Polyurethan RIM Simulation

Bert Neuhaus, BASF Polyurethanes, Lemförde, Dr. Max Rüllmann, BASF SE, Ludwigshafen, Cristoph Hinse, Simpatec GmbH, Aachen, Dr. Reinhard Haag, Simpatec GmbH, Bangkok

Simulationswerkzeuge für reaktive Spritzgießprozesse mit Polyurethanen sind bisher nicht als alltagstaugliche Programme auf dem Markt. Dies könnte sich nun ändern: Das hier vorgestellte Tool hat die ersten Testhürden gemeistert.

Viele Probleme, die im Spritzgussprozess auftreten können, lassen sich durch Formfüllsimulationen im Vorfeld vermeiden. Die zurzeit kommerziell erhältlichen Softwaretools sind hauptsächlich für die Simulation von thermoplastischem Material ausgelegt. Die Beschreibung von Reaktions-Spritzgussprozessen (RIM) ist deutlich komplexer und es gibt hierfür momentan kaum zufriedenstellende Lösungen auf dem Markt. Die BASF Polyurethanes und die Firma SimpaTec haben deshalb in einem Kooperationsprojekt ein Simulationstool für Polyurethan-(PUR)-RIM-Systeme entwickelt. Der Fokus lag insbesondere auf der Beschreibung sehr schnell aushärtender, quasi-kompakter Materialien.

Ziel war die Entwicklung eines Simulationstools zur Vorhersage des Füllverhaltens inklusive der  Faserorientierung und des Schwindungs- und Verzugsverhaltens des fertigen Bauteils - unter Berücksichtigung der chemischen Vernetzungsreaktion. Als Basis diente das kommerzielle CFD Softwarepaket Moldex3D.

Beschreibung der Simulationsmethode

Die Simulationen wurden an einem Bauteil aus der Praxis und zwei weiteren „Testplatten-Werkzeugen" durchgeführt. Dabei erstreckte sich die Berechnung von der Füllphase über das Aushärten des Materials bis hin zum Verzug. Um die Realität in allen Aspekten besser abbilden zu können, wurden ausschließlich Berechnungen in 3D durchgeführt.

Die Bewegung des mit der Zeit viskoser werdenden PUR-Systems kann mathematisch unter Einhaltung der Erhaltungssätze der Masse, Impuls und Energie beschrieben werden. Es ist wichtig, dass hier die Einflüsse der Viskosität und Vernetzungskinetik gekoppelt werden, um auf diesem Wege eine genauere Abbildung des Füllverhaltens zu erzielen.

Zur Diskretisierung der Erhaltungssätze dient die Finite-Volumen-Methode (FVM), die heutzutage in allen Bereichen der Strömungssimulation erfolgreich eingesetzt wird. Die Berechnung der Fließfront basiert auf der sogenannten Volume-of-Fluid-Methode (VOF).

Füllstudie zeitabhängig

Für eine detaillierte Füllsimulation sind folgende Materialparameter notwendig: Vernetzungsreaktion in Abhängigkeit der Zeit und der Temperatur, Viskosität, Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität, jeweils in Abhängigkeit des Vernetzungsgrads und der Temperatur. Zur Charakterisierung der Reaktionskinetik des RIM PUR-Systems wurden zwei verschiedene Methoden etabliert.  Zum einen wurde ein kommerziell erhältliches und für die Reaktionsverfolgung von PUR-Systemen unter isothermen Bedingungen umgerüstetes IR-Spektrometer eingesetzt. Zum anderen wurde die Temperaturerhöhung des PUR-Systems während der Reaktion zeitabhängig gemessen und daraus - unter Annahme adiabatischer Bedingungen - die Parameter der Reaktionskinetik bestimmt. Die Methode der adiabatischen Temperaturerhöhung [1] wurde insbesondere bei extrem schnellen Systemen angewendet.
In Zusammenarbeit mit der Firma SimpaTec wurde schließlich ein Vernetzungsmodell entwickelt und in die Software implementiert.

Grafik-1Bild 1. Zeitabhängige Viskosität für verschiedene Temperaturen  

 

Grafik-2 

Bild 2. Zeitabhängiger Umsatz für verschiedene Temperaturen
Es wurde ein Polyurethan-System Elastolit R 8719/105LT mit einer Aushärtezeit von ca. 2 s simuliert.
Dargestellt ist eine 75%ige Füllung einer Automobil Frontschürze im Vergleich mit der Simulation. Die Übereinstimmung des echten, teilgefüllten Bauteils mit der Simulation ist hervorragend.

