Schlüsselwort: Konstruktionsstrategien

Kurzfassung Bei der Verarbeitung thermo- und duroplastische Kunststoffe steht das Spritzgießen bedeutungsmäßig an der Spitze. Konturangepasste Temperierkanäle im Spritzgießwerkzeug ermöglichen einen schnellen Wärmeaustausch zwischen der Kunststoffschmelze und dem Werkzeug wodurch Temperaturhomogenität an der Formteiloberfläche erzielt werden kann. Die Fertigung konturangepasster Temperaturkanäle erfolgt, indem ein Werkzeug in mehrere Teile zerlegt wird. In die einzelnen Segmente können dann mittels Fräs- und Erodiertechniken beliebige Kanalgeometrien eingebracht werden. Anschließend werden die einzelnen Segmente durch Hochtemperaturlöten unter Vakuum zu einer Einheit verbunden. Beim Hochtemperaturlöten von Bauteilen mit komplexen Innengeometrien (Temperiersysteme) und mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten entstehen während des Aufwärmens bzw. Abkühlens Temperaturgradienten. Daraus resultieren unterschiedliche thermische Ausdehnungen und aufgrund der Dehnungsunterschiede bilden sich thermische inhomogene Eigenspannungen aus, die nach Überschreitung der ertragbaren Spannungen des Bauteils zum Versagen führen können. Die Kenntnis der Eigenspannungszustände und deren Einflüsse auf das Versagen der Bauteile ist daher von großer praktischer Bedeutung. Um ein besseres Prozessverständnis des Lötprozesses und Fehlerquellen bereits in der Konstruktionsphase zu erkennen, wurden im Rahmen dieser Arbeit Simulationen mit Hilfe der Software ANSYS durchgeführt. FEM - Simulationen ermöglichen die Berechnung der während des Lötzyklus im Lötverbund resultierenden Eigenspannungen und Verzüge unter Beachtung der Temperaturgradienten. Als wichtiger Parameter beim Löten hinsichtlich des Spannungszustandes im Lotverbund wurde dabei der Einfluss der Abkühlgeschwindigkeit untersucht. Weiterhin wurden die auftretenden Phasenumwandlungen bei der Simulation berücksichtigt, da sie maßgeblich die Verteilung und Höhe der zurückbleibenden Eigenspannungen bestimmen. Modellierungs- und Berechnungsgrundlage bildeten temperaturabhängige Werkstoffeigenschaften und Gefügeanteile. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Berechnungen mit unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten durchgeführt. Die Ergebnisse belegen, dass eine Erhöhung der Abkühlgeschwindigkeit zur Vergrößerung der Temperaturunterschiede zwischen Kern- und Randbereich führt und letztendlich zu höheren Zugspannungen im Bauteil. Die Validierung des Modells erfolgte unter anderen mit experimentellen Messungen der Temperaturverläufe bei der Demonstratorfertigung. Diese belegen, dass während des Hochtemperaturlötens von Bauteilen mit komplexen Innengeometrien größere Temperaturgradienten in den Komponenten entstehen. Die Bauteile wurden an der Oberfläche durch Strahlung erwärmt. Es traten wärmeleitungsbedingt Temperaturgradienten auf, die zu einem inhomogenen Erwärmen bzw. Abkühlen des Bauteils führen. Die Temperaturdifferenzen bewirken neben der Änderung der Werkstoffeigenschaften aufgrund der Wärmebehandlung Eigenspannungen. Übersteigen diese die Festigkeit der Grundwerkstoffe bzw. des Lotes treten Verformungen bzw. Rissbildung auf. Mit dem Modell ist es möglich, Geometrien bzw. die Prozessführung simulationstechnisch zu bewerten und anzupassen. Um Unternehmen, die über kein speziell im Bereich FEM- Kenntnisse qualifiziertes Personal verfügen, die gewonnenen Erkenntnisse nutzbar zur Verfügung zu stellen, wurde darüber hinaus eine interaktive Benutzeroberfläche für die genutzte Modellierungssoftware erarbeitet. Durch die Eingabe „einfacher“ Daten, wie z.B. Werkstoffe (Grundwerkstoffe, Lot), Lötspaltbreite und Temperatur-Zeit-Zyklus sowie den Import der Bauteilgeometrien können Simulationen gestartet werden, die als Ergebnisse konkrete Informationen zum resultierenden Eigenspannungszustand und den zu erwartenden kritischen Bauteilbereichen, in denen es zum Versagen kommen kann, liefert. Durch die Bereitstellung lötgerechter Konstruktionsstrategien wird der Fertigungsprozess insgesamt positiv beeinflusst.