Mit Virtual Molding schneller zum Ziel

In fokussierter Zusammenarbeit gelang es rund 15 verschiedenen Unternehmen, darunter Arburg, Wacker, Polar-Form und Sigma Engineering, bei Beginn der Covid-19-Pandemie innerhalb kürzester Zeit eine Serienproduktion für medizinische Mund-Nase-Masken aufzubauen [1]. Neben dem unermüdlichen Tatendrang und Einsatz aller beteiligten Partner hat auch die Simulation bei Prozessdesign und virtueller Abmusterung zum schnellen Erfolg beigetragen.

Virtual Molding und Werkzeug­simulation

Flüssigsilikonkautschuk (Liquid Silicone Rubber, LSR) findet aufgrund seiner inerten Materialeigenschaften und guten Hautverträglichkeit vielseitige Anwendung in der Medizintechnik, beispielsweise als Dichtelement zum Gesicht in Atemmasken. Insbesondere in diesem Bereich ist es enorm wichtig, dass eine konstant hohe Bauteilqualität erreicht und sicher eingehalten wird, um die Einsatzfähigkeit gewährleisten zu können. Hieraus ergeben sich natürlich auch spezielle Anforderungen an das Werkzeug und eine sehr genaue Prozessführung. Mit Sigmasoft Virtual Molding kann bereits vor Beginn der gesamten Prozessauslegung Klarheit geschaffen werden. Zudem lässt sich durch die virtuelle Abmusterung der Prozess noch vor dem Bau des Werkzeuges optimieren.
Auch das Materialverhalten wird in der Simulation genau betrachtet. LSR ist ein niedrigviskoses und heißvulkanisierendes Material mit sehr schneller Vernetzung. Die hohe, temperaturabhängige Reaktionsgeschwindigkeit kann zu Problemen beim Füllen oder Fehlstellen führen, wenn das Material durch falsche Prozessparameter zu heiß ist. Jedoch kann eine hohe Werkzeugtemperatur die Vernetzungszeit auch gezielt verkürzen, dabei aber neben den angesprochenen Füllproblemen auch eine höhere Gratbildung zur Folge haben, da die Viskosität von LSR mit steigender Temperatur sinkt. In der Regel werden Produkte aus LSR gratarm und nacharbeitsfrei gefertigt, daher ist dieser technische Zusammenhang der Prozessauslegung von hoher Bedeutung.

Das Gemeinschaftsprojekt Mund-Nase-Maske

Zu Beginn des Projektes stand das Design der Innen-Maske im Wesentlichen fest. Während der Projektarbeit sind nur funktionale und kleinere konstruktive Änderungen vorgenommen worden [2]. Neben der Suche nach dem optimalen Anspritzpunkt, dem geeigneten Entlüftungssystem und der Analyse der Druckverteilung stand auch die richtige Materialauswahl im Vordergrund. Zwei designierte LSR wurden simulativ miteinander verglichen: Elastosil LR 3003/50 sowie LR 5040/60 von Wacker. Der Vergleich der Materialdaten zeigt, dass beide Materialien eine völlig unterschiedliche Reaktionskinetik aufweisen.

Abb. 2: Vergleich des Vernetzungsgrades. LR 3003/50 (links) ist ungefähr 50 % und LR 5040/60 (rechts) ist fast vollständig vernetzt. Bild: Sigma Engineering

