Der Werkzeugbauer Siebenwurst optimiert in seinen Routineabläufen Bauteilgestaltung und Fertigungsprozess durch Spritzgießsimulation. Die Software von Simcon sichert unter anderem die Qualität und Maßhaltigkeit des Kunststoffrahmens für das erste Serien-E-Bike aus der Spritzgießmaschine.

Die Rahmen geben den E-Bikes ein außergewöhnliches Design und überzeugen mit Festigkeiten auf dem Niveau von Stahl- oder Aluminiumexemplaren

Komplexe Entwicklungs- und Fertigungsprozesse mit Simulation steuern

Spritzgießen

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Simulation

Fahrradrahmen aus der  Spritzgießmaschine

Simpatec , Partner für die ganzheitliche Entwicklung und Optimierung von Spritzgießbauteilen, lädt Interessenten ein, Themen rund um Prozesssimulation, Materialmodellierung, Strukturmechanik und Datenaufbereitung neu zu beleuchten, zu bewerten und zu diskutieren.

ISiT 2021 bietet die Gelegenheit, in puncto Simulation heute schon zu wissen, was morgen gefordert wird, verspricht Veranstalter Simpatec.

International Simulation Impact Technology Conference

Softwareentwicklung

SimpaTec lädt ein: ISiT 2021 am 18. und 19. Mai

Mithilfe von Strukturelementen die mechanischen Hohlkörpereigenschaften zu verbessern, ist in der Blasformindustrie noch nicht Stand der Technik. Am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen wurde ein Ansatz entwickelt, um Blasformartikel mit Versteifungsstrukturen rechnergestützt auszulegen. 

Rechnergestützte Routinen zum Auslegen extrusionsblasgeformter Hohlkörper anwenden 

Prozesssimulation

Blasformen

Extrusionsblasformen

Hohlkörper automatisiert optimieren 

Technische Bauteile werden meist für eine Einsatzdauer von mehreren Jahren ausgelegt. Bei thermoplastischen Bauteilen muss über diese Zeitspanne auch das Kriech- und Relaxationsverhalten berücksichtigt werden. Dies ist für spritzgegossene langfaserverstärkte Thermoplaste bisher nicht gelöst. Um das Langzeitverhalten auch für diese Materialklasse simulieren zu können, hat das IKV eine integrative Berechnungsmethode entwickelt. 

Berechnung des Langzeitverhaltens spritzgegossener langfaserverstärkter Thermoplastbauteile durch integrative Simulation 

Analysetools, FEM

Fasern

Werkstoffprüfung, mechanisch

Bruchmechanische Prüfung

Der Einfluss von Länge und Krümmung 

Ein Vergleichstest für Spritzgießsimulation des Automobilherstellers Ford hat kontroverse Diskussionen ausgelöst. Wir haben der nächsten Tagung zu diesem Thema mit dem Autor der Studie gesprochen. 

Spritzgießsimulationen: Große Diskrepanzen beim Nachdruck 

Benchmarking

Ein Benchmark, wie noch keiner war 

Kurze Produktlebenszyklen und hohe Bauteilanforderungen verlangen effiziente Produktentwicklungsmethoden. Dazu sind – neben neuen Prozessführungsstrategien – Simulationen in einem frühen Stadium der Produkt- und Werkzeugentwicklung ein wichtiger Baustein. In diesem Beitrag wird die Simulation der Wasserinjektionstechnik am Beispiel eines prominenten Küchengeräts validiert. Dabei werden einander auch zwei Verfahren der Fluidinjektionstechnik (FIT) gegenübergestellt. 

Fluidinjektionstechnik und ihre Simulation: die Kombination für eine Effizienzsteigerung 

Fluidinjektionstechnik

Wasserinjektionstechnik

Im Wasser liegt die Kraft 

Für ein gemeinsam mit der Mazda Motor Corporation entwickeltes Bauteil, wurde der Materialhersteller Asahi Kasei mit dem Altair Enlighten Award 2018 in der Kategorie Enabling Technology ausgezeichnet. Bei dem Bauteil handelt es sich um eine Pedalhalterung aus glasfaserverstärktem Polyamid 66. Die Preisverleihung fand am 30. Juli 2018 in Michigan, USA, statt.

