Schwindung und Verzug zählen zu den großen Herausforderungen bei der Auslegung thermoplastischer Spritzgießbauteile in technischen Anwendungen. Um diese Effekte bereits in der Designphase zu berücksichtigen, werden Prozesssimulationen durchgeführt. Für eine möglichst realitätsnahe Vorhersage des Spritzgießprozesses müssen das Material und die Randbedingungen adäquat definiert werden.
In dieser Arbeit wird der Einfluss der Material- und Simulationsparameter auf die Schwindungs- und Verzugssimulation untersucht. Hierzu werden experimentelle Spritzgießversuche durchgeführt und anschließend Schwindung und Verzug ausgewertet. Im Prozess aufgenommene Sensordaten geben Einblick in lokale Vorgänge während dem Spritzgießen. Materialparameter werden ermittelt und in die Spritzgießsimulation überführt.
Die Untersuchungen zeigen, dass von allen betrachteten Materialeigenschaften ein Einfluss auf Schwindung und Verzug ausgeht, wobei die Fließgrenztemperatur bei unverstärkten Thermoplasten den größten Effekt zeigt. Bei kurzglasfaserverstärkten Materialien geht zudem ein deutlicher Einfluss von richtungsabhängigen Materialdaten, wie dem Wärmeausdehnungskoeffizienten, aber auch den Modellparametern der Faserorientierungsberechnung aus. Neben den Materialparametern ist der Wärmeübergangskoeffizient zwischen Formteil und Kavität in der Nachdruckphase von großer Bedeutung. Aus den Ergebnissen ergibt sich ein Leitfaden für die praktische Anwendung, zur gezielten Optimierung von Materialdaten, für eine möglichst adäquate Vorhersage von Schwindung und Verzug.

Der Autor: Markus Fornoff war wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, Gruppe Mechanik und Simulation, Forschungsschwerpunkt: Simulationsgestützte Auslegungsmethoden spritzgegossener Kunststoffbauteile. Seit 06.2023 ist er Application Engineer bei Simcon kunststofftechnische Software GmbH

In dieser Arbeit wird der Einfluss der Materialdaten und Simulationsparameter auf die Schwindungs- und Verzugssimulation untersucht. Hierzu werden experimentelle Spritzgie versuche an einem Kastenformteil durchgeführt und anschlie end Schwindung und Verzug ausgewertet. Im Fokus steht ein teilkristallines Polybutylenterephthalat (PBT). Ergänzende Untersuchungen werden an einem kurzglasfaserverstärkten Polybutylenterephthalat (PBT-GF30) sowie einem amorphen Polystyrol (PS) durchgeführt. Ein Messwerterfassungssystem mit einem kombinierten Druck- und Temperatursensor (pT-Sensor) wird verwendet, um Einblicke in lokale Vorgänge während dem Spritzgie en zu erhalten. Materialdaten werden experimentell ermittelt und in die Spritzgie simulationssoftware CADMOULD(R) überführt. Die ermittelten Schwindungs- und Verzugswerte, sowie die aufgenommenen Messdaten werden mit den Spritzgie simulationen kritisch verglichen. Neben qualitativen Gegenüberstellungen von Schwindung und Verzug und des lokalen Druckverlaufs werden Haupteffektediagramme genutzt, um die Haupteinflussgrö en zu identifizieren. Die Ergebnisse zeigen, dass von allen Materialeigenschaften ein Einfluss auf Schwindung und Verzug ausgeht, wobei die Flie grenztemperatur bei unverstärkten Thermoplasten den grö ten Effekt zeigt. Bei kurzglasfaserverstärkten Materialien geht zudem ein deutlicher Einfluss von richtungsabhängigen Materialdaten, wie dem Wärmeausdehnungskoeffizienten, aber auch den Modellparametern der Faserorientierungsberechnung aus. Neben den Einflüssen der Materialparameter zeigt sich ein deutlicher Einfluss des Wärmeübergangskoeffizienten zwischen Formteil und Kavität in der Nachdruckphase. Aus den Ergebnissen ergibt sich ein Leitfaden für die praktische Anwendung, zur gezielten Optimierung von Materialdaten, für eine möglichst adäquate Vorhersage von Schwindung und Verzug.