Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung einer neuartigen thermisch und rheologisch optimierten Prozessführung im Kautschukspritzgießen zur Minimierung der Zykluszeit, Verbesserung der Produktqualität und Vermeidung von Prozessabfällen (ThermoOpt)

Das Projekt ThermoOpt hat sich zum Ziel gesetzt eine neuartige Prozessführung im Kautschukspritzguss zu entwickeln, diese vereint die Vorteile der Kaltkanaltechnik mit einer Verkürzung der Heizzeit durch dissipative Erwärmung der Kautschukmischung. Dies erfolgt durch Anhebung der Kaltkanaltemperatur. Um Anvernetzung der Mischung im Kaltkanal zu verhindern werden eine geringere Verweilzeit und vor allem eine geringere Verweilzeitverteilung durch gezieltes Hervorrufen von Wandgleiten angestrebt. Dazu werden praxisnahe Kautschukmischungen rheologisch charakterisiert, ihre Wandgleiteigenschaften mit den in der Literatur verfügbaren Modellen ausgewertet und die Ergebnisse auf ihre physikalische Plausibilität überprüft. Anschließend wird das Wandgleitverhalten in die Strömungssoftware OpenFoam eingebaut, mit den Rheometerversuchen abgeglichen und eine Optimierung der Kaltkanalgeometrie sowie der Strömungsbedingungen auf hohe Wandgleitanteile hin vorgenommen.

Auf Basis dieser Ergebnisse wird ein Prototyp-Kaltkanal gebaut und in praktischen Spritzgießversuchen getestet. Die so erhaltenen Bauteile werden hinsichtlich ihrer mechanisch-dynamischen Eigenschaften und anderer vorher festgesetzter Qualitätskriterien untersucht. Anhand einer Gegenüberstellung mit Bauteilen aus dem herkömmlichen Prozess soll die Wirksamkeit der neuen Prozessstrategie belegt werden.

Bei erfolgreicher Projektdurchführung profitieren kmU aus den Bereichen Maschinen- und Werkzeugbau sowie der Kautschukverarbeitung. Die zuerst genannten können im Projekt entwickelte Innovationen an Maschinen und Werkzeugen in ihren Produkten verwerten. Die kautschukverarbeitenden Betriebe sind potenzielle Nutznießer der neuartigen Technologie durch effizientere und vor allem kostengünstigere Prozesse zur Herstellung von Elastomerformteilen

Ergebniszusammenfassung:

Zu Beginn des Projektes wurden in Absprache mit dem projektbegleitenden Ausschusses (PbA) zwei potentielle

EPDM-Mischungen zur Abbildung eines verstärkt wandgleitenden (Slip)- und möglichst wandhaftenden (Non-Slip)-Verhaltens entwickelt. Mit Hilfe dieser Modellmischungen wurde eine Methode entwickelt mit der sich ein werkstoff- und prozessbedingtes Wandgleitverhalten identifizieren und für simulative Prozessvorhersagen verwenden lässt.

Um die aus der Literatur bekannten Wandgleiteffekte, welche häufig bei EPDM-Kautschuken auftreten, messen zu können, wurden am Hochdruckkapillarrheometer (HKR) Versuchsreihen mit zwei geometrisch ähnlichen Breitschlitzdüsen am Institut für Kunststofftechnik durchgeführt. Ähnliche Untersuchungen fanden auch am Fraunhofer LBF unter der Verwendung von Rundlochdüsenpaaren mit variierenden Durchmessern statt. Die Ergebnisse für die unterschiedlichen Düsengeometrien konnten anschließend gegenübergestellt werden und ein geometrischer Einfluss auf das Wandgleitverhalten untersucht werden. Durch diese Erkenntnisse lassen sich zukünftig Prognosen zu Düsengeometrien und Prozessfenstern geben, welche ein Wandgleiten fördern und dieses somit gezielt nutzbar machen.

Für eine simulative Abbildung des Fließverhaltens der genannten Kautschuke, welche möglichst an den realen

Versuchsbedingungen liegen soll, wurde überdies basierend auf den HKR-Messungen und den berechneten

Wandleitgeschwindigkeiten in der quelloffenen Software OpenFOAM eine Randbedingung entwickelt. Mithilfe dieser

Randbedingung ist es möglich, die herrschenden Schubspannungen im vorliegenden Simulationsfall automatisiert zu identifizieren und dementsprechend die dort herrschenden materialspezifischen Wandgleitgeschwindigkeiten als Gleitanteil aufzuprägen, was einen realen Anwendungsfall sehr gut wiedergibt. Die Ergebnisse der Studie zeigen vielversprechende Verbesserungen bei der Abbildung des Versuchsstands im Vergleich zu Simulationen, die auf herkömmliche Weise durchgeführt werden.