Inverse shape design in injection molding based on the finite element method

Zwicke, Florian; Behr, Marek; Veroy-Grepl, Karen

doi:39432

Inverse shape design in injection molding based on the finite element method = Inverses Design in Spritzgussverfahren basierend auf der Finite-Elemente-Methode

Zwicke, Florian^RWTH*

2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Florian Zwicke

ImpressumAachen 2020

Umfang1 Online-Ressource (XVII, 109, xxv Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Behr, Marek (Thesis advisor)^RWTH* ; Veroy-Grepl, Karen (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-05-12

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-07871
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/794781/files/794781.pdf

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Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
finite element method (frei) ; injection molding (frei) ; inverse design (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Es wird eine Methode für die inverse Auslegung von Kavitätsformen für Spritzgussverfahren beschrieben. Wenn zur Fertigung von Kunststoffbauteilen flüssige Polymerschmelze in der Kavität abgekühlt wird, dann kommt es durch Ungleichmäßigkeiten in den Abkühl- und Erstarrungsprozessen zu Formdefekten im fertigen Bauteil. Für die Form des Bauteils ist hauptsächlich die Form der Kavität verantwortlich, in welche die flüssige Schmelze eingespritzt wird. Die Methode, welche in diesem Dokument beschrieben wird, stellt ein automatisiertes Werkzeug zur Bestimmung einer geeigneten Kavitätsform bereit, welches Fehler in der Bauteilform reduzieren kann. Die Grundlage dieser Methode ist eine numerische Simulation des Spritzgussprozesses. Die Methode baut auf Simulationsmodellen für sowohl flüssige als auch feste Polymere auf, welche die wichtigen physikalischen Phänomene des thermoviskoelastischen Materialverhaltens und der Erstarrung berücksichtigen. In diesem Dokument werden für die Prozessphasen während der Erstarrung und nach dem Auswurf unterschiedliche Simulationsmodelle beschrieben. Diese sind beide mit Finite-Elemente-Formulierungen ausgestattet, wodurch sie sich mit wenig Aufwand in einen Programmcode implementieren lassen. Die inverse Methode zur Gestaltung der Kavitätsform entsteht aus der Kombination einer inversen Formulierung stationärer Thermoelastizität mit einem Iterationsschema zur Berücksichtigung nicht-elastischer Effekte. Die iterative Methode wird an zwei Beispielen demonstriert. Es wird dabei gezeigt, wie die Simulationsmethode die wichtigen Aspekte des viskoelatischen Materialverhaltens und der Erstarrung abbildet. Die iterative inverse Methode erzeugt schon nach wenigen Iterationsschritten geeignete Kavitätsformen. Darüberhinaus legen Plots eines Ähnlichkeitsmaßes über den Verlauf der Iteration eine rasche Konvergenz der Methode nah.

A method is proposed for the inverse design of cavity shapes for the injection molding process. When liquid polymer melt is cooled down in an injection mold to manufacture plastics parts, inhomogeneities in the cooling and solidification processes lead to shape defects in the finished molding. The geometry of the cavity where the liquid melt is injected is largely responsible for the shape of the molding. The method described in this document offers an automatized tool for the determination of a suitable cavity shape that will reduce faults in the molding shape. The basis of this method is a numerical simulation of the injection molding process. This method builds on simulation models for both fluid and solid polymers that incorporate the important physical phenomena of thermoviscoelastic material behavior and solidification. Separate simulation models are described in this document for the solidification and post-ejection stages of the process. They are both equipped with a finite element formulation that makes them suitable for a swift implementation in a computer code. The inverse design method for the cavity shape results from a combination of an inverse formulation of stationary thermoelasticity with an iteration scheme that incorporates the non-elastic effects. This iterative method is demonstrated for two sample cases. The simulation method is shown to represent the important aspects of the viscoelastic behavior and solidification. The iterative inverse design method produces suitable cavity shapes after small numbers of iteration steps. Furthermore, plots of a distance measure over the course of the iteration indicate rapid convergence of the method.

OpenAccess:
PDF
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