Inverse shape design in injection molding based on the finite element method

  • Inverses Design in Spritzgussverfahren basierend auf der Finite-Elemente-Methode

Zwicke, Florian; Behr, Marek (Thesis advisor); Veroy-Grepl, Karen (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

Es wird eine Methode für die inverse Auslegung von Kavitätsformen für Spritzgussverfahren beschrieben. Wenn zur Fertigung von Kunststoffbauteilen flüssige Polymerschmelze in der Kavität abgekühlt wird, dann kommt es durch Ungleichmäßigkeiten in den Abkühl- und Erstarrungsprozessen zu Formdefekten im fertigen Bauteil. Für die Form des Bauteils ist hauptsächlich die Form der Kavität verantwortlich, in welche die flüssige Schmelze eingespritzt wird. Die Methode, welche in diesem Dokument beschrieben wird, stellt ein automatisiertes Werkzeug zur Bestimmung einer geeigneten Kavitätsform bereit, welches Fehler in der Bauteilform reduzieren kann. Die Grundlage dieser Methode ist eine numerische Simulation des Spritzgussprozesses. Die Methode baut auf Simulationsmodellen für sowohl flüssige als auch feste Polymere auf, welche die wichtigen physikalischen Phänomene des thermoviskoelastischen Materialverhaltens und der Erstarrung berücksichtigen. In diesem Dokument werden für die Prozessphasen während der Erstarrung und nach dem Auswurf unterschiedliche Simulationsmodelle beschrieben. Diese sind beide mit Finite-Elemente-Formulierungen ausgestattet, wodurch sie sich mit wenig Aufwand in einen Programmcode implementieren lassen. Die inverse Methode zur Gestaltung der Kavitätsform entsteht aus der Kombination einer inversen Formulierung stationärer Thermoelastizität mit einem Iterationsschema zur Berücksichtigung nicht-elastischer Effekte. Die iterative Methode wird an zwei Beispielen demonstriert. Es wird dabei gezeigt, wie die Simulationsmethode die wichtigen Aspekte des viskoelatischen Materialverhaltens und der Erstarrung abbildet. Die iterative inverse Methode erzeugt schon nach wenigen Iterationsschritten geeignete Kavitätsformen. Darüberhinaus legen Plots eines Ähnlichkeitsmaßes über den Verlauf der Iteration eine rasche Konvergenz der Methode nah.

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