Schwindung und Verzug von folienhinterspritzten Formteilen

Forschungsprojekt P 14361 Schwindung und Verzug folienhinterspritzter FormteileGünter R. LANGECKER09.05.2000 Bei der Herstellung von dekorierten Formteilen, die z.B. in der Automobilindustrie Verwendung finden, werden das bislang weithin verwendete Klebekaschieren und Lackieren mehr und mehr durch das Verfahren der Hinterspritztechnik ersetzt. Bei diesem Verfahren wird die zugeschnittene und größtenteils thermogeformte Folie in das geöffnete Werkzeug eingelegt und mit einer thermoplastischen Schmelze hinterspritzt. Probleme bereitet die maßliche Auslegung des Spritzgieß- und Thermoformwerkzeuges. Den Ausgangspunkt stellt ein Formteil mit einer gewünschten Maß- und Formgenauigkeit dar. Die Frage, die sich stellt, ist, wie muss ein entsprechendes Thermoform- und Spritzgießwerkzeug ausgelegt sein, um das Formteil in der gewünschten Maß- und Formgenauigkeit herstellen zu können? Diese Auslegung erfolgt heutzutage auf empirische Weise. Hier wäre es wünschenswert, durch den Einsatz von Simulationsprogrammen den Konstrukteur in der Auslegung der Werkzeuge zu unterstützen. Im Rahmen dieses Projektes werden sowohl Schwindung, Verzug und Eigenspannungen von folienhinterspritzen Formteilen als auch die Vorverformung der Folie im Thermoformverfahren berechnet. Die Berechnungsergebnisse werden experimentellen Ergebnissen gegenübergestellt. Ferner werden der Einfluss von Prozessparametern und der Geometrie des Formteils auf den Verzug und die Eigenspannungen systematisch untersucht.

Die Hinterspritzgießtechnik ermöglicht die Herstellung eines dekorierten Verbund-Formteils. Das Dekormaterial, in der Regel eine mehrschichtige Kunststofffolie mit einem besonderen Eigenschaftsprofil, wird in das geöffnete Werkzeug eingelegt und mit einer Kunststoff-schmelze hinterspritzt. Der Einsatz der Hinterspritzgießtechnik vermeidet Lackierverfahren, die weniger umweltfreundlich sind. Darüber hinaus lassen sich durch den Materialverbund bestimmte Eigenschaften, z.B. kratzfeste Oberflächen mit gewünschter Haptik etc., erzielen. Bei nicht ebenen Formteilen wird die Folie zuerst thermogeformt und danach in das Spritzgießwerkzeug eingelegt. Der Thermoformvorgang der Folie und das Hinterspritzen der Folie mit einem entsprechenden Trägermaterial führen in der Regel zu Schwindungs- und Verzugsvorgängen, die eine maß- und formgenaue Fertigung des Formteiles erschweren. Zielsetzung dieses Projektes war, den Einsatz von Simulationsprogrammen für eine optimale Auslegung von Formteil, Thermoform- und Spritzgießwerkzeug zu untersuchen und zu ermöglichen, um Zeit und Kosten für die Auslegung des zu fertigenden Produktes zu reduzieren bzw. aufwändige Nacharbeiten an den Produktionswerkzeugen zu vermeiden. Zunächst wurde der Aufheizvorgang der Kunststofffolie mit dem Finite Elemente-Programm Abaqus simuliert. Es wurde untersucht, wie man durch unterschiedliche Beheizungen eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der Kunststofffolie verwirklichen kann. Danach wurde der Thermoformvorgang simuliert und die Schichtdickenverteilung der Folie bestimmt. Mit zwei selbstprogrammierten Schnittstellen wurden die Ergebnisse aus der Simulation des Thermoformvorgangs in das Simulationsprogramm Moldflow für den Spritzgießprozess übergeben. Mit dem Programm Moldflow wurde das Hinterspritzen der Kunststofffolie berechnet und die Ergebnisse wurden mit einer schon vorhandenen Schnittstelle in das Programm Abaqus transferiert. Mit dem Programm Abaqus wurden anschließend Schwindung und Verzug, die aufgrund von Eigenspannungen im hinterspritzten Formteil auftreten und für die Maß- und Formgenauigkeit ausschlaggebend sind, ermittelt. Der entwickelte und ausgearbeitete Weg erlaubt den Thermoform- und den Spritzgießvorgang miteinander zu verknüpfen und anhand einer Parameterstudie die Einflüsse auf Schwindung und Verzug am Formteil zu bestimmen. Im Rahmen der Projektgenehmigung wurde aus Kostengründen die experimentelle Verifizierung gestrichen, so dass die Forschungsarbeiten zunächst nur Parameterstudien zuließen. In einem eingeschränkten Rahmen wurden auf der institutseigenen Thermoformmaschine exemplarisch die Berechnungen des Thermoformvorgangs im Experiment verifiziert.