Durch die Wahl von LR 5040/60 wurde die Vernetzungszeit nahezu halbiert. Mit einer Wandstärke von ca. 2,5 mm wird die Kavität in 2 Sekunden gefüllt und etwa 40 Sekunden vernetzt.
In Abbildung 2 ist der Unterschied des Vernetzungsgrades zu sehen, wobei rot voll vernetztes und dunkelblau völlig unvernetztes LSR darstellt. Beide Kavitäten sind zum betrachteten Zeitpunkt gerade gefüllt und der unterschiedliche Vernetzungsgrad wird sichtbar. LR 3003/50 (links) ist bei ca. 50 % wohingegen LR 5040/60 (rechts) bereits bei fast 100 % steht. Lediglich die dickeren Stellen müssen noch nachvernetzen.
Die Simulation spielt ihre Stärke genau an diesen Punkten aus. Innerhalb weniger Stunden kann eine Versuchsreihe (DoE) inklusive des gesamten Werkzeugs und einer Mutizyklusanalyse durchgeführt werden. Neue Ergebnisse und Erkenntnisse liegen schnell vor, sodass die nächsten Schritte unverzüglich eingeleitet werden können. In diesem Projekt wurde das Serienwerkzeug auf vier Kavitäten ausgelegt. Es galt bereits im Vorfeld zu verhindern, dass sich auf der relativ großen Fläche Temperaturunterschiede von 10 °C oder mehr ergeben würden. Die Temperatur beeinflusst möglicherweise lokal unterschiedliche Vernetzungsgeschwindigkeiten und kann auch zu Toleranzproblemen führen, denn LSR hat einen sehr hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Daher ist die Schwindung von der tatsächlichen Formtemperatur abhängig. Mit Virtual Molding ist es möglich, den Temperatureinfluss der anderen Kavitäten, der Heizpatronen und das in jedem Schuss zugeführte kalte LSR zu berücksichtigen. Über viele Zyklen wird der eingeschwungene Zustand gefunden, in dem der Prozess stabil in Serie laufen wird. Statt das Bauteil alleine in der idealen Umgebung zu betrachten, ohne weiterer Kavitäten und vorangegangener Aufheizphase bzw. Produktionszyklen zu berücksichtigen, kann die Realität so deutlich besser abgebildet werden.

Innerhalb weniger Stunden kann eine Versuchsreihe inklusive des gesamten Werkzeugs und einer Mutizyklusanalyse durchgeführt werden

Abbildung 3 zeigt das Werkzeug nach zehn Zyklen im eigeschwungenen Zustand bei 180 °C. Der Einfluss, den die einzelnen Kavitäten aufeinander haben, ist deutlich erkennbar. Bei der LSR Verarbeitung ist die zielgerichtete Regelung von Heizpatronen elementar. Anhand der Simulation wird einerseits die Anzahl und Leistung der benötigten Heizpatronen ersichtlich und darüber hinaus kann deren ideale Positionierung bestimmt werden. Auch der Einfluss der Isolierung darf nicht unterschätzt werden. Beide Effekte können durch Virtual Molding abgebildet, geprüft und optimiert werden. Diese Einflüsse sind nicht nur prozessrelevant, sondern haben gleichzeitig auch ein enormes Energieeinsparungspotential.

Abb. 3: Das Werkzeug nach zehn Zyklen auf 180 °C im eingeschwungenen Zustand. Bild: Sigma Engineering

Kommunikation über Firmengrenzen hinweg

In diesem Projekt zeigte sich auch die Bedeutung guter Kommunikation über weite Entfernungen während niemand reisen darf. Natürlich können Bilder in Powerpoint geteilt oder Bildschirminhalte in Telefonkonferenzen gezeigt werden. Das kostenlose Tool SIGMA-interact ermöglicht, das komplett berechnete 3D-Modell auf dem eigenen Rechner zu betrachten, zu manipulieren und zu analysieren, ohne dass dafür eine Sigmasoft-Softwarelizenz oder enorme Rechenleistung erforderlich wäre [3]. Dies half den Projektpartnern frühzeitig, an den richtigen Fragen zu arbeiten und im Vorfeld ein gutes gemeinsames Prozessverständnis zu entwickeln.

Simulation zeigt ihre Stärken zum richtigen Zeitpunkt

Nicht nur, dass innerhalb einer effektiven und direkten Zusammenarbeit ein tolles Projekt in hoher Geschwindigkeit realisiert werden konnte. Zusätzlich wurden die Stärken der Simulation zum richtigen Zeitpunkt ausgespielt, um in der Entwicklung keinen Tag Zeit zu verlieren und schnell einen kleinen Beitrag in der aktuellen Lage zu leisten. Tag für Tag wurden in der Projektentwicklung neue Ergebnisse und Erkenntnisse gewonnen, die besprochen und angepasst wurden – von der ersten Idee bis hin zur Umsetzung innerhalb kürzester Zeit.

