title: Untersuchung der Einflussparameter und der Parametrierung eines Thermoformprozesses mit gezielter Anströmung unter Einsatz numerischer Methoden
Creators: name: Wagner, Simon
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: Thermoformen

description: Das Thermoformen zählt zu den Umformverfahren für Kunststoffe. Im Prozessablauf treten kompressible Effekte im Arbeitsgas ebenso auf wie die große Umformung einer Polymerfolie mit komplexem Materialverhalten, weshalb der Prozess nur sehr eingeschränkt mit einfachen analytischen Methoden zugänglich ist. Ein vertieftes Prozessverständnis ist allerdings Voraussetzung, um das Verbesserungspotenzial auszuschöpfen, das sich aus der ungleichmäßigen Wanddickenverteilung ergibt, die thermogeformte Produkte prozessbedingt in der Regel aufweisen. Neben dem rein wissenschaftlich-technischen Interesse am vertieften Prozessverständnis sprechen daher auch ökonomische sowie ökologische Gründe für eine tiefgehende Untersuchung des Prozesses, um einen geringeren Ressourceneinsatz durch eine vergleichmäßigte Wanddickenverteilung zu erreichen. Für das Negativ-Überdruckformen, das in dieser Arbeit betrachtet wird, haben sich dabei zwei Ansätze etabliert. Das Vorstrecken mit einem Stempel oder das Aufprägen eines der Endform angepassten Temperaturprofiles auf das Halbzeug weisen aber, unter anderem, die Nachteile einer komplexen Anlagentechnik, eines erhöhten Wartungsaufwandes und Bauraumes sowie mitunter einer schwierigen Parametrierbarkeit auf. Ein weiterer Ansatz ist das Formluft-Impact-Thermoformen (FIT). Dabei wird über ein Düsensystem, das auch zum letztlichen Druckaufbau für die Ausformung dient, ein Temperatur- und Druckprofil auf das umzuformende Halbzeug abgebildet. Den Vorteilen einer einfachen Integrierbarkeit in bestehende Anlagensysteme und einfacher Anlagentechnik steht der Nachteil einer komplexen Parametrierung gegenüber, da eine Vielzahl an Konstruktions- und Prozessparametern die Wechselwirkung zwischen Strömung und Halbzeugbewegung bestimmen. Ziel dieser Arbeit ist die numerische Untersuchung dieser Wechselwirkungen zwischen der Düsenströmung und der sich umformenden Packstofffolie im FIT-Prozess und eine Gewichtung der Einflussparameter, um das Verständnis für die Wirkfolge im Prozessablauf aufzubauen und die Möglichkeit einer numerischen Parametrierung zu eröffnen. Im Rahmen dieser Arbeit fand eine einfache aber repräsentative Becherform und als Halbzeug eine Monofolie Anwendung. Als Düsen wurden eine zentral angeordnete Runddüse (Zentraldüse) und eine umlaufende Ringdüse mit geringer Spaltweite untersucht. Vor der Beschreibung der Prozessmodellierung wendet sich die Arbeit der Auswertung der vorliegenden experimentellen Ergebnisse zu, die vom Fraunhofer Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung Dresden stammen. Diese erlauben unter anderem Rückschlüsse darauf, dass das thermodynamische Verhalten des Arbeitsgases in der Zuleitung einem Drosselvorgang entspricht. Darüber hinaus stellt die Auswertung des Ausformverlaufes über der Zeit dessen Verzögerung infolge viskosen Materialverhaltens heraus. Zudem erfolgt eine Einschätzung der Unsicherheit in den Messdaten und der zu Grunde liegenden Ursachen. Aufbauend auf der Auswertung experimentell ermittelter Spannungs-Dehnungs-Messdaten erfolgt die Wahl des Ansatzes zur Materialmodellierung als temperaturabhängiges viskoplastisches Verhalten. Im Anschluss werden mittels analytischer Abschätzungen zur thermischen und dynamischen Düsenwirkung, zum Einfluss der Massenträgheit und zur Auslegung der Entlüftung die Einflusspotenziale ausgewählter Effekte untersucht. Insbesondere verdeutlicht das den enormen zu erreichenden Verfestigungseffekt durch Abkühlung infolge der Anströmung durch ein Düsensystem. Auf Grundlage der aus den Abschätzungen abgeleiteten Erkenntnisse beschreibt die Arbeit im Detail die Umsetzung der Prozessmodellierung als FEM-Modell. Besondere Aufmerksamkeit erfährt dabei die Beschreibung der Berechnung der Düsenströmung sowie der Bestimmung des strömungsinduzierten Wärmeübergangs. Als zentraler Aspekt der Modellierung wird ein Materialmodell für das verwendete APET-Halbzeug an Spannungs-Dehnungs-Messwerte angeglichen und die viskosen Eigenschaften über Messungen zum Ausformverhalten mittels des erstellten FEM-Prozessmodells parametriert. Dieser indirekte Ansatz zur Parametrierung der Viskosität führt zu einem plausiblen Materialmodell, lässt aber bereits gewisse Inkonsistenzen zwischen Modellierung und Messdaten erahnen. Im Anschluss erfolgt die Feinanpassung weiterer Parameter des Prozessmodells an Messergebnisse mittels inverser Optimierung basierend auf Regression mit Gaußprozessen, was die Abweichung zwischen Simulationen und Experimenten auf eine relative Abweichung von 15% verringert. Das Prozessmodell bildet die relevanten Effekte damit ausreichend genau ab, um es für weiterführende Untersuchungen zu quantitativen Einflusspotenzialen und zur Prozessparametrierung zu qualifizieren. Damit gelten die gewählten Ansätze zur Modellierung des Prozesses als bestätigt. Als wichtigste Stellgrößen zum Erreichen der verbesserten Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment haben sich die Parameter zur Gewichtung der Abkühlung durch den Ringdüsenstrahl und zur Beschreibung des radialen Abkühlprofils herausgestellt. Das lässt mit der gefundenen Parametrierung den Schluss zu, dass eine wesentliche Ablenkung des Strahls der Ringdüse zu höheren Radien auftritt, was das Abkühlprofil maßgeblich beeinflusst. Anhand des final parametrierten Prozessmodells konnte zudem festgestellt werden, dass der Gegendruck infolge der nicht idealen Entlüftung fallabhängig durchaus den Ausformvorgang mit beeinflussen kann, wenngleich eine strikte Trennung zum verzögernden Einfluss der Materialviskosität nicht möglich war. In einem ersten Parametrierungsdurchgang wurde das hypothetische frei wählbare aufgebrachte Temperaturprofil numerisch ermittelt, das zu einer bestmöglich vergleichmäßigten Wanddickenverteilung führt. Das erzielte Simulationsergebnis weist nur geringe Abweichungen von einer idealen, komplett gleichmäßigen Wanddicke auf, was die Leistungsfähigkeit des gewählten Optimierungsansatzes und Zielkriteriums belegt und die theoretische Grenze des Prozesses nahe am Idealzustand aufzeigt. Da die berechnete starke Temperaturprofilierung absehbar nicht mittels Düsen im realen Prozess umsetzbar ist, folgen Parametrierungsläufe zu den zwei Szenarien einer Umformung unter Verwendung jeweils einer einzelnen Zentral- oder Ringdüse. In beiden Fällen wurden Verbesserungen zum Referenzversuch von jeweils knapp 60% erreicht, was suggeriert, dass schon einfache Düsensysteme im FIT-Prozess wesentliche Verbesserungen ermöglichen. Da die experimentelle Validierung eines Ergebnisses aber eine lokal wesentliche Abweichung zur Simulation aufweist, ist die Verlässlichkeit dieser Aussage nicht abschließend zu bestätigen. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen steht als Ausblick eine Einschätzung der Umsetzbarkeit des Prozesses im produktiven Umfeld an. Als hauptsächliche Schwierigkeit bei Maschinen, die gleichzeitig mehrere nebeneinanderliegende Formen synchron ausformen, wird dabei die absehbare Wechselwirkung der Düsenströmungen angrenzender Formen sowie die Schaffung gleichmäßiger Strömungsverhältnisse in allen Formen angesehen. Die Arbeit schließt mit der Abschätzung weiterer Verbesserungspotenziale. Unter anderem könnte eine verbesserte Strömungsführung, mit teilweise isentroper Entspannung, den Wärmeübergang zur Packstofffolie merklich steigern, was eine stärkere Temperaturprofilierung in Aussicht stellt. Auch materialseitig scheinen sich noch lohnenswerte Möglichkeiten zur Verstärkung der Auswirkung des Temperaturprofils in der Packstofffolie zu ergeben, was aufgrund der dünnen experimentellen Datenbasis in dieser Arbeit allerdings nur oberflächlich und qualitativ betrachtet werden konnte.