Digitalisierung

Annina Schopen,

3D-Simulation in der Heißkanaltechnik

Die Spritzguss-Simulation gehört heute zur gängigen Praxis des Werkzeug- und Formenbaus. So können Schwachstellen erkannt und zudem festgestellt werden, welche Veränderungen sich positiv auf den gesamten Spritzgussprozess auswirken. Zuweilen wird aber bei der Simulation das Heißkanalsystem vernachlässigt.

„Wir können durch die thermischen Berechnungen unserer Verteilersysteme ein ungleichmäßiges Füllen von Kavitäten aufgrund von Hotspots oder zu kalten Bereichen ausschließen“, erklärt Marco Kwiatkowski. © Günther Heisskanaltechnik

Praktiker wissen, dass der Heißkanal, seine Komponenten und die Regelung, den realen Spritzgussprozess sowie die Artikeleigenschaften beeinflussen. Eine Simulation mit Berücksichtigung des Heißkanalsystems kann daher realistische Ergebnisse zum Füllbild, Druckbedarf und der Temperaturverteilung im Werkzeug liefern.

Konsequenter Einsatz von Simulationstools

Dass der Heißkanal ein entscheidender Faktor für die Temperaturverteilung im Werkzeug ist, lässt sich nicht bestreiten. Daher ist es wichtig, Hotspots und Coldspots bei der Entwicklung von Heißkanalsystemen zu vermeiden und eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Heißkanalsystem sowie im Werkzeug zu gewährleisten. Durch die Geometrie des Schmelzekanals im Heißkanal wird auch das Füllverhalten der Kavitäten beeinflusst und durch die Schererwärmung sowie durch Druckverluste zudem die Qualität des zu spritzenden Produktes.

Auch Günther Heisskanaltechnik aus Frankenberg setzt auf den Einsatz von Simulationssoftware, wie Sigmasoft Virtual Molding, um bereits in der Auslegungsphase von Heißkanalsystemen frühzeitig mögliche Fehlerquellen detektieren zu können. Neben der wärmetechnischen Betrachtung der Verteilerbalken und Heißkanaldüsen führt man in Frankenberg auch Füllbetrachtungen (Füllung, Verzug, Bindenaht) sowie Druckverlust- und Scherberechnungen in Heißkanalsystemen durch. Die Qualität der Heiß- und Kaltkanalsysteme des Unternehmens ist nicht zuletzt auch auf diesen konsequenten Einsatz von Simulationstools zurückzuführen, da sie sowohl bei der Entwicklung von neuen Lösungen eine wichtige Rolle spielen als auch bei der Optimierung von Spritzgießprozessen und zur Untersuchung von Energieeinsparpotenzialen.

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Aufbau eines Verteilers inkl. Düsen eines 2fach-Systems. © Günther Heisskanaltechnik

„Thermisch und rheologisch simulierte Heißkanäle können bei unseren Kunden direkt im Werkzeug verbaut werden und ermöglichen eine kontinuierliche sowie schonende Verarbeitung der Schmelze, dank eines gleichmäßigen Temperaturverlaufs von der Anschlussdüse über den Verteiler und die Heißkanaldüse bis hin zur Kavität. Auch können wir durch die thermischen Berechnungen unserer Verteilersysteme ein ungleichmäßiges Füllen von Kavitäten aufgrund von Hotspots oder zu kalten Bereichen ausschließen“, erklärt Marco Kwiatkowski, Prokurist und Abteilungsleiter Produktion und Entwicklung Dickschicht. „Wir setzen die Simulation zum Beispiel ein, um herauszufinden, an welchen Stellen es bei einem Verteiler und den Düsen eines Systems unerwünschte hohe Wärmeübergänge gibt.“

Geometrien und Materialien des Heißkanals berücksichtigen

Um eine realistische Berechnung der Temperaturverteilung in Werkzeugen mit Heißkanal zu erhalten, müssen in der Spritzgießsimulation neben den Werkzeugkomponenten auch alle Geometrien und Materialien des Heißkanals berücksichtigt werden. Denn nur der korrekt berechnete thermische Zustand des gesamten Werkzeugs ermöglicht eine wirklichkeitsgetreue Aussage über die thermischen Wechselwirkungen im Werkzeug. Schmelzekanäle von offenen Heißkanaldüsen von Günther sind für Anwender von Sigmasoft direkt im Simulationsprogramm parametrisiert enthalten. Ferner besteht auch die Möglichkeit, Schmelzekanäle für Simulationen bei Günther anzufragen und diese kostenlos zu erhalten. Dementsprechend wird bei einer Füllsimulation auch die Scherung und der Druckverlust im Heißkanalsystem mit einbezogen.

