Regelung der Dosierphase beim Spritzgießen auf Basis von Prozesskennzahlen zur bedarfsgerechten Optimierung der Schmelzehomogenität, Plastifizierleistung und des Energiebedarfs (OptiPlast)

Seit den 1950er Jahren wird in Spritzgießmaschinen die Schubschnecke zum Plastifizieren und Einspritzen genutzt. Bei diesem Vorgang wird Kunststoffgranulat aufgeschmolzen und in den Schneckenvorraum befördert. Die dabei stattfindende translatorische Rückwärtsbewegung der Schnecke führt zu einer variablen wirksamen Schneckenlänge, was einen uneinheitlichen Energieeintrag zur Folge hat und zu Inhomogenitäten in der Schmelzetemperatur von bis zu 50°C führen kann. Diese Temperatur ist eine entscheidende Prozessgröße, da sie die Viskosität und Dichte der Schmelze sowie das Abbauverhalten des Kunststoffs beeinflusst und somit die finalen Bauteileigenschaften bestimmt. Eine inhomogene Temperaturverteilung kann zu eine Materialdegradation führen. Gängige Lösungsansätze zur Verbesserung der Schmelzehomogenität, wie der Einsatz von Barriereschnecken oder längeren Schnecken, haben Nachteile wie eine eingeschränkte universelle Einsetzbarkeit oder längere Verweilzeiten. Die energieintensive Dosierphase ist zudem entscheidend für die Zykluszeit und die Wirtschaftlichkeit des Prozesses. Zur Optimierung werden Simulationsprogramme wie das Paderborner Spritzgießsimulationsprogramm (PSI) eingesetzt.
Das Forschungsvorhaben „OptiPlast“ zielt darauf ab, die Wirkzusammenhänge zwischen Prozessgrößen, Materialeigenschaften und den resultierenden Qualitätsgrößen, axiale Schmelzetemperaturverteilung, Dosierzeit und Energiebedarf, systematisch zu untersuchen. Hierfür sollen durch die Modellierung der Plastifizier- und Stillstandsphasen und deren Implementierung in die PSI-Software grundlegende Erkenntnisse für eine Regelung der Dosierphase gewonnen werden. Kernfragen der Untersuchung sind, welche Prozesskennzahlen signifikant mit der axialen Temperaturverteilung korrelieren, wie Prozessgrößen und Materialeigenschaften diese Verteilung quantitativ beeinflussen und inwieweit durch eine gezielte Anpassung der Prozessparameter eine homogene Temperaturverteilung erreicht werden kann. Des Weiteren wird erforscht, wie der Energiebedarf und die Dosierzeit minimiert werden können, während gleichzeitig eine homogene Schmelzetemperaturverteilung gewährleistet wird.