Nachgehakt: Interview mit Tobias Sonntag und Timo Gebauer von Sigma Engineering – Wachstumsmarkt Medizintechnik für Silikonanwendungen

Tobias Sonntag (rechts) und Timo Gebauer (links). Herr Sonntag arbeitet im Engineering und Support, und Herr Gebauer ist der technische Leiter bei SIGMA Engineering. Bild: Sigma Engineering

KGK: Als im Frühjahr die Nachfrage nach geeigneter Schutzausrüstung dramatisch anstieg, erwies sich die Kunststoffindustrie als höchst innovativ. Auch Sigma Engineering hat einen wertvollen Beitrag geleistet. Das Werkzeug für das Silikonbauteil konnte in nur wenige Wochen entwickelt werden. Gerade beim Faktor Zeit für die Entwicklung spielt das Simulieren seine Pluspunkte aus. Was waren die Voraussetzungen dafür und wie konnte dies so schnell gelingen?
Tobias Sonntag: Die Zusammenarbeit erfahrener Projektpartner, eine gute Datengrundlage und schnelle direkte Kommunikationswege haben zu dieser guten und sehr effektiven Projektumsetzung geführt. Die Simulation hat ihre Stärke durch die Schnelligkeit der Berechnung und Betrachtung vieler unterschiedlicher Optimierungen gezeigt. Noch bevor das Werkzeug gebaut wurde, konnten mögliche Problemstellen diskutiert und die richtigen Entscheidungen in Absprache schnell getroffen werden.

KGK: Worauf kommt es in der Simulation für die Silikonverarbeitung in der Medizintechnik besonders an und worin liegen die Tücken für Fehler?
Sonntag: Bei dieser Kombination treffen zwei Extreme der Kunststoffverarbeitung aufeinander. Auf der einen Seite sind die Anforderungen an die Bauteilqualität und vor allem an Schwankungen im Prozess sehr hoch. Auf der anderen Seite haben wir es in der Silikonverarbeitung mit einem sehr komplexen Materialverhalten zu tun. In der Simulation kommt hier der Interpretation der Stoffdaten und dem Erzeugen von Materialkarten für die Berechnung besonders große Bedeutung zu. Dabei setzen wir besonders auf eine enge Kooperation mit dem Rohstoffhersteller. Da die Materialeigenschaften von Silikonen meist stark von der Temperatur abhängen, kommt der Modellierung des Werkzeuges große Bedeutung zu. Schon ein Unterschied von 10 °C in der Werkzeugtemperatur kann die Zykluszeit verdoppeln. Werden bei der Simulation Details im Werkzeug vernachlässigt, können die Ergebnisse der Simulation stark von der Realität abweichen. Eine robuste Berechnung der Werkzeugthermik, unter Berücksichtigung aller Details, ist also Voraussetzung für präzise Simulationsergebnisse.

Mit unserem freeware Tool lassen sich simulationsergebnisse in 3D ansehen, ohne dass Sigmasoft installiert sein muss

KGK: Wie würde Ihr Resümee für dieses Projekt lauten?
Sonntag: Die Zusammenarbeit in diesem Projekt war sehr effizient und wir können mit dem Ergebnis sehr zufrieden sein. Die Erfahrungen jedes einzelnen Partners haben in der Umsetzung geholfen. Die Stärke des Projektes liegt in der Praxisnähe, das simulierte Ergebnis so schnell als Produkt in den Händen halten zu können hat uns sehr gefreut.

