Modellierung und Simulation des Spritzprägeverfahrens unter Verwendung thermoplastischer Kunststoffe

Abstract

Das Injektions-/Kompressionsform- bzw. Spritzprägeverfahren zählt zur Gruppe der kombinierten Sonderverfahren, bei denen die Vorteile konventioneller Verfahren gezielt eingesetzt werden. über einen Spritzgießprozess wird bei partiell geöffnetem Werkzeug ein definierter Preform innerhalb der Kavität generiert und mittels eines Kompressionsformprozesses zum fertigen Bauteil ausgeformt. Es werden kurze Zykluszeiten und lange Fließwege bei geringem Druckniveau realisiert, wodurch sich der Einstufenprozess hervorragend für die industrielle Serienproduktion großflächiger, dünnwandiger und direktkaschierter Integralformteile (z.B. Türinnenverkleidungen für den Automobilbereich) eignet.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Modellierung und Simulation der rheologischen und thermodynamischen Vorgänge, die bei der Herstellung thermoplastischer Integralformteile im Spritzprägeverfahren ablaufen. Das mathematische Modell koppelt hierbei die Injektion der Polymerschmelze an beliebigen Positionen der Kavität mit einem Prägeprozess, der durch die Schließbewegung einer Presswerkzeughälfte repräsentiert wird. Da beide Prozesse simultan ablaufen können, wurde ein gemeinsames Modell entwickelt, dessen Aufbau von den Anfangs- und Randbedingungen der Prozesssteuerung abhängig ist. Die allgemein gültigen Erhaltungssätze führen auf partielle Differentialgleichungen, die aufgrund der Eigenschaften hochzäher Kunststoffschmelzen vereinfacht und durch die Stoffwertfunktionen des Träger- und Kaschiermaterials vervollständigt werden. Neben der Kompressibilität und Strukturviskosität der Polymerschmelze wird im Strömungsmodell zusätzlich die Kompressibilität des Kaschiermaterials berücksichtigt. Die Polymerströmung kann aufgrund der speziellen Fließkanalgeometrie unter Einbeziehung der "lubrication approximation"-Methode zweidimensional modelliert werden. Demgegenüber erfolgt die Temperaturberechnung dreidimensional, da sowohl die Konvektion in flächiger Richtung, als auch die Konduktion in Spaltrichtung der Kavität Einfluss auf die Wärmeübertragung ausübt.

Die numerische Lösung der Differentialgleichungen und damit die Berechnung der Zustandsgrößen Druck und Temperatur erfolgt über eine Kopplung der Finite Element Methode (FEM) in flächiger Richtung mit der Methode der Finiten Differenzen (FDM) in Spaltrichtung. Die instationäre Formfüllung wird unter Verwendung der Kontrollvolumenmethode (FAN) modelliert, wobei die Volumenströme in die Kontrollvolumina auf Basis der quasistationären Geschwindigkeitsverteilung im Kontinuum bestimmt werden. Die Lösung der linearen Gleichungssysteme erfolgt iterativ mittels eines angepassten Gradientenverfahrens, da einerseits die integralen Kraft- bzw. Volumenstrom-Randbedingungen der Prozesssteuerung, andererseits die konvektiven Anteile der Energiegleichung die Symmetrie und Bandstruktur der jeweiligen Systemmatrix stören.

Für die Implementierung des numerischen Modells wird ein objektorientierter Softwareentwurf vorgestellt, der eine transparente Abbildung des Verfahrensprozesses erlaubt und eine sehr gute änderbarkeit bzw. Erweiterbarkeit aufweist.

Die Simulation des Spritzprägeverfahrens wird unter Zugrundelegung von zwei Werkzeugkavitäten durchgeführt, die für die Serienproduktion von Türinnenverkleidungen mittlerweile industriell eingesetzt werden. Die Simulationsergebnisse prozessrelevanter Feldgrößen zeigen hierbei den Einfluss der Prozesssteuerung auf die Strömungsverhältnisse in der Kavität auf. Um eine hohe Bauteilqualität simulativ sicherstellen zu können, wird ein mehrstufiges Optimierungsschema zur Bestimmung der Anzahl und Position der Einspritzpunkte präsentiert.

Die experimentelle Verifikation des mathematischen und numerischen Modells wurde unter Verwendung eines industriellen Testwerkzeuges für die Herstellung einer PKW-Türinnenverkleidung unter praxisrelevanten Bedingungen durchgeführt. Die Messergebnisse der Fließfrontverläufe und der Kavitäteninnendrücke zeigen hierbei eine sehr gute übereinstimmung mit den Berechnungsergebnissen der Simulation.

The injection-compression moulding (ICM) was developed with the aim of combining different polymer-processing operations using their advantages resp. avoiding their disadvantages. In this process a preform will be injected into the open mould and compression-moulded after or even during the injection stage. The advantages are short cycle-times, high flow length-wall thickness ratios and small cavity pressures. Therefore the process is excellent suitable for the fabrication of large-area, thin-wall and direct laminated parts (e.g. interior-cover of automobiles). The present work deals with the modelling and simulation of rheological and thermodynamical processes during the production of thermoplastic parts using the injection-compression moulding technique. The mathematical model couples the injection of the polymer melt at arbitrary points in the cavity with the compression stage, represented by a closing speed of the movable mould half. Since both stages can run simultaneous, a common model is developed, whose structure is defined by the starting and actual boundary conditions of the process control. The balance equations of mass, momentum and energy result in partial differential equations, which were simplified by the high-viscous properties of the polymer melt and completed by the material laws of the substrate- and laminate-material. In addition to the compressibility and non-Newtonian viscosity of the polymer melt, the compressibility of the laminate is considered in the mathematical model. Because of a thin cavity with planar geometry the fluid flow is modelled two-dimensional by the lubrication-approximation theory. On the other hand the temperature field is modelled three-dimensional, because the convection in plane area, but also the conduction in gap-wise direction is crucial for the calculation of the heat flow. The numerical implementation of the differential equations is based on a coupled finite-element/finite-difference representation. The unsteady flow and therefore the melt front advancement is modelled by the flow-analysis network method (FAN), which determines the volume flow rates into a control-volume by the calculation of a quasi-steady velocity distribution in the continuum. The linear algebra systems for the calculation of the pressure and temperature fields are solved iteratively by using conjugate gradient techniques, since the integral-equations regarding to the boundary conditions of injection and compression but also the convective terms of the energy equation destroy symmetry and band-structure of the respective matrix system. For the implementation of the numerical model an object-oriented design will be presented, which achieves a preferably clear, transparent design based on software principles like extensibility, encapsulation and reusability. Simulation results of the injection-compression moulding are presented by using two industrial moulds, developed for the large-scale production of door-interiors. The calculated process-variables show the influence of the process control on the flow conditions in the cavity. To achieve high part quality a multi-stage optimization-scheme is implemented to determine number and position of the injection points. The experimental verification of the mathematical and numerical model is done by using an industrial test-mould for the production of door interiors under practical process conditions. The melt-front advancement and cavity pressures during the process are predicted very well in comparison to the experimental measurements.