3D-Simulation kann mehr

Simulationstechniken sind in der Spritzgießtechnik schon seit rund 20 Jahren etabliert. Ab einem bestimmten Komplexitätsgrad werden Werkzeuge heute kaum noch ohne Simulation konstruiert, wobei die Berechnungen sich normalerweise mit dem Füllverhalten und dem Verzug des Bauteils beschäftigen. Die meisten dieser Simulationen basieren auf 2,5D-Ansätzen mit Vereinfachungen nach Hele-Shaw. Diese Vereinfachungen sind sinnvoll für große und flächige Bauteile, um die Rechenzeiten in Grenzen zu halten. Für komplexe Bauteile, und besonders für die Auslegung von Kunststoffbauteilen mit Einlegeteilen, entsprechen diese Vereinfachungen aber nicht dem Stand der Technik. Der Einsatz solcher Simulationstechniken in solchen Fällen hat häufig zu negativen Erfahrungen geführt, die letztendlich die allgemeinen Ansprüche an Spritzgießsimulationssoftware relativ gering halten.

Heute werden einfache Simulationen in der Regel nach der „Coloured-Picture“-Philosophie durchgeführt. Das Füllverhalten wird analysiert, grobe Abschätzungen werden durchgeführt. Die reale Bauteil-, Werkzeug- und Prozessoptimierung findet immer noch –nach einem iterativen Prozess – erst am Stahl statt. Im 3D-prozessorientierten Ansatz werden neben der Bauteilgeometrie alle relevanten Einflüsse wie Werkzeugkomponente und -werkstoffe, Temperierkonzepte und -medien, Heißkanäle und tatsächliche Prozessführung physikalisch erfasst und in die Simulation integriert.

Die von Sigmasoft durchgängig genutzte „Finite-Volume-Methode“ ermöglicht laut Unternehmen in jeder Phase des Produktentstehungsprozesses eine schnelle und einfache Integration aller verfügbaren geometrie- und prozessrelevanten Einflussfaktoren mit minimaler Interaktion des Software-Anwenders, zumeist des Werkzeugkonstrukteurs. Die Vernetzung des erzeugten Simulationsmodells geschehe automatisch, ohne Nacharbeit, und biete damit einen deutlichen Produktivitätsvorteil für den Anwender.

Mit dem so erzeugten Simulationsmodell werden thermische Werkzeuganalysen durchgeführt, als Grundlage zur bauteilbezogenen Werkzeugoptimierung und Minimierung der Zykluszeit. Aussagen zur Effizienz des gewählten Temperierkonzeptes unter energetischen Gesichtspunkten sind so ebenfalls im Detail möglich. Darüber hinaus können Auswerferkräfte bei der Entformung definiert, und die Auswirkungen nachgelagerter Temperierprozesse, beispielsweise Lackierung oder Galvanisierung, auf die Spannungsverteilung und Maßhaltigkeit im Bauteil analysiert werden.

Sowohl Kunststoffbauteile als auch Werkzeuge werden heute typischerweise komplett in 3D-Softwaresystemen konzipiert. Deswegen liegen die Informationen über Geometrie und Eigenschaften aller Komponenten, die für das Spritzgießen von Bedeutung sind, in der Regel in 3D-Modellen vor. Dabei sind nicht alle Werkzeugelemente von Anfang an verfügbar, aber nach und nach, mit zunehmendem Detaillierungsgrad der Entwicklung, werden mehr und mehr Informationen generiert und können nachträglich im Modell aufgenommen werden.

3D-Betrachtung des gesamten Werkzeugs

Leider geht die vollständige 3D-Information des CAD Systems in der konventionellen Simulationssoftware häufig verloren, da sie aufgrund der Hele-Shaw Vereinfachungen auf Schalelementen reduziert wird. Ein Grund für diese Vereinfachungen liegt in den Vernetzungsalgorithmen. Es ist eine Herausforderung, eine komplexe 3D-Geometrie komplett zu vernetzen, und dabei die Konsistenz zwischen allen Komponenten wie Kavität, Werkzeugplatten, Schieber, Temperierkanäle und anderen zu erhalten. Normalerweise ist eine manuelle Nacharbeitung erforderlich, und damit ist die Vernetzung nicht effizient. Spritzgießsimulationssoftware wird nach wie vor meist nur für die Bauteilauslegung verwendet – aufgrund des Aufwands der Netzerstellung für das gesamte Werkzeug.