KGK: Die Automobilindustrie geht nun seit längerer Zeit durch eine Krise mit wirtschaftlichen Folgen für die Zulieferindustrie. Welche Märkte sind besonders wichtig für Sie, wo spüren Sie zunehmende und abnehmende Nachfrage? Gibt es einen Markt, den Sie intensiver oder neu erschließen wollen?
Timo Gebauer: Die Medizintechnik ist momentan natürlich ein stark wachsender Markt. Hochinteressant für Unternehmen, die sich jetzt auf neue Wachstumsbereiche ausrichten. Simulation ist hier enorm wichtig, um teure Fehler und Zeitverlust zu vermeiden und das Risiko neuer Investitionen zu minimieren. Aber auch die Entwicklung unserer Software geht kontinuierlich weiter. Neben den Märkten, in denen Sigmasoft schon verbreitet und erfolgreich im Einsatz ist (LSR, MIM/CIM, Thermoplast, Duroplast) konzentrieren wir uns momentan auf Verfahren abseits vom Spritzguss. Vor allem in der Elastomerverarbeitung gibt es mit Compression- und Transfermolding zahlreiche bestehende Anwendungen, wo es neue Aufgabenstellungen gibt. Das gleiche gilt auch für die Extrusion, beispielsweise das Thema Strangaufweitung.

KGK: Die Coronakrise hat das Zusammenarbeiten von Partnern in der Industrie verändert. Weniger Dienstreisen, persönliche Kontakte und mehr digitale Kommunikationstools kommen zum Einsatz. Wie wirkt sich das in Ihrer Projektarbeit aus? Welche Tools nutzen Sie? Und welche Nachteile sehen Sie in der zunehmenden digitalen Kommunikation?
Gebauer: Der Alltag im Solution Service hat sich tatsächlich nur wenig geändert. Dort werden unterschiedliche digitale Kommunikationstools eingesetzt, mit denen es möglich ist, dem Kunden überall helfend zur Seite zu stehen. Das bedeutet, dass in dieser Zeit den Kunden auch im Homeoffice geholfen werden kann. Kundenpräsentationen sind ausschließlich digital, das ist für die Diskussion der Ergebnisse teilweise herausfordernd, aber zu meistern.
Es gibt mit dem SIGMAinteract, ein freeware Tool von uns, die Möglichkeit Simulationsergebnisse in 3D den Kollegen zu zeigen, ohne dass Sigmasoft installiert sein muss. Das ist natürlich jetzt mit vermehrtem Homeoffice ein Vorteil, wenn die Kollegen nicht mal eben zum eigenen Arbeitsplatz kommen können.
Uns ist der persönliche Kontakt zu unseren Kunden sehr wichtig. Wir haben festgestellt, dass digitale Kommunikation sehr gut funktioniert, aber den persönlichen Kontakt nicht ersetzen kann.

KGK: Leider musste Ihr großes Kundenevent in diesem Jahr ausfallen. Was bieten Sie ihren Kunden als Alternative, und werden Sie andere, neue Formate zur Kommunikation weiterentwickeln?
Gebauer: Unser ursprünglich geplantes internationales Anwendertreffen mussten wir verschieben und auch die nationale Alternative musste leider abgesagt werden. Wir legen sehr viel Wert auf den persönlichen Kontakt zu unseren Kunden, was diese Entscheidung umso schwieriger gemacht hat.
Wir arbeiten zur Zeit an einer Online-Seminar-Reihe, die zu Beginn des nächsten Jahres stattfinden wird. Zusätzlich bauen wir die Nutzung aller Kommunikationskanäle weiter aus und sind uneingeschränkt im direkten Kontakt bei unserem Solution Service für unsere Kunden ansprechbar.

Unser Dank gilt stellvertretend für die 15 Partnerfirmen: Arburg, Wacker und Polar-Form, die mit uns an der Realisierung der Innen-Maske gearbeitet haben.
Referenzen
[1] Arburg GmbH & Co KG (2020) Pressemitteilung, Arburg fertigt Hightech-Masken: https://www.arburg.com/de/de/presse/pressemitteilungen/einzelmitteilung/nI/16635/
[2] Arburg GmbH & Co KG (2020) COVID19 Mask: Concept to Production in 41 Days: https://www.youtube.com/watch?v=ej7w3UevR3k
[3] SIGMAinteract: https://www.sigmasoft.de/de/support/interact?requestedResource=%2Fde%2Fsupport%2Finteract-download%2F&__loginform=true