Optimierte Simulation

Festo kombiniert von Messtechnik und Spritzgießsimulation

Der Formenbau des Unternehmens Festo Polymer erhielt 2017 den Preis „Werkzeugbau des Jahres“ in der Kategorie Interner Werkzeugbau unter 50 Mitarbeiter. Das ist auch ein Verdienst der Optimierungsstrategie in der Spritzgießsimulation und in der entsprechenden Mitarbeiterausbildung.

Komplexe Kunststoffbauteile verlangen in der Simulation häufig das Berücksichtigen zusätzlicher Parameter, um den realen Ergebnissen nahe zu kommen. © Festo

Seit mehr als 60 Jahren ist das 1925 gegründete Familienunternehmen Festo mit Sitz in Esslingen Impulsgeber in der Automatisierung. Zudem bietet das Unternehmen ein nach eigenen Angaben einzigartiges Programm für die technische Aus- und Weiterbildung an. 300 000 Kunden werden als weltweite Klientel genannt. In den 1950er Jahren setzte Festo als erstes Unternehmen in Europa Druckluft als Antriebsmedium in der Automatisierung ein. Heute bietet das Unternehmen für die pneumatische und elektrische Automatisierungstechnik über 30 000 Produkte und Systemlösungen, aus denen mit variantenreichen Baukastensystemen kundenspezifische Applikationen für die verschiedenen Branchen der Fabrik- und Prozessindustrie hergestellt werden können, an. Die Festo Polymer GmbH ist Teil der Festo Gruppe und stellt seine Kompetenz in den Bereichen Simulation und Spritzguss global zur Verfügung.

In den letzten Jahren hat Festo viel unternommen, um die hohen Qualitätsansprüche an seine Kunststoffbauteile prozesssicher zu realisieren. Dazu gehört die Implementierung einer zentralen Stelle, die neben Materialfragen und Bauteiloptimierungen auch Spritzgießsimulationen auf hohem Niveau global als Dienstleistungen für die Entwicklung und den internen Formenbau anbietet. Innerhalb dieser Abteilung soll jedes Spritzgussteil simuliert und – als finale Stelle – auch bewertet werden, unabhängig ob es danach intern oder extern gefertigt wird.

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Bildung eines typischen Bezugssystems. © Festo

Simulation näher an die Realität bringen
Das Zusammenwirken verschiedener Maßnahmen, wie Ergebnisabgleich zwischen Simulation und Realität, Bewertung von Materialdaten nach Belastbarkeit und das Nachrechnen von Einstellungen, führte zu einem Qualitätssprung bei den gefertigten Teilen. Jedoch stagnierten die Bemühungen, die Simulation mit den dimensionellen Ergebnissen der Erstmusterprüfberichte (EMBP) vorherzusagen. Das Ziel Bauteilmaße und Ortsabweichungen in der Simulation zu 95 Prozent richtig vorherzusagen, wurde nicht erreicht, sondern die belastbaren Vorhersagen stabilisierten sich bei etwa 80 bis 85 Prozent. Es schien eine „magische nicht überschreitbare“ Grenze zu geben.

Messtechnologie berücksichtigen
Die bisherigen Ergebnisse führten zu der Schlussfolgerung, dass es einen sys­tematischen „Fehler“ gibt, der bisher in der Bewertung der Simulationsergebnisse noch unberücksichtigt blieb. Deswegen wurde die Suche nach möglichen Gründen auch auf die zeitlich spätere Messtechnik und -strategie ausgedehnt. Es wurden dabei die Möglichkeiten und Grenzen der Auswertung und die Einflüsse von Auswertestrategien in den jeweiligen Prozessen untersucht. Die Ergebnisse dieser Validierung ergaben einige wichtige, zu beachtende Aspekte.

Lage und Ausrichtung des Bezugssystems sinnvoll anpassen. © Festo

Die GPS-Normen (Global Produkt Spezifikation) ISO 8015 und ISO 1101 definieren, in welchen Fällen ein Maß oder eine geometrische Tolerierung anzuwenden ist. Lage und Form jedes Formelements müssen toleriert werden und es sind nur noch Zweipunktmaße erlaubt. Eine weitere Forderung ist es das Spritzgussteil im Raum eindeutig zu definieren.

