Simulation für Heißkanal

Frühzeitig das Spritzgießergebnis verbessern

Das Originaldesign von Kunststoffformteilen ist - vor allem, wenn der Verarbeiter zu spät ins Boot geholt wird - häufig nur bedingt für eine Serienproduktion geeignet. Probleme werden häufig erst an den Prototypen sichtbar und Korrekturen sind dann meist aufwändig. Dieser Zeit- und Kostenaufwand lässt sich vermeiden - mit der frühzeitige Simulationen und Zusammenarbeit aller Beteiligten.

Fließlinien auf dem Spritzling will niemand – es gilt die richtigen Werkzeuge zu nutzen. © Männer

Simulationen gehören im Vorfeld der Formenbaus inzwischen zur gängigen Praxis - fachgerecht eingesetzt mit entsprechenden Ergebnissen bei Time-to-Market und/oder Prozesskosten. Zeigen lässt sich das an einem Beispiel, in dem Heißkanalanbieter Männer und Formenbauer Foboha, beides Partnerunternehmen innerhalb der Barnes Gruppe, zusammenarbeiteten. Ausgangspunkt war die Neuauflage zweier Verschlussdeckel (Flip Top Caps). Beim ersten Cap ging es um den Einsatz eines neuen Kunststoffs, beim zweiten Cap sollte das bestehende Werkzeug erneuert und verbessert werden.

Rheologie verändert die Fertigung
Der Kunde hatte in einem Projekt-Kick-off alle Beteiligten an einem Tisch zusammengebracht und eine offene Kommunikation aller Partner initiiert. Männer, als Partner für die Heißkanaltechnik, stellte die Ergebnisse seiner Simulationen mit den 3D-Daten der Verschlussdeckel und dem neuen Kunststoff vor. "Der neue Kunststoff, ein nukleiertes Polypropylen, wurde eingesetzt um ein schnelleres Rekristallisieren zu erreichen, so dass das Formteil früher aus dem Werkzeug entnommen werden kann und somit die Zykluszeit sinkt. Die neuen Materialeigenschaften führten allerdings zu etlichen neuen Herausforderungen in der Fertigung", berichtet Mario Brand, Leiter Applikation. "Durch die Simulation konnten wir beispielsweise die veränderte Temperaturführung im Vorkammerbereich des Heißkanalsystems nachvollziehen." Da das neue Material schneller rekristallisiert reicht die Temperierung im Vorkammerbereich jetzt nicht mehr aus. Die Simulation zeigt, dass der angussnahe Bereich zu schnell kalt und die Anbindungsqualität optisch mangelhaft wird. Eine weitere Folge der früheren Rekristallisation des Materials ist eine semiplastische Schmelze, die das Verschließen der Nadelverschlussdüse stark erschwert. Dadurch ist eine erhöhte Verschlusskraft notwendig, was eine deutlich höhere mechanische Beanspruchung der Verschlussnadel und damit ein mögliches früheres Verschleißen von Werkzeug- und Heißkanalkomponenten zur Folge haben kann.

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In der Simulation des Fertigungsverfahrens wurden die Schwachstellen erkannt und zudem festgestellt, welche Veränderungen sich positiv auf den Prozess auswirken. Daher fiel die Entscheidung auf den Einsatz der Nadelverschlussdüse MCN-CC, die Caps and Closure-Version der Combi Nozzle Serie. Wie alle zylindrischen Nadelverschluss-Systeme von Männer sei diese auf hohe Angussqualität, Maßhaltigkeit und Prozesssicherheit hin optimiert. Das Düsenkonzept wurde maßgeschneidert für die Verarbeitung von Materialien mit einer früheren Rekristallisation. Der optimierte Temperaturhaushalt im Vorkammerbereich sorge für eine plastische Schmelze zum Zeitpunkt des Verschließens, so dass erhöhter mechanischer Verschleiß vermieden wird.

Voraussichtlich auftretende Fließlinien in der Simulation – sie wurden im Vorfeld durch Anpassung der Wanddicken vermieden. © Männer

Auch beim zweiten Verschlussdeckel zeigte die frühzeitige Simulation Verbesserungspotenzial auf. "Wir konnten an den Fließlinien erkennen, dass die Wanddicke nicht optimal ausgelegt war", gibt Mario Brand einen Einblick in die Simulation. In mehreren Iterationsschleifen untersuchte das Team, welche Anpassungen an der Wanddicke zu besseren Ergebnissen führen würden. Die Lösung wurde so konzipiert, dass die Formeinsätze stahlsicher nachgearbeitet und weiterhin genutzt werden konnten. Die Simulation zeigte außerdem, dass der Prozess durch die Kühlung der Kavitäten weiter optimiert werden konnte.

Dank der eindeutigen Simulations-Ergebnisse wurde der Kunde davon überzeugt, die Geometrie der Verschlusskappe entsprechend der Lösungsvorschläge von Männer und Foboha zu modifizieren. Schließlich wurden die Simulationsvorgaben in die Stahlbauteile der Kavitäten eingearbeitet und durch Tests beim Kunden verifiziert.

Nadelverschlussdüse für Caps & Closure Anwendungen © Männer

Pre-Validierung senkt die Kosten
Nach den Erfahrungen haben sich die Qualität der Simulationen und deren Erkenntnisse innerhalb der letzten Jahre deutlich verbessert. Mario Brand: "Wir haben die Anzahl der durchgeführten Simulationen um den Faktor Drei erhöht. Sie liefern sehr konkrete Hinweise auf mögliche Schwachstellen, die dann von erfahrenen Heißkanal- und Prozessexperten erkannt und interpretiert werden. Diese sehr frühzeitige Pre-Validierung setzen wir auch für existierende Kunststoffprodukte beispielsweise in der Medizintechnik ein."

Im Projekt der Flip Top Caps wurde eine Verkürzung der Zykluszeit um etwa 15 Prozent erreicht. Dabei erhöhte sich die Ausbringungsmenge um rund 25 Prozent. Gelichzeitig stiegen die Qualität der Teile sowie die Prozess- und Ausfallsicherheit.

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