Bild
Bild
Bild
Bild

Steigende Anforderungen der Spritzgieß-Verarbeiter an ihre Werkzeuge zwingen die Werkzeugkonstrukteure laufend neue Projekte zu entwickeln. Die Forderung lautet, die Zykluszeiten und den Materialeinsatz zu reduzieren und gleichzeitig den Nutzwert sowie die Zuverlässigkeit von Bauteil und Werkzeug zu erhöhen. Daher ist es für den Werkzeugkonstrukteur notwendig, tiefe Kenntnisse in der Analyse des Spritzgießverfahrens und der Metall­bearbeitung zu besitzen. Zusätzlich hat der Konstrukteur heute weniger Zeit für das Entwickeln des Spritzgießwerkzeugs, das durch Mehrkomponenten- und Montagespritzgießen aber komplizierter wird.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, verwenden Werkzeugkonstrukteure Simulationssoftware-Pakete zum virtuellen Auslegen und Absichern ihrer Konstruktionen. So gehören heute Simulationen in jedem modernen Konstruktionsbüro zum Handwerkszeug. Dabei führen die Ingenieure nicht nur Strukturanalysen von Bauteilen durch, sondern auch Strukturanalysen und thermische Simulationen des Werkzeugs. Für Steifigkeits­untersuchungen von einzelnen Werkzeugkomponenten beispielsweise eignen sich dreidimensionale thermische Simulationen. So beinhaltet die Spritzgießsimulations-Software Cadmould 3D-F von Simcon, Würselen, ein Struktur-Analysemodul sowie ein dreidimensionales thermisches Simulationsprogramm. Dadurch arbeitet der Konstrukteur in der ihm bekannten CAD-Umgebung und kann gleichzeitig Änderungen ins 3D-Modell einarbeiten, ohne es zwischen verschiedenen Software-Umgebungen hin und her zu konvertieren.

Ziele definieren

Diese Vorteile weiß der Werkzeughersteller Wadim Plast, Michałowice, Polen, ebenfalls zu schätzen. Er stand vor der Aufgabe, den Herstellungsprozess von Transportboxen für Champignons zu verbessern. Bevor er loslegte, das Produkt oder Werkzeug zu optimieren, führte der Werkzeughersteller eine Marktanalyse durch und stellte fest, dass die meisten Transportboxen-Hersteller Spritzgießmaschinen mit einer Schließkraft von 450 t verwenden. Die Transportboxen wiegen zwischen 230 und 280 g und die Zykluszeit liegt bei 10 bis 16 s. Aufgrund dieser Voranalysen hat das Unternehmen die Ziele der Optimierungsmaßnahmen definiert: die notwendige Schließkraft der Spritzgießmaschine und das Gewicht der Boxen verringern sowie die Zykluszeit verkürzen.

Anschließend stand die Analyse der Produktgeometrie an, um das Produktgewicht zu verringern und die Steifigkeit zu erhöhen. Denn der Boden der mit je 3 kg Champignons gefüllten Transportboxen biegt sich durch. Das führt zu Schäden bei den oben liegenden Champignons in der darunterbefindlichen Box. Das zog mehrfach Reklamationen seitens des Abnehmers und zur Rückgabe der ganzen Lieferung nach sich. Die Produktmodifikationen müssen also die Steifigkeit der Transportboxen erhöhen. Der Werkzeughersteller testete mit der Software Cadmould 3D-F die Transportboxenbelastung. Mithilfe der Materialdatenbank der Software rechneten die Experten mit den exakten Materialdaten des verwendeten Kunststoffs. Die nachfolgende Optimierung der Produktgeometrie führte zu dünneren Seitenwänden und Transportboxenböden. Das im Modell berechnete Gewicht beträgt ca. 190 g, dennoch verbiegt sich der Boden bei voller Beladung um weniger als 10 mm.

Werkzeug optimieren

Um das Werkzeug zu optimieren sind folgende Fragen wichtig: Gelingt es, das verschlankte Bauteil im Werkzeug fehlerfrei zu füllen? Werden die Druckverluste während der Füllung nicht zu hoch, wodurch eine Spritzgießmaschine mit einer größeren als der vorgesehenen Schließkraft nötig ist? Gibt es Bindenähte an ungünstigen Stellen, die zu einem mechanischen Versagen der Transportboxen führen? Für die Antworten auf diese Fragen verwendeten die Ingenieure das Füllanalyse-Modul der Simulations-Software.