Bei den Formabweichungen stimmen die Ergebnisse zwischen Simulation und Messtechnik gut überein. Lagetoleranzen erfasst die Messtechnik auf Basis des Vergleiches der realen und der verformten Geometrie in einem eindeutigen Bezugssystem. Für dessen Ausrichtung und Lage werden die Bezüge definiert und zu diesen die Lage der Formelemente ermittelt. Je nach Art der geforderten Lagetoleranz kommen unterschiedliche Auswerteverfahren und Filter zum Einsatz.

Links: Vergleich CT-Scan mit CAD auf Basis des alten Bezugssystems. Rechts: Vergleich CT-Scan mit CAD auf Basis des neuen Bezugssystems. © Festo

Der gleiche Ablauf konnte bisher nur sehr begrenzt innerhalb der Simulationssoftware modelliert werden, weil die Simulationslösungen hierfür keine entsprechenden Umsetzungen oder Befehle für die normgerechte Definition von Bezügen und Bezugssystemen am verformten Simulationsmodell innerhalb des Postprocessings bereitstellen. Deswegen wurden auf Basis dieser Erkenntnis die verformten Simulationsmodelle in einer messtechnischen 3D-Software, analog zu den realen Bauteilen, ausgewertet. Das Ergebnis dieser Auswertung zeigte, dass dann die Simulationsergebnisse sehr gut der späteren Realität entsprechen.

Gleichzeitig zeigt dies aber auch, dass die Messtechnik frühzeitig in die Bewertung der Verzugsergebnisse eingebunden werden muss und sie zu einem wichtigen Bestandteil der Kommunikationsmatrix wird.

Links: Best-fit Auswertung – Bauteil ohne Auffälligkeiten. Rechts: Fehlfarbenvergleich mit Bezugssystem (1: Fläche außerhalb der Toleranz, 2: deutliche Formabweichung). © Festo

Aus dieser Erkenntnis ergeben sich für die Auswertung der Simulation neue und wichtige Fragen:

  • Welche geometrische Abweichung ist in den gewählten Bezugsstellen zu erwarten, z.B. Verzug, Einfall, Bindenähte? Welchen Einfluss haben diese Abweichungen auf die Bauteilfunktion?
  • Sind die gewählten Elemente stabil und eindeutig oder können sie noch deutlich verbessert werden?
  • Welchen Einfluss haben verschiedene Auswerteverfahren auf die Bezugsbildung?
  • Welche Empfehlungen für ein stabileres Bezugssystem kann man an die Konstruktion geben?
Links: Bezugselemente nach Zeichnungsspezifikation. Mitte: Werkzeuglayout und Klassifizierung der Flächen (werkzeuggebunden/werkzeugungebunden). Rechts: Stabilisierung vom Bezugssystem über werkzeuggebundene Flächen. © Festo

Workflows verändern – das Beispiel
Einige dieser Erkenntnisse haben den bisherigen „best-practise-Workflow“ als fehlerträchtig entlarvt. Darunter fällt die Annahme, der Ursprung eines Bezugssystems sei ein unveränderlicher Ort, der sich durch Verzug und Schwindung des Formteiles nicht verändern würde und man könne für eine Auswertung das CAD-Koordinatensystem direkt in die Simulation übernehmen. Am Beispiel eines Deckels mit den Abmessungen 80 × 120 × 40 Millimeter wird das gezeigt. An diesem Bauteil erfolgt die Bildung des Bezugssys­tems (CAD_2_A-B-B) über ein M12 Steckgesicht (Zylinder CAD_M12_A) und zwei Zentrierdome (L_PCB_FIX als Bezug B-B). Ein Vergleich des Nullpunktes des Bezugssystems A|B-B zwischen CAD und dem verformten Simulationsmodell zeigt, dass der Ursprung sich um etwa 0,5 Millimeter verschiebt und das Bezugssystem sich zusätzlich um alle Achsen verdreht, damit ergibt sich eine sys­tematische Abweichung, die aus der Translation und einer mehrachsigen Rotation des Bezugskoordinatensystems resultiert.

