Simulation über das Werkzeug gelegt

(Bild: Sigma Engineering)

Moderne Simulationsansätze kommen nicht nur bei der Bauteilauslegung, sondern auch bei der Analyse des gesamten Werkzeugs und Prozesses zum Einsatz. Die simulative Auslegung eines neuen oder zu optimierenden Prozesses oder Artikels spart Zeit, reduziert Kosten und schont Ressourcen. Darüber hinaus werden nicht nur Iterationsschleifen vermieden und die Qualität gesichert, sondern auch der Erfahrungsaustausch innerhalb der Firma unterstützt. Als Beispiel dient eine medientrennende Elastomer-Membran für ein Ventil, das beispielsweise in der Lebensmittelindustrie oder Medizintechnik zum Einsatz kommt. Die Membran wird in einem 16-Kavitäten Werkzeug aus einer FKM Kautschukmischung gefertigt.

Warum das Füllkonzept vor dem Design betrachtet werden kann

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Bild 1: Auslegung ohne Entlüftung: Bauteilfüllung (oben), eingeschlossenes Luftvolumen (unten links) und Druck in der Lufttasche (unten rechts). (Bild: Sigma Engineering)

Noch bevor das Bauteildesign final festgelegt wird, kann anhand einer ersten Simulation das Füllkonzept für das Bauteil im Detail betrachtet werden. Hierfür ist noch kein Werkzeugkonzept notwendig, vielmehr kann dieses basierend auf den ersten Erkenntnissen noch einfacher geplant und dann ebenfalls simuliert werden. In Sigmasoft Virtual Molding gibt es die Möglichkeit das Bauteil inklusive Angusssystem mit einem „Automatic Mold“ zu simulieren. Die Bauteilfüllung und erste Abschätzung der Zykluszeit basiert dabei auf der Annahme einer homogenen Werkzeugtemperatur.
Bild 1 zeigt die Bauteilfüllung und die Kavitätsluft bei Füllende. Die erste Analyse mit der Software zeigt Lufteinschlüsse, die sowohl im Bereich des Hinterschnitts, als auch an der oberen Funktionsfläche der Membran auftreten. Aufgrund ihres Einsatzgebietes sind die Qualitätsanforderungen für die Membran hinsichtlich Lufteinschlüsse und Bindenähte sehr hoch, eine Mediendichtigkeit ist unbedingt zu gewährleisten. Durch das Auswerten weiterer Ergebnisse, wie Materialalter, Scorch und Druck, wird deutlich, dass ohne Designänderung oder ein entsprechendes Entlüften diese Anforderungen nicht erreicht werden können.

Warum die Entlüftung wichtig ist

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Bild 2: Bauteilfüllung und eingeschlossene Luft für das Bauteil mit Entlüftungsbohrung (links) und mit Steiger (rechts) im optimierten Füllkonzept. (Bild: Sigma Engineering)

Da die Gestalt des Bauteils durch seine Funktion vorgegeben ist, ist die Integration eines angemessenen Entlüftungskonzepts im Werkzeug die einzige Option für eine verbesserte Bauteilfüllung. Hierzu wurden virtuelle Untersuchungen zu verschiedenen Konzepten mit Entlüftungsbohrungen beziehungsweise einer Opfergeometrie in Form eines konischen Zylinders (nachfolgend Steiger genannt) vorgenommen. Das nach diesen Untersuchungen ausgewählte optimierte Entlüftungskonzept ist in Bild 2 zu sehen. Durch den hinzugefügten Steiger wird nicht nur für die nötige Entlüftung gesorgt, sondern es fließt auch älteres Material, welches ursprünglich aus der Maschinendüse stammt, in den Steiger und wird dadurch nicht in der Oberfläche der Membran eingeschlossen.
Dieses Überspritzen ist bei vielen Elastomerbauteilen wichtig, um älteres, nicht erwünschtes Material aus dem Prozess zu entfernen. Würde dies nicht erfolgen, sondern das ältere Material im Bauteil verbleiben, kann es neben den unerwünschten Lufteinschlüssen und Anvernetzungseffekten auch zu unterschiedlichen mechanischen, akustischen und schwingungstechnischen Eigenschaftsänderungen des Bauteils kommen, die es ebenfalls zu vermeiden gilt. Diese erste Simulation zeigte die Notwendigkeit eines optimierten Lüftungskonzeptes, welches in der weiteren simulativen Auslegung gemeinsam mit dem gesamten Werkzeug überprüft wird.

Warum die Temperaturverteilung im Werkzeug wichtig ist

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Bild 3: Werkzeugtemperaturverteilung zum Zeitpunkt „Werkzeug schließen“ im Produktionszyklus 11. (Bild: Sigma Engineering)

Im nächsten Schritt wird das Bauteil inklusive des gesamten Werkzeugs simuliert. Hierbei ist die Analyse der Werkzeugtemperaturverteilung bedeutend, denn insbesondere bei Elastomeren ist es wichtig, dass es keine kalten Stellen (Cold Spots) im Werkzeug gibt. Eine möglichst homogene Temperaturverteilung im Werkzeug ist die Grundlage für eine gleichmäßige Vernetzung im Formteil und damit einhergehend gleichmäßiger mechanischer Bauteileigenschaften. Zudem führt jedes Abweichen von der Soll-Temperatur des Werkzeuges nach unten zwangsläufig zu einem Verlängern der Zykluszeit und somit zu einer geringeren Produktionskapazität.
Das Werkzeug für die Membran wird gleichmäßig über die Maschinenplatten von oben und unten ohne zusätzliche Heizpatronen geheizt. Dies führt bei einfachen Werkzeugaufbauten wie hier zu kleinen Temperaturgradienten (<10 °C), wie in Bild 3 dargestellt. Da die Maschinendüse auf Massetemperatur temperiert wird und während des gesamten Zyklus‘ am Werkzeug steht, wird hier, neben dem Wärmeverlust an den Außenseiten des Werkzeugs, zusätzliche Wärme abgeführt. Da Elastomerspritzgussprozesse immer bei hoher Werkzeugtemperatur stattfinden, ist die Wärmeabfuhr an die Umgebung nicht zu vernachlässigen. Neben dem Abfahren der Düse, sind Isolationsplatten eine gute Möglichkeit den Wärmeverlust zu reduzieren.

