Experimentelle Untersuchung und Nutzung einer CFD-gestützten Mehrphasensimulation zur Vorhersage des Fließverhaltens von komplexen Suspensionen im Kunststoff-Spritzgießprozess am Beispiel eines mineralstoffgefüllten Polyamids

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Reinhard Schiffers
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 441824520

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Weiterentwicklung einer Simulationsmethodik, die bereits die wesentlichen Eigenschaften einer komplexen Suspension aus Kunststoffschmelze und Füllstoffpartikeln abbilden kann. Eine solche Simulationsmethodik ist notwendig, da kommerziell verfügbare Spritzgießsimulationssoftware lediglich vereinfachte Kontinuumsmaterialeigenschaften für solche mehrphasigen Kunststoffe annimmt. Dadurch können keine Informationen über die Bauteilmorphologie wie Partikelverteilung und deren Orientierung berücksichtigt bzw. abgebildet werden. Vorversuche der ersten Förderperiode zeigten jedoch einen Einfluss der Prozessparameter auf die Randschichtentstehung. Im Mittelpunkt des Forschungsvorhabens steht daher die Entwicklung einer Simulationsmethodik, die diese Eigenschaften, durch mikromechanische und strömungsbedingte Interaktionen abbildet und somit zu einer Verbesserung des Prozessverständnisses beiträgt. Dazu soll auch die Randschichtoberfläche von mineralstoffgefüllten Polyamid 6 Bauteilen, die teilweise die Galvanikprozesskette durchliefen, mittels Konfokal- und Rasterelektronenmikroskopie charakterisiert werden. Zur quantifizierten Qualitätsbestimmung der Galvanisierung werden unter anderem Schälversuche in Anlehnung an DIN EN ISO 2819 durchgeführt. So können Simulationsergebnisse erfolgreich mit der Bauteilqualität zusammengeführt werden. Die bestehende Simulationsmethodik wird zunächst um den Solver Ansys Rocky erweitert und anschließend für schnellere Berechnungszeiten optimiert. Dadurch kann die Komplexität des Modells erhöht und Vereinfachungen, wie die Vernachlässigung von Temperatur- und Viskositätsänderungen, reduziert werden. Damit werden Einflussfaktoren in der zweiten Förderperiode berücksichtigt, die in der ersten Förderperiode nicht mit einbezogen wurden. Der neu integrierte Solver Ansys Rocky bietet die Möglichkeit die Partikelform anzupassen und entsprechend ihre Orientierung zu berechnen. Deshalb werden die sich neu einstellenden Interaktionen der Partikel untereinander und mit der Bauteilwand in das Modell integriert und die Diskretisierung des Strömungsbereiches optimiert. Zur Erweiterung der Datenbasis werden weitere Oberflächencharakterisierungen mittels Konfokal- und Rasterelektronenmikroskopie für relevante Prozessparameter und neue Beobachtungspositionen durchgeführt. Das Simulationsmodell wird anschließend auf diesen neuen und vergrößerten Untersuchungsraum angewendet. Eine Evaluierung der weiterentwickelte Simulationsmethodik erfolgt anhand neuer Bauteile. Dazu werden Probekörper mit einer neuen Geometrie hergestellt, galvanisiert und oberflächencharakterisiert und die Methodik auf diese neue Geometrie angewendet. Abschließend werden die gewonnenen Ergebnisse aus Experiment und Simulation analysiert und die Simulationsmethodik anhand von bereits aufgestellten Arbeitshypothesen verifiziert und validiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen