Handyhalter „Butterfly“ aus Polycarbonat (blau) und LSR (grün).
Bildquelle: alle Sigma Engineering

Abb. 1: Handyhalter „Butterfly“ aus Polycarbonat (blau) und LSR (grün).
Bildquelle: alle Sigma Engineering

Spritzgegossene Bauteile, die aus mehr als einer Komponente bestehen, setzen bei den Werkzeugbauern einiges an Erfahrung voraus. Insbesondere, wenn diese Bauteile in nur einem Werkzeug produziert werden sollen. Besteht die Anwendung zusätzlich aus einer Thermoplast- und einer Flüssigsilikonkautschuk-Komponente (LSR), ist eine sorgfältige thermische Auslegung des Werkzeugs unerlässlich, um beide Komponenten in einem stabilen Prozess produzieren zu können. Insbesondere der Heißkanal für die Thermoplast-Komponente und der Kaltkanal für das LSR müssen gegen unerwünschte Temperatureinflüsse des restlichen Werkzeugs isoliert werden. Für die K 2019 wurde als Messekooperationsprojekt der „Butterfly“ – ein Handyhalter aus Polycarbonat (PC) und LSR – entworfen (Abb. 1). Dieser sollte auf einer Zweikomponentenmaschine in nur einem Werkzeug produziert werden. Dazu wurde zunächst die PC-Komponente im oberen Teil des Werkzeugs gespritzt. Anschließend wurde diese von einem Handlingsystem in die untere Kavität umgesetzt, in der sie vom LSR umspritzt wurde.

Abb. 2: Vernetzungs-grad innerhalb der LSR Komponente (Schnittdarstellung) nach rund 15 Sekunden Heizzeit, in der Mitte des Bauteils sticht der gering vernetzte Bereich im Inneren deutlich hervor.

Abb. 2: Vernetzungs-grad innerhalb der LSR Komponente (Schnittdarstellung) nach rund 15 Sekunden Heizzeit, in der Mitte des Bauteils sticht der gering vernetzte Bereich im Inneren deutlich hervor.

Während der Entwicklungsphase des Projektes kamen mehrfach Simulationen zum Einsatz, um die Auslegung des Handyhalters, die Auslegung des Werkzeugs und die spätere Serienproduktion zu unterstützen. Neben den üblichen simulativen Fragestellungen hinsichtlich Füllung der beiden Komponenten sowie deren Erstarrung bzw. Vernetzung und der thermischen Auslegung des Werkzeugs, sollte bei diesem Projekt auch das Prozessfenster für die Produktion im Fokus stehen. Ziel war es, nicht nur einen optimalen Prozesspunkt zu finden, sondern auch gewisse Freiheitsgrade für die Produktion zu ermöglichen, um Bauteile in guter Qualität in einem stabilen Prozess zu produzieren. Dazu erfolgte zum einen eine komplette Berechnung von Bauteil und Werkzeug zu Produktions-
bedingungen. Mit Hilfe moderner Simulationsansätze sollte zum anderen auch der Einfluss verschiedener Prozessparameter auf die Bauteilqualität bestimmt werden.

Analyse des Bauteils und der Werkzeugtechnik

Abb. 3: Für die Analyse der Werkzeugthermik wird das komplette 2K-Werkzeug mit allen Komponenten in der Berechnung berücksichtigt (links), im eingeschwungenen Zustand ist die Temperaturverteilung auf dem kompletten Werkzeug sichtbar (rechts).

Abb. 3: Für die Analyse der Werkzeugthermik wird das komplette 2K-Werkzeug mit allen Komponenten in der Berechnung berücksichtigt (links), im eingeschwungenen Zustand ist die Temperaturverteilung auf dem kompletten Werkzeug sichtbar (rechts).

