Die K 2019 in Düsseldorf wurde ihrem Anspruch, die Leitmesse für Kunststofftechnik zu sein, wieder einmal gerecht. Zumindest im Bereich Spritzgießen gab es Weltneuheiten – wenn man genau hingesehen hat.

Spritzgießtrends auf der K 2019

Spritzgießen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Schaumspritzgießen

Smart Factory

Energieeffizienz

Mikrospritzgießen

Mehrkomponenten-Spritzgießen

Spritzgießmaschinen, allgemein

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Spritzgießmaschinen

Spritzgießwerkzeuge

Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung

Fließpressen

Handling, Handhabungstechnik für die spanende Fertigung

Automatisierungstechnik

Handling, Handhabungstechnik

Spritzgieß-Sonderverfahren

Spritzgießsimulation

Software

Simulation

Elastomer-Spritzgießen

Linearroboter für die Kunststoffverarbeitung

Industrieroboter

Montagetechnik

Industrie 4.0 für die Kunststoffverarbeitung

Industrie 4.0

Montage-Spritzgießen

Knickarmroboter

Co-Injektion (Barriere-/Sandwich-Spritzgießen)

Hybrid-Spritzgießen (Metall / Kunststoff)

Ressourcenmanagement

Produktion

Mit digitaler Assistenz  zur technischen Exzellenz

Biofilme sind enorm widerstandsfähige Konglomerate von Keimen auf Materialoberflächen, die besonders in medizintechnischen Anwendungen häufig zum Problem werden. Die Reduzierung der primären Anhaftung der Keime sowie die Messung und Bewertung der Biofilmbildung auf Kunststoffoberflächen ist daher ein wesentliches Problem, das es zu lösen gilt.

Strukturierte Kunststoffoberflächen vermindern Anhaftung von Bakterien

Oberflächenbeschichtung

Holz

Oberflächentechnik

Chemische, biochemische Werkstoffprüfung

Messtechnik

Werkstoffprüfung

Biofilmbildung prüfen und vermeiden

Im zweiten Teil der Serie wurden anhand einer Beispielgeometrie Berechnungen zum Durchsatzverhalten, Druckaufbauvermögen und zum Aufschmelzverlauf durchgeführt. Diese Ergebnisse sollen nun näher betrachtet und in weiterer Folge optimiert werden. Dazu gilt es die Auswirkungen bei der Anpassung einiger ausgewählter Geometrieparameter zu untersuchen und interpretieren.

Teil 3 der Serie befasst sich mit Versuchen zur Optimierung der Schneckengeometrie

Schnecken und Plastifiziersysteme

Rund um die Plastifizierschnecke

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.

Komplexe Entwicklungs- und Fertigungsprozesse mit Simulation steuern

Composite-Halbzeuge

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

Verbundwerkstoffe / Werkstoffverbunde

Kunststoff Werkstoffe

Dienstleistungen

Werkzeug-, Formen- und Modellbau

Fahrradrahmen aus der  Spritzgießmaschine

Johannes Kilian ist Leiter der Abteilung für Prozesstechnologien bei Engel. Im Gespräch mit ihm und Georg Steinbichler geht es um die Hebel der Digitalisierung, technische Durchbrüche und kritische Erfolgsfaktoren.

Interview mit Georg Steinbichler und Johannes Kilian zum Stabwechsel bei Engel

Doriat, Clemens, Dr.

Digitale Transformation

Wirtschaft

Innovationen und neue Technologie

Prozesssimulation

Prozessvisualisierung

Prozessautomation

Mess- / Regel- und Prozessleittechnik

Elektrische Antriebe für Spritzgießmaschinen

Antriebe

Elektrische Antriebe

Organobleche (gewebeverstärkte Thermoplast-Halbzeuge)

„Die Chancen der Digitalisierung nutzen“

Wer bei einem Bauteil von Metall auf Kunststoff umsteigen, die Zahl der Komponenten dabei von acht auf drei reduzieren und gleichzeitig Gewicht und Herstellungskosten senken will, muss mit viel Sorgfalt agieren, um alle Anforderungen zu erfüllen. Besonders wenn es sich um einen mechanisch stark beanspruchten Artikel im heißen Getriebe handelt. GK Concept entwickelte eine neue Schaltgabel – und erhielt dafür gemeinsam mit dem Auftraggeber Koki Technik den GKV/TecPart-Innovationspreis 2019.

