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Einer der größten Trends in der Elastomerindustrie ist die funktionelle Integration. Mit der Entwicklung neuer Elastomermaterialien entstehen auch neue Anwendungsfelder, die die Synergien unterschiedlicher Materialien nutzen. Dabei werden mehrere Komponenten durch ein gespritztes Bauteil ersetzt, das verschiedene Funktionen kombiniert. Ein typisches Beispiel dafür ist die Kombination von Bewegungsdämpfung mit mechanischer Steifigkeit, für dessen Umsetzung ein metallischer Kern von einem Elastomerbauteil umschlossen wird.
Für diese speziellen Bauteile ist das Umspritzen von Einlegeteilen durch ein Elastomer das geeignete Herstellungsverfahren. Beim Umspritzen von Einlegeteilen ergeben sich zahlreiche neue Herausforderungen, die für das Elastomerspritzgießen berücksichtigt werden müssen: Haftung zwischen Bauteil und Einleger, Abweichungen in den Fließ- und Vernetzungseigenschaften durch Temperaturverteilung im Werkzeug, mögliche Kernverformung durch den Einspritzdruck oder Vernetzungsunterschiede durch verschiedene Wärmeübergänge sind nur ein Teil der möglichen Herausforderungen.
Zusammen mit der Bauteilkomplexität und den Anforderungen an die Funktionalität wächst auch der Zeitdruck. Kurze Lieferfristen lassen keine Zeit für Iterationen – ein neues Werkzeug muss von Beginn an funktionieren. Die Zeit, in der durch kosten- und zeitintensive Versuche am  Spritzgießwerkzeug geprüft wurde, ob Temperier- und Angusssystem funktionieren, ist lange vorbei. Der Zeitdruck macht die Nutzung voraussagender Werkzeuge nötig, die entwicklungsbegleitend in der De-
signphase, der Werkzeugkonstruktion und der Prozesseinstellung zeigen, wo mögliche Herausforderungen liegen, und Lösungsmöglichkeiten aufzeigen.

Werkzeugkonfigurationen und Prozesseinstellungen virtuell testen

Sigmasoft Virtual Molding wurde speziell für diese Herausforderungen entwickelt. Es fungiert als virtuelle Spritzgießmaschine, die akkurat alle Vorgänge reproduziert, die auch im realen Spritzgießprozess auftreten. Der Einfluss von Temperierkanälen, die Interaktion zwischen Fließverhalten und thermischen Randbedingungen und die resultierende Vernetzungsreaktion werden präzise vorhergesagt. Dadurch ist es möglich, verschiedene Werkzeugkonfigurationen und Prozesseinstellungen auszuprobieren, bevor Maschinentests beginnen. Bauteilprobleme werden frühzeitig erkannt und gelöst. Sobald das Werkzeug gebaut ist und die Produktion startet, haben die produzierten Bauteile somit die geforderte Qualität – ohne unnötige Überraschungen.
Die Software reproduziert akkurat die Interaktionen zwischen Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften. Daher gibt es dem Werkzeugbauer die Sicherheit, sich in neue Projekte einzubringen, selbst wenn keine vorherige Erfahrung verfügbar ist. Die Technologie liefert wertvolle Informationen zu Zykluszeit, Prozesskomplexität und sogar Energieverbrauch, die Angebotserstellung wird risikominimiert. Gleichzeitig wachsen durch das virtuelle Testen von Optionen das Verständnis, welche Konzepte besser funktionieren, und letztlich auch das Know-How im Unternehmen.
Die Angussbalancierung beeinflusst im Elastomerspritzgießen die Bauteilqualität in vielfacher Hinsicht. Ist ein Angusssystem nicht richtig balanciert, erreicht das Material jede Kavität zu einer anderen Zeit, wodurch auch die Vernetzungsreaktion unterschiedlich startet. Die zuerst gefüllten Kavitäten haben eine längere Zeit für die Vernetzung und dadurch unterscheiden sich die mechanischen Eigenschaften dieser Bauteile von den übrigen. Außerdem sind die Scherraten unterschiedlich und damit auch die Schererwärmung, die ebenfalls den Vernetzungsgrad beeinflusst. In umspritzten Anwendungen beeinflusst der ungleichmäßige Vernetzungsgrad die Haftungseigenschaften zwischen den Komponenten.

