Cadmould
Ansprechpartner:
Dipl.-Ing. Joachim Amberg
Die heute kommerziell zur Verfügung stehenden Programme zur Simulation des Spritzgießprozesses weisen eine modulare Programmstruktur auf. Als Beispiel hierfür ist in Abbildung 1 der Aufbau des 2,5D-Programms CADMOULD dargestellt. Am Anfang einer jeden Simulation ist es erforderlich, ein Modell des zu untersuchenden Bauteils zu generieren. Bei der 2,5D-Simulation kommt in der Regel das Mittelflächenmodell zur Anwendung, das die Formteilgeometrie durch eine Schale, die in die Mittenebene der Formteilwandung gelegt wird, beschreibt.
Die Schalengeometrie wird anschließend in Untereinheiten, die sogenannten Finiten Elemente unterteilt. Bei der Vernetzung der Formteilflächen werden meistens lineare, ebene Dreieckselemente eingesetzt, das Verteilersystem hingegen wird in der Regel mit Hilfe 2-knotiger Stabelemente modelliert. Die Wanddicken werden im Mittelflächenmodell den Elementen nur als lokales Attribut zugewiesen.
Abb. 1: Aufbau des Simulationsprogramms CADMOULD
|
In den Abbildungen 2 und 3 sind ein Volumenmodell und das vernetzte Mittelflächenmodell eines Testformteils dargestellt, das im DKI in Zusammenarbeit mit mehreren Industriepartnern entwickelt wurde und zur Untersuchung verschiedener Schwindungseffekte eingesetzt wird. Zur genaueren Berechnung der örtlichen Werkzeugwandtemperaturen kann der eigentlichen Prozesssimulation eine Abkühlrechnung im Kühl-Modul vorgeschaltet werden. Dies erfordert die zusätzliche Modellierung der Kühlkanalgeometrie des Werkzeugs. Bei der Füll- und Nachdruckphasensimulation gehen als Randbedingungen die Prozessparameter und die thermischen und rheologischen Stoffdaten des verwendeten Kunststoffs ein. Letztere können aus umfangreichen Materialdatenbanken entnommen werden, die Bestandteil eines jeden kommerziellen Simulationsprogramms sind. Die Ergebnisse dieser Berechnungen geben dem Anwender wichtige Hinweise zur Auslegung von Formteil, Werkzeug und Verteilersystem sowie zur Optimierung der Herstellbedingungen. So können beispielsweise anhand des berechneten Fließfrontenverlaufs (Abb. 4) Lufteinschlüsse und Bindenähte frühzeitig erkannt werden, bzw. deren Auftreten durch gezielte Gegenmaßnahmen wie Änderung der Anschnittlage oder Variation von Wanddicken verhindert werden. Das Füllbild des Formteils gibt ebenfalls Aufschluss über die optimale Lage der Entlüftungskanäle im Werkzeug. Als typische Ergebnisse der Nachdruckphasensimulation sind in den Abbildungen 5 und 6 die Druckverteilung im Formteil sowie lokale Randschichtdicken dargestellt. Deutlich erkennbar ist die unzureichende Nachdruckversorgung in den Bereichen mit größeren Wanddicken. An diesen Stellen muss mit erhöhter Schwindung und Verzug gerechnet werden. Aufgrund der rein thermisch-rheologischen Betrachtungsweise können mit der Nachdruckphasensimulation nur Volumenschwindungswerte berechnet werden. Ausgehend von der Temperaturverteilung zum Siegelzeitpunkt müssen daher Schwindung und Verzug des Formteils mit einem weiteren Programmmodul simuliert werden. Dabei werden für jedes Element die sich während des weiteren Abkühlens aufbauenden Eigenspannungsprofile in mehreren Schritten berechnet. Zum Entformungszeitpunkt und nach Erreichen der Umgebungstemperatur werden die Knotenkoordinaten des vernetzten Modells korrigiert. Somit liegen gegen Ende der Schwindungs- und Verzugsberechnung die Verarbeitungsschwindung und die endgültige Gestalt des Formteils vor. Als Beispiel hierfür ist in Abbildung 7 die lokale Schwindung des Testformteils dargestellt.
|
Abb. 2: Volumenmodell des Testformteils (3D-Modell)
Abb. 3: Vernetztes Mittelflächenmodell des
Abb. 4: Füllphasenberechnung, Fließfrontverlauf.
Abb. 5 : Nachdruckphasenberechnung, lokaler Druck (t = 8 s).
Abb. 6: Nachdruckphasenberechnung, Randschichtdicken (t = 8 s).
Abb. 7: Schwindungs- und Verzugsberechnung, lokale Formteilschwindung |