Grafik-3 

Bild 3. 75% Füllung einer Frontschürze am realen Bauteil

Grafik-4 

Bild 4. Simulation einer 75% gefüllten Frontschürze
Um zu überprüfen, ob die Vernetzungsreaktion auch hinreichend gut durch die eingesetzten Modelle beschrieben wird, wurde sowohl im Experiment als auch in der Simulation „in die Vernetzung hineingeschossen". Das bedeutet, der Einspritzvorgang erfolgte so langsam, dass das Material schon vor einer vollständigen Füllung der Form fertig ausgehärtet war. Dargestellt ist das Bauteil bei einer Füllzeit von 1,4 s. In der Simulation zeigt sich, dass die Formfüllung bei 1,37 s aufgrund der Vernetzungsreaktion und des daraus resultierenden starken Viskositätsanstieges stagniert. Die Vernetzung des Materials während des Schusses wird also von der Simulationsmethode sehr gut wiedergegeben.➠➠➠

Grafik-5 

Bild 5. Teilgefüllte Frontschürze bei „Schuss in die Vernetzung"

Grafik-6 

Bild 6. Simulation der teilgefüllten Frontschürze

Faserorientierung und Verzug

Die Faserorientierung  wird im Rahmen der Berechnung durch die Folgar-Tucker-Gleichung beschrieben. Die Änderung der Orientierung aufgrund der Strömungsverhältnisse berechnet sich nach Advani und Tucker. Um die simulierte Faserorientierung validieren zu können, wurden Versuche mit einer Lochplatte durchgeführt. Das verwendete Material hatte hier einen Faservolumenanteil von 15 %. Bild 8 zeigt die mittels Ultraschall gemessene (über die Plattendicke gemittelte) Faserorientierung in der ausreagierten Lochplatte [2]. Hierbei ist die Länge der Pfeile ein Maß für den Grad der Orientierung. Bild 7 zeigt die simulierte Faserorientierung am Ende des Füllens. Es sind nur Bereiche sehr großer Orientierung, mit Orientierungsgraden größer als 0,9 dargestellt (1 bedeutet optimale Orientierung). Der Vergleich zeigt eine gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment.

Grafik-7 

Bild 7. Simulation des Faserorientierungsgrades

Grafik-8Bild 8. Experimentell bestimmte Faserorientierung an einer Lochplatte

Grundlage des Verzugsverhaltens von spritzgegossenen Thermoplasten bildet zusammen mit der Faserorientierung die Volumenänderung der Matrix in Abhängigkeit von Druck und Temperatur, d. h. das sogenannte pVT-Verhalten. Bei den reaktiven PUR-Systemen hängt das Verhalten nun auch noch vom Vernetzungsgrad c ab. Deshalb musste das pVT-Modell, um den Vernetzungsgrad zu einem pVTc-Modell erweitert werden. Dabei wurde angenommen, dass das Volumen mit zunehmender Vernetzung abnimmt. Um die relevanten Parameter der vernetzungsabhängigen Schwindung unabhängig von thermischen Effekten beschreiben zu können, wurden geeignete experimentelle Methoden entwickelt.

Zur Validierung des pVTc-Modells wurden Plattenproben abgespritzt, sowohl mit als auch ohne Fasern. Die Messungen wurden dann mit den Simulationen verglichen.

Grafik-9 

Bild 9. Simulation der Schwindung längs zur Faser

Grafik-10 

Bild 10. Simulation der Schwindung quer zur Faser

Die Simulation berechnete eine volumetrische Schwindung von 0,45 % quer zur Faserrichtung und 0,25 % in Faserrichtung. Diese Werte stimmen gut mit den gemessenen von 0,48 % und 0,27 % überein.

Fazit
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das in Kooperation zwischen BASF Polyurethanes und SimpaTec neu entwickelte Modell im Softwarepaket Moldex 3D  ein sehr gutes Tool zur Simulation von schnell reagierenden RIM PUR-Systemen darstellt. Der Vergleich zwischen Simulation und Experiment zeigt eine sehr gute Übereinstimmung. Mit Hilfe des Tools kann BASF Polyurethanes ihren Kunden im Vorfeld wertvolle Unterstützung leisten, um Bauteile optimal abgestimmt auf das eingesetzte PUR-System zu konstruieren. Außerdem stellt das Tool in der Praxis eine Hilfe dar, um schnell und kostengünstig bei Problemen in der Werkzeugauslegung und der Bauteilfüllung reagieren zu können.

Literatur
[1] C. W. Macosko, RIM: Fundamentals of Reaction Injection ­Molding, Hanser Publishers, New York (1989), Seiten 139-145
[2] S. Predak et al., Faserorientierungsmessung an kurzfaserverstärkten PUR-RIM-Bauteilen: Kombination zerstörungsfreier Prüfmethoden zur Optimierung von Simulation und Herstellungsprozess, Technisches Messen 73 (11), 617-628 (2006)

Die Autoren
Bert Neuhaus,  geb. 1967, ist bei BASF Polyurethanes GmbH, Lemförde,  seit 2005 als Projektleiter in der Abteilung Development Compact Systems AD/C verantwortlich für die PUR RIM Entwicklung

Dr. Max Rüllmann, geb. 1972, leitete zwischen 2005 und 2008 die Einheit für Polymerphysik der Globalen Polyurethan-Spezialitäten Forschung der BASF in der Elastogran in Lemförde, seit 2008 in der BASF Polymerforschung in Ludwigshafen

Cristoph Hinse, geb 1977, Simpatec GmbH Aachen, Geschäftsführer

Dr. Reinhard Haag, geb 1960, Simpatec GmbH Bangkok, ­Geschäftsführer