Wie gut stimmen Simulation und Spritzguss von HTV überein?

Die computergestützte Simulation hat sich beim Spritzguss von Polymeren zu einem unverzichtbaren Hilfsmittel entwickelt. Kommerzielle Simulationsprogramme ermöglichen es, den gesamten Entwicklungs- und Produktionsprozess von spritzgegossenen Kunststoffartikeln virtuell zu optimieren. Seit Jahren wird die Simulationssoftware Sigmasoft bei Flüssigsilikonkautschuken eingesetzt [1, 2, 3, 4]. Sie unterstützt nicht nur die Konstruktion des gewünschten Bauteils, sondern auch die Auslegung des Werkzeugs und die Verarbeitung des Silikons. Über eine Anwendung von Simulationsprogrammen beim Spritzguss von Festsilikonkautschuken – auch hochtemperaturvernetzender Silikonkautschuk, kurz HTV genannt – wurde bislang jedoch noch nicht berichtet.
Zurzeit registrieren Silikonhersteller und Anbieter von Simulationssoftware ein wachsendes Interesse am HTV-Spritzguss. Noch vor wenigen Jahren galt der Spritzguss von Festsilikonen als unwirtschaftlich, weil die Zykluszeiten in der Regel lang waren und weil prozesstechnische Möglichkeiten für eine Automatisierung fehlten. Aktuell revidieren Silikonverarbeiter diese Einschätzung. Der Grund: Inzwischen sind Festsilikone erhältlich, die relativ kurze Vernetzungszeiten besitzen. Hinzu kommen Fortschritte in der Dosier- und Maschinentechnik. Diese Entwicklungen ermöglichen einen kontinuierlichen, automatisierten und damit kostengünstigen Spritzguss, durch den auch komplexe Formteile mit filigranen Strukturen erzeugt werden können.
Für die Hersteller von Silikonartikeln ist das sehr attraktiv. Aber lässt sich der Prozess auch zuverlässig vorhersagen – selbst dann, wenn komplexe Artikel aus HTV-Silikon hergestellt werden sollen? Mit einer aktuellen Untersuchung am Beispiel eines konkreten Silikon­artikels mit filigranen Strukturen haben Sigma Engineering und Wacker Chemie exemplarisch gezeigt, dass die Simulation den realen HTV-Spritzgussprozess realitätsnah abbilden und Optimierungsmöglichkeiten aufzeigen kann.

Festsilikone sind dafür bekannt, dass sie nach ihrer Vulkanisation gute mechanische Eigenschaften erreichen [5]. Damit eignen sie sich zum Einsatz in Anwendungen, in denen sie regelmäßig hohen Belastungen ausgesetzt sind. Exemplarisch für solch ein Formteil steht die Zitronenpresse „Lemon Press 1“ des spanischen Konsumgüterherstellers ­Lékué (Bild 1).
Zur Fertigung der Zitronenpresse wurde die biomethanolbasierte Festsilikonkautschuktype Silmix eco R TS plus 40002 von Wacker eingesetzt. Dieses spezielle gebrauchsfertige Festsilikon basiert auf der marktgängigen Type Elastosil R plus 4001/40 MH, die zu einem Elastomer mit einem Härtegrad von 40 Shore A vulkanisiert. Solche Vulkanisate erreichen eine Reißfestigkeit von 11,8 N/mm², einen Weiterreißwiderstand von 38 N/mm und eine Reißdehnung von 930 %.
Die Vulkanisation des Compounds erfolgt durch eine platinkatalysierte Additionsreaktion. Die Vernetzung verläuft bei höheren Temperaturen deutlich schneller als die peroxidische Vernetzung, die zur Vulkanisation von HTV-Massen weit verbreitet ist. Auch entstehen bei der Additionsvernetzung keine Spaltprodukte, sodass die Vulkanisate geruchlos sind. [6]