Im ersten Schritt wurde der Handyhalter losgelöst von seinem Werkzeug betrachtet. So lassen sich mit geringem Aufwand Bereiche identifizieren, in denen auch unter idealen Prozessbedingungen, wie bei optimaler Werkzeugtemperatur, Probleme auftreten können. Diesen Bereichen kann in der späteren Betrachtung des kompletten Werkzeugs und Prozesses besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden. Schon bei den ersten Berechnungen zeigte sich, dass selbst unter idealen Bedingungen die Heizzeit von einem Bereich der LSR-Komponente bestimmt wird, der komplett von der PC-Komponente umschlossen ist (Abb. 2). Selbst mit einer optimalen Werkzeug-temperatur, läuft die Vernetzungsreaktion dort nur langsam, da die Wärme des Werkzeugs schwer in diesen Bereich gelangt. Die nötige Heizzeit ist hier rund 10 s länger als für die restliche LSR-Komponente. Da dieser Bereich gleichzeitig nahe der Anbindung liegt, muss die Heizzeit in jedem Fall ausreichend lang definiert werden, um eine beschädigungsfreie Entformung des Handyhalters zu garantieren. Für die folgenden simulativen Analysen wurde für diesen Bereich ein spezieller Auswertebereich definiert, um die Beurteilung des Einflusses der Prozesseinstellungen auf diesen Bereich zu vereinfachen.

Abb. 4 – Beim ursprünglich geplanten Kaltkanal kam es zur Ausbildung eines „Cold Spots“ innerhalb der LSR-Kavität (links), durch eine Kaltkanalspitze aus einem isolierenden Material konnte dieser verhindert und eine gleichmäßigere Temperaturverteilung erreicht werden (rechts).

Abb. 4 – Beim ursprünglich geplanten Kaltkanal kam es zur Ausbildung eines „Cold Spots“ innerhalb der LSR-Kavität (links), durch eine Kaltkanalspitze aus einem isolierenden Material konnte dieser verhindert und eine gleichmäßigere Temperaturverteilung erreicht werden (rechts).

Zur Analyse der Werkzeugthermik im laufenden Prozess wurde das komplette 2K-Werkzeug mit all seinen Komponenten (Abb. 3 li.) über die Aufheizphase und mehrere Produktionszyklen berechnet, bis ein thermisch eingeschwungener Zustand erreicht war (Abb. 3 re.). Dabei zeigte sich, dass die Düsenspitze des verbauten Kaltkanals in der LSR-Kavität eine kalte Stelle erzeugte (Abb. 4 li.). Dieser Cold Spot sorgte dafür, dass die Vernetzungsreaktion in der Anbindung und auch im kritischen, von der PC-Komponente umschlossenen Bereich der LSR-Komponente langsamer ablief und damit die dort nötige Heizzeit verlängerte (Abb. 5 o. li.). Letztlich bewirkt dieser Umstand auch insgesamt eine Verlängerung der Zykluszeit und bestimmt damit die Zykluszeit für beide Komponenten.

Abb. 5: Vergleich der Vernetzungszeiten (oben) und der Vernetzungsgrade nach einer Heizzeit von 20 s (unten) für die ursprünglich geplante Kaltkanaldüse (links) und die neue Spitze aus isolierendem Material (rechts) – durch die bessere Vernetzung kann eine um 10 s kürzere Zykluszeit realisiert werden als mit der ursprünglichen Spitze.

Abb. 5: Vergleich der Vernetzungszeiten (oben) und der Vernetzungsgrade nach einer Heizzeit von 20 s (unten) für die ursprünglich geplante Kaltkanaldüse (links) und die neue Spitze aus isolierendem Material (rechts) – durch die bessere Vernetzung kann eine um 10 s kürzere Zykluszeit realisiert werden als mit der ursprünglichen Spitze.

Als Gegenmaßnahme sollte für den Kaltkanal eine andere Spitze aus einem isolierenden Material eingesetzt werden. Die Auswertung der zugehörigen Simulation zeigte, dass die Temperatur am vorherigen Cold Spot in der Kavität durch diese Maßnahme um rund 15 °C angehoben werden konnte (Abb. 4 re.). Dadurch wurde insgesamt eine gleichmäßigere Temperaturverteilung innerhalb der Kavität erreicht. Durch die höhere Temperatur in der Kavität sorgte der Wechsel des Düsenmaterials außerdem für eine bessere und schnellere Vernetzung im zykluszeitbestimmenden Bereich (Abb. 5, u. re.). In der Konsequenz ist eine kürzere Heizzeit nötig. Die isolierende Düsenspitze bewirkt, dass eine um 10 s geringere Zykluszeit realisiert werden kann, als mit der ursprünglich geplanten Spitze.

Erweiterung des Prozessfensters

Ziel des Projektes war es, nicht nur Bauteil, Werkzeug und Prozess zu analysieren und ein optimales Setup zu ermitteln. Es sollte auch für die Produktion ein möglichst großes Prozessfenster festgelegt werden. Aus diesem Grund wurde in einem nächsten Schritt ein virtueller Versuchsplan (DoE) durchgeführt. Dabei wurde der Einfluss von drei verschiedenen Parametern auf den durchschnittlichen Vernetzungsgrad des gesamten Bauteils ermittelt. Zusätzlich wurde auch bestimmt, wie sie den Ver-netzungsgrad in dem zuvor definierten Auswertebereich beeinflussen. Es wurden die folgenden Parameter variiert:

Abb. 6: Analyse des Einflusses der unterschiedlichen Variablen auf den Vernetzungsgrad: die Einspritztemperatur des LSR hat keinen Einfluss auf den Vernetzungsgrad (oben links), während die Temperatur der umgesetzten PC-Komponente (oben rechts) und die Werkzeugtemperatur (unten links) einen hohen Einfluss haben.

Abb. 6: Analyse des Einflusses der unterschiedlichen Variablen auf den Vernetzungsgrad: die Einspritztemperatur des LSR hat keinen Einfluss auf den Vernetzungsgrad (oben links), während die Temperatur der umgesetzten PC-Komponente (oben rechts) und die Werkzeugtemperatur (unten links) einen hohen Einfluss haben.

Einspritztemperatur des LSR in drei Schritten von 20 °C bis 30 °C, durchschnittliche Werkzeugtemperatur innerhalb der LSR-Kavität in fünf Schritten von 150 °C bis 190 °C, Temperatur der PC-Komponente zu Beginn des Einspritzens des LSR in zehn Schritten von 80 °C bis 170 °C. Für eine bessere Vergleichbarkeit wurde die Zykluszeit festgesetzt und der Vernetzungsgrad im Auswertebereich und zudem im gesamten Bauteil jeweils am Zyklusende betrachtet. Insgesamt ergaben sich so 150 mögliche verschiedene Prozess-Setups, die alle in einer einzigen Berechnung analysiert wurden.

Einfluss auf den Vernetzungsgrad

Während die Einspritztemperatur des LSR keinen Einfluss auf den Vernetzungsgrad hat, beeinflussen die Werkzeugtemperatur und die Temperatur der umgesetzten PC-Komponente diesen signifikant (Abb. 6). Dies sind also die entscheidenden Größen, die für die Erweiterung des Prozessfensters in Frage kommen. Mit Hilfe der virtuellen DoE ist es jedoch nicht nur möglich, zu ermitteln, wie die verschiedenen Prozesseinstellungen die Bauteileigenschaften beeinflussen. Es lässt sich anhand der berechneten Prozess-Setups auch leicht ein Prozessfenster für die Produktion festlegen. Dazu wird in der Software das sogenannte Parallelkoordinaten-Ergebnis genutzt. In diesem Ergebnis wird jedes berechnete Setup als eine farbige Linie dargestellt (Abb. 7 o.). Die verschiedenen vertikalen Schieber bilden jeweils einen variierten Prozessparameter in seinen

Abb. 7: Parallelkoordinaten-Ergebnis: oben – Darstellung aller berechneten Setups, von denen jedes durch eine farbige Linie repräsentiert wird; unten – die Bauteileigenschaften und Prozessparameter werden weiter eingeschränkt, um so ein Prozessfenster festzulegen.

