Design, analysis and simulation in injection in-mold labeling

Abstract

Years ago, the production of packaging with the injection-IML has been established. This procedure concept ranks nowadays among the most modern technologies in the area of the plastic packaging. With this manufacturing technique, label and packaging, both are of the same polymer materials, become inseparably connected during the injection molding process. Since thermal conductivity of the polymeric label material is clearly smaller than that of the metal mold wall, thermal induced warpage of injected IML part or part surface deformation could be occurred. The objective of this work is to analyze and simulate the filling, holding, and cooling phases of the injection IML process by means of the simulation program Moldex3D® and to study the effect of inserted label on the warpage behavior and modulus of elasticity of injected parts. For this study, the injection mold for injection IML equipped with vacuum ports for holding the label was designed and constructed. For the automation of the injection IML process, a linear pneumatic robot was employed.

As a preliminary examination, the experimental study and numerical simulation of the melt front advancement, course of the pressure and melt temperature profile during the injection molding of double-plated parts with non-uniform part thickness were done in order to acquire better understanding of the simulation program Moldex3D® prior to its application later on to the injection IML simulation calculations. The molded part composes of two thin plates joined together with a cold runner. One fan gate is connected to the thick side of the first plate and the other connected to the thin side of the second plate. Comparisons between the experiment and simulation performed with the same molding parameters were carried out. From the results, 2.5D simulation was verified to be more reliable than 3D simulation particularly in terms of predicting the melt front advancement as well as the melt pressure development during the molding. Owing to the complex flow and unbalance of the pressure within two cavities of the part, 3D simulation based on non-isothermal computation failed to predict course of the pressure and hence the melt front advancement within both cavities. However, with the 3D isothermal computation, improvement in accuracy was achieved. This phenomenon resulted from the instability of the 3D simulation program. By molding the double-plated part separately, both 2.5D and 3D simulation results agreed well with those from the experiments.

After the preliminary examination has been done, analysis and 3D simulation on filling, holding, and cooling phases of the injection IML process and warpage behavior of injected IML parts were investigated, since the presence of label can significantly affect the molding process. From the study, good agreement of the mold filling, holding, and cooling results between 3D simulation and experiment was acquired. Structure and warpage behavior of IML parts were also investigated. In order to cope with part warpage problem, variations in mold temperature on the stationary and moving mold halves were carried out. With the higher mold temperature setting on the label side, part warpage was reduced. Furthermore, study of the effect of the mold temperature combination settings on the modulus of elasticity of the IML part was conducted. The results revealed that despite a slight reduction in the modulus of elasticity of the IML part owing to the different mold temperature settings on two mold halves, modulus of elasticity of the IML part was still found to be satisfactory.

Seit geraumer Zeit, hat sich die Herstellung von Verpackungskomponenten nach dem In-Mold-Labeling-Spritzgießverfahren (IML) etabliert. Bei dieser Technologie werden das Etikett und die Verpackung, die i.a. aus demselben Material bestehen, im Zuge des Formgebungsschrittes unlösbar miteinander verbunden. Beim Einspritzvorgang des Plastifikats in die mit dem Etikett bestückte Kavität kann es dazu kommen, dass das Etikett aus seiner Ursprungslage verschoben oder gefaltet wird. Außerdem ist die Wärmeleitfähigkeit des Label-Materials deutlich niedriger als die der metallischen Werkzeugwandung, so dass es zu Strukturfehlern auf der Formteiloberfläche und/oder zu einem Verzug des Spritzgießteils kommen kann. Im Rahmen dieser Arbeit werden deshalb die Formfüll- und Bauteil-Abkühlvorgänge beim IML-Spritzgießen analysiert, wobei das Simulationsprogramm Moldex3D® zum Einsatz kommt. Die dabei gewonnenen Ergebnisse werden mit denen des realen Prozesses verglichen. Des Weiteren werden die generierten Produkte im Bezug auf ihren Verzug und ihren E-Modul bewertet. Für diese Studie wurde ein spezielles Spritzgießwerkzeug, welches mit Vakuumanschlüssen für die Positionierung und Fixierung des In-Mold-Etiketts ausgerüstet ist, konstruiert und gebaut. Für die Automatisierung des IML-Spritzgießprozesses wurde ein linearer, pneumatisch betätigter Roboter eingesetzt.

Um ein besseres Verständnis für das Simulationsprogramm bezüglich seiner Funktionsweise vor der Anwendung auf das In-Mold-Labeling-Spritzgießen zu erwerben, wurden vorab simulative und experimentelle Voruntersuchungen bezüglich der Fließfrontenverläufe, der Druckverläufe und der Temperaturprofile beim Spritzgießen von Doppelplatten mit Dickensprung durchgeführt. Dieses Formteil besteht aus zwei plattenförmigen Kavitäten, die jeweils über einen Filmanschnitt an der dicken und der dünnen Seite der Kavität angespritzt werden. Ein Vergleich von Versuchs- und Simulationsergebnissen wurde durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass eine 2.5D-Simulation hinsichtlich der Voraussagen der Fließfrontenverläufe in den Kavitäten sowie der Schmelzedruckverteilungen während des Spritzgießens zu einer zufrieden stellenden Übereinstimmung führte. Infolge des komplexen Füllvorgangs und der "Druckumkehr" innerhalb der beiden Kavitäten konnte die nicht-isotherme 3D-Simulation den Druck und somit die Fließfrontenverläufe nicht richtig wiedergeben. Mit der isothermen 3D-Simulation konnte hingegen eine deutliche Verbesserung in der Genauigkeit erzielt werden. Des Weiteren wurde die Doppelplatte in zwei Einzelplatten zerlegt, die separat gespritzt werden. Mit diesen Platten konnten sowohl 2.5D- als auch 3D- Füllbildsimulationen erfolgreich durchgeführt und die Fließfrontenverläufe in der Kavität richtig beschrieben werden. Da das Etikett auf den Formteil-Herstellungsprozess zurückwirken kann, wurden nach diesen Voruntersuchungen die Einflüsse des Etiketts unter Durchführung von 3D-Simulationen bezüglich der Füll-, Nachdruck-, und Kühlphase sowie hinsichtlich des Verzugsverhaltens beim In-Mold-Labeling-Spritzgießen studiert. Dabei wurde eine gute Übereinstimmung von Versuchs- und Simulationsergebnissen festgestellt. Weiterführend wurden die Struktur und das Verzugsverhalten des IML-Formteils analysiert. Um den Verzug des IML-Formteils zu reduzieren wurden die Spritzgießversuche mit verschiedenen Werkzeugtemperatur-Kombinationen durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass mit einer höheren Werkzeugtemperatur auf der Labelseite der Verzug verringert werden kann. Zusätzlich wurde der Einfluss der Werkzeugtemperatur-Kombination auf die Steifigkeit des IML-Formteils untersucht. Es zeigte sich, dass trotz einer geringfügigen Verringerung des Elastizitätsmoduls des IML-Formteils infolge der unterschiedlichen Werkzeugtemperaturen der beiden Werkzeughälften der Elastizitätsmodul des IML-Formteils noch in einem akzeptablen Bereich bleibt.