Voraussetzung für eine realitätsnahe Spritzgusssimulation sind valide Daten zu den Materialeigenschaften des eingesetzten Silikons. Je genauer die Daten das reale Verhalten des Materials abbilden, desto realistischer werden die
Simulationsergebnisse.
Besonders wichtig sind dabei die Daten zur Vernetzungskinetik und zu den rheologischen Eigenschaften des Compounds. Informationen zur Vernetzungskinetik des verwendeten Festsilikons sind in Bild 2 zusammengestellt. Die Kurven zeigen, wie sich der Vernetzungsgrad des Werkstoffs bei vier verschiedenen Temperaturen zeitlich entwickelt.
Bereits geringe Temperaturunterschiede haben einen deutlichen Einfluss auf die Geschwindigkeit der Vernetzungsreaktion und damit auf den Vernetzungsgrad, der nach einer bestimmten Zeit erreicht wird. Wenn die Temperatur der in die heiße Kavität eingespritzten HTV-Masse nicht überall gleich ist, kommt es im Formteil zu einer inhomogenen Vernetzung, was die notwendige Heizzeit verlängert. Liegen exakte Daten zur Vernetzungskinetik vor, kann die Spritzgusssimulation die Vernetzungsreaktion bildlich darstellen und helfen, untervernetzte Bereiche aufzuzeigen. Dadurch können Qualitätsprobleme oder Produktivitätseinbußen, die infolge einer Untervernetzung entstehen, von vornherein – bereits während der Designphase – vermieden werden.

Das Fließverhalten des HTV-Compounds ist ein weiterer kritischer Parameter für die Fertigung der Formteile. So beeinflussen die rheologischen Eigenschaften die Füllung der Kavitäten im Formwerkzeug. Festsilikone sind scherverdünnende Materialien. Je höher die Scherrate und je höher die Temperatur, desto dünnflüssiger wird das Compound. Um den Spritzguss realitätsnah simulieren zu können, müssen die Viskositäten daher für die beim Spritzgießen auftretenden Schergeschwindigkeiten und Temperaturen mit möglichst hoher Genauigkeit bekannt sein.
Um das Fließverhalten unter Scherung bei unterschiedlichen Temperaturen unabhängig von der Vernetzung untersuchen zu können, wird die Viskositätsmessung bei additionsvernetzenden Silikonen ohne den Platinkatalysator durchgeführt. Wäre der Katalysator anwesend, würde das Messergebnis durch die einsetzende Vernetzung verfälscht werden. In der Praxis werden die rheologischen Daten eines Festsilikoncompounds entweder mit einem Rotations- oder mit einem Hochdruck-Kapillarviskosimeter gemessen. Letzteres Verfahren ist zeitlich aufwendiger und mit einem höheren Materialbedarf verbunden.
Durch einen Abgleich von realen und simulierten Füllstudien eines Testbauteils wurde die Simulationsfähigkeit der ermittelten Datensätze validiert. Wacker Chemie führt solche Tests im Process Technology Center am Standort Burghausen an eigenen Spritzgussmaschinen durch. Der Vergleich der berechneten Modelle mit den realen Testbauteilen aus der Fest­ilikontype Silmix eco R TS plus 40002 zeigt, dass sich die Realität mit den ermittelten Rheologiedatensätzen sehr genau abbilden lässt.