Abb. 7: Parallelkoordinaten-Ergebnis: oben – Darstellung aller berechneten Setups, von denen jedes durch eine farbige Linie repräsentiert wird; unten – die Bauteileigenschaften und Prozessparameter werden weiter eingeschränkt, um so ein Prozessfenster festzulegen.

Ausprägungen sowie die betrachteten Bauteileigenschaften ab. Diese sind von links nach rechts: die Einspritztemperatur des LSR, die durchschnittliche Werkzeug-temperatur, die Temperatur der PC-Komponente zu Beginn des Füllens, der Vernetzungsgrad innerhalb des definierten Auswertebereichs sowie der durchschnittliche Vernetzungsgrad im gesamten Bauteil. In der Software können die vertikalen Schieber zur weiteren Beschränkung der einzelnen Parameter und Eigenschaften beliebig verschoben werden. Um eine beschädigungsfreie Entformung des Handyhalters sicherzustellen, wurde der Vernetzungsgrad im Auswertebereich auf mindestens 89 % gesetzt. Zusätzlich sollte die Temperatur der PC-Komponente nicht zu hoch sein, um eine Beschädigung der Komponente zu vermeiden. Außerdem wurde die Werkzeugtemperatur auf einen engeren Bereich beschränkt. Mit diesen zusätzlichen Einschränkungen bleiben noch fünf der berechneten Setups, die alle Kriterien für die erwünschte Produktqualität erfüllen. Diese fünf Setups bilden das Prozessfenster für die spätere Produktion (Abb. 7 u.).

Technik im Detail – Kooperationspartner für die 2K-Verarbeitung

Das erste Mal wurde der Butterfly auf der K 2019 in Düsseldorf am Stand der Momentive Performance Materials gezeigt. Dort wurde er auf einer SmartPower Combimould 120/130H/210S von Wittmann Battenfeld produziert. Das Handlingssystem wurde ebenfalls von Wittmann zur Verfügung gestellt und mit einem Entnahmekopf der Firma Elmet bestückt. Das Werkzeug sowie das Dosiersystem Top 5000 P stellte ebenfalls Elmet zur Verfügung. Für die Produktion wurden ein Apec 1745 von Covestro und ein Silopren 2759 von Momentive genutzt. Entworfen wurde der Butterfly von Georg Siegele der Privatuniversität New Design University (NDU) im österreichischen St. Pölten.

Zusammenfassung

Moderne Simulationsansätze unterstützen nicht nur die Auslegung von Bauteil und Werkzeug. Sie helfen den Anwendern auch dabei, ihren Prozess optimal hinsichtlich Produktqualität und Prozesseffizienz auszulegen. Mit Hilfe der Software lässt sich der Einfluss der verschiedenen Prozessparameter auf die Bauteilqualität ermitteln. So wird nicht nur das Prozessverständnis verbessert, sondern es ist auch möglich ein breiteres Prozessfenster zu ermitteln, um in der Produktion mehr Spielraum zu erhalten.
Hinzukommt, dass sich mit Hilfe der Ergebnisse der virtuellen DoE das Prozessverständnis der Projektbeteiligten erheblich verbessert. Die Zusammenhänge zwischen Prozessparametern und ihrem Einfluss auf die Bauteilqualität werden deutlich und können durch die Auswertemöglichkeiten einfach an andere Abteilungen und die Projektpartner kommuniziert werden.

Über den Autor

Vanessa Frekers

Engineering & Manager Marketing

Sigma Engineering, Aachen