Entwicklung eines digitalen Zwillings von Thermoformanlagen - Prozessnahe Vorhersage der Wanddickenverteilung von thermogeformten Formteilen

Abstract

Aus Wirtschaftlichkeits- und Nachhaltigkeitsgründen ist eine ressourceneffiziente Produktion im Thermoformen und allgemein in der Kunststoffverarbeitung relevant. Ein digitaler Zwilling soll parallel zum laufenden Prozess die Wanddickenverteilung des produzierten Formteils vorhersagen. Diese Vorhersage soll in einer kurzen Zeit und möglichst präzise erfolgen. Dazu werden zunächst verschiedene Ansätze zur Bestimmung der Halbzeugtemperatur zum Umformzeitpunkt betrachtet. Es werden hierfür Live-Daten aus einer thermografischen Messung im Produktionsprozess genutzt. Im Anschluss werden diese Temperaturprofile so korrigiert, dass die Temperaturverteilung im Halbzeug zum Zeitpunkt der Umformung bestimmt wird. Dazu wird entweder eine vollständige dreidimensionale Wärmeleitungssimulation oder eine stark vereinfachte zweidimensionale Betrachtung des Halbzeugs genutzt. Hierbei zeigt sich, dass die vereinfachte Betrachtung qualitativ vergleichbare Ergebnisse liefern kann und dabei eine Rechenzeit von circa 50 ms benötigt. So kann auf Kosten eines etwa 10 % größeren Fehlers bei der Temperaturverteilung praktisch die komplette Rechenzeit eingespart werden (Rechenzeit: 0,044 s). Das so bestimmte Temperaturprofil zum Umformzeitpunkt dient als Eingangsgröße für die sich anschließende Umformsimulation, die die Wanddickenverteilung des Formteils bestimmt. Zur Charakterisierung des Materialverhaltens wurden mechanische Prüfungen auf einem Laborreckrahmen durchgeführt. Anhand dieser Messungen wird ein hyperelastisches und ein visko-hyperelastisches Materialmodell auf Basis des Yeoh-Modells kalibriert und gegenübergestellt. Die Umformsimulation kann mit beiden Modellen den resultierenden Wanddickenverlauf qualitativ gut wiedergeben. Abhängig vom Temperaturniveau zeigen sich jedoch deutliche Abweichungen zwischen den simulierten und gemessenen Wanddicken von Formteilen. Das rein hyperelastische Modell liefert qualitativ ähnliche Ergebnisse und benötigt etwa 25 % weniger Rechenzeit als das visko-hyperelastische Materialmodell. So kann die Wanddickenverteilung in einem beispielhaften Becherformteil in etwa 5 Minuten bestimmt werden. Datei-Upload durch TIB