Ausgangspunkt der Simulation eines realen Bauteils war das Herstellen einer Zitronenpresse in einem automatisierten Spritzgussverfahren. Das Fest­silikon wurde in einer Spritzgussmaschine Flexseal 300 von Engel Austria verarbeitet, die mit der Drehfördereinrichtung Rotofeeder ausgestattet war. Das Formwerkzeug stellte Nexus Elastomer Molds zur Verfügung. Sigma Engineering simulierte im Vorfeld den gesamten Spritzgussprozess mit der Software Sigmasoft Virtual Molding. Teil der Simulation war eine virtuelle Füllstudie, die einen visuellen Vergleich der berechneten Vorhersagen mit den real erzeugten Teilfüllungen ermöglichte.
Wie in der Realität wurde auch in der Simulation das Formwerkzeug zunächst aufgeheizt und anschließend über mehrere vollständige Spritzgusszyklen eingefahren, bis sich ein thermisch stabiler Zustand einstellte. Nach einer 30-minütigen Aufheizzeit, an die sich elf Zyklen anschlossen, war dieser eingeschwungene Zustand erreicht. Die Berechnung simuliert den gesamten Formfüllprozess im Detail. So kann sie beispielsweise die zeitliche Entwicklung der Temperaturverteilung und des Form-innendrucks abbilden.
Die Simulation ergab, dass die Temperaturverteilung im vulkanisierenden Formkörper inhomogen ist, was sich auf den erreichten Vernetzungsgrad auswirkt. Vergleichsweise kalt sind Bereiche, die nahe am Anspritzpunkt liegen, und die dickwandigen Bereiche der entstehenden Zitronenpresse (Bild 3), da das Material bis zur Einspritzdüse in der Maschine gekühlt wird.
In diesen kälteren Bereichen schreitet die Vernetzung langsamer voran. Ein vorgegebener Vernetzungsgrad wird später erreicht als in den wärmeren Bereichen. Bild 4 (linke Seite) zeigt exemplarisch die Bereiche, die zu einem bestimmten Zeitpunkt – hier nach einer Prozessdauer von einer Minute und 14 s – zu weniger als 90 % vernetzt sind. Diese langsam vernetzenden Bereiche bestimmen die Heizzeit und damit auch die Zykluszeit.
Die Simulation deckte auch eine Ursache für die inhomogene Vernetzung auf, wie dies Bild 5 verdeutlicht. Das Bild greift einen Zeitpunkt (t = 8,76 s) heraus, an dem das Silikon die Kavität zu etwa vier Fünfteln (exakt: 86,01 %) gefüllt hat, und stellt dem zu diesem Zeitpunkt erreichten Vernetzungsgrad (linkes Teilbild) die berechnete Temperaturverteilung gegenüber (rechtes Teilbild).

Zu diesem Zeitpunkt ist der Werkstoff somit noch unvernetzt. Die Temperaturverteilung im Kern des Werkzeugs (zentraler Bereich im rechten Teilbild) ist inhomogen: An der Auswerferseite des Werkzeugs liegt die Temperatur im Kern bei etwa 160 °C, in der Nähe des Anspritzpunktes sinkt die Temperatur infolge des thermischen Kontaktes mit dem kalt eingespritzten HTV-Compound auf etwa 130 °C ab. Offensichtlich gelingt es nur unzureichend, die Wärme durch den Kern in Richtung des Anspritzpunktes zu transportieren.
Aufgrund dessen wurden simulativ verschiedene Möglichkeiten ausprobiert, um den Wärmetransport zu verbessern. Die Entscheidung fiel auf das Einsetzen einer Kupferhülse, die über den aus Stahl gefertigten Kern eingeschoben werden kann. Nexus Elastomer Molds setzte diese Kupferhülse in das Werkzeug ein, um auf diese Weise die höhere Wärmeleitfähigkeit des Kupfers zu nutzen.
Die Berechnung prognostizierte, dass diese Modifikation die Kerntemperatur in der Nähe des Anspritzpunktes um etwa 10 K erhöhen würde. Folglich sollte die Vernetzung des Silikons in den kritischen Bereichen schneller voranschreiten als beim ursprünglichen Werkzeugdesign, was die Heizzeit und damit auch die Zykluszeit deutlich verkürzen würde (rechter Teil von Bild 4). Laut Berechnung sollte die Zykluszeit von 93 auf 76 s sinken. Das entspricht einer Zeitersparnis von 17 s. Mit dem neuen Werkzeugdesign trat dieser vorhergesagte Effekt an der realen Spritzgussmaschine auch so ein. Die Zykluszeit konnte ohne weitere Prozessänderungen auf 78 s reduziert werden.

