Simulation and validation of (surface) quality characteristics of large-area lightweight components in injection molding with gas-loaded plastic melts

Hintergrund des Projekts

Stand heute liegen die Hindernisse des TSG in den Oberflächengüten an großflächigen Bauteilen, welche nur unter Einsatz weiterer kosten- und energieintensiver Anlagentechnik den Anforderungen aus der Industrie genügen, und in der mangelnden Prognostizierbarkeit des TSG und seinen Qualitätsmerkmalen am späteren Bauteil, insbesondere der Oberfläche aufgrund fehlender Werkstoffdaten, wie z.B. zur Rheologie von gasbeladenen Schmelzen. Basis der Umsetzung eines jeden neuen Produktes bzw. Bauteils in der Spritzgusstechnik ist eine vorangehende Simulation, welche realitätsnah den Prozess vorhersagen kann. Ist dies nicht gegeben, so entsteht eine, für die nicht zu simulierende Technologie unüberwindbare Barriere. Das Forschungsvorhaben soll somit energie- und kosteneffizientere Substitutionstechnologien zur Marktumsetzung von TSG-Monomaterialbauteilen (Class-A Oberflächen) realisieren sowie den TSG in vorhandene Simulationsprogramme realitätsnah einbinden.

Projektziel

Ziel des geplanten Projektes ist ein flächendeckender Einsatz des physikalischen Thermoplastschaumspritzgießens (TSG) in der kunststoffverarbeitenden Industrie zur Nutzung des gesamten CO2-Einsparungspotentials dieser Technologie. Dieses liegt in der Material- und Energieeffizienz, welche der durch die Gasbeladung ermöglichten Viskositätsreduktion zugrunde liegen (kleinere Maschinengröße, Senkung Bauteildichte und Zykluszeit, verringerter Verzug, usw.).

Projektablauf

Eine weitreichende Integration des TSG in die Industrie bedarf neben der Erfüllung der geforderten Qualitätskriterien einen stabilen, auf fundierten Untersuchungen beruhenden Prozess sowie realitätsnahe Simulationen bereits in der Konzeptphase eines neuen Bauteils. Somit bedarf es der Anwendung und Anpassung bestehender Lösungen für eine Rheometerdüse, an das physikalische Hochdruckschäumverfahren. So sollen für die verschiedenen möglichen Gase (CO2 und N2) unter variierender Gasbeladung der Schmelze rheologische Kennwerte geschaffen werden. Die Beziehung zwischen den rheologischen Kennwerten und den am Bauteil gemessenen Oberflächengüten und Wärmeübergangskoeffizienten zum Werkzeugstahl wird über spätere Korrelationen in der Simulationssoftware dargestellt und in iterativen Schleifen der Realität bis auf eine Genauigkeit von 90 % für die Oberflächenqualität (Glanzgrad, Fließlinien) und zu 95 % für das Füllbild angenähert. Weitere Kennwerte für die Simulation werden gemessene Fließweglängen bei gleichzeitiger Aufnahme der Schmelztemperatur im Werkzeug über Temperatursensoren und die Schaumstruktur sein. Um die finale Anwendung ökologisch zu verbessern, soll auf die Materialeinsparungspotentiale des physikalischen Schäumens - über die Schaumstruktur und konstruktiv (Wandstärke, Verrippungen, etc.) - hingewiesen werden. Abhängig vom Bauteil sind Gesamtgewichtsreduktionen bzw. Materialeinsparungen von 20 bis 30 % möglich. Der Fließfaktor bzw. die Viskosität bestimmt hierbei die maximal mögliche Gewichtsreduzierung, welcher durch das in die Schmelze injizierte Gas in hohem Maße reduziert wird. Um den Prozess ressourcenschonend umzusetzen, soll statt der energieintensiven Variothermie, welche für hochwertige TSG-Monomaterialbauteile (Class-A Oberflächen) und damit für die Akzeptanz der Technologie in der Industrie notwendig ist, eine geeignete, zeitlich begrenzt auf die Einspritzphase thermoisolierende Werkzeugbeschichtungen eingesetzt und damit der Energieverbrauch um 30 % gesenkt werden.

Innovation

Im Bereich des nachhaltigen Umgangs mit Rohstoffen und Materialien soll die Ressourceneffizienz im Werkstoff, im Prozess und in der finalen Anwendung verbessert werden. Durch die geplante Innovation die im thermoplastischen Schaumspritzguss für Class-A Oberflächen notwendige Variothermie durch gezielte Beschichtung des Werkzeuges zu ersetzen, wird unter Einsatz von konventionellen Kunststoffen und Polymeren biologischer Basis, alleinstehend und in Kombination mit holzbasierten Naturfasern, eine Reduktion des Carbon Footprints um mindestens 30 % erwartet.