Bei dem Deckel wurde das Bezugssystem in der Simulation auf seine Stabilität hin bewertet und es erwies sich als zu instabil, um die spätere Qualität des Bauteils belastbar zu bewerten. Deswegen wurde zusammen mit der Messtechnik ein neues Bezugssystem definiert und dieses danach anhand der Simulationsdaten validiert. Die neuen Referenzelemente verringerten deutlich den translatorischen Versatz zum Nullpunkt des CAD-Koordinatensystems und die Auswertung der späteren Musterteile (CT-Daten) stimmten sehr gut mit dem CAD-Daten überein.

Verzugsanalyse – Wahl der Bezugsebenen und -stellen. © Festo

Am nächsten Bauteil werden die Punkte „best-fit“ zu Bezugssystem und Optimierung der Bezüge auf Basis der Simulationsergebnisse und Werkzeuglayout beschrieben. Typischerweise zieht man die Fehlfarbenanalyse von dem verformten Simulationsmodell für die Werkzeugoptimierung und zur Abschätzung der Spezifikationserfüllung zu Rate. Dieses „best-fit“ Ergebnis kann jedoch von der Auswertung mit Bezugssystem erheblich abweichen. Berücksichtigt man bei der Validierung der Referenzflächen ferner noch das spätere Werkzeugkonzept, zeigt sich, dass dieses die Bezugselemente nachteilig beeinflusst. In diesem Fall ist erkennbar, dass die gewählten Zylinderflächen, die sich in Schieber befinden, anfällig für Ungenauigkeiten, Werkzeugverschleiß, Formversatz bzw. Gratbildung sind, dieses zusammen reduziert die Stabilität vom Bezugssystem. An diesem Bauteil wurden die Bezüge folgerichtig auf die werkzeuggebundenen Innenbereiche (Kerne) verlegt und damit wurde eine stabilere Bezugsbildung erreicht.

Nicht nur Formtrennung und Verzug haben Einfluss auf die Bezugsbildung, sondern auch materialspezifische und prozessbedingte Einflüsse wie Bindenäht, Fasergehalt und -orientierung, sowie Einfallstellen. Beim nächsten Bauteil handelt es sich um einen Ring, der aus einem Material mit 33 Prozent Kohlefaser besteht, und dreifach heiß angebunden wird. Das Bezugssystem besteht aus zwei Bezügen, die Auflagefläche als Bezug A und dem Innenzylinder als Bezug B, der über vier Bezugsstellen definiert wird. In der Verzugsanalyse ist zu erkennen, dass die Auflagefläche sich verformt und somit die Richtung der Achse B kippt. Die Lage des Mittelpunktes wird durch die unterschiedlichen lokalen Konturen im Bereich der Bezugsstellen – innerhalb und außerhalb der Bindenäht – stark beeinflusst. Die Bezugsachse B wird durch die Lage der Bezugsstellen aus der Zylindermitte bewegt. Dieses vergleichsweise einfache Bauteil ist ein gutes Beispiel dafür wie schwierig korrektive Gegenmaßnahmen sind, wenn das Bezugssystem rotationssymmetrisch ist, das Bauteil, aber aufgrund seiner Anbindung sich nicht mehr rotationssymmetrisch verhält.

Verknüpfung Messtechnik – Spritzgießsimulation
Die Verknüpfung der Messtechnik mit der Spritzgießsimulation erweitert sowohl den bisherigen Blickwinkel auf neue Fragestellungen, und erhöht durch einen besseren Abgleich die dimensionelle simulative Belastbarkeit. Die Möglichkeit, auf durchgängige Softwaretools (z.B. Gom und Moldex3D) aufzubauen, erleichtert die internen Kommunikationsabläufe und verhindert Unstetigkeit in der Ergebnisinterpretation. Eine Harmonisierung der Abläufe zwischen Messtechnik und Simulation ermöglicht es dann in sehr frühen Projektphasen quantifizierbare Aussagen über die spätere Produktqualität zu treffen und frühzeitig geeignete Optimierungen und Maßnahmen einzuleiten. Festo hat die Verknüpfung der beiden Aufgabenfelder mit in die internen Abläufe aufgenommen.

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