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Bild 4: Wärmebilanz Oberseite (linkes Bild, ohne Isolationsplatten) und Unterseite (rechtes Bild, mit Isolationsplatten). (Bild: Sigma Engineering)

Auch für derartige Fragestellungen ist Simulation ein sinnvolles Tool, um die Energieeffizienz von Werkzeugen mit Hilfe von Isolationsplatten, isolierten Kavitätseinsätzen oder anderen Optionen virtuell zu prüfen und zu optimieren (Bild 4). Am Membranwerkzeug ist hier gut zu erkennen, dass durch eine 3-seitige Isolierung der Unterseite rund 10 % weniger Wärme an die Umgebung „verloren“ geht.

Wie Einschwingprozess und Gutteile zusammenhängen

Neben dem Reduzieren der Wärmeabfuhr, durch zum Beispiel Isolierplatten, ist es zudem wichtig zu verstehen, wie der Aufheiz- und Einschwingprozess des Werkzeugs abläuft. Einerseits, um zu entscheiden, wie viele Minuten oder Stunden das Werkzeug auf Betriebstemperatur aufgeheizt werden muss. Andererseits um festzulegen, ab wie vielen Produktionszyklen Gutteile aus dem Werkzeug zu erwarten sind. Der optimierte Prozess bietet so maximale Wirtschaftlichkeit. Die Simulationssoftware Sigmasoft wird bereits seit mehr als zwei Jahrzehnten dafür entwickelt, solche komplexe Produktionsprozesse abzubilden. Virtuelle Temperatursensoren in der Werkzeugsimulation helfen die Sensoren im realen Werkzeug richtig zu positionieren. Damit kann einerseits online der Temperaturverlauf im Werkzeug kontrolliert und geregelt werden und andererseits können die Sensoren für Online-Qualitätsmessungen an der richtigen Stelle in der Kavität positioniert werden.

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Bild 5a: Hinterschnitt des Bauteils in der Simulation dargestellt. (Bild: Sigma Engineering)
Bauteil nach Entformung in seinen Einzelteilen.
Bild 5b: Bauteil nach Entformung in seinen Einzelteilen. (Bild: AVS Römer)

Nachdem das thermisch stabile Werkzeug Gutteile produziert und die Formteile in der unteren Werkzeughälfte verbleiben, müssen diese Aufgrund des Hinterschnitts per Druckluft entformt werden (Bild 5).
Durch den Einsatz von Simulation können nicht nur neue Artikel und Werkzeuge ausgelegt werden, sondern auch die Werkzeugoptimierung bestehender Werkzeuge kann ohne aufwendige „Trial & Error“-Versuche vereinfacht werden.

Warum Erfahrungen das A und O sind

Magnetventil
Magnetventil mit medientrennender Elastomer-Membran. (Bild: AVS Römer)

Die Erfahrung langjähriger Werkzeugbauer ist ein wertvolles Gut, welches gewahrt werden sollte. Bestimmte Dinge werden aus Erfahrung beim Auslegen neuer Werkzeuge einfach gemacht. Genau diese Dinge lassen sich aber oft schwierig erklären und an die Kollegen weitergeben. „Es war schon immer so“, ist für einen neuen Mitarbeiter kein guter Grund und nicht erlernbar. Hier kann die Simulation ein nützliches Werkzeug sein, um Wissen zu bewahren und weiterzugeben. Der Bau von Lernwerkzeugen wird immer kostenintensiver und ist aufwendig – selbstverständlich ist er nicht komplett wegzudenken – aber es muss nicht mehr jedes Werkzeug direkt gebaut werden. Dank des Softwareeinsatzes wird es beispielsweise möglich, dass sich verschiedene Konzepte miteinander vergleichen und gegenüberstellen lassen. Das ist zum einen ressourcenschonend und zum anderen können bestimmte Dinge „einfach“ mal ausprobiert und neue Ideen getestet werden, ohne direkt zu viel Zeit, Geld und Material in Anspruch zu nehmen. Der Erfahrungsaustausch zwischen Jung und Alt erfolgt also auf einer weiteren Ebene. Erfahrene und bewährte Werkzeug- und Bauteilauslegungen können so betrachtet und zusätzlich die Ideen des Nachwuchses dem gegenübergestellt werden. Konzepte auf dieser Ebene zu vergleichen sichert einen qualitativ hochwertigen Wissensaustausch innerhalb der eigenen Firma. Simulation hilft also bei der Visualisierung und macht den Prozess und das Konzept transparent. Angefangen bei der Bauteilauslegung bis hin zur Optimierung bestehender Prozesse.

Dank
Wir danken Firma AVS Römer, die dieses Beispiel zur Verfügung gestellt hat, für die Kooperation und Zusammenarbeit.

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