Preisgekrönter Metallersatz 

Polyamide

Glasfasern / -matten

Pedalhalterung aus Leona PA 66  

Produktive Spritzgießfertigung, bedarfsgerechte Optimierung und die genaue Vorhersage von Formteileigenschaften stehen auch in diesem Jahr bei den Ausstellern der Fakuma wieder im Vordergrund. Durch einen erweiterten Funktionsumfang, intelligente Technologiekombinationen und neue Produkte erfüllen die Werkzeugbauer und ihr Umfeld individuelle Kundenbedürfnisse. 

Werkzeugtechnik: Konsequente Weiterentwicklung und spannende Neuerungen  auf der Fakuma 

Werkzeugmaschinen für die spanende Fertigung

Werkzeugwechselsysteme

Normalien und Heißkanaltechnik

Werkzeugwechselsysteme, Spritzgieß

Temperiertechnik

Es läuft rund 

Trotz großer Auslastung in der Industrie fand das diesjährige Moldflow User Meeting mit hoher Beteiligung statt. Drei Dutzend Vorträge und Trainingssessions machten den 180 Teilnehmern die Auswahl nicht immer leicht, denn es gab neben grundsätzlich Neuem zum Release 2019 auch bisher Ungehörtes zu Dauerthemen wie Bindenahtvermeidung, Kühlung, Glasfaserorientierung oder Schäumen. Unerwarteter Höhepunkt waren Tools auf Basis der API-Schnittstelle der Moldflow-Benutzeroberfläche. 

Das 9. European Moldflow User Meeting "Connect!" setzt ein neues Thema 

Eine Schnittstelle macht Karriere 

Die ganzheitliche Betrachtung von Simulation und Design hat bei der BASF eine lange Tradition. In der Zusammenarbeit mit dem Hersteller von Büromöbeln Wilkhahn wird am Beispiel des Freischwinger-Stuhls Metrik deutlich, wie Konstrukteure und Designer effizient zum Entwicklungsziel kommen. Dieses Angebot wird in Zukunft noch weiter ausgebaut. 

Simulation parallel zur Gestaltung verkürzt die Entwicklungszeit des Stuhls Metrik 

Produkt- / Formteildesign

Thermoplaste

Verstärkungsstoffe

Virtuelles Probesitzen 

Fehlende Verarbeitungsdaten erschweren den Einsatz von Biokunststoffen in technischen Bauteilen. Diese Daten sind jedoch zur Umstellung vom konventionellen auf den biobasierten Werkstoff sehr wichtig. Nur damit können Prozessparameter simuliert und Spritzgießwerkzeuge für eine wirtschaftliche Verarbeitung ausgelegt werden. 

Spritzgießsimulation bringt Biokunststoffe auf den Weg in die industrielle Serie 

Biokunststoffe

Virtuelle Vorschau auf biobasierte Bauteile 

Die mechanischen Eigenschaften und das Schwindungs- und Verzugsverhalten von Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoff hängen stark von der Faserorientierung ab. Um die Leichtbaueigenschaften dieser Werkstoffe effektiv nutzen zu können, muss die Faserorientierung bei der Bauteil- und Prozessauslegung von Anfang an mitberücksichtigt werden. 

Verbesserte Eigenschaften durch virtuelle Prozessauslegung 

Faserverarbeitung

Faserorientierung im Thermoplast-Spritzgießen  

Ein wichtiger Punkt bei der Gestaltung eines Kunststoffbauteils ist die individuelle Auslegung des entsprechenden Spritzgießwerkzeugs. Darum hat die Simcon kunststofftechnische Software GmbH, Würselen, bei der Entwicklung der neuen Version 11 ihrer Simulationssoftware Cadmould den Fokus auf die „T-Box“ gelegt. Der aktualisierte Funktionsumfang der Erweiterung vereinfacht die Berechnung und Gestaltung des Temperaturverlaufs im Werkzeug laut Unternehmen mehr als bisher. Die Konstruktionsphase – besonders im Falle komplexer Geometrien – wird dadurch effektiv verkürzt. 

