SIGMA Engineering: Entformungsprobleme lösen mit Virtual Molding

Bild 1: Der Kontaktdruck im Bauteil zeigt, dass die Durchbrüche auf ihre Werkzeugkerne aufschwinden

Die Auslegung von Auswerferstiften in Spritzgießwerkzeugen ist eine Aufgabe, bei der laut Sigma Engineering eine konsequente mechanische Analyse häufig vernachlässigt wird. Die Anordnung der Stifte, die Kontaktfläche und der Entformungsdruck basierten normalerweise auf Erfahrung, und Probleme würden erst identifiziert, wenn mit dem Werkzeug auf der Maschine erste Versuche gefahren werden.

Dieser Ansatz sei zwar alltäglich, jedoch risikoreich und teuer: es sei nicht ungewöhnlich festzustellen, dass der erforderliche Entformungsdruck zum Durchbrechen des Bauteils führt oder Auswerferstifte ineffektiv sind. In diesen Fällen erfolgen "Last Minute" Änderungen im Entformungssystem und der Produktionsstart verzögere sich. Es sei außerdem nicht unüblich, dass in Entformungssystemen einzelne Auswerferstifte nicht aktiv am Entformungsprozess beteiligt sind, da das Bauteil von ihnen "weg" schwindet. In diesem Fall sind die resultierende Werkzeugkomplexität und die Herstellungskosten verschwendet.

Das schlimmste Szenario ist jedoch, wenn das Bauteil auf der falschen Werkzeughälfte hängen bleibt, so dass es praktisch unmöglich ist, es zu entformen. Mit der generellen Nachfrage nach Funktionsintegration ursprünglich unterschiedlicher Bauteile in einem einzigen Kunststoffteil sowie der zunehmenden Notwendigkeit von Designvarianten steigt die Komplexität der Werkzeugkomponenten. In manchen Fällen reicht das aus vorherigen Anwendungen gesammelte Wissen zu effektiven Entformungssystemen nicht mehr aus.

Bild 2: Beispielbauteil mit Anordnung der Auswerferstifte

Für ein Beispielbauteil war das in Bild 2 gezeigte Entformungssystem geplant. In diesem Ansatz unterstützen acht kleine Auswerferstifte auf dem zylindrischen Verbindungsstück die Entformung durch die drei großen Stifte in den Ecken. In der Praxis blieb das Bauteil jedoch in der falschen Werkzeughälfte und die Firma wandte sich an Sigma Ingenieur Timo Gebauer, um das Problem zu lösen.

"Als erstes wurden virtuelle Zyklen mit dem Werkzeug gefahren, um herauszufinden, was das Problem verursachte", erklärt Gebauer. Dazu benutzte "Sigmasoft" Virtual Molding die kompletten Werkzeuginformationen: alle Komponenten waren in die Analyse einbezogen, auch das Entformungssystem. Es wurden nacheinander mehrere Spritzgießzyklen simuliert, anschließend erfolgte eine Analyse von Füllen, Nachdruck und Entformung des Bauteils.

"Es ist wichtig alle Werkzeugbestandteile in der Simulation zu berücksichtigen und mehrere thermische Zyklen zu berechnen. Manche Faktoren wie die thermische Ausdehnung und thermisch induzierte Spannungen sind entscheidend, um das Entformungsverhalten des Bauteils zu beurteilen", führt Gebauer aus. Das in "Sigmasoft" Virtual Molding verfügbare, viskoelastische Materialmodell wurde genutzt, um die im Bauteil entstehenden Eigenspannungen zu berechnen, während dieses unter Kontaktdruck auf die Werkzeugkerne schwindet.

Mit "Sigmasoft" Virtual Molding wurde nicht nur die Bauteilverformung während der Entformung, sondern auch der sich aufbauende Kontaktdruck im Bauteil reproduziert (Bild 1). Es sei offensichtlich gewesen, dass die kleinen Durchbrüche das Bauteil in der falschen Werkzeughälfte hielten. "Das Teil blieb in der beweglichen Hälfte, weil die Werkzeugkerne, die die Löcher ausformten, es festhielten. Das Teil schrumpfte auf diese Kerne auf. Der Effekt wurde bei der Analyse des Kontaktdruckes in den Löchern sichtbar", erklärt Gebauer.

Der Lösungsvorschlag sah die Auswerferstifte gleichzeitig als Kerne zur Ausformung der Durchbrüche vor. "Wenn die Stifte die Kerne bilden, wird das Entformungssystem korrekt funktionieren", bestätigt Gebauer. "In diesem Fall reichte eine detaillierte Analyse des Verzugsverhaltens, um die Ursache für das Problem aufzudecken und eine passende und kostengünstige Lösung zu finden."

Nach Aussage von Gebauer arbeiten viele Entformungssysteme weit entfernt von ihrem Optimum. Dies erhöhe die Kosten und die Werkzeugkomplexität und beeinflusse in manchen Fällen die Zykluszeit und Bauteilqualität negativ. Mit "Sigmasoft" Virtual Molding sei eine kostengünstige Möglichkeit verfügbar, um Einblick in die Werkzeugleistung zu erhalten und den Kontaktdruck in jedem Bereich vorherzusagen. "Dieses Verständnis erhält man nicht im realen Prozess: man sieht nur, ob das Bauteil entformt wird und ob es dabei beschädigt wird. Und wenn es beschädigt wird, verschwendet man nicht nur Produktionszeit, sondern muss auch das komplette Entformungssystem überdenken, ohne einen Ansatzpunkt zu haben", fügt Gebauer hinzu.

Neben der Einsparung von Iterationsschleifen im Werkzeug soll die Entformungssimulation mit "Sigmasoft" Virtual Molding auch ein Verständnis für die eigentlichen Ursachen von Entformungsproblemen bringen. "Das Team kann von diesen Problemen lernen und sie in Zukunft vermeiden." Außerdem könne die Werkzeugleistung verbessert werden, was schließlich die Reputation des Werkzeugbauers steigere, funktionelle, verlässliche Werkzeuge auch für komplexe Bauteile zu liefern. Zusätzlich steige die Produktivität, da Maschinen- und Personalressourcen nicht bei Iterationen belegt werden. Mit dem verkürzten Produktionsstart würden so Ressourcen für Entwicklung und Wachstum freigegeben. "Und zu guter Letzt steigt das Selbstbewusstsein, sich in neuen, komplexeren Projekten zu engagieren, da ein kraftvolles, vorausschauendes Werkzeug Rückhalt bietet", erklärt Gebauer.

Weitere Informationen: www.sigmasoft.de

Fakuma 2014, Friedrichshafen, 14.-18.10.2014, Halle A4, Stand 5104

SIGMA Engineering GmbH, Aachen

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