Serienreife Schaltgabel aus Kunststoff erbringt Höchstmaß an Funktionsintegration

Kohlenstofffasern / -matten

Verstärkungsstoffe

Produktentwicklung (F+E)

Innovationsentwicklung

Inserttechnik

Metallsubstitution im Getriebe

Der Umschaltvorgang zwischen Einspritz- und Nachdruckphase ist immer wieder ursächlich für eine verminderte Bauteilqualität beim Spritzgießen. Ein alternatives Prozessführungskonzept soll Abhilfe schaffen, indem es den Umschaltvorgang vollständig vermeidet. Dazu wird der Werkzeuginnendruckverlauf für den gesamten Füllvorgang vorgegeben.

Phasenlose Prozessregelung soll den Umschaltvorgang revolutionieren

Steuern, Regeln

Mess-, Steuer- und Regelgeräte

Qualitätssicherung

Qualitätssicherung Kunststoff

Die Umschaltproblematik  und ihre Folgen

Über 400 Teilnehmer aus mehr als 40 Ländern informierten sich beim Arburg Summit: Medical 2020 zu aktuellen Entwicklungen, Anwendungen und Visionen und tauschten sich mit den zahlreichen Medizintechnik-Experten aus.

Medizintechnik

Medizinprodukte

Arburg Summit: Medical 2020

Die Herstellung optischer Linsen unter Maßgabe einer bestimmten Produktqualität in einen wirtschaftlichen Rahmen zu betten, ist eine große Herausforderung. Neben der Anpassung der Formteilgeometrie steht oft auch die Frage der richtigen Fertigungsstrategie im Raum. So bildet das Prägen eine qualitative, aber auch kostenintensive Alternative zum Spritzgießen. Hier steht die Simulation als Entscheidungshilfe zur Verfügung.

Prozessabwägung vor der Herstellung optischer Bauteile mittels Simulation

Simulation Produkt- / Formteildesign

Optische Komponenten / Baugruppen

Photonik

Optik

Mehr ist weniger

SIMCON – Setzen Sie mit uns neue Standards für die herausforderndsten Projekte und die komplexesten Fragestellungen im Kunststoffspritzguss – vom Entwurf bis zur Serienproduktion. Mit unseren Lösungen treffen Sie schneller bessere Designentscheidungen beim Spritzgießen – für Ihr Bauteil, Ihren Prozess und Ihr Werkzeug.

Simcon GmbH  

www.simcon.com

Analysetools, FEM

Beim Spritzgießen einer Sonnenbrille aus PA 12 zeigen Arburg und Simcon, wie der Füllgrad des Bauteils in Relation zur aktuellen Schneckenposition als 3D-Grafik auf der Maschinensteuerung in Echtzeit animiert wird.

Kunststoffe im Gespräch mit Eberhard Duffner und Paul F. Filz

Messe K-Kunststoffmesse

kunststoffe.de

„Sehen, was im Werkzeug passiert“

In die Version 8 ihrer Simulationssoftware Cadmould hat die simcon kunststofftechnische Software GmbH, Würselen, zahlreiche neue Funktionen und Verbesserungen für die Simulation von Bauteil, Werkzeug und Prozess integriert. Mit dem Modul Cadmould 3D-F Foam ist es nun möglich, den Schaumspritzgießprozess zu simulieren (Bild). Es lassen sich sowohl Bauteile mit geringem Aufschäumgrad (wie beim MuCell-Verfahren) als auch mit hohem Aufschäumgrad (wie bei der Herstellung von Schuhsohlen) berechnen. Dabei wird das vollständige Materialverhalten berücksichtigt, sodass auch Schwindung und Verzug der geschäumten Bauteile simuliert werden können. Die Simulation beruht auf der Berechnung des Blasenwachstums; dafür wurde ein neuer Algorithmus implementiert und anhand von industriellen Bauteilen verifiziert. 