„In unserem Beispiel werden die Leistungen der Verteilerheizung (1300 Watt) und der Düsenheizung (315 Watt) berücksichtigt. Mit Einfließen muss auch die Tatsache, dass Zentrierring, Drückstücke und der vordere Düsenschaft aus einer speziellen Titanlegierung mit geringer Wärmeleitfähigkeit von nur 7 W/mK bestehen. Nutzt man diese Informationen geschickt, kann die Simulation den Wärmeeintrag des Heißkanals in das Werkzeug über die Kontaktflächen ausreichend genau abbilden. Die Vorhersagequalität der Simulation wird so deutlich besser. In unserem Beispiel zeigt sich, dass die Wärme über die Druckstücke, den Zentrierring und die Düsenköpfe in das Werkzeug abgeführt wird.“

Ergebnisse der Simulation Verteiler/Düsen des 2fach-Systems. © Günther Heisskanaltechnik

Um die Berechnungsergebnisse verifizieren zu können, hat Günther in diesem Beispiel den Wärmeübergang über 14 Messstellen am Verteiler messtechnisch analysiert. Vergleicht man die beiden Ergebnisse, stellt man im wichtigen Umfeld der Kavität sehr ähnliche Temperaturen fest. „Es ergab sich ein Temperaturunterschied zwischen Berechnungen und Realität von max. ±3 °C. Das belegt die Genauigkeit der Simulation“, erläutert Kwiatkowski. „Dabei zeigen sich aber auch die hervorragenden Eigenschaften des zweigeteilten Schafts unserer Heißkanaldüsen, wodurch die Wärmeverluste zwischen Heißkanaldüse und Kavität auf ein Minimum reduziert werden. Durch die thermische Trennung wird der Wärmeverlust der Düse so reduziert, dass eine konstante Temperaturführung in der Heißkanaldüse möglich ist und eine unerwünschte Temperaturüberhöhung vermieden wird. Weiterhin kann durch den Einsatz des zweigeteilten Schaftes und der Dichtschichttechnologie der Energieeinsatz um bis zu 50 Prozent reduziert werden.“

Den kompletten Prozess abbilden

Ab einem bestimmten Komplexitätsgrad des Werkzeuges nutzen Kunststoffverarbeiter und Werkzeugbauer Simulationen, um sich schwerpunktmäßig mit dem Füllverhalten und der Schwindungs- und Verzugsberechnung des Bauteils zu beschäftigen. Aber eine zuverlässige Vorhersage des Füllverhaltens sowie Schwindung und Verzug ist nur unter Betrachtung aller relevanten Faktoren möglich. „Es sollten keine Annahmen gemacht werden, sondern der komplette Prozess muss genau abgebildet werden, sogar über mehrere Produktionszyklen hinweg“, gibt Kwiatkowski zu Bedenken. „Dies umfasst nicht nur die Phasen Füllen, Nachdruck und Erstarrung, sondern auch die Nebenzeiten zwischen den Zyklen (Zeit zum Öffnen und Schließen des Werkzeugs sowie zur Entformung des Bauteils).“ Damit werden alle Einflüsse auf die Bauteiltemperatur, die Erstarrung und prozessbedingten Eigenspannungen und damit letztendlich die Faktoren, die die Bauteilverformung beeinflussen, berücksichtigt.

Um seine Kunden dabei zu unterstützen, die einzelnen Komponenten eines neuen Werkzeuges auszulegen und aufeinander abzustimmen, verwendet Günther auch Sigmasoft Virtual Molding für Füllsimulationen. Eine Füllsimulation hilft, Formteil-Geometrien und Prozessparameter zu optimieren. Schwachstellen, wie Bindenähte oder Lufteinschlüsse, lassen sich so gut erkennen und durch Änderung der Angussposition sowie der Angussart oder der Formteilgeometrie noch vor dem Werkzeugbau beseitigen. Um darüber hinaus die Effizienz des Produktionsprozesses zu steigern, lässt sich auch die maximal auftretende Scherung beim Einspritzen in die Kavität untersuchen. Natürlich lässt sich auch die bevorzugte Kavitätenfüllung im Heißkanal-Verteiler simulieren.

Da auch die Scherung beim Umlenken der Schmelze im Heißkanal in Mehrfachsystemen zu Füllunterschieden führt, setzt Günther hier ebenfalls das Simulationstool ein. „Die Beispiele für den Einsatz einer 3D-Simulation ließe sich beliebig fortsetzen,“ erläutert Kwiatkowski. „Zwei Dinge sind für die Fertigungsqualität eines Formteils entscheidend: ein thermisch homogener Wärmehaushalt des Werkzeugs und ein einwandfreies Füllverhalten. Füllprozesse im Vorfeld des Werkzeugbaus zu simulieren, macht hier absolut Sinn und sind heute fast Standard.“

Wirtschaftliche Effekte dank Simulation

Zusammenfassend kann man sagen, dass der wirtschaftliche Effekt am größten ist, wenn die thermische Werkzeugauslegung und die Füllsimulation, vor dem Werkzeugbau eingesetzt wird. Temperaturdifferenzen an der Formteiloberfläche können durch unterschiedlich gekühlte Werkzeugbereiche – positionierte oder konturangepasste Kühlkanäle – verringert werden. Eine verbesserte Kühlleistung oder auch Heizleistung, die richtige Positionierung der Kühlung, notwendige Werkzeugmaterialien und ein optimierter Energieeinsatz zeigen oftmals schon Effekte, die sich auch auf die Wirtschaftlichkeit auswirken.

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