Am IPPD wird der Spritzgussprozess nicht nur phänomenologisch, sondern auch theoretisch im Detail untersucht, um den Prozess besser verstehen und damit auch optimieren zu können. Zwei Hauptsäulen der Analyse sind die detaillierte, zeitliche Erfassung von Prozesskennwerten (z.B. Druck, Temperatur usw.) und die Modellierung und Simulation des gesamten Einspritzprozesses.
Um den Prozess modellieren zu können, werden die phyiskalischen Grundgesetze zur Beschreibung der Fluiddynamik, der thermischen Vorgänge, der Rheologie sowie der weiteren Materialeigenschaften in die open-source Software OpenFOAM implementiert, validiert und verifiziert. Dabei muss besonderer Fokus auf die korrekte numerische Modellierung gelegt werden, um die gegenseitigen Wechselwirkungen zwischen den einzelnen auftretenden Phänomenen richtig abbilden zu können.
Abbildung 1: Position der Sensorpunkte in einer typischen Werkzeugkavität in der Simulation
In der Füllphase wird ein Einspritzprofil (konstant oder zeitlicher Verlauf) vorgegeben. Diese Größe bestimmt die Fluiddynamik des Prozesses, welcher eine Auswirkung auf die thermischen und rheologischen Eigenschaften hat. Durch die Wechselwirkung verändern sich die fluiddynamischen Phänomene, wodurch der transiente Prozess des Füllens entsteht. Der Druck kann zwischen Experiment und Simulation verglichen werden, um die einzelnen Vorgänge und die Abhängigkeiten validieren zu können.
Abbildung 2: Gleichungen, welche die wichtigsten Phänomene im Prozess beschreiben
In der Nachdruckphase beherrscht der Druck den Prozess, wodurch fluiddynamische Vorgänge weniger dominierend werden und thermische und rheologische Eigenschaften in den Vordergrund rücken. Um Modelle validieren zu können, kann zum Beispiel der Zeitpunkt des Einfrierens genutzt werden.
Abbildung 3: Typische Druckverläufe im Prozess an den Sensorpunkten in der Füllphase
In der Abkühlphase sind thermische Vorgänge dominierend, wobei im Experiment die Temperatur gemessen werden kann. Diese kann mit Simulationsergebnissen verglichen werden.
Abbildung 4: Typische Druckverläufe im Prozess an den Sensorpunkten im Prozess
Mit Hilfe der implementierten Modelle in OpenFOAM können mögliche extreme Verarbeitungsbedingungen, bei denen Sicherheitsgrenzen überschritten werden, eliminiert werden. Ebenfalls ist es möglich, die Bedingungen während des Prozesses zu verbessern, um diesen für ein ausgewähltes Material zu optimieren. Somit kann die Simulation ein wesentlicher Bestandteil der zukünftigen Entwicklung des Spritzgießprozesses und der Spritzgießmaschinen sein.
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