simcon kunststofftechnische Software 

Geschäumte Bauteile unter der Lupe 

Die Werkzeugthermik spielt bei der Simulation des Spritzgießprozesses eine entscheidende Rolle. Bisher konnte das Temperiermedium nur als feststehende Geometrie mit einem definierten Wärmeübergangskoeffizienten (HTC) angenommen werden. Diese Annahme liefert realistische Ergebnisse für einfache Temperiersysteme. Bei komplexen Temperierkanallayouts werden jedoch relevante Strömungseffekte vernachlässigt. Dadurch ergeben sich Ungenauigkeiten in der Vorhersage der Bauteilabkühlung und schlussendlich auch in der Verzugsberechnung. 

Sigma Engineering 

Verbesserte Berechnung der Werkzeugthermik 

Um angesichts sich stetig verkürzender Entwicklungs- und Produktlebenszyklen gerade in der Spritzgießfertigung und steigender Anforderungen an die Standzeiten von Spritzgießwerkzeugen diese noch wirtschaftlich fertigen zu können, müssen die Werkzeugbaubetriebe ihre Abläufe optimal organisieren. Dabei gibt es nicht den einen goldenen Weg – die Abläufe müssen sich in organisch gewachsene Unternehmen einfügen und die jeweils spezifischen Anforderungen aufgreifen. Dafür gibt es unterschiedliche Wege und Lösungsansätze, wie fünf prominente Beispiele zeigen. 

Der Spritzgießwerkzeugbau profitiert von bedarfsgerecht angepassten Strukturen  für Entwicklung und Produktion 

Instandhaltung, Wartung in der spanenden Fertigung

CAD Werkzeug-, Formenbau

ERP-Systeme

Härten

Additive Fertigung

Rapid Prototyping

Normalien und Heißkanaltechnik

Temperiertechnik

Laserschweißen

Produktentwicklung(sprozess)

Werkzeug- und Formenbau

Werkzeugkonstruktion

Strategie und Organisation

Erstklassige Werkzeugfertigung  fußt auf straffer Organisation 

Duroplastische Werkstoffe dringen allmählich immer weiter in Hochleistungsanwendungen vor. Möglich gemacht haben dies viele neue Entwicklungen der letzten Jahre, die von der Prozesssimulation bis zur Verfahrenstechnik reichen. Damit die Produkte die hohen Erwartungen erfüllen, müssen hohe Standards in der Verarbeitung eingehalten werden. 

Zunehmende Produktanforderungen erfordern oftmals den Einsatz duroplastischer Werkstoffe 

Duroplaste

Rheologie

Druck- / Kraftsensoren

Anforderungen an eine moderne duroplastische Kunststofffertigung 

Mikrospritzgieß-Füllsimulation mit angepassten Materialdaten in die Praxis umgesetzt

Miniaturisierte Spritzgussteile sind in Optik, Elektronik, Automobil-, Medizin- und Nachrichtentechnik etabliert. Die Simulation solcher Teile unterliegt bisher noch Grenzen, wird aber zunehmend für die Beschreibung einer anspruchsvollen Mikrostrukturabformung und Morphologiebildung angewandt. Hier werden Besonderheiten der Mikrofüllsimulation anhand von Arbeiten des KUZ Leipzig, der TU Chemnitz und des IPF Dresden mit praxisbewährten Lösungen diskutiert.

Miniaturisierte Spritzgussteile sind in Optik, Elektronik, Automobil-, Medizintechnik etabliert. Die Simulation solcher Teile wird zunehmend für die Beschreibung einer anspruchsvollen Mikrostrukturabformung und Morphologiebildung angewandt.

