Best Practice: Simulation von Sonderverfahren Optimierung der Fluidinjektionstechnik für hochtemperaturbeständige Materialien
© IKVDie Fluidinjektionstechnik (FIT), einschließlich der Gas- (GAIM) und Wasserinjektionstechnik (WAIM), ermöglicht die Herstellung komplexer, hohler Kunststoffbauteile. Besonders bei der Verarbeitung hochtemperaturbeständiger Materialien wie PPA und PPS stellen dünnwandige Strukturen, größere Bauteildurchmesser und die Vorhersagbarkeit von Bauteileigenschaften besondere Herausforderungen dar. Ziel des Projekts für einen Hersteller von Kunststoffrohren und zugehörigen Komponenten war es, grundlegendes Wissen über Prozessparameter zu generieren, um die FIT für diese Anforderungen weiterzuentwickeln.
Entwicklung des Demonstrators
Materialanalyse:
Es wurden umfassende rheologische, physikalisch-thermische und mechanische Eigenschaften von PPA und PPS analysiert. Methoden wie DSC, TGA, TMA, pvT-Messungen sowie Mikroskopie und Spektroskopie kamen zum Einsatz, um die Materialverarbeitbarkeit zu charakterisieren.
Werkzeug- und Prozessvorbereitung:
Die Bauteilgeometrie wurde definiert (ein typisches Medienrohr), und die Prozessparameter wurden vorbereitet.
Formteilversuche im Technikum des IKV:
Erste Bauteile wurden produziert, um die Eignung der Materialien für die FIT zu überprüfen. Inline-Analysen, wie Restwanddickenmessungen und Thermografie, unterstützten die Prozessoptimierung.
Erreichen dünnerer Wanddicken durch Simulation und Versuche
Simulative Prozessanalyse:
Mithilfe optimierter Bauteilgeometrien und angepasster Meshing-Strategien wurden Simulationen durchgeführt. Ziel war es, Restwanddickenverteilungen und Temperaturprofile zu verbessern.
Versuchsplanung (DoE):
Ein Design of Experiments (2³) wurde definiert, um die Auswirkungen von Parametern wie Einspritzdruck, Fluidvolumenstrom und Materialviskosität auf die Wanddickenreduktion zu untersuchen.
Formgebungsversuche:
Im IKV wurden die Simulationsergebnisse validiert, wobei die Prozessparameter gezielt variiert wurden.
Realisierung größerer Bauteildurchmesser (>40 mm)
Materialtests mit PA 66, PPA und PPS:
Versuche mit PA 66, einem etablierten Material, wurden als Benchmark genutzt. Parallel wurden PPA und PPS als Alternativen für größere Durchmesser getestet.
Prozessanpassungen:
WAIM- und PIT-Techniken (Projectile Injection Technology) wurden angewandt, um die Anforderungen größerer Querschnitte zu erfüllen.
Analyse der Ergebnisse:
Neben Restwanddickenmessungen und Exzentrizitätsmessungen wurden computertomografische Analysen und Rauigkeitsmessungen durchgeführt.
Grundlagenwissen für die Prozessentwicklung
Simulative DoE-Studien:
Variationen in Geometrie, Gasdruck und Fluidverzögerungszeiten wurden untersucht.
Versuchsreihen:
Auf Basis der Simulationen wurden weitere Formteilversuche durchgeführt, um die Wechselwirkungen zwischen Prozessparametern und Bauteileigenschaften zu analysieren.
Ergebnisse
Es wurde eine systematische Beziehung zwischen Materialeigenschaften, Prozessparametern und Bauteilergebnissen etabliert.
Durch optimierte Parameterkombinationen konnten dünnere Wanddicken und größere Bauteildurchmesser erfolgreich realisiert werden.
Die gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen eine gezielte Anpassung der FIT für hochtemperaturbeständige Materialien, wodurch deren Einsatzmöglichkeiten in der Industrie erweitert werden.
Dr.-Ing. Christoph Zimmermann
Leiter der Abteilung Spritzgießen und Additive Fertigung
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