Geeignete Materialdatenermittlung für die Thermoformsimulation

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Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Industrie und Handwerk an der Rheinisch-Westf. TH Aachen

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Weil sich die Ergebnisse beider Messverfahren aufgrund der unterschiedlichen Einspannsituationen nicht direkt miteinander vergleichen lassen, werden Approximationen als Vergleichsgrößen erstellt (Bild 6). Der Berechnung der Näherungswerte liegt das in der nachfolgenden Umformsimulation verwendete Yeoh-Materialmodell zugrunde. Für die PS-Folien kommen die Messungen in der Verstreckvorrichtung und im Reckrahmen über weite Bereiche zu ähnlichen Ergebnissen. Bei den teilkristallinen PP-Folien indizieren beide Messverfahren dagegen ein völlig unterschiedliches Thermoplastverhalten. Somit kann keine eindeutige Aussage zum besten Messverfahren für Polypropylen getroffen werden.

Im Reckrahmen ermittelte Daten ermöglichen gute Prozesssimulation für das Thermoformen

Zur Validierung der ermittelten Materialparameter wurde die Umformung im Thermoformprozess simuliert und mit dem Experiment verglichen. Prüfteil war ein Becher mit 60 mm Öffnungsdurchmesser und 40 mm Ziehtiefe. Als Vergleichsgröße wurde die Wanddickenverteilung herangezogen. Die Becherfertigung erfolgte im Negativverfahren ohne mechanische Stempelvorstreckung auf einer Thermoformanlage (LDFG 23S) der Illig GmbH & Co. KG, Heilbronn. Auf die Stempelvorstreckung wurde verzichtet, um die schwer zu bestimmenden Reibungskoeffizienten zwischen Stempel und Material als Unbekannte aus der Simulation zu eliminieren. Es wurden den Umformsimulationen entsprechende Temperaturen und Formdrücke verwendet.

Das Umformverhalten von PS-Halbzeugen lässt sich mit den im Reckrahmen gemessenen Materialdaten sehr gut simulieren (Bild 6). Die Wanddickenverteilung nimmt vom Becherrand bis zur Ecke stetig ab. Diese Abnahme kann sehr gut durch Simulation abgebildet werden. Lediglich im Bodenbereich prognostiziert die Simulation etwas kleinere Wanddicken. Im Vergleich dazu bilden die in der Verstreckvorrichtung erfassten PS-Materialdaten den Bodenbereich ähnlich gut ab. Sie führen jedoch an der Becherwand zu einem S-förmigen Wanddickenverlauf. Vor allem in der unteren Wandhälfte sagt die Simulation auf Basis der Verstreckvorrichtungsdaten deutlich kleinere Wanddicken als bei den Messungen am thermogeformten Prüfteil sowie bei der Abbildung auf Basis der Reckrahmendaten voraus.

Materialdaten aus der Verstreckvorrichtung führen zu deutlicherem S-förmigen Dickenverlauf

Die Gegenüberstellung der gemessenen und der simulierten Wanddickenverteilungen für PP-Halbzeuge ergeben einen größeren Unterschied in den Verläufen (Bild 6). Die Simulation auf Basis der PP-Daten aus den beiden Messverfahren (Reckrahmen und Verstreckvorrichtung) sagt eine größere Wanddicke im Bodenbereich als beim PS-Becher voraus. Wiederum liefert der Reckrahmen eine gute Vorhersage mit nur geringfügigen Abweichungen der Dickenverteilung im Wandbereich. Die Materialdaten aus der Verstreckvorrichtung führen dagegen zu einem deutlich ausgeprägteren S-förmigen Dickenverlauf im Wandbereich. Der Reckrahmen ist somit zur Ermittlung der Materialdaten von Halbzeugen für das Thermoformen geeignet.

Dieser Artikel fasst in gekürzter Form die auf dem Internationalen Kunststofftechnischen Kolloquium 2012 des IKV präsentierten Ergebnisse zusammen [2]. Das IGF-Forschungsvorhaben Nr. 15102 N der Forschungsvereinigung Kunststoffverarbeitung wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie gefördert.

Literatur

• [1] Michaeli, W., L. Ederleh und M. Begemann: Entwicklung einer Methode zur simulationsgestützten Beurteilung der Thermoformbarkeit mehrschichtiger, geschäumter und textiler Halbzeuge. Abschlussbericht zum IGF-Forschungsvorhaben Nr. 15102 N. Aachen: Institut für Kunststoffverarbeitung an der RWTH Aachen 2009.

• [2] Hopmann, C., W. Michaeli und M. Begemann: Einfluss der Materialdatenermittlung auf die Thermoformsimulation. 26. Internationales Kunststofftechnisches Kolloquium, 7. und 8. März 2012 in Aachen. Institut für Kunststoffverarbeitung an der RWTH Aachen.

* Prof. Dr.-Ing. Christian Hopmann ist Leiter des Instituts für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen. Dipl.-Ing. Maren Begemann ist wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Abteilung Extrusion & Werkzeuge am IKV in 52056 Aachen

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