Computertomographie in der Praxis

Mit weniger Iterationen zum perfekten Spritzgießwerkzeug

Fünf bis zehn Werkzeuganpassungen sind in der Kunststoffbranche nach wie vor eher die Regel als die Ausnahme auf dem Weg hin zum perfekten Spritzgießwerkzeug. Ein Aufwand, den Unternehmen laut Zeiss mit dem Reverse Engineering (ZRE) und Einsatz von Computertomographen (CT) mindestens halbieren können. Ein Vorteil, der nicht nur die Entwicklungskosten reduziert. Er eröffne Unternehmen vor allem die Chance, deutlich früher mit der Produktion zu starten.

Iterationsschleifen bei der Werkzeugkorrektur drastisch reduzieren – das senkt die Kosten und spart Zeit bis zum Produktionsanlauf. © Zeiss

Beim Erkalten von Kunststoffen entstehen Volumenkontraktionen durch Schrumpfen und Schwinden. Um die im CAD-Modell vorgegebenen, immer enger gesetzten Toleranzen von Bauteilen trotzdem einhalten zu können, müssen diese Schwindmaße bei der Entwicklung der Spritzgießformen berücksichtigt werden. Bis zu zehn Werkzeuganpassungen sind deshalb bei vielen Unternehmen nach wie vor üblich. Pro Iterationsschleife fallen zahlreiche Arbeitsschritte, wie das Auseinanderbauen des Werkzeugs, das Messen der Bauteile, die Interpretation der Ergebnisse, die Re-Konstruktion im CAD-Modell, die erneute Fertigung und Anpassung des Werkzeugs, an. Bis das perfekte Werkzeug auf der Maschine sitzt, vergehen so nach Erfahrung von Marius Häusele, Produktmanager Metrology Application Software Unternehmensbereich Zeiss Industrial Metrology, in der Regel mehrere Monate.

Dank Software schneller in die Produktion
Die Erfahrungen der Anwender mit ZRE seien dagegen eindeutig: Statt sieben, sechs oder fünf Werkzeuganpassungen brauchen sie laut Unternehmen nur zwei oder nur eine Iterationsschleife. Die Kostenvorteile seien dementsprechend hoch: Fallen vier Werkzeugkorrekturen weg, sinken die Projektkosten erfahrungsgemäß um mindestens 40 000 Euro häufig sogar 60 000 Euro. Doch die finanziellen Einsparungen seien längst nicht „der größte Vorteil“, so Marius Häusele. Was ihre Wettbewerbsfähigkeit noch viel nachhaltiger stärkt: „Sie kommen mit ZRE schneller in die Produktion.“

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Der Kunststoffverarbeiter Horst Scholz GmbH beispielsweise entwickelte mit ZRE ein Spritzgießwerkzeug für ein medizinisches Produkt so schnell und präzise, dass er fünf Monate früher als üblich mit der Fertigung starten konnte. So komme ein weiterer seiner Kunden, der trotz Simulationssoftware im Schnitt fünf Iterationen brauchte, mit ZRE nun mit zwei Iterationen zum perfekten Werkzeug. Der Produktionsstart sei bei diesem Kunden jetzt drei Monate früher möglich. Aber für Marius Häusele sprechen nicht nur die zeitlichen und finanziellen Einsparungen für den Einsatz von ZRE. „Wir haben auch Kunden, die die geforderten Toleranzen nur noch mit ZRE erreichen können“.

Die eingefärbten Bauteilflächen sind relevant für die Dichtigkeit und entsprechen noch nicht den vorgegebenen Toleranzen. Das Spritzgießwerkzeug muss daher entsprechend korrigiert werden. © Zeiss

Schneller und effizienter werden Konstrukteure bei der Werkzeugkorrektur mit ZRE, weil viele zeitaufwändige Arbeiten wegfallen, etwa das Bestimmen einer großen Anzahl von Antastpunkten für die spätere KMG-Messung der ersten Testteile. Zudem müssten sie die erfassten Werte ohne ZRE händisch in eine Exceldatei eingeben und dort mit den Soll-Daten des CAD-Modells vergleichen. Anschließend stehen sie vor der Aufgabe, die einzelnen Abweichungen zeitaufwändig in das CAD-Modell zu „zupfen“.

Ein sehr fehlerbehaftetes Vorgehen, auch weil in der Regel nur wenige Abweichungspunkte erfasst oder korrigiert werden. Das erklärt, warum sich Konstrukteure lange Zeit über viele Korrekturschleifen an das Optimum herantasten müssen. Die Werkzeugkorrektur mit ZRE mache es Anwendern dagegen deutlich einfacher: Zunächst werden präzise Ist-Daten der Testteile erfasst. Theoretisch können die Daten mit optischen Sensoren oder einem KMG generiert werden, doch mit einem messenden CT können 3D-Daten umfassender und teils schneller erfasst werden. Dies sei vor allem bei komplexen Strukturen von Vorteil, da der CT auch innenliegende Strukturen sichtbar macht, die für einen 3D-Scanner oder ein KMG nicht zugänglich sind.

Nach Korrektur des Werkzeugs mit ZRE liegen die überarbeiteten Flächen des Bauteils komplett im – sprichwörtlich – grünen Bereich © Zeiss

Expertise bleibt gefragt
Die aufgenommene Punktewolke oder das Polygonnetz wird in ZRE importiert – wie auch das CAD-Modell des Werkzeugs und das des Produkts. Anschließend wird in definierten Bereichen eine Soll-Ist-Analyse durchgeführt. Sie gibt den Hinweis, wie die abweichenden Punkte invertiert und auf das CAD-Modell des Werkzeugs übertragen werden. Mit der Funktion der Flächenrückführung wird eine neue Fläche an die korrigierten Punkte angenähert und wieder ins ursprüngliche CAD-Modell eingepasst. So sind keine aufwändigen Verschneidungen notwendig.

Im Unterschied zu anderen Lösungen entscheidet der Anwender in ZRE deshalb aufgrund seiner Expertise, welche Abweichungen zu welchem Wert in das Werkzeug übertragen werden sollen und markiert die entsprechenden Flächen im CAD-Modell. Im Idealfall liegt das mit dem korrigierten Werkzeug hergestellte Testteil dann sofort im vorgegebenen Toleranzbereich.

Doch auch wenn die Expertise des Konstrukteurs nach wie vor gefragt ist, mit ZRE kommen auch jene Entwickler schneller zum Ziel, die noch nicht über ein umfangreiches, materialtechnisches Erfahrungswissen verfügen. „Denn jetzt“, so Marius Häusele, „muss keiner mehr aus dem Bauch heraus entscheiden, jetzt stehen vielmehr sehr viele relevante Daten für die Werkzeugkorrektur zur Verfügung.“

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