Neue Version der Simulationssoftware Cadmould 

Additive Fertigung

Mehrkomponenten-Spritzgießen

Reaction Injection Molding

Virtuelle Bauteilfehler zum Anfassen 

Mehrere Partner haben in einem gemeinsamen Projekt auf der Fakuma 2018 den Übergang von der virtuellen zur realen Produktion eines Topflappens dargestellt. Sigma Engineering begleitete den kompletten Entwicklungsprozess des komplexen, aus einem Silikonelastomer gespritzten Formteils. Dabei wurden nicht nur die idealen Prozesseinstellungen ermittelt, sondern auch das Anspritz- und Heizkonzept des Werkzeugs optimiert. 

Wie sich anspruchsvolle Prozesse zur LSR-Verarbeitung virtuell auslegen lassen 

Elastomer-Spritzgießen

Alles andere als läppisch 

Rechnergestützte Optimierungsroutinen erweisen sich als hilfreiche Tools, um streckblasgeformte Hohlkörper auszulegen. Bei Flaschen mit Sicken lassen sich aufgrund der begrenzten Präzision der Modelle im Bereich dieser langgezogenen Vertiefungen überzeugende Resultate in vertretbarer Rechenzeit allerdings erst in Kombination mit Expertenwissen erzielen. 

Topload-Optimierung streckblasgeformter PET-Hohlkörper 

Simulation Verpackung

Polyethylenterephthalat

Gezügelte Simulation  

Gehäuse aus faserverstärktem Polybutylenterephthalat (PBT)

Additiv gefertigte Werkzeugkavität steigert Effizienz und Bauteilqualität

Anhand von Simulationen und einer Prototypenproduktion wurde der Einfluss einer additiv gefertigten Spritzgießwerkzeug-Kavität auf den Fertigungsprozess untersucht.

Anhand von Simulationen und einer Prototypenproduktion wurde der Einfluss einer additiv gefertigten Spritzgießwerkzeug-Kavität auf den Fertigungsprozess untersucht. Durch die verbesserte Kühlleistung kann die Zykluszeit um rund 10 Prozent verringert, sowie gleichzeitig eine hohe dimensionale Stabilität des PBT-Bauteils erreicht werden.

Der Antriebsstrang im Automobil befindet sich in einem zukunftsweisenden Umbruch. Die Haupttreiber sind hier die immer strengeren Vorgaben für die Emission von Kohlenstoffdioxid und anderen Schadstoffen bei Neuwagen, um dem globalen Klimawandel entgegenzuwirken und Nachhaltigkeitsziele zu erreichen [1]. Aufgrund dessen stellt die Energieeffizienz eines modernen Fahrzeugs eine Schlüsseleigenschaft im Hinblick auf die E-Mobilität dar.

Im Projekt von Valeo unter Einbeziehung der Siegfried Hofmann GmbH als Lieferant war es das Ziel, den Herstellprozess eines Gehäuses für einen elektromechanischen Aktuator zu verbessern. Damit einhergehend wurde ein angepasstes Design entwickelt, sodass der bisherige Werkstoff Aluminium durch ein mit 45 % Glasfasern gefülltes PBT ersetzt werden sollte. Allein hierdurch konnte das Gewicht des Gehäuses um ca. 35 % gesenkt werden, was wiederum positiv zur Energieeinsparung des Fahrzeugs beiträgt. Die vorgestellte Untersuchung vergleicht Rheologie-Simulationen untereinander und bezieht diese auf Prototypenteile im Vorfeld der Serienfertigung. Die Funktion des Endprodukts selbst ist die Regulierung von Gasströmen, wie sie in der Turboaufladung von modernen Hybridfahrzeugen oder für Brennstoffzellen eingesetzt werden kann.

