Warum sollte man Füllprozesse simulieren?
Das Befüllen von Werkzeugen kommt u.a. in der Herstellung von Partikelschäumen zum Einsatz. Hierbei werden thermoplastische Partikel in ein Werkzeug eingeblasen und anschließend mittels Wasserdampf verschweißt. Das Werkzeug entspricht dabei einem Negativ der Werkstückgeometrie.
Besonders bei technischen Bauteilen steigt die Komplexität der Geometrien. Damit einhergehend werden die Anforderungen an den Werkzeugbau immer höher, da es eine maximale Packungsdichte der thermoplastischen Partikel an jedem Punkt des Werkzeugs zu erreichen gilt und dies in möglichst kurzer Entwicklungszeit.
Grundlegend ist hierfür die Position der Einblaspunkte am Werkzeug, da diese entscheidend für den Partikelfluss ist. Der Aufwand einer versuchsbasierte Bestimmung dieser Positionen steigt mit zunehmender Komplexität des Werkzeugs. Dieses Vorgehen ist in wirtschatlichen Weise nicht immer durchführbar, da viele Iteration an Trial and Error notwendig sind.
Genau in diesen Fällen kann mithilfe einer Füllsimulation eine sehr schnelle Defintion von idealen Einblaspunkten erfolgen, sowie weiterhin eine Steuerung der Dichteverteilung zur Erzeugung von Gradienten.
Generisches Werkzeug mit 2 variierenden Einblaspunkt-Positionen (links: Version 1, rechts: Version2)
Füllvorgang mit Polypropylen-Partikeln der Version 1 (links) und Version 2 (rechts)
Was sind die Vorteile?
Die versuchsbasierte Definition von Einblaspunkten erfolgt zumeist erfahrungsbasiert. Gerade bei komplexen Geometrien, großen Füllvolumen oder zu erzeugenden Dichtegradienten kann großer Material-, Zeit- und Personalaufwand durch eine simulative Vorgehensweise eingespart werden. Die Vorteile sind nachfolgend aufgeführt.
- Reale Abbildung der Material-, Partikeleigenschaften sowie Prozesseinflüsse durch z.B. elektrostatische Aufladung der Partikel
- Schnelle Variation der Position der Einblaspunkte und Quantifizierung der Unterschiede
- kein oder nur sehr geringer Materialaufwand und geringer Energieverbrauch
- Aufbau von Prozesswissen mit jeder weiteren Simulation
- Berechnung unabhängig von einer Tageszeit oder einem Wochentag möglich
Was ist abbildbar?
Abbildbar sind sämtliche Werkzeuggeometrien, Füllparameter und Materialeigenschaften, jeglicher Komplexität. Dabei können eine Vielzahl an Simulationen innerhalb eines Arbeitstages durchgeführt werden.
Besonders bei Kunststoffen niedriger Schüttdichte können Anziehungskräfte, wie sie durch elektrostatische Aufladung auftreten, zu Problemen beim Transport oder der Befüllung führen. Dies kann zu Anhaftung an den Wänden, in der vorgelagerten Zuführung, oder Verklumpung der Partikel und somit folglich zu einer unzureichenden Füllung führen. Zur Berücksichtigung dieses Verhaltens können daher entsprechende Anziehungskräfte modelliert werden.
Es können Prozesse mit Druckfüllung sowie Crackspalt abgebildet werden. Die Veränderung der Partikelgröße bei der Drückbefüllung ebenso wie die hierdurch hervorgerufene Schüttdichtenänderung werden berücksichtigt.
Darstellung kritischer Bereiche bei der Befüllung von Version 1
Geschwindigkeiten (links) und Drücke (rechts) bei der Befüllung von Version 2
Deutlich wird im dargestellten Beispiel der Befüllung von Version 1 und Version 2, dass ein signifikanter Unterschied im Partikelverhalten und somit im resultierendem Füllergebnis vorliegt.
Version 1 zeigt aufgrund er oben angeordneten Füllpositionen deutliche Unterfüllungen des Werkzeugs an dünnen Wandungsbereichen, auskragenden Geometrien sowie eine unzureichende Abbildung der sechseckigen Kontur.
Im Vergleich zu Version 1 kann in Version 2 durch die angepasste Position der Einblaspunkte eine homogene Befüllung erreicht werden. Dies äußert sich in der Geschwindigkeitsbetrachtung vor allem in der geringeren, wechselseitigen Beeinflussung der Partikelströme in das Werkzeug.
Für eine möglichst kompakte Füllung des Werkzeugs sind die Drücke im Werzeug besonders relevant. Anhand der dargestellten Durckverteilung in Version 2 können Aussagen über die Dichte nach der Einleitung von Wasserdampf abgeleitet werden. Weiterhin können somit auch Dichten gesteuert werden.
Anhand der Betrachtung einzelner Bereiche über den Füllprozess hinweg, können lokale Analysen vorgenommen werden, um neben der Position der Einblaspunkte zudem die Prozesszeit zu optimieren.
Lokale Betrachtung des Füllprozesses anhand der Dichte