TY - THES

T1 - Evaluierung des Einsatzes von Spritzgießsimulation zur Vorhersage der Maßstreuungen von Kunststoffformteilen

AU - Schedler, Martin

N1 - gesperrt bis 30-01-2029

PY - 2024

Y1 - 2024

N2 - Das Spritzgießen stellt einen diskontinuierlichen Prozess dar, der es ermöglicht, gut reproduzierbare Kunststoffformteile kostengünstig in Serie zu fertigen. Aufgrund von Schwankungen verschiedenster Einflussgrößen sind die Schwindung und der Verzug sowie die damit verbundene Maßhaltigkeit eines Kunststoffformteils nur sehr schwer vorherzusagen. Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, die Vorhersagbarkeit der Maßstreuung von Spritzgussbauteilen durch die Spritzgusssimulation zu evaluieren. Dabei wurde eine Vielzahl von Einflussgrößen im Bereich des Prozesses, des Materials, der Umwelt, des Werkzeugs, der Messtechnik und der Maschine betrachtet. Insbesondere sollte die Schwankungsbreite der Einflussgrößen aufgezeigt und ihr Einfluss auf die Maßhaltigkeit untersucht werden. In dieser Arbeit wurden knapp 60 potenziell maßhaltigkeitsrelevante Einflussgrößen analysiert. Neben einer ausführlichen Literaturrecherche, Gespräche mit Experten sowie Einzeluntersuchungen wurden auch Screening-Versuche durchgeführt, um die signifikanten Einflussgrößen sowie ihre Schwankungsbreite zu bestimmen. Mittels der Monte-Carlo-Methode wurden alle signifikanten Einflussgrößen anhand ihrer Eintrittswahrscheinlichkeit und Schwankungsbreite betrachtet und so realitätsnah wie möglich in die Spritzgusssimulation integriert. Für die Berechnungen wurde die Spritzgusssimulationssoftware Autodesk Moldflow® Insight 2023 (AMI) (Autodesk Inc., USA) verwendet, während die damit ermittelten Verzugsgeometrien mit Hilfe der messtechnischen Analysesoftware GOM Inspect 2020 (Carl Zeiss GOM Metrology GmbH, Deutschland) ausgewertet wurden. Das Simulationsergebnis wurde mit den Messungen des ausgewählten Artikels während einer 14-monatigen Serienproduktion verglichen. Zusätzlich wurde die Herstellbarkeit der geforderten Formteiltoleranzen mit Hilfe der DIN ISO 20457 evaluiert. Die vorhersagten Maßstreuungen zeigten über kürzere Zeiträume Ähnlichkeiten mit den Serienmesswerten, wobei die Schwindung in der Simulation etwas überschätzt wurde. Im Gesamtzeitraum traten in der Praxis allerdings Messwertsprünge auf, die nicht nachvollzogen werden konnten. Der Vergleich mit der DIN ISO 20457 zeigte, dass die Serienmesswerte gut mit der Toleranz harmonierten, sich also alle gemessenen Daten in der Toleranz der jeweiligen Prüfmerkmale befanden. Auf Basis der Simulationen wurde mittels Minitab (Minitab GmbH, USA) und STASA QC (STASA Steinbeis Angewandte Systemanalyse GmbH, Deutschland) ein lineares bzw. nichtlineares Prozessmodell zur mathematischen Beschreibung der Maßstreuungen erstellt, die bei der Validierung eine hohe Korrelation zu den Simulationsergebnissen als auch zueinander zeigten. Abschließend wurden diverse Verbesserungspotentiale hinsichtlich Einflussgrößen und Spritzgießsimulation aufgezeigt, um die Vorhersagegenauigkeit von Maßstreuungen erhöhen zu können.