Die ausführlichen Simulationen zu Rheologie und Kühlverhalten des Kunststoffs wurden vor und begleitend zur Werkzeugkonstruktion durchgeführt. Hier wurden eine konventionelle und eine konturnahe Werkzeugkühlung miteinander verglichen. Die späteren Abmaße des Werkzeugs inklusive typischer Vorhaltungen wurden berücksichtigt.

Konturnahe Kühlung aus additiver Fertigung als Mittel der Wahl

In der Vergangenheit wurde diese Art Gehäuse durch Aluminium-Druckguss hergestellt, um beispielsweise die Medienresistenz und die erforderliche maßliche Präzision zu erreichen. Letzteres ist hier unter anderem mit einer Toleranz von ± 0,1 mm auf einem Durchmesser von 48 mm und einer Positionstoleranz von 0,2 mm auf einer Länge von 78 mm verbunden. Für Anwendungen bei Gaszufuhr, die eine geringere chemische Beständigkeit erfordert, konnte Aluminium nun durch einen Thermoplast ersetzt werden. Aufgrund der hohen Anforderungen an die Toleranzen und des Ziels, die Wirtschaftlichkeit zu optimieren, wurde ein Großteil der Werkzeugkavität als additiv gefertigter Formeinsatz mit konturnaher Kühlung ausgelegt, um die Kühlleistung zu erhöhen [2]. Durch das gewählte SLM-Verfahren können die Kühlgeometrien wesentlich näher an der Kontur geführt werden als durch die konventionelle Herstellung der Kanäle durch Fräsen oder Tiefbohren. Zudem kann die Dichte der Kühlkanäle nahe der Kontur erhöht und sonst nicht erreichbare Bereiche adressiert werden. Durch die gleichmäßigere Kühlung sollen eine niedrigere Verzugsneigung und eine verkürzte Zykluszeit erzielt werden. Die entsprechenden 3D-Modelle, die in der Simulation verwendet wurden, sind in Bild 1 dargestellt. Links ist die konventionelle Kühlung zu sehen, rechts die konturnahe Kühlung. Rechts ist eine klare Verdichtung der Kühlkanäle um das Bauteil herum zu erkennen.

Höchste dimensionale Genauigkeit beim Metallersatz ein Muss

Aus den Simulationsdaten wird die dimensionale Qualität der erstfallenden Bauteile vorhergesagt. Die Positionstoleranz zwischen der Zentrierung eines E-Motors und der Klappenachse ind hier von besonderem Interesse. Diese Achsen definieren die Kinematik des Gesamtbauteils; über eine dritte Achse wird das Motordrehmoment auf die Klappe übertragen. Das System sorgt für eine Drehung dieser Klappe um bis zu 90°, sodass es damit den Luftstrom innerhalb von 65 ms minimieren und maximieren kann. Die Toleranzkette der Achsen zueinander sollte idealerweise nicht mehr als 200 µm betragen. Für die Variante des konturnahen Kühlens wird dieses Ergebnis innerhalb der schnelleren Kühlzeit erzielt.

Im nächsten Schritt wurde die Planarität der Schnittstelle zum anschließenden Bauteildeckel überprüft. Der Deckel enthält eine komplexe umspritzte Leiterbahnstruktur, eine umlaufende Dichtung sowie Gegenstücke zu den bereits aufgeführten Kinematikachsen. Die Planaritätstoleranz beträgt maximal 0,35 mm, mit einer maximalen Toleranz von 0,20 mm zwischen zwei Befestigungspunkten. Bild 2 stellt den Verzug nach Einsatz der konturnahen Kühlung dar. Der Punkt mit der größten Entfernung zum Anguss zeigt einen Verzug um 0,95 mm. Der konventionelle Kühlansatz zeigt hier mit 1,05 mm einen Verzug, welcher um 100 µm höher liegt. Für die Toleranzen auf der Bildunterseite schneidet die konventionelle Kühlung 30 µm schlechter ab, als die konturnahe Kühlung.

