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Bauteiloptimierung durch Simulation

Bei der Produktionsoptimierung eines dekorativen Wandelements aus recyceltem Kunststoff wird ein höherer Qualitätsstandard und eine Verkürzung der Zykluszeit ermöglicht. Diese Effizienzsteigerung wird durch die ganzheitliche Betrachtung des Spritzgusswerkzeugs in der Simulation erreicht.

„Weiße Wände machen keinen Spaß“ – bei TailoredTile aus Portugal entstand, inspiriert durch die Form von traditionellen Keramikfliesen, die Idee ein dekoratives Wandelement aus recyceltem Kunststoff zu entwickeln. Diese Elemente (ca. 15 x 15 cm) können unterschiedlich bedruckt werden, jedes einzelne Element enthält 100 Gramm recyceltes Polypropylen Compound (Abfall aus der Kunststoffindustrie).

Das Werkzeug wurde gebaut und die Produktion begann, doch die Elemente zeigten deutliche Schwindung und Verzug. Durch eine Anpassung der Einspritzparameter bewegte sich der Verzug zwar im Toleranzbereich, aber die Firma suchte nach einer Lösung, um das Bauteil weiter zu optimieren: diese bot die Simulation mit SIGMASOFT® Virtual Molding.

Die Herausforderung für die Simulation lag darin, eine Optimierung eines bereits bestehenden Werkzeuges und laufender Produktion durchzuführen. Zusätzlich gab es weitere Randbedingungen zu beachten: Keine Materialveränderung aufgrund bestehender Lieferverträge und die Berücksichtigung des Kosten-/Nutzenfaktors.

Für die Simulation werden alle prozessrelevanten Informationen, wie Einspritzparameter, Werkzeugdaten und -material, Materialdatenblatt, Qualitätsberichte sowie das Bauteil und die CAD-Daten in die Software übertragen, um den laufenden Prozess so genau wie möglich abzubilden. Zusätzlich werden vorhandene Fehlstellen genau betrachtet. Abbildung 1 zeigt den Bauteilverzug. 

Mit SIGMASOFT® wird neben dem Verzugsverhalten auch die Thermik des Werkzeuges während des Produktionsprozesses genau analysiert. Dabei zeigte sich, dass das schlechte thermische Verhalten der Düsenseite entscheidenden Einfluss auf das Verzugsverhalten hatte (siehe Abbildung 2). Das Bauteil war bei der Entformung viel zu warm. Dieses Problem verstärkte sich in der laufenden Produktion zunehmend, da die Wärme aus der Kavität nicht ausreichend abgeführt wurde und diese sich mit jedem Zyklus weiter aufheizte.

Um die thermische Performance des Werkzeuges zu verbessern, wurde in der Software das Layout der Kühlkanäle in eine konturnahe Kühlung geändert (siehe Abbildung 3), zusätzlich wurde die Düse des Heißkanals ausgetauscht. 

Mit Hilfe von Autonomus Optimization werden verschiedene Optimierungen automatisiert durchlaufen. Innerhalb weniger Tage lässt sich somit virtuell der Prozess abbilden und optimieren. Die Simulation ermöglicht dies ohne Trial & Error-Versuche an der Maschine – das spart Zeit und Geld. Mithilfe von Kontrollpunkten in der Software lassen sich die Temperaturen des Bauteils und des Werkzeuges an allen Stellen genau betrachten und mit der Realität vergleichen.

Bei der Ergebnisanalyse stellt sich die Frage, wie gut die Ergebnisse wirklich sind und wie sich daraus die besten Handlungsschritte für den Kunden ableiten lassen. Dazu wurden drei Varianten noch genauer betrachtet und miteinander verglichen: Der bisherige Prozess, die konturnahe Kühlung und die konturnahe Kühlung in Kombination mit Auswerferstiften aus einem leitfähigeren Material um die Wärme noch besser abführen zu können.

Im Vergleich der Ergebnisse wurde deutlich, wie stark die Temperaturen bereits durch ein geändertes Kühlkonzept verringert werden. Zusätzlich lässt sich die Temperatur durch leitfähigere Auswerferstifte weiter senken. Der Vergleich zeigte, dass nahezu eine Halbierung der Zykluszeit möglich war. Zudem wurden Schwindung und Verzug deutlich reduziert. Die Empfehlung für das neue Kühlkonzept und die geänderten Auswerferstifte wurde an den Kunden weitergegeben, der die Änderungen erfolgreich umsetzte, sodass die Bauteile nun einem höheren Qualitätsstandard bei niedrigeren Kosten entsprachen. Die notwenigen Investitionen für die Werkzeugänderungen konnten im Vorfeld bestimmt und mit den Einsparungen gegen gerechnet werden, um den ROI zu bestimmen.

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