Die Füllstudie bot eine weitere Möglichkeit, den virtuellen Prozess mit dem realen Spritzgussprozess zu vergleichen. Die Füllsimulation war Teil der Berechnung des Gesamtprozesses. In der Realität wurden an der Spritzgussmaschine unterschiedliche Teilfüllungen erzeugt; das eingespritzte Volumen des HTV-Compounds wurde von Schuss zu Schuss in Vier-Prozent-Schritten von 48 auf 100 % erhöht. Die auf diese Weise produzierten unvollständigen Formteile wurden aus mehreren Perspektiven fotografiert.
In Bild 8 sind die berechneten Modelle den Fotos der realen unvollständigen Formteile für drei Füllgrade – 48 %, 68 % und 88 % – gegenübergestellt. Links stehen die realen Teilfüllungen, rechts die korrespondierenden Berechnungen. Letztere geben die räumliche Verteilung des Befüllprozesses wieder, die nach dem jeweiligen Schuss erreicht wird.
Auch die Gefahr von Lufteinschlüssen lässt sich auf diese Weise abschätzen. Die berechneten Teilfüllungen lassen den Schluss zu, dass die im Werkzeugdesign vorgesehenen Überläufe korrekt positioniert sind, um Lufteinschlüsse zu verhindern. Ein visueller Vergleich der Fotos mit den berechneten Bildern zeigt: Simulation und Realität stimmen sehr gut überein.

Auch bei der Verarbeitung von Festsilikonkautschuken gilt: Die Simulation des Spritzgussprozesses macht es möglich, von Anfang an die Produkt-, Werkzeug- und Prozessentwicklung und das Durchspielen von Optimierungsmöglichkeiten zu unterstützen. So ergeben sich für den Silikonverarbeiter und für den Werkzeughersteller Zeit- und Kostenvorteile. Eine zeitraubende und kostspielige Entwicklung entfällt, Veränderungen an der Geometrie des herzustellenden Formteils lassen sich mit der Software jederzeit virtuell testen. Zudem kann der Silikonverarbeiter vorab die Zykluszeit des Spritzgusses ermitteln und damit die Herstellkosten abschätzen – ein Vorteil für die Kalkulation eines Projektes.
Das Beispiel der Zitronenpresse zeigt außerdem, dass eine Simulation des HTV-Spritzgusses auch bei kompliziert geformten Bauteilen möglich ist. Allerdings muss bekannt sein, wie sich das zum Verarbeiten vorgesehene Festsilikon-Compound unter den beim Spritzguss herrschenden Bedingungen verhält. Auf geeigneten Messungen basierende Datensätze der Materialeigenschaften sind dafür unverzichtbar. So müssen zum Beispiel die Fließeigenschaften des Compounds unabhängig von der Vernetzung untersucht und dabei das bestgeeignete Messverfahren genutzt werden.

Dank
Das Autorenteam dankt Dr. Florian
Liesener und Julia Gessl aus dem technischen Marketing von Wacker am Standort Burghausen für die Erhebung, Auswertung und Übermittlung der für die Simulationsberechnung erforderlichen Messdaten an die Firma Sigma.

Literatur
[1] K. Aschhoff, Mit Virtual Molding schneller zum Ziel, KGK (11-12), 8-11 (2020).
[2] P. Semsarilar, Topflappen für den LSR Spritzguss optimiert, GAK 73 (6), 238-241 (2020).
[3] O. Franssen und V. Schwittay, Realität und Simulation beim Spritzguss von LSR. In: Dichtungstechnik Jahrbuch 2017, hrsg. von K.-F. Berger und S. Kiefer, Isgatec, Mannheim 2017, S. 82-92.
[4] V. Frekers und Th. Frese, Simulationsgestützte Produktentwicklung für neuartige LSR-Anwendungen. In: Dichtungstechnik Jahrbuch 2018, hrsg. von K.-F. Berger und S. Kiefer, Isgatec, Mannheim 2018
S. 63-71.
[5] B. Pachaly, F. Achenbach, Ch. Herzig und K. Mautner: Silicone. In: R. Dittmeyer, W. Keim, G. Kreysa und A. Oberholz (Hrsg.): Winnacker/Küchler, Chemische Technik: Prozesse und Produkte, Band 5: Organische Zwischenverbindungen, Polymere. Wiley-VCH, Weinheim 2005, S. 1155.
[6] Solid and Liquid Silicone Rubber. Materials and Processing. Firmenschrift der Wacker Chemie AG, München 2022, S. 13.

Quelle: Sigma Engineering
Quelle: Wacker Chemie