Mehrskalensimulation des Thermoplast-Schaumspritzgießens mittels eines geometrisch und physikalisch motivierten Mikroskalenmodells

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Hopmann
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 493892533

Physikalisch geschäumte thermoplastische Spritzgießbauteile besitzen im Vergleich zu kompakten Bauteilen viele Vorteile. Durch die Schaumstruktur kann bei gleichem Volumen eine signifikante Gewichtsreduktion erzielt werden, woraus sich ein großes Leichtbaupotenzial ergibt. Weiterhin werden durch den Druck der Treibmittel in den Blasen Schwindung und Verzug reduziert. Im Zuge der Ressourceneffizienz und immer höheren technischen Anforderungen steigt aus diesen Gründen der Bedarf an geschäumten Kunststoffbauteilen kontinuierlich.Die präzise technische Auslegung von Kunststoffbauteilen erfolgt heute mittels Spritzgieß- und Struktursimulationssoftwares. Während eine simulative Auslegung technischer Bauteile für das kompakte Spritzgießen Stand der Technik ist, ist diese für geschäumte Spritzgießbauteile nicht zuverlässig möglich. Grund hierfür sind zahlreiche Vereinfachungen wie z. B. eine symmetrische Blasengeometrie oder konstante Diffusionsraten, die in den kommerziellen Simulationssoftwares angenommen werden. Effekte wie Zelldeformation durch Schereffekte sowie Koaleszenz und Blasenzerfall werden nicht berücksichtigt, was die Vorhersagegenauigkeit der Spritzgießsimulation reduziert. Die simulierten Zellstrukturen können daher nicht für eine präzise Simulation effektiver Bauteileigenschaften wie dem E-Modul oder der Wärmeleitfähigkeit verwendet werden. Ziel dieses Projekts ist die präzise Abbildung der Zellstruktur geschäumter Bauteile unter Berücksichtigung der im Spritzgießen auftretenden dynamischen Randbedingungen durch einen multiskaligen Simulationsansatz. Auf der Makroskala werden klassische Prozessparameter des Spritzgießprozesses wie Temperatur, Druck und Geschwindigkeitsvektorfeld bereitgestellt. Auf der Mikroskala wird eine vollständige modellhafte Beschreibung der Nukleierung, des Zellwachstums sowie der Zellstabilisation für vordefinierte Stützstellen erfolgen. Hierzu werden bestehende physikalische Modelle verwendet und für den Spritzgießprozess angepasst und kalibriert. Eine Kopplung von Mikro- und Makroskala wird durch den Overset-Mesh-Ansatz in der Multiphysik-Simulationssoftware OpenFOAM erreicht. Zur Validierung und Kalibrierung von Mikro- und Makroskalenmodell werden praktische Schaumspritzgießversuche durchgeführt. Die hergestellten Probekörper werden anschließend mittels CT-Aufnahmen hinsichtlich der Zellgrößenverteilung und orientierung untersucht. Durch die präzise Berechnung der Schaumstruktur soll der Grundstein für eine effiziente Auslegung technischer geschäumter thermoplastischer Kunststoffbauteile gelegt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen