Simulation and process validation of an efficient combination of high-pressure die-casting and injection molding to produce metal-polymer-composite parts in one mold

Forschungsziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer kombinierten Prozessanlage (2K-Prozess), um Metall-Kunststoff-Verbundbauteile mittels Druckguss (DG) gefolgt von Umspritzen des Gussteils zu produzieren. Zu diesem Zweck wurde eine Spritzaggregat in eine DG-Maschine integriert. Abgesehen von der anlagentechnischen Integration dieses Aggregats mussten entsprechende Software-Schnittstellen geschaffen werden, um einen automatisierten Prozess zu ermöglichen. Ferner wurde ein Zweikomponenten-Werkzeug (2K-Werkzeug) entworfen, dessen Funktionsweise auf einer in der Massenindustrie etablierten Rotationstechnik basierte, nämlich die Drehtellertechnik. Um die prozessbedingten Störfaktoren zu minimieren, waren alle für die Versuche ausgewählten Materialien ausreichend für die Industrie erprobt. Einerseits wurde für den DG-Prozess eine gängige, untereutektische Aluminiumgusslegierung verwendet. Andererseits wurden die Materialien für den Spritzgussprozess (SG) variiert, indem drei Compounds auf Basis verschiedener teilkristalliner Thermoplaste (PPS, PA 6 und PBT) sowie ein thermoplastisches Elastomer aus Ester-Polyurethan (TPU) eingesetzt wurden. Grundsätzlich wurden die praktischen Versuche in Vor- und Hauptversuche unterteilt. Die Vorversuche dienten der Ausarbeitung einer geeigneten Kombination aus Trennmittel, Oberflächenreiniger, Konversionsmittel und Haftvermittler/Primer, um eine stoffschlüssige Verbundhaftung zu realisieren. Da keine Kombination zu einer industriell relevanten Haftfestigkeit führte, musste das 2K-Werkzeug so modifiziert werden, dass ein formschlüssiges Fügen der Verbundkomponenten umgesetzt werden konnte. Im Rahmen der Hauptversuche wurde die 2K-Prozessanlage für die eigentliche Machbarkeitsstudie vorbereitet. Da die ersten Sichtkontrollen der hergestellten Verbundteile auf einen erfolgreichen Prozessablauf hinwiesen, wurden weitere Prüfmethoden für aussagekräftigere Analysen herangezogen. Während die Qualität der Verbundteile durch 3D-Scannen, mechanische Bearbeitung, Messmikroskopie, DSC, TGA, Shore A-Messungen, Dichtebestimmungen und Zugversuche überprüft wurde, wurde die Ökoeffizienz des 2K-Prozesses anhand erfasster Energiedaten bewertet. Obwohl die Verbundteilbewertung Verbesserungspotenziale aufwies, wurden keine Mängel festgestellt, die ein Ausschlusskriterium für das 2K-Verfahren und dessen Eignung für industrielle Anwendungen darstellen. Zudem hat die ökologische Bewertung des 2K-Prozesses seine Praxisrelevanz unter bestimmten Voraussetzungen aufgezeigt. Ergänzend zu den praktischen Studien wurde der zu validierende 2K-Prozess mittels Simulationen analysiert. Nach derzeitigem Stand bot kein Softwareprogramm die gleichwertige Simulation beider Prozesse, sodass für eine möglichst aussagekräftige 2K-Prozessssimulation zwei Programme (SIGMASOFT und MAGMASOFT) miteinander kombiniert werden mussten (2K-Simulationen). Trotz der weitgehenden Kompatibilität jener Simulationsmethoden erforderte ihre Kombination einen anwendungsorientierten Lösungsansatz. Bezugnehmend auf die simulative Machbarkeitsstudie, um die Praxisrelevanz der 2K-Simulationen zu validieren, erfüllten die meisten Ergebnisse der thermischen sowie der Spannungs- und Verzugsanalysen die Erwartungen. Während erstere durch Thermografie-Aufnahmen des 2K-Prozesses überprüft wurden, wurden letztere mit den Untersuchungen an den gefertigten Verbundteilen verglichen.