Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Integrierte Prozesssimulation von Thermoformen und Spritzguss

Die Prozesskombination von Thermoformen und Spritzgießen von faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen in einem Werkzeug bietet großes Potential für eine wirtschaftliche Fertigung von strukturellen Leichtbauteilen. Hierbei stellt die Festigkeit der Grenzfläche zwischen dem thermoplastischen Prepreg (Organoblech) und den angespritzten Funktionselementen, wie z. B. Rippen, den limitierenden Faktor hinsichtlich Festigkeit dar. Durch entsprechende Simulationsmethoden können diese Prozesse effizient numerisch ausgelegt werden. Aktuell existieren jedoch keine Lösungen für die integrierte Prozesssimulation von faserverstärkten Kunststoffen.

Daher soll in diesem Verfahren eine integrierte Prozesssimulation für die Kombination von Thermoformen und Spritzgießen in einer Softwareumgebung entwickelt werden. Im Fokus dieser Entwicklung steht die Erarbeitung eines Modells zur Vorhersage der prozessbedingten Verbundfestigkeit in der FVK-Grenzschicht. Anhand von praxisrelevanten Demonstratorprozessen werden die Ergebnisse experimentell validiert.

Die gesamten Erkenntnisse aus diesem Vorhaben führen bei KMU zu einem Know-How Gewinn und somit zu einem Wettbewerbsvorteil. Die Möglichkeiten zur Auslegung der genannten Prozesse und Strukturen werden verbessert in dem zum einen die physikalischen Prozessgrößen in einen Zusammenhang zur Verbundfestigkeit gebracht werden und zum anderen Simulationsmethoden und Modelle für die numerische Prozessauslegung bereitgestellt werden.

Ergebniszusammenfassung:

Das Ziel des Vorhabens war die Entwicklung einer virtuellen Auslegungsmethode für den integrierten Fertigungsprozess des Hinterspritzens von thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden. Ein besonderer Fokus lag hierbei auf der Entwicklung eines Modells zur Vorhersage der prozessabhängigen Verbundfestigkeit zwischen dem FKV und den angespritzten Polymerstrukturen. Auf diese Weise können die Prozesseinflüsse des Thermoformens und Spritzgießens auf die resultierenden Bauteileigenschaften berücksichtigt werden und komplexe, industriell relevante Strukturbauteile optimiert ausgelegt werden.

Zunächst wurde auf Basis von umfangreichen Versuchsreihen die Mechanismen der Verbundfestigkeitsausbildung untersucht und in Zusammenhang mit den physikalischen Prozessparametern gebracht. Darauf aufbauend wurde eine Modellvorstellung der Verbundzone entwickelt und mithilfe analytischer Gleichungen beschrieben. Dadurch ist es möglich die Evolution der Verbundfestigkeit im Prozess lokal aufzulösen und Schwachstellen vorherzusagen. Für eine präzise Vorhersage der Verbundfestigkeit werden die Prozessgrößen im Grenzbereich der Fügepartner benötigt. Hierfür wurden geeignete Simulationsmethoden eingesetzt und so miteinander verknüpft, dass die Prozesssimulation möglichst gut an den ralen integrierten Fertigungsprozess angenähert werden konnte.

Auf diese Weise war es möglich die Verbundfestigkeit mit einer durchschnittlichen Abweichung von < 10 %, sowohl für einfache Prüfkörpergeometrien, als auch anhand eines komplexen Technologiedemonstrators vorherzusagen. Die modellbasierte Verbundfestigkeitsberechnung wurde dabei als Post-Processing-Routine entwickelt und kann daher flexibel in Kombination mit unterschiedlichen Softwaretools eingesetzt werden. Prinzipiell kann das Modell für alle thermoplastischen Werkstoffe angewendet werden. Die Beschreibungen im Abschlussbericht und im Merkblatt befähigen KMU dazu, das Berechnungsskript für Ihren jeweiligen Anwendungsfall zu adaptieren.