nahe der Bauteilecken zeigte sich hingegen ein wesentlich gleichmäßigerer Spannungsverlauf über der Formteiloberfläche.

In einem weiteren Untersuchungsschritt sollen die Simulationsergebnisse durch praktische Versuche validiert werden. Dazu wurde ein Spritzgießwerkzeug gebaut, auf dem ein identisches Kästchenformteil durch verschiedene Auswerferkonfigurationen entformt werden kann. Zum Vergleich kann die Auswerferkraft über dem Auswerferweg gemessen und der in Abaqus an den Auswerfern berechneten Reaktionskraft gegenüberstellt werden. In einem weiteren Schritt sollen Untersuchungen an einer komplexeren Bauteilgeometrie erfolgen, die durch eine zusätzliche Kraftkomponente ein Entformen erschweren.

Quellen:
Junginger, M.: Charakterisierung und Modellierung unverstärkter thermo-plastischer Kunststoffe zur numerischen Simulation von Crashvorgängen, Universität der Bundeswehr München, Dissertation, 2002
Das IGF-Forschungsvorhaben 16186N wird über die AiF vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Neue Technologien
Änderungen vermeiden

Die durchgängige Simulation des Spritzgießprozesses erlaubt bereits in einem frühen Stadium der Produktentwicklung die Absicherung des Werkzeugkonzeptes. Auf diese Weise können zeit- und kostenintensive nachträgliche Werkzeugänderungen vermieden werden. Mit dem zunehmenden Zeitdruck bei der Produktentwicklung besteht für Unternehmen zudem die Gefahr, durch unkalkulierbare Werkzeuganpassungen im Wettbewerb zurück zu fallen. Durch den gezielten Einsatz der verfügbaren Simulationswerkzeuge können auf diesem Wege die Produkteinführung beschleunigt und die Marktchancen erhöht werden.