Das bedeutet: Während der Bauteilauslegung verfügt der Konstrukteur über Geometrieinformationen für das Bauteil und die konventionelle Spritzgießsimulation kann in diesem Fall verwendet werden, um die erste Füllanalyse durchzuführen und damit Faktoren wie Bindenähte oder Verzug grob abzuschätzen. Während dieser Ansatz für großflächige Bauteile funktioniert, ist das Ergebnis für komplexe, dickwandige Bauteile fragwürdig, besonders wenn Einlegeteile integriert werden sollten. Wegen dieser erheblichen Vereinfachungen kann die Simulation von der Realität signifikant abweichen.

Das 3D-Fließverhalten kann anhand der 3D Navier-Stokes Gleichungen abgebildet werden. Dies ist natürlich sinnvoll, wenn die 3D-Geometrie verfügbar ist. Zusätzliche Ergebnisse, die aus einer 3D-Simulation entstehen, sind Freistrahleffekte, Blasenentstehung, Tracer-Partikel, 3D-Bindenähte über die Bauteildicke und Faserorientierung. Dazu ist die gesamte Schmelzehistorie verfügbar.

Der Füllvorgang ist genauer abgebildet, wenn lokale scherungsinduzierte Erwärmungen mitberechnet werden, die zum Beispiel von großer Bedeutung für die Bilanzierung von Angusssystemen sind. Gekoppelt mit einer Fließsimulation, kann die 3D-Wärmeübertragungssimulation die genauen lokalen und transienten Temperaturfelder im Bauteil, Werkzeug, Angusssystem und anderen Komponenten vorhersagen. Diese gekoppelte Simulation ist wichtig, um den Einfluss des Werkzeugs auf die Rheologie des Kunststoffs bezogen auf die Angusssystembilanzierung, Erstarrung, Verzug, Einfallstellen und andere Parameter zu evaluieren, aber auch um Temperierungsansätze, wie Konturnahkühlung, Kupferstifte und Isolierungen im Werkzeug zu bewerten.

Mit der Multi-Zyklussimulation an die Realität

Ist man in der Lage ein gesamtes Werkzeug in der Simulation zu modellieren, ist es nicht länger sinnvoll, ausschließlich einen Spritzguss-Zyklus zu berechnen. Das Potenzial der prozessorientierten Simulation liegt darin, über die Simulation mehrerer aufeinander folgender Spritzgießzyklen den thermisch-rheologischen Zustand des Werkzeugs im tatsächlichen Produktionsbetrieb zu bestimmen. Um diese Produktionsbedingungen zu erreichen, wird das Aufheizen des Werkzeugs über mehrere komplette Zyklen (Werkzeug schließen, Einspritzen, Abkühlen, Werkzeug öffnen, Entformen, Werkzeug schließen, …) simuliert und der Energieein- und -austrag der unterschiedlichen Komponenten berechnet.

Damit ist es beispielsweise möglich zu bestimmen, wie viele Anfahrzyklen beim Anfahren des Werkzeugs oder bei Produktionsunterbrechungen benötigt werden, um wieder einen stationären Zustand zu erreichen. Ein einfacher Ansatz, um Ausschuss zu minimieren. Auf diese Weise wird auch die tatsächliche Performance des gewählten Temperiersystems deutlich und kann hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, Artikelqualität und Energieeffizienz bewertet werden, wie das nachfolgende Praxisbeispiel beschreibt.

Auslegung der Temperierung – ein Beispiel

Nachfolgend wird ein Praxisbeispiel beschrieben, dass das Potenzial der prozessorientierten Spritzgießsimulation anhand der Auswahl eines Temperierungskonzepts aufzeigt. Für das Bauteil in Bild 2 wurden eine Füllsimulation durchgeführt und unterschiedliche Fragen hinsichtlich der Werkzeugtemperierung gestellt. Die Geometrie dieses Produkts ist sehr komplex, es weist mehrere Masseanhäufungen und sprunghafte Änderungen der Dicke auf. Deswegen wurde das Entwicklungsteam mit der Frage konfrontiert, ob eine einfache Temperierung in diesem Fall für das Abkühlen ausreichend ist, oder ob dazu eine Konturnahtemperierung in Frage kommt. Das Abkühlverhalten der Kerne im Werkzeug war besonders wichtig.

