Integrierte Prozesssimulation von Thermoformen und Spritzguss
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Klaus Dröder, Dr.-Ing. André Hürkamp, Dipl.-Ing. Tim Ossowski, Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik, Technische Universität Braunschweig - Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, M.Sc. Hendrik Wester, M.Eng. Ralf Lorenz, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen, Leibniz Universität Hannover
144 Seiten - 92,00 EUR (sw, 83 teils farbige Abb., 26 Tab.)
ISBN 978-3-86776-632-6
Zusammenfassung
Die Prozesskombination von Thermoformen und Spritzgießen von faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen in einem einstufigen (en. one-shot) Fertigungsverfahren bietet großes Potential für eine wirtschaftliche Fertigung von strukturellen Leichtbauteilen.
Die Kombination von endlosfaserverstärkten Thermoplasten mit spritzgegossenen Polymerstrukturen ermöglicht dabei eine hohe Funktionsintegration bei hervorragenden mechanischen Eigenschaften. Hierbei stellt die Festigkeit der Grenzschicht zwischen dem thermoplastischen Faserverbund (z. B. Organoblech) und den angespritzten Funktionselementen (z. B. Rippen) den limitierenden Faktor hinsichtlich der strukturellen Integrität des Gesamtsystems dar.
Zur effizienten Auslegung solcher Bauteile und des dazugehörigen Hinterspritzprozesses können entsprechende Simulationsmethoden eingesetzt werden. Jedoch existieren aktuell keine etablierten Lösungen das kombinierte Fertigungsverfahren in einer integrierten Prozesssimulation abzubilden, um darauf aufbauend die aus dem Prozess resultierende Verbundfestigkeit vorherzusagen.
An dieser Stelle setzt das Vorhaben an und adressiert die Entwicklung einer methodischen Vorgehensweise für eine integrierte Prozesssimulation von Thermoformen und Spritzgießen. Im Fokus dieser Entwicklung steht die Erarbeitung eines Modells zur Vorhersage der prozessbedingten Verbundfestigkeit der thermoplastischen Grenzschicht.
Dazu wird zunächst ein tiefgreifendes Verständnis der Mechanismen, welche zur Ausbildung der Festigkeit führen, aufgebaut und darauf basierend eine analytische Berechnungsvorschrift entwickelt. Diese ermöglicht die Berücksichtigung der Fertigungseinflüsse auf die resultierende Verbundfestigkeit. Anhand von praxisrelevanten Demonstratorprozessen werden die Ergebnisse experimentell validiert.
Die Möglichkeiten zur Auslegung der genannten Prozesse und Strukturen werden verbessert, indem zum einen die physikalischen Prozessgrößen in einen Zusammenhang zur Verbundfestigkeit gebracht werden und zum anderen Simulationsmethoden und Modelle für die numerische Prozessauslegung bereitgestellt werden.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Integrierte Prozesssimulation von Thermoformen und Spritzguss" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 20524N über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 574 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
The process combination of thermoforming and injection moulding of fibre-reinforced thermoplastics in a one-shot manufacturing process offers great potential for the economical production of structural lightweight components. The combination of continuous fibre-reinforced thermoplastics with injection-moulded polymer structures enables a high level of functional integration with excellent mechanical properties.
Thereby, the interface strength between the thermoplastic composite (e.g. organo sheet) and the moulded functional elements (e.g. ribs) is the limiting factor with regard to the structural integrity of the overall system. Appropriate simulation methods can be used for the efficient design of such components and the associated overmoulding process.
However, there are currently no established solutions for modelling the combined manufacturing process in an integrated process simulation in order to predict the bond strength resulting from the process.
Hence, the development of a methodical procedure for an integrated process simulation of thermoforming and injection moulding is addressed in this project. The focus of this research is the development of a model for predicting the process-related bond strength of the thermoplastic interface.
For this purpose, a profound understanding of the mechanisms that lead to the formation of the strength is first established and an analytical computation procedure is being developed based on this. This enables the consideration of the manufacturing influences on the resulting bond strength.
The results are validated experimentally using practice-relevant demonstrator processes. The possibilities for designing the mentioned processes and structures are improved by relating the physical process variables to the bond strength and by providing simulation methods and models for the numerical process design.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
1.1 Ausgangssituation
1.2 Anlass für das Forschungsvorhaben
2 Stand der Wissenschaft und Technik
2.1 Thermoplastische Verbundwerkstoffe
2.1.1 Thermoplastische Prepregs
2.1.2 Kurzfaserverstärkte Thermoplaste
2.2 Kombinationsverfahren zur Herstellung von Thermoplast-Verbundstrukturen
2.2.1 Spritzgießen
2.2.2 Thermoformen
2.2.3 Herausforderungen des einstufigen Prozessablaufs
2.3 Simulationsmethoden für Hinterspritzverfahren
2.3.1 Integrierte Simulationsansätze
2.4 Modellierung der Verbundfestigkeit thermoplastischer Kunststoffverbindungen
2.4.1 Autohäsionsmodelle
2.4.2 Kontaktmodelle
2.4.3 Verbundfestigkeitsmodelle
2.5 Verbundfestigkeitsprüfung
2.5.1 Prüfmethoden zur Festigkeitsermittlung thermoplastischer Verbindungen
2.5.2 Hinterspritzte Prüfkörper und Prüfmethoden
2.6 Fazit zum Stand der Technik
3 Forschungsziel und Vorgehensweise
3.1 Forschungsziel
3.1.1 Forschungsergebnisse
3.1.2 Innovativer Beitrag der Forschungsergebnisse
3.2 Methodischer Ansatz zur Erreichung des Forschungsziels
4 Materialien und Prüfmethoden
4.1 Organobleche
4.2 Spritzgießgranulate
4.3 Materialcharakterisierung
4.3.1 Zugversuche
4.3.2 Scherrahmenversuch
4.3.3 Rheologische Eigenschaften
4.3.4 Thermische Eigenschaften
4.4 Herstellung von Verbundprüfkörpern
4.4.1 Versuchseinrichtung
4.4.2 Rippenprüfkörper
4.4.3 Zugscherprüfkörper
4.5 Verbundprüfung
4.5.1 Probenvorbereitung
4.5.2 Normalzugprüfung
4.5.3 Zugscherprüfung
5 Numerische Prozesssimulation
5.1 Spritzgießsimulation
5.1.1 Rippenprüfkörper
5.1.2 Technologiedemonstrator
5.2 Thermoformsimulation
6 Modellierung der Verbundfestigkeit für Hinterspritzprozesse
6.1 Modellierungsansatz
6.2 Kontaktmodell
6.3 Autohäsionsmodell
6.4 Verbundfestigkeitsmodell
6.5 Numerische Implementierung
7 Modellbasierte Verbundfestigkeitsvorhersage auf Prüfkörperebene
7.1 Grenzflächenanalyse
7.2 Prozesssimulation und Grenzflächendaten
7.3 Validierung am Rippenprüfkörper
8 Untersuchungen am Technologiedemonstrator
8.1 Demonstrator- und Werkzeugentwicklung
8.2 Fertigung
8.3 Grenzflächenanalyse
8.4 Verbundfestigkeitsanalyse
8.5 Integrierte Prozesssimulation
8.5.1 Fluid-Struktur-Interaktion
8.5.2 Thermoformsimulation
8.5.3 Superpositionierte Fluidflusssimulation
8.6 Validierung am Technologiedemonstrator
9 Ergebnisse und Ausblick
9.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
10 Literatur