AB - Das Spritzgießen stellt einen diskontinuierlichen Prozess dar, der es ermöglicht, gut reproduzierbare Kunststoffformteile kostengünstig in Serie zu fertigen. Aufgrund von Schwankungen verschiedenster Einflussgrößen sind die Schwindung und der Verzug sowie die damit verbundene Maßhaltigkeit eines Kunststoffformteils nur sehr schwer vorherzusagen. Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, die Vorhersagbarkeit der Maßstreuung von Spritzgussbauteilen durch die Spritzgusssimulation zu evaluieren. Dabei wurde eine Vielzahl von Einflussgrößen im Bereich des Prozesses, des Materials, der Umwelt, des Werkzeugs, der Messtechnik und der Maschine betrachtet. Insbesondere sollte die Schwankungsbreite der Einflussgrößen aufgezeigt und ihr Einfluss auf die Maßhaltigkeit untersucht werden. In dieser Arbeit wurden knapp 60 potenziell maßhaltigkeitsrelevante Einflussgrößen analysiert. Neben einer ausführlichen Literaturrecherche, Gespräche mit Experten sowie Einzeluntersuchungen wurden auch Screening-Versuche durchgeführt, um die signifikanten Einflussgrößen sowie ihre Schwankungsbreite zu bestimmen. Mittels der Monte-Carlo-Methode wurden alle signifikanten Einflussgrößen anhand ihrer Eintrittswahrscheinlichkeit und Schwankungsbreite betrachtet und so realitätsnah wie möglich in die Spritzgusssimulation integriert. Für die Berechnungen wurde die Spritzgusssimulationssoftware Autodesk Moldflow® Insight 2023 (AMI) (Autodesk Inc., USA) verwendet, während die damit ermittelten Verzugsgeometrien mit Hilfe der messtechnischen Analysesoftware GOM Inspect 2020 (Carl Zeiss GOM Metrology GmbH, Deutschland) ausgewertet wurden. Das Simulationsergebnis wurde mit den Messungen des ausgewählten Artikels während einer 14-monatigen Serienproduktion verglichen. Zusätzlich wurde die Herstellbarkeit der geforderten Formteiltoleranzen mit Hilfe der DIN ISO 20457 evaluiert. Die vorhersagten Maßstreuungen zeigten über kürzere Zeiträume Ähnlichkeiten mit den Serienmesswerten, wobei die Schwindung in der Simulation etwas überschätzt wurde. Im Gesamtzeitraum traten in der Praxis allerdings Messwertsprünge auf, die nicht nachvollzogen werden konnten. Der Vergleich mit der DIN ISO 20457 zeigte, dass die Serienmesswerte gut mit der Toleranz harmonierten, sich also alle gemessenen Daten in der Toleranz der jeweiligen Prüfmerkmale befanden. Auf Basis der Simulationen wurde mittels Minitab (Minitab GmbH, USA) und STASA QC (STASA Steinbeis Angewandte Systemanalyse GmbH, Deutschland) ein lineares bzw. nichtlineares Prozessmodell zur mathematischen Beschreibung der Maßstreuungen erstellt, die bei der Validierung eine hohe Korrelation zu den Simulationsergebnissen als auch zueinander zeigten. Abschließend wurden diverse Verbesserungspotentiale hinsichtlich Einflussgrößen und Spritzgießsimulation aufgezeigt, um die Vorhersagegenauigkeit von Maßstreuungen erhöhen zu können.

KW - Kunststoff

KW - Spritzguss

KW - Spritzgusssimulation

KW - Prozess

KW - Maßhaltigkeit

KW - Moldflow

KW - Materialparameter

KW - Prozessmodell

KW - Toleranz

KW - Monte Carlo

KW - Versuchsplanung

KW - Screening

KW - Schwindung

KW - Verzug

KW - Störgrößen

KW - Plastics

KW - Injection moulding

KW - Injection moulding simulation

KW - Process

KW - Dimensional accuracy

KW - Moldflow

KW - Material parameters

KW - Process model

KW - Tolerance

KW - Monte Carlo

KW - Design of experiments

KW - Screening

KW - Shrinkage

KW - Warpage

KW - Disturbance variables

M3 - Masterarbeit

ER -