Zwei Temperierungsvarianten wurden somit verglichen. Im ersten Schritt wurde eine Standardkühlung wie in Bild 3 auf der linken Seite dargestellt als Prozesssimulation mit Sigmasoft ausgewertet. Ziel war es, das thermische Verhalten des Werkzeugs besser zu verstehen, und „problematische“ Stellen, die die Zykluszeit verlängern könnten, zu finden. Das Temperierungsmedium wurde mit 95 Grad Celsius angenommen.

Bild 3 zeigt auf der rechten Seite die Temperaturverteilung in einer Werkzeughälfte der Kavität. Diese Temperaturverteilung wurde nach 22 Zyklen berechnet, so dass das Werkzeug einen quasistationären Zustand erreicht hat. Das Bild zeigt eindeutig, dass die Oberflächentemperatur an manchen Stellen deutlich über 140 Grad Celsius liegt, auch wenn die Zieltemperatur des Werkzeugs 95 Grad Celsius war. Die heiße Kunststoffschmelze erhitzt diese Zonen, und die Temperierung ist unzureichend. Die hohen Temperaturen werden zu Qualitätsproblemen führen. Außerdem ist die Temperatur extrem inhomogen über die gesamte Kavität, mit Gradienten von bis zu 60 Grad Celsius. Aus diesen Beobachtungen lässt sich schließen, dass weder die gewünschte Dimensionierung noch eine wirtschaftliche Zykluszeit mit diesem Temperierungskonzept zu erreichen ist.

Im Bild 4 ist auf der linken Seite die zweite Auslegungsvariante der Werkzeugtemperierung dargestellt. Einerseits wurden unterschiedliche Steigbohrungen in das Kühlsystem integriert, anderseits wurden eine Konturnahtemperierung und Kupferstifte eingebracht. Die Wirkung zeigt die rechte Hälfte des Bildes 4: Wieder wird die Temperatur in der Kavität nach 22 Zyklen betrachtet. Die Temperaturverteilung ist in diesem Fall deutlich homogener, und die Temperatur in den Werkzeugkernen niedriger. Da die Temperaturgradienten signifikant gesenkt wurden, ergibt sich eine gleichmäßigere Schwindung des Bauteils.

Was die Simulation in der Praxis bringt

Bei der Entwicklung von Spritzgussteilen werden Simulationsprogramme eingesetzt, die – gestützt auf empirische Werte und mathematische Modelle – das Füllen des Werkzeugs, die Nachdruck- und die Abkühlphase bis zur Entformung sowie den Verzug des Bauteils berechnen können. Klar ist aber, dass nur dann richtige oder „toleranzarme“ Vorhersagen getroffen werden können, wenn neben der CAD-Bauteilgeometrie alle relevanten Einflussfaktoren auf Werkzeug, Heißkanal und Prozessführung physikalisch exakt erfasst und in die Berechnung integriert werden. Hoher Modellierungsaufwand und Simplifizierungen bei konventionellen Simulationsprogrammen erschweren jedoch diese Integration oder machen sie unmöglich. Die hier durchgängig genutzte „Finite-Volumen-Methode“ soll in jeder Phase des Produktentwicklungszyklus die schnelle und einfache Integration aller verfügbaren geometrie- und prozessrelevanten Einflussfaktoren ermöglichen. Die Vernetzung des erzeugten Simulationsmodells geschieht automatisch, ohne Nacharbeit, und bietet damit einen deutlichen Produktivitätsvorteil bei hohem Durchsatz.

Die Spritzgießsimulation dieser Art ist nicht mehr nur auf die Phase der Artikelentwicklung begrenzt, sondern kann darüber hinaus nachfolgende Entwicklungsphasen aussagekräftig begleiten, und mit detaillierten Information viele Entscheidungsfindungen während der Werkzeugentwicklung, Abmusterung, Identifikation von Prozessfenstern und des Trouble Shootings in der Produktion unterstützen. Das Anwendungsbeispiel zeigt, wie auf Basis einer ganzheitlichen Ergebnisbetrachtung der Einsatz einer konturnahen Kühlung quantitativ analysiert und frühzeitig bewertet werden kann, ob sich die Mehrkosten lohnen.