Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchung von Einspritzstrategien unter Nutzung von Geometrieinformationen zur Steigerung der Produktqualität und Reduktion des Einrichtungsaufwandes im Spritzgießen

Die Einstellparameter von Spritzgießprozessen beeinflussen maßgeblich das resultierende Qualitätsergebnis und die Prozessproduktivität. Sie sind somit ausschlaggebend für die Wettbewerbsfähigkeit von den oft kleinen und mittelständischen Spritzgießverarbeitern. Insbesondere entscheidet das gewählte Einspritzgeschwindigkeitsprofil in der Einspritzphase über die Ausprägung vieler Qualitätsmerkmale von Spritzgießbauteilen. In der Regel wird die Einspritzgeschwindigkeit in einem wenig methodischen und iterativen Vorgehen vom Maschinenbediener festgelegt. Dieses fachkräfteintensive Vorgehen ist aufwendig und führt nicht zwingend zu optimalen Einstellwerten.

Forschungsseitig wurde eine konstante Fließfrontgeschwindigkeit und somit eine konstante Scherrate als eine anzustrebende Prozessgröße in der Einspritzphase identifiziert. Eine in der Praxis sinnvoll anwendbare Methodik zur Realisierung dieser existiert bislang jedoch nicht.

Ziel dieses Forschungsvorhaben ist es, die Qualität von Spritzgießbauteilen und die Prozessproduktivität durch eine universell anwendbare Einspritzstrategie zu optimieren und den praktischen Einstellaufwand für das Einspritzprofil an der Spritzgießmaschine zu vermeiden.

Zur Erreichung des Ziels sollen mithilfe einer Spritzgießsimulation optimale Einspritzvolumenstromprofile bauteilabhängig abgeleitet werden. Ein zu erarbeitendes Prozessmodell ermöglicht die tatsächliche Realisierung der Volumenströme an Spritzgießmaschinen. Als zentrales Forschungsergebnis wird der Einfluss von unterschiedlichen auf Geometrieinformationen basierenden Einspritzstrategien untersucht und der zu erwartenden Produktivitäts- und Qualitätsgewinn quantifiziert. Somit soll die schnelle industrielle Umsetzung gewährleistet werden, sodass kleine Simulationssoftwarehersteller zusammen mit weiteren Partnern nach Projektende schnell Softwareprodukte entwickeln können, die die Wettbewerbsfähigkeit von kunststoffverarbeitenden KMU erhöhen.

Ergebniszusammenfassung:

Die Einstellung einer geeigneten Schneckenvorlaufgeschwindigkeit an der Spritzgießmaschine durch den Einrichter wird vor allem durch zwei Faktoren erschwert. Zum einen erfordert die Bauteilgeometrie aufgrund von Querschnittsveränderungen eine Anpassung der Schneckenvorlaufgeschwindigkeit während der Einspritzzeit, um zu niedrige oder zu hohe Fließfrontgeschwindigkeiten in der Kavität und daraus entstehende Bauteilfehler zu vermeiden. Zum anderen fließt der Volumenstrom, welcher von der Schnecke verdrängt wird, aufgrund von Verlustvolumenströmen, nicht in gleicher Menge in die Kavität. Deshalb ist bis heute die iterative Einstellung des Schneckenvorlaufgeschwindigkeitsprofils an der Spritzgießmaschine anhand von Expertenwissen Stand der Technik, aber insbesondere für komplexe Bauteile zeitintensiv und aufwändig. Deshalb soll im Rahmen dieses Forschungsprojekts eine Methodik entwickelt werden, die mithilfe der Spritzgießsimulation geeignete Einspritzprofile aus CAD-Daten ableitet und auf die Spritzgießmaschine überträgt. Die verschiedenen Einspritzstrategien sollen anschließend hinsichtlich des Qualitäts- und Produktivitätsergebnis verglichen und bewertet werden. Der Lösungsweg des Projekts besteht aus drei aufeinander aufbauenden Schritten. Auf Basis einer simulativen Optimierungsroutine wird zunächst in Abhängigkeit der Bauteilgeometrie und Vorgabe verschiedener Randbedingungen ein Einspritzprofil abgeleitet. Dieses Profil wird anschließend mittels eines entwickelten Prozessmodells, welches verschiedene Verlustvolumenströme berücksichtigt, in ein an der Spritzgießmaschine einzustellendes Schneckenvorlaufgeschwindigkeitsprofil umgerechnet. Die experimentelle Validierung zeigt gute Übereinstimmung zwischen der gewünschten und realisierten Fließfrontgeschwindigkeit. Diese Methodik ermöglicht es, in einem systematischen Vorgehen ohne grundlegende manuelle Eingriffe eine konstante Fließfrontgeschwindigkeit oder eine konstante Fließfrontscherrate in der Kavität zu erreichen.