Formenbau modern

Meinolf Droege,

Simulation der Kernverformung hilft bei Auswahl der Werkzeugmaterialien

Außer Verzugsvorhersagen über Kunststoffbauteile lassen sich auch Verschiebungen von Einlegeteilen sowie die Verformungen von Werkzeugteilen wie Kernen während des Spritzgießprozesses simulieren. Basierend auf dem unbalancierten Schmelzefluss in der Kavität und den mechanischen Eigenschaften der eingesetzten Werkstoffe wird hier die Verformung von Kernen aus zwei verschiedenen Werkzeugstählen im Vergleich gezeigt.

Simulativer Vergleich der Deformation von Kernen aus Wolframcarbid (links) und aus 1.4034 (rechts) am Ende des Einspritzens – unter konstanten Prozessbedingungen ist der Kern aus dem Material mit niedrigerem E-Modul am Ende des Füllens um das Dreifache verformt. © Sigma

Eine der wichtigsten Entscheidungen, die Werkzeugbauer tagtäglich bei ihren Planungen treffen müssen, ist, welcher Stahl für welche Werkzeuggeometrie eingesetzt wird, damit er entsprechend rechtzeitig bestellt werden kann. Egal ob es sich um die Wärmeleitfähigkeit des Kavitätseinsatzes, den Durchmesser der Auswerferstifte oder die mechanische Festigkeit des Werkzeugkerns handelt, Sigmasoft Virtual Molding soll die Entscheidungsfindung erleichtern.

In der Simulation werden alle Werkzeugmaterialien wie Stahlsorte und Isolierung unter Betrachtung ihrer thermischen und mechanischen Eigenschaften mitsimuliert. Auf Grundlage der thermischen Eigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit und spezifischer Wärmekapazität werden bei der Prozesssimulation beispielsweise die Aufheizphase und das Einschwingen des Werkzeugs innerhalb mehrerer Zyklen mit geringem Aufwand simuliert. Außerdem simuliert Sigmasoft – neben der Vorhersage von Schwindung und Verzug von Kunststoffbauteilen – auch die Verschiebung von Einlegeteilen, sowie die Kernverformung. Diese Berechnungen basieren auf eventuellen Unterschieden im Schmelzefluss während der Kavitätsfüllung (unbalanciertes Füllen) und auf den mechanischen Eigenschaften der genutzten Werkstoffe.

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Sigma Plastic Services simulierte in Zusammenarbeit mit den beiden lokalen Unternehmen, Cavaform und Crafts Technology, ein interessantes Projekt hinsichtlich der Kernverformung beim Einsatz zweier verschiedener Werkstoffe. Dabei geht es um ein 16-fach-Werkzeug zum Spritzgießen von Zentrifugenröhrchen. In diesem Werkzeug sind zur inneren Gestaltung des Röhrchens acht Kerne aus Wolframcarbid und acht Kerne aus 1.4034 (der sogenannte Schwedenstahl) nebeneinander eingebaut. Simulative Untersuchungen der Kavitätsfüllung zeigen ein unbalanciertes Fließen der Schmelze in der Kavität, die durch die unsymmetrische Schraubengeometrie im Deckelbereich des Röhrchens verursacht wird und sich ab einem Füllstand von etwa 85 Prozent zeigt. Aus diesem Ungleichgewicht ergibt sich eine Kraft, die zur Deformation des Kerns während des Füllvorgangs führt. Aufgrund des niedrigeren Elastizitätsmoduls des 1.4034, verformen sich die Kerne aus diesem Stahl um das Dreifache im Vergleich zur Verformung der Kerne aus Wolframcarbid.

Dies ist ein Fallbeispiel für eins von zahllosen Details im Spritzgießwerkzeug, das manchmal selbst von erfahrenen Werkzeugbauern übersehen wird. mit dem durchdachten Einsatz verschafft die Simulation einen detaillierten Einblick in den Spritzgießprozess. Fälle, wie das vorgestellte Beispiel, lassen sich mit vergleichsweise geringem Aufwand simulieren und dies rein auf der Grundlage thermophysikalischer und mechanischer Phänomene, die in der Simulationssoftware modelliert und hinterlegt sind. So werden Änderungen im Werkzeug im Vorfeld durchgespielt und bewertet und dies bereits, bevor die Werkzeugnormalien bestellt werden. Die Simulation liefert eine starke Entscheidungsbasis und unterstützt die Werkzeugauslegung vom Anfang an.

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