Es ist offensichtlich, dass beim Mikrospritzgießen die wesentlich größere Prozessdynamik und das im Vergleich zum Standardspritzgießen ungünstigere Oberflächen/Volumen-Verhältnis zu komplexen Randbedingungen für die Simulation führen. Dabei bleibt in der Praxis meist die Frage unbeantwortet, welchen Einfluss nicht prozessgerecht ermittelte Materialdaten, eine ungenaue Abbildung thermischer und strömungstechnischer Randbedingungen, Wandgleiteffekte sowie dimensionsbedingte Effekte der Viskosität und Kapillarwirkung haben [1, 2].

Von der einfachen Simulation zur Optimierungsstrategie in der Praxis

Die Simulation des Spritzgießprozesses setzt sinnvollerweise in der Konzeptionsphase während der Formteilauslegung an. Vorrangig werden die Gleichmäßigkeit der Füllung und die Position potenzieller Bindenähte anhand der Ergebnisse beurteilt. In der Praxis kann eine Variation der Simulationsmethode (Software, FE-Netz, Verarbeitungsparameter) die Prognose durch relative Aussagen absichern.

Ein Beispiel für die Anwendung der Prozesssimulation beim 2K-Mikrospritzgießen vergleicht zwei Softwareprodukte (Bild 1): Das Ergebnis illustriert die gute Übereinstimmung der Vorhersage der Bindenahtlage bei praxisrelevanten mittleren und hohen Einspritzgeschwindigkeiten. In diesem Fall ist die Richtigkeit der Ergebnisse ebenfalls durch eine Formfüllstudie belegt [1].

Der erste Schritt einer Optimierungsstrategie ist sicherlich die korrekte Abbildung der Schmelzekompressibilität in Verbindung mit der Modellierung aller unter Druck stehenden schmelzeführenden Fließkanäle. Nur so lässt sich die hohe Einspritzdynamik realitätsnah abbilden [1, 2]. Um brauchbare Ergebnisse zum Druckbedarf und zur Vollständigkeit der Formfüllung zu gewinnen, erweist sich die Ermittlung individueller Werte für den Wärmeübergangskoeffizienten durch Reverse Engineering als zielführend [2, 3]. Aussagen darüber, ob und wie gut sich Mikrostrukturen füllen lassen, sind nach heutigem Stand trotz guter Fortschritte in der Softwareentwicklung nur qualitativ möglich [4].

Mikrospritzgießsimulation geht weit über die globale Formfüllsimulation hinaus. Vorhersagen zur Mikromorphologie liefern zusätzliche Informationen zum Versagensverhalten und zur Tribologie. Unter Berücksichtigung vollständig implementierter Materialdaten und akkurater Randbedingungen können die instationäre thermo-rheologische Situation des Formfüllvorgangs einer Mikrokavität simuliert und daraus grundlegende Mechanismen bei der Ausbildung der Gefügestruktur abgeleitet werden.

Ebenso kann die Simulation wichtige Einflussfaktoren zur möglichen Kontrolle der Morphologie in einem Mikroformteil (Bild 2) aufzeigen [5]. Forschungsergebnisse des IPF in Dresden [6] belegen an einem neuen zylinderförmigen Mikrospritzgieß-Probekörper (Formteilgewicht: 0,04 g), wie die Prozessbedingungen die innere Morphologie und die Zugfestigkeit beeinflussen – zum ersten Mal auch im Bindenahtbereich Darüber hinaus zeigen sie eine gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment (Bild 3).

Die Mikrospritzgießsimulation liefert gute Ansätze für die Anwendung in Bauteil- und Werkzeugauslegung. Wenn die Simulationsprogramme in Zukunft die Dynamik einzelner Maschinen durch Kalibrierung des Einspritzdrucks, die Nadelbewegung beim Öffnen der Verschlussdüsen und das viskoelastische Verhalten des Materials berücksichtigen, darf man weitere Fortschritte hin zur genauen Beschreibung von Mikrospritzgießprozessen erwarten.

