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.

Bild 1. Smart Operation – die Maschine wird mit nur noch vier Knöpfen bedient

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Spritzgießtrends auf der K 2019

Schaumspritzgießen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Spritzgießen

Smart Factory

Energieeffizienz

Mikrospritzgießen

Messe K-Kunststoffmesse

kunststoffe.de

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

Industrie 4.0 für die Kunststoffverarbeitung

Industrie 4.0

Montage-Spritzgießen

Knickarmroboter

Montagetechnik

Industrieroboter

Co-Injektion (Barriere-/Sandwich-Spritzgießen)

Hybrid-Spritzgießen (Metall / Kunststoff)

Ressourcenmanagement

Produktion

Mit digitaler Assistenz  zur technischen Exzellenz

Spritzgießen oder 3D-Druck? Diese Frage stellen sich Kunststoffverarbeiter immer häufiger. Beide Verfahren haben ihre Vorteile und Einschränkungen – das gilt auch für Bauteile im Mikromaßstab.

Die Gretchenfrage: Spritzguss versus 3D-Druck – welches Verarbeitungsverfahren ist das richtige?

Verfahren für die additive Fertigung

Additive Fertigung

Mikroformen oder Mikro-3D-Drucken?

Das Zusammenspiel zwischen physischer und virtueller Prozesskette ermöglicht die vollautomatische Herstellung von FKV-Metall-Hybridbauteilen im Minutentakt.

Die Virtualisierung bietet großes Potenzial, komplexe Fertigungsprozesse für hybride Bauteile besser zu verstehen und Entwicklungszeiten zu verkürzen.

Von der Simulation zur seriengerechten Herstellung von Hybridbauteilen

Inserttechnik

Leichtbau

Organobleche (gewebeverstärkte Thermoplast-Halbzeuge)

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

Mit automatisierter Prozesskette und digitalem Zwilling

Mit der webbasierten Plattform iSLM geht die Spritzgießsimulation einen großen Schritt in Richtung Nachhaltigkeit und Wissensmanagement. Ein Gespräch.

Die webbasierte Plattform iSLM ermöglicht es, systematisch an Referenzprojekte der Vergangenheit anzuknüpfen und die eigene Kompetenz und Effizienz in der Bauteilentwicklung stetig zu verbessern.

Interview mit SimpaTec-Geschäftsführer Cristoph Hinse

Doriat, Clemens, Dr.

Digitale Transformation

Wirtschaft

Innovationen und neue Technologie

Datenbanken

Digitaler Zwilling

„Wir sprechen von der Digitalisierung der Digitalisierung“

Ein Mini-Nadelverschlusssystem mit niedriger Bauhöhe ermöglicht es, die Vorteile des Mikrospritzgießens mit denen der Nadelverschlusstechnik zu kombinieren.

Dank niedriger Bauhöhe findet das neue Nadelverschlusssystem auch im beengten Bauraum einer Mikrospritzgießmaschine Platz.

Mikrospritzgießen in der Medizintechnik

Heißkanalsysteme

Komponenten für die Kunststoffverarbeitung

Medizinprodukte

Medizintechnik

Die große Kunst der kleinen Teile

Bei der Weiterentwicklung von Moldex3D lag ein Fokus auf der Qualität der Materialeigenschaften. Dafür wurden reale Spritzgießversuche mit über 400 verschiedenen Materialien durchgeführt.

Moldex3D 2023 ermöglicht eine detaillierte, effiziente und exakte Kühlkanalsimulation. 

Messe Fakuma

kunststoffe-international.com

Nahtloser Übergang von der Simulation  zur Realität

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 

Analysetools, FEM

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

Prozesssimulation

Thermoplaste

Polyamide

Verstärkungsstoffe

Glasfasern / -matten

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 

Kunststoff Werkstoffe

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 

Reaction Injection Molding

Temperiertechnik

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 

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

Extrusionsblasformen

Gezügelte Simulation  

Die Füllsimulation wird in die Maschinensteuerung integriert. Das ist eine der neuen Entwicklungen, die sich auf der Fakuma 2018 an der Schnittstelle zwischen Spritzgießtechnik und Digitalisierung abzeichneten. Andere digitale Lösungen sind längst etabliert oder weiter auf dem Vormarsch. Der Weg zur hochautomatisierten Spritzgießproduktion führt in jedem Fall über die "smarte" Maschine ¿ und die sollte einfach zu bedienen sein. 

Digitale Trends in der Spritzgießproduktion, Teil 1 

Steuerungen (Hardware und Software)

Steuern, Regeln

Werkzeugwechselsysteme

Werkzeugwechselsysteme, Spritzgieß

Druck- / Kraftsensoren

Aus dem Schmelzefluss entspringt  ein Datenstrom 

Prozess- und Bauteiloptimierung durch Simulation ist das Motto der Simulations-Fachtagung, die im Frühjahr in München schon zum 13. Mal stattfindet. Die ersten Vorträge sind jetzt bestätigt und die Themengebiete der Tagung stehen fest. 

Mit FAT-Vortrag zur Crashsimulation 

Kunststoffe+SIMULATION 2019 

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-Institut für Polymerforschung Dresden e.V  

https://www.ipfdd.de

KUZ - Kunststoff-Zentrum in Leipzig gGmbH 

https://www.kuz-leipzig.de

TE Connectivity Germany GmbH 

http://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.