Gummihaftung bei der Einlegeteil­umspritzung: Alle Effekte berücksichtigt
Die Firma REP, Corbas, ein französischer Elastomermaschinen-Hersteller, hat das Fillbalancer-System entwickelt, das Unbalanciertheiten in Mehrkavitätenwerkzeugen verhindert. Um die Möglichkeiten dieses Systems zu demonstrieren, arbeitet REP mit einem Vier-Kavitäten-Werkzeug, in dem zwei metallische Einleger mit Elastomer umspritzt werden. In dieser Anwendung war die Haftung entscheidend für die Bauteilfunktion. In der ursprünglichen Planung sah sollten die Einlegeteile jeweils auf den zwei flachen Oberflächen des Gummibauteils platziert sein und eine gute Haftung war nötig. Dieses ursprüngliche Angusssystem zeigte eine deutliche Unbalanciertheit, die zu scherinduziertem Temperaturanstieg und somit zu einer ungleichmäßigen Vernetzung an der Kontaktfläche führt. In Sigmasoft Virtual Molding wurden verschiedene Konzepte getestet und schließlich  eine veränderte die Angussgeometrie gewählt. Um diese zu finden, mussten alle Interaktionen im Werkzeug berücksichtigt werden. Besonders die komplexen Freistrahleffekte und ihr Einfluss auf die Schererwärmung beeinflussten die Haftungseigenschaften. Ohne Evaluierung dieser Effekte wären teure Iterationen und eine Verzögerung im Werkzeugbau aufgetreten, die die Lieferfähigkeit beeinträchtigen. Mit Sigmasoft Virtual Molding entfielen Iterationen und eine pünktliche Lieferung wurde erreicht.

NACHGEHAKT: Interview mit Timo Gebauer, Produktmanager bei Sigma Engineering
Schneller zu belastbaren Ergebnissen

KGK Worin unterscheidet sich die Simulation eines einfachen Elastomerbauteils von einer umspritzten Lösung?
Timo Gebauer  Obwohl es in der Realität einen deutlichen Unterschied in der Komplexität beider Prozesse gibt, entsteht bei der Umsetzung in Sigmasoft kein wesentlicher Mehraufwand für den Anwender. Abhängig vom tatsächlichen Prozess und der Fragestellung kann sich der Anwender zwischen verschiedenen Prozessmodi in der Software entscheiden. Er kann wählen, ob er einen einfachen Spritzgießprozess nutzt und die umspritzte Komponente als fertiges Einlegeteil betrachtet, oder er entscheidet sich für eine Multikomponenten-Simulation, in der die Komponenten nacheinander gespritzt werden.

KGK Welche Parameter lassen sich in der Software für das Elastomer-Umspritzen  verändern und was beeinflussen die Parameter?
Timo Gebauer
  In der Software können sämtliche Prozessparameter in die Simulation einbezogen werden. Bei der Variation von Parametern wie Vorheiztemperatur oder Einlegezeit ändern sich in der Simulation, ebenso wie in der Realität, der Temperaturverlauf und die Heizzeit. Eine Änderung von Füllzeit, Haltezeit oder Haltedruck wirkt sich hingegen vor allem auf die mechanische Belastung der umspritzten Komponente aus. Eine angepasste Leistung der Temperiereinheiten führt zu einer anderen Werkzeugtemperatur und dadurch letztendlich auch zu einer geänderten Bauteilfüllung und einer anderen Zykluszeit. Die daraus ableitbaren Erkenntnisse lassen sich 1:1 auf die Realität übertragen und helfen so, kostspielige Trial-and-Error-Versuche zu vermeiden.

KGK Wo liegen die Grenzen der Simulation?
Timo Gebauer
  Eine feste Grenze in der Simulation ist bei uns die Maschinendüse. Was vor der Düse passiert, geht aktuell nicht in die Simulation ein. Danach werden jedoch sämtliche Geometrien, Eigenschaften und Parameter im Modell berücksichtigt. Theoretisch möglich, jedoch praktisch nur schwer umsetzbar, sind sehr dünne Einleger, wie zum Beispiel Folien oder Gewebe. Aufgrund ihrer geringen Steifigkeit sind die Verformungen, die solche Einleger erfahren, nicht absolut sondern nur qualitativ in der Simulation abbildbar.

KGK Welche Werkstoff-Kombinationen sind möglich?
Timo Gebauer
  Solange die Materialeigenschaften bekannt sind, gibt es keine Einschränkungen für die Werkstoffauswahl der umspritzten Komponente. Diese sollte jedoch eine gewisse mechanische Festigkeit aufweisen und nicht zu leicht verformbar sein. Im Multikomponenten-Modus lassen sich beliebige Polymer-Kombinationen umsetzen, nur für Einleger aus anderen Materialien lässt sich der Gießprozess nicht in der Software simulieren.

KGK Lassen sich auch Mehr-Komponenten-Spritzgieß-Prozesse simulieren?
Timo Gebauer 
Im Multikomponenten-Modus gibt es keine feste Begrenzung für die Anzahl der Komponenten. Simulationen mit drei oder vier Komponenten sind keine Seltenheit, es wurden jedoch  auch schon Projekte mit bis zu neun Komponenten in der Software umgesetzt.

KGK Seit wann ist es möglich Mehrkomponenten-Prozesse in der Software abzubilden?
Timo Gebauer 
Das Multikomponenten-Modul ist seit 2005  für die Kunden verfügbar.  Das Umspritzen eines vorgefertigten Einlegeteils war auch schon in früheren Versionen möglich.

