Rund ein Drittel aller Kunststoffe werden im Spritzgießverfahren verarbeitet. Dieses Urformverfahren zählt zu den diskontinuierlichen Verarbeitungsverfahren. Für die Herstellung der Spritzgießformteile aus Thermoplasten, Elastomeren und Duromeren werden Spritzgießmaschinen eingesetzt. Diese Spritzgießmaschinen bestehen aus verschiedenen Baugruppen (Bild 1.1). Sie setzen sich aus dem Maschinenbett, der Plastifizier- und Einspritzeinheit, der Schließ- und Zuhalteeinheit, einer Temperiervorrichtung, sowie dem Werkzeug und der Steuereinheit zusammen [1].
Grundsätzlich kann bei Kunststoffschmelzen von einer laminaren Schichtenströmung ausgegangen werden. Die Grenze zwischen einer laminaren Schichtenströmung und einer turbulenten Strömung wird durch die Reynoldszahl definiert. Für eine Reynoldszahl kleiner 2300 liegt eine laminare Strömung vor. Ist der Wert größer als 2300, muss von einer turbulenten Strömung ausgegangen werden.
Die richtige Beurteilung der Ergebnisse einer Simulationsrechnung ist entscheidend für den Nutzer. Da es sich bei den Ergebnissen niemals um die tatsächliche Realität handeln kann, stellen die Ergebnisse immer eine Annäherung an die Realität dar. Daher gilt es die Ergebnisse in Form von Bildern oder Tabellen nicht unhinterfragt zu vertrauen, sondern diese stets zu hinterfragen. Allgemein lässt sich festhalten, dass mittels Simulation jedes erdenkliche Ergebnis erzeugt werden kann. Es ist also stets entscheidend, dass sich der Nutzer im Klaren darüber ist, wie er welche Parameter bei der Simulation einstellt. Hierbei gibt es einige Fragen, die sich der Nutzer während des Erstellens einer Simulation und bei der Beurteilung der Ergebnisse stellen sollte. Beispielsweise sollten die Ergebnisse zuerst nach ihrer Sinnhaftigkeit beurteilt werden. Hier stellt sich auch die Frage, ob die Ergebnisse zu den Erfahrungen aus der Vergangenheit oder zu den Erwartungen an den jeweiligen Lastfall passen. Sprünge in Spannungsverläufen oder anderen Diagrammen weisen meist auf eine unzureichend feine Vernetzung hin. Ebenfalls sollten Singularitäten bei den Berechnungen beachtet werden. Hier steigen die Ergebnisse ins Unermessliche und konvergieren nicht. Dies ist oft an Kanten der Fall, weshalb eine Auswertung der Ergebnisse nicht in diesen Bereichen erfolgen sollte. Ebenfalls sollte die Feinheit des Netzes beurteilt werden. Je nach Anwendungsfall kann hier eine gröbere oder feinere Vernetzung erfolgen. Bevor eine Berechnung erfolgt, sollten die Elemente auf ihre Form hin überprüft werden. Die Elemente sollten hier nicht zu stark von ihrer Ursprungsform abweichen. In den meisten Simulationsprogrammen gibt es hier die Möglichkeit der automatischen Überprüfung und Korrektur der Elemente, sodass dieser aufwendige Schritt nicht von Hand erledigt werden muss. Oftmals kann es auch hilfreich sein, mittels einfachen Faustformeln überschlägig die zu erwartenden Ergebnisse zu berechnen. Damit können grobe Abweichungen direkt ausgeschlossen werden.
Die der Fluidströmung und der Wärmeübertragung zugrundeliegenden partiellen Differentialgleichungen umfassen die Kontinuitätsgleichung und die Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls und Energie (Navier-Stokes-Gleichungen). Diese Gleichungen sind eng gekoppelt und nichtlinear, sodass eine allgemeine analytische Lösung nur für eine begrenzte Anzahl von Sonderproblemen möglich ist, in denen die Gleichungen reduziert werden können, um analytische Lösungen zu erhalten.
Bei der Vernetzung eines Bauteils können verschiedene Elementarten sowie auch Vernetzungsmethoden zum Einsatz kommen. Dies ist zum einen von der Geometrie des Bauteils abhängig, da je nach Anzahl der räumlichen Freiheitsgrade andere Elementarten sowie Vernetzungsmethoden zum Tragen kommen. Aber nicht nur das Bauteil selbst, sondern auch die Software hat einen Einfluss auf die Auswahlmöglichkeiten bei der Vernetzung. Die unterschiedlichen Anbieter haben jeweils ihre eigenen Vernetzungsalgorithmen, sodass hier die Auswahlmöglichkeiten nicht immer identisch sind. Im Folgenden werden die unterschiedlichen Vernetzungstechnologien vorgestellt und die Unterschiede der jeweiligen Anbieter aufgezeigt.