[1] Jüttner, G.; Löser C.: Füllsimulation beim Mikrospritzgießen – praktische Aspekte. GAK – Gummi Fasern Kunststoffe 69 (2016) 8, S. 478–485

[2] Nguyen-Chung, T.; Jüttner, G.; Pham, T.; Mennig, G.; Gehde, M.: Die Bedeutung präziser Randbedingungen für die Simulation des Mikrospritzgießens / The importance of precise boundary conditions for the simulation of micro-injection molding. Zeitschrift Kunststofftechnik (WAK) 4 (2008) 6, S. 1–25

[3] Nguyen-Chung, T.; Jüttner, G.; Löser, C.; Pham, T.; Gehde, M.: Determination of the heat transfer coefficient from short-shots studies and precise simulation of microinjection molding. Polymer Engineering & Science 50 (2010) 1, S. 165–173

[4] Löser, C.; Jüttner, G.; Bloß P.: Hier gelten andere Regeln: Simulation versus Praxis – beim Mikrospritzgießen eine besondere Herausforderung. Kunststoffe 105 (2015) 5, S. 42–45

[5] Nguyen-Chung, T.; Löser, C.; Jüttner, G.; Obadal, M.; Gehde, M.: Analyse der Morphologie spritzgegossener Mikrobauteile / Morphology analysis of injection molded micro-parts. Zeitschrift Kunststofftechnik (WAK) / Journal of Plastics Technology 7 (2011) 3, S. 86–114

[6] Fischer, M.; Pöhlmann, P.; Kühnert I.: Morphology and mechanical properties of micro injection molded polyoxymethylene tensile rods. Polymer Testing, 80 (2019) 106078, S. 1–9

[7] Fischer, M.; Pöhlmann, P.; Kühnert, I.: Mikrospritzgießen – Zusammenhang zwischen Morphologie, Mechanik und Simulation. Posterbeitrag, Hanser-Fachtagung Kunststoffe+Simulation 2019, 07.-08.05.2019, München

Leibniz-Inst. f. Polymerforschung Dresden e.V. (IPF) 

www.ipfdd.de

KUZ - Kunststoff-Zentrum in Leipzig gGmbH 

www.kuz-leipzig.de

TE Connectivity Germany GmbH 

www.te.com

Ausgabe-2019-11

Bild 3. Links: Rand-Kern-Verteilung im Querschnitt eines zylindrischen Zug-Probekörpers bei Variation der Einspritzgeschwindigkeit (vE) und simulierte Randschichtentstehung im Füllprozess; rechts: Probekörper im Mikrozugversuch und Bindenahtmorphologie

Bild 1. Simulationsergebnisse zur Bindenahtlage in einem 2K-Mikroformteil

Bild 2. Analyse der Morphologie in einem Mikrospritzgussteil durch Simulationsergebnisse 

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Dr.-Ing. Gabor Jüttner ist seit 2014 Teamleiter Mikrokunststofftechnik (MiKA) in der Kunststoff-Zentrum in Leipzig gGmbH; <a href="mailto:juettner@kuz-leipzig.de">juettner@kuz-leipzig.de</a>

Dr.-Ing. Tham Nguyen-Chung ist seit 2010 CAE Systems Analyst bei der TE Connectivity Germany GmbH; <a href="mailto:tham.nguyen-chung@te.com">tham.nguyen-chung@te.com</a>

Dr.-Ing. Ines Kühnert ist seit 2017 Abteilungsleiterin für Verarbeitungsprozesse am Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e. V.; <a href="mailto:kuehnert@ipfdd.de">kuehnert@ipfdd.de</a>

Gewidmet Prof. Günter Mennig anlässlich seines 80. Geburtstags.

Die Autoren danken den Kollegen am KUZ und am IPF – Cindy Löser, Pascal Pöhlmann, Matthieu Fischer, Maria Auf der Landwehr und Regine Boldt – für die Unterstützung.