Die Prototypenproduktion mithilfe konturnaher Kühlung bestätigt diese guten Ergebnisse der Planarität der erstfallenden Teile. Zwischen den Befestigungspunkten stellt sich eine Planaritätsabweichung von 0,068 mm ein, auf die Gesamtfläche ergeben sich 0,348 mm.

 Steigerung der Kühlleistung für höhere Produktionseffizienz

Im Fokus der Untersuchungen steht die Gegenüberstellung der Methoden hinsichtlich ihrer Kühlleistungen. Bild 3 veranschaulicht hierzu die Oberflächentemperatur des Teils nach dem Ende der Kühlzeit. Es werden drei Raumansichten des Teils gezeigt. Die linke Spalte der Darstellung gibt die konturnahe Kühlung wieder, die mittlere Spalte die konventionelle Kühlung und rechts ist die konventionelle Kühlung mit einer um 19 % (5 s) verlängerten Kühlzeit zu sehen. Die vermehrt auftretenden blauen Bereiche in der linken Spalte zeigen klar die im Mittel kühlere Oberflächentemperatur des Teils bei der Methode der konturnahen Kühlung.

In der Draufsicht ist eine ca. 10 °C höhere Oberflächentemperatur des Bauteils bei der konventionellen Kühlung zu beobachten, welche nicht einmal durch die Verlängerung der Kühlzeit angeglichen werden kann. Die höhere Kühlleistung lässt weniger intrinsische Spannungen im Bauteil und freie Kristallisation entstehen, die in einen gestiegenen Verzug nach Auswerfen des Bauteils resultieren würden.

In der Vorder- und Rückansicht wird eine ungefähr 10 °C kühlere Oberflächentemperatur im Bereich des Motorsitzes sichtbar. Nichtsdestoweniger wird ein Wärme-Hotspot im Bereich eines Schraub-Doms in der Vorderansicht identifiziert. Dieser Hotspot verhindert eine noch stärkere Verkürzung der Kühl- und damit Zykluszeit unter 50 s, weil in dieser Bohrung ansonsten im Zuge des Auswerfens des Bauteils nicht erstarrter Kunststoff an der Kavität haften bleibt und zur Delamination führt.

Der Unterschied in der Kühlleistung beider Technologien wird in Bild 4 tiefer betrachtet. Der größere Wärmefluss der heißen Schmelze in das konturnah gekühlte Werkzeug wird hier deutlich sichtbar. Der gewählte Messpunkt liegt an der Rückseite des erwähnten Hotspots. Die Kurven sind bis ca. 10 s des Zyklus deckungsgleich überlagert, was im Prozess dem Einspritzen und der Nachdruckphase der Schmelze entspricht. Ab diesem Punkt wird der Unterschied der Kühlleistung signifikant erkennbar im Auseinanderlaufen der Kennlinien pro Kühltechnologie. Den größten Unterschied stellt ein Delta von 7 °C zum Zeitpunkt der angenommenen Werkzeugöffnung bei 40 s in der Simulation dar. Der zu diesem Zeitpunkt gemessene Wärmefluss an diesem Punkt beträgt 1,7 Js-1cm-2 was einen 14 % höheren Wert der konturnahen Kühlung im Vergleich zur konventionellen Kühlung bedeutet.

Schonende Materialverarbeitung bei schneller Prozessführung

Aufgrund des erhöhten Wärmeflusses konnte eine unterdrückte Kristallisation und eine damit verbundene mögliche Nachkristallisation bei Wiedererwärmen des Bauteils nicht ausgeschlossen werden. Mithilfe einer DSC-Analyse von verschiedenen Stellen am Bauteil mit Proben aus der Methode der konturnahen Kühlung wurde dieser mögliche Effekt überprüft. Es konnten während des gesamten Aufheizvorgangs bis 240 °C keine Restrukturierungsereignisse nachgewiesen werden. Gerade im Bereich bis 140 °C, was der maximalen Verwendungstemperatur des Bauteils entspricht, wurden hier sämtliche mögliche Auffälligkeiten ausgeschlossen.