In jedem Simulationsprogramm sind sogenannte Materialkarten hinterlegt. Diese Materialkarten beinhalten Prozessdaten, d. h. die Einstellparameter einer Spritzgießmaschine, die thermischen und rheologischen Daten des Kunststoffes, die pvT-Daten des Kunststoffes und die mechanischen Eigenschaften des Kunststoffes. Mit den in den Karten hinterlegten Werten werden die Berechnungen von den Simulationsprogrammen durchgeführt. Somit hängen auch die Ergebnisse der Simulation stark von den Materialkarten ab. Unterschiedliche Materialkarten können infolgedessen auch zu unterschiedlichen Ergebnissen beim Vergleich der verschiedenen Programme und im Vergleich zur Realität führen. Dies wird insbesondere beim Vergleich der Schwindungs- und Verzugsergebnisse (siehe Kapitel 10) deutlich.
In diesem Kapitel werden einfache Grundlagenübungen für die Simulation von Spritzgießvorgängen vorgestellt, die dazu dienen sollen die Ergebnisse einer Simulationsrechnung zu verstehen und zu interpretieren. Dazu werden verschiedene Geometrien im Hinblick auf unterschiedliche Problemstellungen betrachtet.
Das Anguss-/Anschnittsystem des Spritzgießwerkzeugs hat die Aufgabe, die Schmelze von der Maschinendüse zur Kavität oder zu den Kavitäten bei Mehrfachwerkzeugen zu leiten. Die Gestaltung des Systems kann die Wirtschaftlichkeit des Prozesses und die Qualität des Formteils entscheidend beeinflussen. Grundsätzlich kann man zwischen den in Bild 9.1 angegebenen Angussarten unterscheiden [1].
Die Qualität und die Wirtschaftlichkeit eines Kunststoffformteils wird ganz wesentlich durch das Temperiersystem des Werkzeugs beeinflusst. So werden Qualitätsmerkmale wie Schwindung und Verzug, Einfallstellen, Lunker, Eigenspannungen, die Kristallinität und andere Formteilattribute durch die Abkühlung des Kunststoffs im temperierten Spritzgießwerkzeug definiert. Des Weiteren wird auch die Abkühlzeit, die notwendig ist, um das Formteil von Schmelzetemperatur bis auf Entformungstemperatur abzukühlen, durch die Temperierung bestimmt. Insofern kommt dem Werkzeug mit der integrierten Temperierung eine große wirtschaftliche und qualitätsrelevante Bedeutung zu [1, 2].
Bindenähte und Fließlinien lassen sich bei komplexen Spritzgussformteilen kaum vermeiden. Eine dynamische Bindenaht entsteht in einem Kunststoffbauteil im Spritzgießprozess durch den Zusammenfluss von mindestens zwei Masseströmen, z. B. hinter Hohlräumen, durch Wanddickenunterschiede oder durch mehrere Anschnitte des Formteils (Bild 11.1).
Zu den Aufgaben des Spritzgießwerkzeugs zählt die Verteilung der Schmelze von der Maschinendüse bis zum Fließwegende und die Abkühlung der Schmelze bis auf Entformungstemperatur. Des Weiteren muss das Spritzgießwerkzeug vielen Produktionszyklen und dem hohen Spritzdruck standhalten.
Einlegeteile, die im Spritzgießwerkzeug von Kunststoff um- oder hinterspritzt werden, sind heute Standard beim Spritzgießverfahren. Aus diesem Grund ist die Simulation von hinterspritzten Einlegeteilen auch ein Modul der heutigen Simulationsprogramme des Spritzgießens. Ein Beispiel für das Hinterspritzen von Einlegteilen sind zum Beispiel Stecker aus dem Automobilbereich. Die Metallkontakte des Steckers werden dabei in das Spritzgießwerkzeug eingelegt und von Kunststoff umspritzt. Zum einen ist dabei die Temperatur des Einlegeteils in Verbindung mit dem Kunststoff von Interesse. Des Weiteren spielen die auf das Einlegeteil wirkenden Drücke eine Rolle, da diese das Einlegeteil unter Umständen verschieben oder verformen können. Gleiches gilt für hinterspritzte Folien und Dekormaterialien, wie man sie z. B. aus dem Automobilbereich (Armaturentafeln, Türinnenverkleidungen A+B-Säulen etc.) kennt.
Spritzgießwerkzeuge beinhalten oftmals schlanke Kerne, die entweder durch eine eingebrachte Kühlung mechanisch geschwächt sind oder so schlank sind, dass keine Kühlung installiert werden kann. Im zweiten Fall wird dann oftmals zur besseren Wärmeabfuhr aus dem Formteil ein Material gewählt, welches eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit besitzt. Diese Materialien haben aber gleichzeitig in der Regel schlechtere mechanische Eigenschaften. Beispiele hierfür sind Spritzenkörper, Preforms, Kartuschen, Taster, Fittinge und andere becher-, stab- oder hülsenförmige Formteile. Auch die bereits erwähnte Mülltonne wird mit einem Werkzeug hergestellt, in welchem ein recht massiver großer Kern eingebracht ist.