KGK Ist auch die Simulation von faserverstärkten Silikonelastomeren möglich?
Timo Gebauer 
Diese Materialien bieten wirklich interessante Anwendungsmöglichkeiten, weshalb wir uns in diesem Bereich stark in Forschungsprojekten engagieren. Wir nutzen hier intern eine Entwicklungsversion von Sigmasoft, die jedoch noch nicht in einem Release freigegeben ist. Wenn wir ein neues Softwaremodul entwickeln, wird das natürlich vor dem Releasezeitpunkt ausführlich getestet und gegen die Realität gebenchmarkt.

KGK Ist die Simulation für verschiedene Maschinentypen anpassbar oder läuft die Anpassung über die Produktionsparameter?
Timo Gebauer 
Da die Simulation an der Maschinendüse startet, erfolgen sämtliche Anpassungen über die Prozessparameter. Über Umgebungsvariablen wird aber zum Beispiel auch das Drucklimit der Maschine eingestellt.

KGK In welcher Projektphase wird Ihr Produkt eingesetzt?
Timo Gebauer
  Virtual Molding wird während der kompletten Entwicklungskette eingesetzt. Vom Bauteildesign über die Werkzeugauslegung bis zur Einstellung des Prozesses bietet die Software Lösungsansätze und stützt Entscheidungen. Auch beim Troubleshooting in bestehenden Prozessen hilft sie, die Ursachen zu ermitteln und Lösungsalternativen kostengünstig zu testen.

KGK Gibt es Möglichkeiten für einen Probebetrieb oder Auftragsarbeit?
Timo Gebauer 
Wir bieten auch Engineering Dienstleistungen an. Das Engineering ist normalerweise ein guter Weg, um die Anwendungsmöglichkeiten von Virtual Molding kennen zu lernen. Viele Unternehmen haben nicht die Kapazitäten für eine lange, ausgiebige Testphase. Offene Fragen werden in diesem Fall über Projekte und Workshops geklärt. Ziel ist es dabei auch, dass Unternehmen, die sich für unsere Lösung entscheiden, schnell selbst mit der Software arbeiten können und eigene Projekte umsetzen.

KGK Lassen sich mit der Software auch Prozesse im Sinne der Rohstoff- oder Energieeffizienz verbessern?
Timo Gebauer
  Mit Hilfe der Software optimiert der Anwender nicht nur sein Bauteil, sondern auch den Anguss. Dabei stellt sich häufig heraus, dass das Angussvolumen reduziert werden kann. Gleichzeitig wird durch die Prozessoptimierung auch der Ausschuss reduziert. Die Prozesse lassen sich hinsichtlich Rohstoffeffizienz also sehr einfach verbessern. Auch die Energieeffizienz der Prozesse lässt sich mit Hilfe der Software steigern. Dazu tragen unter anderem kürzere Zykluszeiten, eine optimale Auslegung von Heizleistungen sowie optimierte Vorheiz- und Temperprozesse bei.

KGK     Welchen Nutzen kann der Anwender aus der Simulation ziehen?
Timo Gebauer
  Der Anwender kann aus der Simulation Nutzen für alle seine Geschäftsbereiche ziehen. Angefangen beim Vertrieb, für den die Software die Möglichkeit einer schnellen, jedoch belastbaren Machbarkeitsanalyse bietet und dabei frühzeitig Stolpersteine aufzeigt sowie das Verständnis für die technischen Randbedingungen erhöht. Über das Marketing, da sich der Anwender mit Hilfe der Software als Premiumlieferant positioniert, und die Forschung und Entwicklung, in der neue Ideen bewertet und der Wissenstransfer unterstützt werden. Und schließlich in der gesamten Produktplanungskette (von der Artikelkonstruktion bis zur Serienproduktion), in der fundierte Entscheidungen hinsichtlich Bauteil- und Werkzeugdesign ermöglicht und ein tiefergehendes Verständnis der Prozesse aufgebaut werden und letztendlich ein schnellerer Serienstart und stabilere Prozesse erreicht werden. Neben den genannten ergeben sich zusätzlich viele weitere Vorteile für den Anwender, darunter auch indirekter Nutzen wie die kürzeren Projektlaufzeiten und den damit einhergehenden höheren Durchsatz oder wie die bessere Bauteilqualität und der dadurch gesenkten Anzahl an Reklamationen.

KGK Wie hoch ist der Gesamtaufwand, wenn man eine umspritzte Lösung in der Simulation abbilden will?
Timo Gebauer
Mit Sigmasoft lässt sich ein Projekt innerhalb weniger Minuten zur Rechnung vorbereiten. Schon nac wenigen Stunden können die ersten Ergebnisse betrachtet und Optimierungsvarianten umgesetzt werden. Mit Hilfe der Simulation gelangt der Anwender also auch deutlich schneller zu einem belastbaren Ergebnis als mit realen Trial-and-Error-Versuchen. Zusammen mit der einhergehenden Kostenersparnis ist dies ein Vorteil, auf den man heutzutage nicht verzichten sollte.

Über den Autor

Vanessa Schwittay, Sigma Engineering, Aachen