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Anwendungsbeispiel: Schwindung beim Spritzgießen

Spritzgießen ist ein Verfahren, das in der Kunststoffverarbeitung zur Fertigung von Formteilen in großer Stückzahl eingesetzt wird. Dazu wird mit einer Spritzgießmaschine der jeweilige Kunststoff in einer Spritzeinheit plastifiziert und in ein Spritzgießwerkzeug eingespritzt. Der Hohlraum des Werkzeugs bestimmt die Form und die Oberflächenstruktur des fertigen Teils [Wiki11]. Mit Spritzgussprozessen lassen sich auch komplexe Werkstücke mit hoher Qualität fertigen. Bild 5.9 zeigt das Kunststoffgehäuse eines Luftmassenmessers als Beispiel für ein komplexes Kunststoffteil, an das extreme Anforderungen hinsichtlich Maßhaltigkeit gestellt werden.

Die Werkzeugmaße müssen so ausgelegt werden, dass Formteile mit den gewünschten späteren Endmaßen gefertigt werden können. Dabei muss die Schwindung des Bauteils berücksichtigt werden. Die Schwindung ist zwar in erster Linie eine Werkstoffeigenschaft, sie wird darüber hinaus aber auch bestimmt durch die Gestalt und Wanddicke des Spritzgussteils sowie durch die Verarbeitungsbedingungen. Das Zusammenwirken dieser verschiedenen Faktoren macht eine exakte Vorhersage der Schwindung meist sehr schwierig. Zur Ermittlung von praxisrelevanten Schwindungsmaßen hat sich ein Testkästchen bewährt, das in Bild 5.10 dargestellt ist. Ausgewertet wird meist die Länge A als Maß für die Schwindung des Kästchenbodens. [BASF11]

Bild 5.10: Testkästchen zur Ermittlung von praxisrelevanten Schwindungsmaßen

Der Spritzgussprozess wird bei einer Werkzeugtemperatur T mit einem speziellen Druckprofil durchgeführt, das in Bild 5.11 schematisch dargestellt ist. Die Einspritzung des geschmolzenen Kunststoffes erfolgt im Zeitraum von 1 … TE bei sehr hohen Drücken pE. Ist das Spritzgusswerkzeug mit Kunststoff gefüllt, wird der Kunststoff für einen Zeitraum TN … TA einem definierten Nachdruck pN ausgesetzt. Anschließend wird der Kunststoff abgekühlt und entformt.

Bild 5.11: Schematisierter Druckverlauf während eines Spritzgussvorgangs

In einem Versuch wird die Schwindung des Bauteils unter unterschiedlichen Randbedingungen analysiert. Es ergibt sich der in Tabelle 5.8 dargestellte Datensatz.

Tabelle 5.8: Urliste eines Versuchs zur Bewertung der Schwindung beim Spritzgießen
Wand- dicke D / mm Werkzeug- temperatur T / °C Nach- druck p N / bar Schwin- dung S / % Wand- dicke D / mm Werkzeug- temperatur T / °C Nach- druck p N / bar Schwin dung S / %
1.5 31.2 508.0 1.20 8 60.1 740.5 2.39
5 28.7 509.4 1.83 1.5 91.4 757.8 1.42
8 30.8 490.1 2.42 5 91.1 755.7 2.07
1.5 58.0 502.1 1.42 8 89.5 741.8 2.62
5 60.0 502.4 2.08 1.5 29.2 997.3 0.70
8 59.9 489.9 2.64 5 29.4 988.1 1.35
1.5 90.0 492.6 1.67 8 27.0 978.0 1.90
5 89.4 510.8 2.30 1.5 59.5 1009.9 0.92
8 92.2 498.7 2.89 5 60.2 994.8 1.59
1.5 26.3 753.9 0.92 8 60.6 1003.3 2.13
5 30.9 750.9 1.60 1.5 92.9 1002.3 1.19
8 31.8 743.6 2.17 5 89.3 1000.2 1.81
1.5 61.5 744.4 1.20 8 91.2 990.0 2.39
5 61.2 754.4 1.83        

Um Abhängigkeiten der mehrdimensionalen Stichprobe eindeutig erkennen zu können, wird sie in einer Streudiagramm-Matrix dargestellt. Bild 5.12 stellt die Streudiagramm-Matrix zur Urliste aus Tabelle 5.8 dar. Die Matrix ist symmetrisch zur Hauptdiagonalen. An der grafischen Darstellung kann abgelesen werden, welche Kombinationen von Dicke D, Temperatur T und Nachdruck pN zur Untersuchung der Schwindung verwendet wurden. Es wird außerdem deutlich, dass die Schwindung maßgeblich von der Wanddicke D abhängig ist.

Bild 5.12: Streudiagramm-Matrix zur Urliste des Spritzgussversuchs

Die Berechnung der Kennwerte der multivariaten Stichprobe aus Tabelle 5.8 erfolgt mit MATLAB durch


Es ergibt sich ein Vektor der Mittelwerte von

(5.33)

und die Kovarianzmatrix berechnet sich zu

(5.34)

Die Daten der Kovarianzmatrix lassen sich wegen einer fehlenden Normierung nur bedingt interpretieren. Zum Beispiel ist die Varianz des Druckes aufgrund der hohen Zahlenwerte sehr hoch, auch die mit dem Druck verbundenen Kovarianzen haben vergleichsweise große Werte. Trotzdem hat die Wanddicke D den deutlichsten Einfluss auf die Schwindung S.

Allerdings lässt sich an den Vorzeichen ablesen, dass die Schwindung mit steigender Wanddicke D und steigender Temperatur des Werkzeugs T zunimmt, während Sie mit steigendem Nachdruck abnimmt. Daraus kann eine Optimierungsstrategie abgeleitet werden.