Kunststoffe zeichnen sich insbesondere durch ihre anisotropen Eigenschaften aus. Das gilt sehr ausgeprägt für die mechanischen Eigenschaften des späteren Formteils. Vor allem gefüllte Kunststoffe müssen in diesem Fall als äußert anisotrop bezeichnet werden, wie Bild 15.1 zeigt. Während in diesem Fall die Matrix aus Polypropylen ein E-Modul von lediglich 7800 MPa besitzt, kann die Glasfaser in Längenrichtung ein E-Modul von 72 000 MPa aufweisen. Zwischen den beiden Materialien spielt noch die Faser-Matrixanbindung eine Rolle, welche zum Beispiel durch die Schlichte, die auf der Oberfläche der Glasfaser vorhanden sein kann, be-einflusst wird.
Der eigentliche Formteilbildungsprozess findet beim Spritzgießen im Spritzgießwerkzeug statt. Das Werkzeug kann prinzipiell als Black Box betrachtet werden, in welches man nicht hineinsehen kann. Die Vorgänge im Formwerkzeug entscheiden über die Qualität der Spritzgussteile. Aus diesem Grund muss nach anderen Möglichkeiten gesucht werden, um den Formteilbildungsprozess, der die Formteilqualität definiert, beschreiben zu können.
Das folgende Kapitel soll sich mit der Prozessoptimierung mittels statistischer Versuchsplanung befassen. Diese auch als Design of Experiments (DoE) bezeichnete Methode ist sehr effizient, um aus einer Vielzahl von Parametern die relevanten Einflussfaktoren für einen Prozess oder ein Produkt zu ermitteln.
Die Eigenschaften von Kunststoffformteilen hängen stark von den Herstellbedingungen (Stellgrößen, Störgrößen etc.) beim Spritzgießen ab. Generell unterscheidet man bei Kunststoffformteilen zwischen den äußeren und den inneren Eigenschaften, wobei die inneren Eigenschaften (Molekulargewicht, Molekülorientierungen, Gefüge, Kristallinität, Eigenspannungen etc.) eine Folge der Deformations- und Abkühlbedingungen sind und die äußeren Eigenschaften (Maße, Glanz, mechanische Eigenschaften etc.) von den inneren Eigenschaften geprägt werden.
Zu den heute üblichen Sonderverfahren zählen das Sandwichspritzgießen und die Gasinnendrucktechnik (GID). Bei beiden Verfahren wird eine zweite Komponente in eine erste Komponente injiziert. Beim Sandwichspritzgießen wird eine Schmelze in eine vorgelegte Schmelze eingespritzt, während bei der Gasinnendrucktechnik ein Gas, in der Regel Stickstoff, in die vorgelegte Schmelze injiziert wird. Die erste Komponente wird oftmals als Hautkomponente bezeichnet, da sich diese an der Formteiloberfläche befindet, während sich die zweite Komponente unsichtbar im Formteilinneren befindet und somit als Kernkomponente bezeichnet wird.
Zu den vernetzenden Formmassen zählten Duromere, Elastomere und auch Flüssigsilikon, das sogenannte Liquid Silicon Rubber (LSR). Der Verarbeitungsprozess dieser Materialien unterscheidet sich deutlich von üblichen Thermoplasten. In der Regel wird bei den meisten vernetzenden Formmassen eine reine Förderschnecke ohne Kompression eingesetzt. Bei Duromeren wird zusätzlich auf eine Rückstromsperre verzichtet, da dort das Material in Abhängigkeit von der Verweilzeit aushärten würde. Des Weiteren wird die aufbereitete Formmasse relativ kalt in ein heißes Werkzeug eingespritzt. Bedingt durch den Kontakt mit der heißen Werkzeugwand setzt bei diesen Formmassen die Vernetzungsreaktion ein. Das Vernetzen der Formmasse hat einen Anstieg der Viskosität zur Folge. Der zeit- und temperaturabhängige Viskositätsverlauf eines Duromers ist qualitativ in Bild 19.1 dargestellt. Zunächst sinkt die Viskosität (Verlauf A) durch die ansteigende Temperatur (Kontakt des Duromers im heißen Werkzeug). Gleichzeitig setzt die Vernetzungsreaktion (Verlauf B) ein. Als Funktion der Zeit und der Vernetzungskinetik steigt die Viskosität des Duromers mehr oder weniger schnell wieder an. Infolgedessen erhält man einen parabelförmigen Verlauf C für die Viskosität (siehe Bild 19.1).
In den letzten Jahren häufen sich die Probleme bei der Weiterverarbeitung von CAD-Fremddatensätzen in den Simulationsprogrammen wie Moldflow, Cadmould, Sigmasoft und Moldex3D. Die Vernetzung konnte entweder nicht fehlerfrei ausge-führt werden oder musste sehr aufwendig in diesen Programmen nachgebessert werden.
Bild 20.1 zeigt beispielhaft die kritischen Stellen am Modell der Verschlusskappe. Das Simulieren von Füllvorgängen eines Spritzgießprozesses war damit nicht möglich.
