Durchgängiges Konzept für die Auslegung von Spritzgießsonderverfahren am Beispiel der Gasinjektionstechnik

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1 Durchgängiges Konzept für die Auslegung von Spritzgießsonderverfahren am Beispiel der Gasinjektionstechnik zur Erlangung des akademischen Grades eines DOKTORS DER INGENIEURWISSENSCHAFTEN (Dr.-Ing.) der Fakultät für Maschinenbau der Universität Paderborn genehmigte DISSERTATION von Dipl.-Ing. Helmut Ridder aus Salzkotten Tag des Kolloquiums: Referent: Prof. Dr.-Ing. H. Potente Korreferent: Prof. Dr.-Ing. O. Hahn

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3 Polymerforschung in Paderborn Band 11 Helmut Ridder Durchgängiges Konzept für die Auslegung von Spritzgießsonderverfahren am Beispiel der Gasinjektionstechnik D 466 (Diss. Universität Paderborn) Shaker Verlag Aachen 2005

4 Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Paderborn, Univ., Diss., 2005 Copyright Shaker Verlag 2005 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Paderborn im Institut für Kunststofftechnik (KTP) in den Jahren 1999 bis Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr.-Ing. H. Potente, der als Institutsleiter durch seine tatkräftige Unterstützung und die vielen wertvollen Anregungen maßgeblich zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen hat. Für die Übernahme des Korreferates und die damit verbundene kritische Durchsicht der Arbeit danke ich Herrn Prof. Dr.-Ing. O. Hahn. Für die vielen fruchtbaren Diskussionen während meiner Zeit am KTP danke ich Herrn Dr.-Ing. H.-P. Heim. Darüber hinaus gilt mein Dank allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Instituts für Kunststofftechnik für die gute und kooperative Zusammenarbeit. Wichtige Beiträge zu dieser Arbeit haben die studentischen Hilfskräfte sowie die Studenten, die Studien- und Diplomarbeiten verfasst haben, geleistet, wofür ich Ihnen an dieser Stelle danken möchte. Die Ergebnisse der Arbeit wurden im Rahmen von Forschungstätigkeiten zusammengestellt, die von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschung (AIF) finanziert wurden. Besonderen Dank gilt der Firma Battenfeld, die sowohl eine Spritzgießmaschine als auch eine Airmouldanlage kostenlos zur Verfügung gestellt hat. Helmut Ridder Paderborn, im November 2005

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7 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Problemstellung und Zielsetzung Grundlagen zum GIT- Verfahren Vor- und Nachteile der Gasinjektionstechnik Verfahrensablauf der Gasinjektionstechnik Verfahrensvarianten der Gasinjektionstechnik Konzept zur Auslegung des GIT- Prozesses Klassifikation und Bewertung von (GIT)- Spritzgießformteilen Zielsetzung der Klassifikation Grundlagen zum Klassifizierungssystem Kriterienkatalog für die Beurteilung von GIT- Formteilen Durchführung der Klassifikation anhand exemplarischer Formteile Verallgemeinerung der geometrischen Formteileigenschaften Clusterabhängige Beurteilung möglicher Fertigungsprobleme Vorgehensweise zur Bestimmung der Schmelze- und Gasinjektionspunkte Vorauswahl der Injektionspunkte Simulation der Formteilfüllung I

8 Inhaltsverzeichnis 8 Einfluss der Prozessparameter auf die Gasblasenausbreitung Anwendung der Ähnlichkeitstheorie für die Gasinjektionstechnik Diskussion des Einflusses der GIT- Prozessparameter auf die Gasblasenausbreitung Formteil/ Polymer Polymereinspritzung und anschließende Stillstandsphase Start der Gasinjektion Gasausbreitung/ Dynamik Abkühlphase Prozessrelevante Parameter und deren dimensionslose Darstellung Formale Herleitung der Modellgesetze für die GIT Übertragung des Auslegungskonzeptes auf andere Spritzgießsonderverfahren Zusammenfassung und Ausblick Abstract Literaturverzeichnis Anhang II

9 Symbole und Formelzeichen Symbole und Formelzeichen a a eff. A A c A Gas A Gas,Grenz a K a O a Q b B C i c p D D d K d nm d O d Q e f h h n H Achsenabschnitt in der Geradengleichung Effektive Temperaturleitfähigkeit Querschnittsfläche charakteristische Querschnittsfläche der Gasführungsgeometrie Gasblasenquerschnittsfläche Grenzwert der maximalen Gasblasenquerschnittsfläche Anzahl der nominalskalierten Merkmale Anzahl der ordinalskalierten Merkmale Anzahl der quantitativen Merkmale Abszissenfaktor sowie Breite von Gasführungsgeometrien Breite Klasse (Objektmenge) i ähnlicher Objekte Wärmekapazität bei konstantem Druck Abstand zwischen einzelnen Klassen, Distanzmatrix Durchmesser Distanz der nominalskalierten Merkmale zweier Objekte Distanzmaß zur Messung der Distanz zwischen zwei Objekten Distanz der ordinalskalierten Merkmale zweier Objekte Distanz der quantitativen Merkmale zweier Objekte Breite der Gasführungsrippe Funktion Wanddicke des angebundenen dünnwandigen Bereiches sowie Höhe bei stabförmigen dickwandigen Formteil Homogenitätsmaß bzw. Homogenität einzelner Klassen (Objekte) Höhe III

10 Symbole und Formelzeichen I i j k K L m m i n n n O p P p Gas p G1 q r R s s nm t V T M T Wz u nm v V x Objekt (Merkmalsträger) i bzw. Objektmenge (Klasse) i Laufvariable Laufvariable Konsistenz des Potenzfließgesetzes Länge Anzahl der dimensionslosen Größen i-te Ausprägung des Merkmals i Anzahl der prozessrelevanten Größen Fließgesetzexponent des Potenzfließgesetzes Laufvariable Ordinal Anteil der verschiedenen Merkmalsausprägungen Partition bzw. Klasseneinteilung Gasdruck Gasdruck der ersten Druckstufe Laufvariable sowie quantitativ Anzahl der SI- Einheiten Radius Gasinjektorspalt Ähnlichkeitsmaß zur Messung der Ähnlichkeit zwischen zwei Objekten Verzögerungszeit Massetemperatur Werkzeugwandtemperatur Anteil der übereinstimmenden Merkmalsausprägungen zweier Objekte Spezifische Volumen Volumen Koordinatenrichtung IV

11 Symbole und Formelzeichen x i Merkmal i sowie Abszissenwert in der Geradengleichung x i, x i Beobachtungsvektor y i Ordinatenwert in der Geradengleichung Intervall Winkel der Gasführungsgeometriekrümmung Viskosität Wärmeleitfähigkeit Dichte Dimensionslose Größe Abkürzungen CO 2 d.h. etc. FEM FMEA GIT Kav. max min N 2 Nr. o.a. sog. u.a. Kohlenstoffdioxid das heißt et cetera Finite Elemente Methode Fehler Möglichkeits- und Einflußanalyse Gasinjektionstechnik Kavität maximal minimal Stickstoff Nummer oben angeführt sogenannten unter anderem V

12 Symbole und Formelzeichen u.v.m. vgl. z.b. z.t. und vieles mehr verglichen zum Beispiel zum Teil VI