Mithilfe der Analyseergebnisse prüfte der Hersteller das Füllverhalten des Werkzeugs, um die Geometrie mechanisch zu optimieren: Der Druckverlust betrug ca. 730 bar, die maximale Schließkraft lag bei 350 t. Daraus ergaben sich zwei Fragen: Warum verwenden die meisten Transportboxen-Hersteller Maschinen mit einer Schließkraft von 450 t? Und ist es möglich, die Schließkraft bis auf maximal 280 t zu reduzieren? Die Antwort auf die erste Frage gibt die Analyse der technischen Dokumentation der bestehenden Spritzgusswerkzeuge. Die meisten sind so groß, dass sie nicht in eine kleinere Spritzgießmaschine passen. Die Antwort auf die zweite Frage ergibt sich durch Variationen der Anbindung. Sechs statt der üblichen vier Anbindungen führen zu geringeren Druckverlusten beim Füllen der Kavität und weniger Problemen mit den Bindenähten, die an den Seiten des Spritzgussteils entstehen.

Die neue Lösung lieferte positive Ergebnisse: Der Druckbedarf sank auf ca. 580 bar und die notwendige Schließkraft auf 230 t. Dies verlagerte die Bindenähte auf die Ecken der Boxen. Dort ist das Produkt am stabilsten, weshalb dort keine Risse entstehen.

Spezialstahl überzeugt

Um die wirtschaftliche Leistungsfähigkeit der Spritzgießform sicherzustellen, führte der Hersteller eine Wärmeanalyse des Werkzeugs durch, unter Berücksichtigung der Lage und Geometrie der Kühlkanäle und des verwendeten Materials. Dabei konzentrierte er sich auf Materialen mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie Bronzelegierungen (über 100 W/mK) und spezielle Werkzeugstähle (ca. 70 W/mK). In den Tests erwies sich der Spezialstahl am geeignetsten: Trotz des höheren Preises waren die aus einem Stück gefertigten Schieber aus Stahl günstiger als welche aus Bronzelegierung. Das lag unter anderem an den geringeren Aufbaumaßen, die der Spezialstahl ermöglicht. Zudem beschränkten sich die Kosten auf die mechanische Bearbeitung und die Endmontage der Schieber. Bei einer Form aus Bronze wären zusätzliche Einsätze aus Bronzelegierungen in den Schiebern nötig gewesen. Außerdem genügte durch den einfacheren Aufbau der monolithischen Schieber ein einfacheres Kühlsystem, was die Herstellungskosten nochmals verringerte.

Kleiner, leichter, günstiger

Ebenso wichtig waren die Konstruk­tionsanalysen, die ergaben, dass das Werkzeug aus Stahl aufgrund des geringeren Aufbaumaßes in die Maschine mit einer Schließkraft von 280 t hineinpasst. Weitergehende Festigkeitsanalysen, die Daten aus vorangegangenen Fließanalysen berücksichtigten, präzisierten die Ergebnisse. Durch die darauf aufbauende Optimierung erreichten die Konstrukteure ein Aufbaumaß des Werkzeugs von 696 mal 596 mal 645 mm mit einem Gewicht von unter 2,5 t.

Wadim Plast entschied sich für das Anbringen der Formbacken an der Seite der beweglichen Formhälfte und das Antreiben der Backen durch Stiftausstoßer. Das Unternehmen erwog mehrere Antriebskonstruktionen der Ausstoßerplatte – beispielsweise ein Hebelsystem oder ein Schrittmotor mit Kettengetriebe. Letztlich entschied sich der Hersteller für ein zweistufiges Entformen: Zunächst bewegen das Auswerfersystem und die Stiftausstoßer die seitlich an der Auswerferseite angebrachten Backen parallel zur Richtung der Werkzeugöffnung. Den zweiten Bewegungsablauf quer zur Öffnungsrichtung setzt ein Zahnradgetriebe um. Die Verwendung von Normalien und Standardbauelementen vereinfachte die Konstruktion. Gleichzeitig ermöglichen die Bauteile eine präzise Bewegungssteuerung und Geschwindigkeitsprofilierungen.

Für die Fertigung der Transportboxen wählte der Hersteller eine elektrische Spritzgussmaschine, da sie alle Anforderungen hinsichtlich Geschwindigkeit, Präzision und Möglichkeit von parallelen Bewegungen erfüllt. Außerdem besteht bei elektrischen Maschinen ein geringeres Risiko, dass Hydraulik- oder Servo-Öl die Produkte verunreinigt.

 

Autor

Pawel Jurkowski
ist Geschäftsführer von Wadim Plast in Michałowice, Polen.
pawel.jurkowski@wadim.com.pl