Im Weiteren wurde eine Viskositätszahlmessung am Bauteil durchgeführt. Der Abbau des Polymers am Fließwegende konnte, durch eine schonende Verarbeitung und ausreichende Trocknung des Materials, mit 4 % Veränderung der Viskositätszahl auf einem niedrigen und völlig akzeptablen Level gehalten werden.

Die Fähigkeit der Vorserienteile wurde zusätzlich ermittelt, um die Robustheit des Prozesses nachzuweisen. Es wurde unter anderem der Hauptdurchmesser ausgewertet. Bei einem nominalen Wert von 48 mm und einem Toleranzband von ± 0,1 mm konnte hier ein Cmk-Wert > 2,00 bestätigt werden.

Die konturnahe Kühlung aus additiver Fertigung präsentiert sich für das gezeigte Projekt als bevorzugte Technologie. Bei entsprechender Auslastung des Werkzeugs werden die erhöhten Werkzeugkosten durch die gesteigerte Produktionseffizienz des Prozesses amortisiert. Gleichzeitig wird die nötige Produktqualität beim Metallersatz erhalten und ein stabiler Prozess erreicht.

[1] Graham Conway, Ameya Joshi, Felix Leach, Antonio García, Peter Kelly Senecal, A review of current and future powertrain technologies and trends in 2020, Transportation Engineering, Volume 5, 2021

[2] Shayfull Zamree Abd Rahim, S. Sharif,Azlan Mohd Zain,S. M. Nasir,R. Mohd Saad, Improving the Quality and Productivity of Molded Parts with a New Design of Conformal Cooling Channels for the Injection Molding Process, Advances in Polymer Technology, Volume 35, 2016

Siegfried Hofmann GmbH  

https://www.hofmann-impulsgeber.de

Ausgabenartikel KU09-22

Im Mittelpunkt des Bildes sind die beiden aufgezogenen Hälften des Spritzgießwerkzeugs zu sehen. Die beitragenden Personen von links nach rechts sind: Nicolas Büttner, Dominik Lawatsch, Dr. Sebastian Neubauer (alle Valeo), Christian Hellmuth, Michael Voßwinkel (beide Hofmann). Es fehlt Pawel Uchyla (Valeo).

Bild 1. Links: konventionelle Kühlung (blau) und Bauteil (beige). Rechts: konturnahe Kühlung aus additiver Fertigung und Bauteil.

Bild 2. Blick von oben auf das Gehäuse. Der Verzug des Bauteils nach Simulation mit konturnaher Kühlung an der Schnittstelle zum Deckel ist visualisiert. 

Bild 3. Vergleich der Oberflächentemperaturen zum Zeitpunkt am Ende des Zyklus mit verschiedenen Kühlmethoden.

Bild 4. Vergleich der Oberflächentemperatur an der Rückseite des Hotspots bei konturnaher und konventioneller Kühlung.

Bild 5. Bild vom fertigen Bauteil: Das Gehäuse eines elektromechanischen Aktuators aus PBT. In dieser Ausführung ist es 35 % leichter als das Original aus Aluminium.

Name - Hauptartikel

Mithilfe von Simulation verbessert Valeo die Kühlleistung und verringert die Zykluszeit um 10 %.

Additiv gefertigte Kavität für Spritzgießwerkzeuge

Dr. Sebastian S. Neubauer, Bereichsleiter Technologie, Dominik Lawatsch, M. Sc., Prozessingenieur, Nicolas Buettner, Techniker für Industrialisierung, und Pawel Uchyla, M. Eng., Bauteilverantwortung Konstruktion, sind alle für Valeo Powertrain Systems Driveline tätig. Michael Voßwinkel, B. Eng., Simulationsingenieur, arbeitet ebenso wie Christian Hellmuth, Projektleiter, für die Siegfried Hofmann GmbH.

Infos unter <a href="http://www.valeo.com" target="_blank">www.valeo.com</a> <a href="http://www.hofmann-impulsgeber.de" target="_blank">www.hofmann-impulsgeber.de</a>