Modellierung des Forminnendrucks in Spritzgießmaschinen

Abstract

Spritzgießen ermöglicht die Herstellung von Kunststoffbauteilen in großer Stückzahl bei geringen Kosten. Mit mehr als einem Drittel der weltweit produzierten Kunststoffteile zählt Spritzgießen zu einem der bedeutendsten Fertigungsverfahren der Polymerindustrie. Spritzgießen ist ein zyklischer Prozess. Zunächst wird Kunststoffgranulat plastifiziert, durchmischt und in den Schneckenvorraum gefördert. Beim anschließenden Einspritzen der Schmelze wird zwischen der Füllphase und der Nachdruckphase unterschieden. Während der Füllphase führt die Schnecke eine schnelle translatorische Bewegung aus, um die Kavität mit Schmelze zu füllen. In der unmittelbar folgenden Nachdruckphase übt die Schnecke weiterhin einen definierten Druck auf die Schmelze aus, um den Volumenschwund infolge der abkühlenden Kavität zu kompensieren. Anschließend erstarrt die Schmelze in der Kavität, bis das fertige Formteil ausgeworfen wird. Der Verlauf des Forminnendrucks vom Einspritzen bis zum Ausformen des fertigen Formteils spielt dabei eine wesentliche Rolle für dessen qualitätsrelevante Eigenschaften. In der vorliegenden Arbeit werden zwei Forminnendruckmodelle für eine gegebene Kavität vorgestellt. Das erste Modell verwendet den Satz der Massenerhaltung sowie eine thermische Zustandsgleichung des Werkstoffs, um den Schmelzedruck im Schneckenvorraum und den Druck an verschiedenen Punkten in der Kavität abzubilden. Das Modell besteht aus je einem Teilmodell für die Füll- und Nachdruckphase, zwischen denen umgeschaltet wird. Beide Teilmodelle sind primär empirisch motiviert, was die Identifikation wesentlicher Parameter und Funktionen voraussetzt. Dadurch ist sowohl die Extrapolierbarkeit über die zur Identifikation genutzten Daten hinaus als auch die physikalische Interpretierbarkeit des Modells nur eingeschränkt gegeben. Um die genannten Limitationen zu adressieren, wird ein zweites Modell erarbeitet. Dabei werden das Angusssystem und die Kavität in mehrere Bereiche unterteilt, die durch verzweigte, eindimensionale Flusswege miteinander verbunden sind. Gemäß dem Gesetz von Hagen-Poiseuille werden füllstands- und viskositätsabhängige Flusswiderstände definiert, anhand derer sich der resultierende Schmelzefluss und der Druckabfall in der Kavität ermitteln lassen. Gegenüber dem ersten Modell ist für diesen Ansatz nur wenig empirisches Wissen notwendig. Die Modellgüte wird anhand von vier gemessenen Forminnendrücken bewertet. Beide Modelle können den Forminnendruck teilweise korrekt abbilden, wobei ihre Generalisierbarkeit auf geänderte Prozesseinstellungen begrenzt ist.

Injection molding enables the large-scale production of plastic parts at low cost. With more than a third of plastic parts being manufactured using injection molding, it is one of the most important processes in the polymer industry. The injection molding process is a cyclic process. First, plastic pellets are plasticized, mixed, and moved into the screw antechamber. The melt is then injected into the cavity in two phases: the filling phase and the packing phase. During the filling phase, the screw performs a fast translatory movement to fill the cavity with melt. In the immediately following packing phase, the screw continues to exert a defined pressure on the melt to compensate for shrinkage during cooling. The melt then solidifies in the cavity before the finished part is ejected. The pressure inside the cavity from injection until the finished part is ejected is an important factor for part quality. In this work, two models for the melt pressure inside a given cavity are presented. The first model uses the principle of mass conservation and the p-v-T-behavior of the polymer material to calculate the melt pressure in the screw antechamber and the pressure inside the cavity at defined points. The model consists of two submodels, one for the filling phase and one for the packing phase. Both submodels are empirically motivated, i.e., their essential parameters and functions have to be identified using measurement data. This limits both the model's extrapolation capability beyond the identification data and its physical interpretability. To address these limitations, a second model is developed. In this approach, the runner system and the cavity are divided into several regions, which are connected by branched, one-dimensional flow paths. Based on the Hagen-Poiseuille law, fill- and viscosity-dependent flow resistances are defined and used to determine the resulting flow rates and pressure drops in the cavity. Compared to the first model, this approach requires little empirical knowledge. The model accuracy is evaluated using four measured cavity pressures. Both models can reproduce the pressure inside the cavity to some extent, while their generalizability to different process settings remains limited.