3D-Simulation in der Heißkanaltechnik

Jeder Praktiker weiß jedoch, dass der Heißkanal, seine Komponenten und die Regelung, den realen Spritzgussprozess sowie die Artikeleigenschaften beeinflussen. Nur eine Simulation, die das Heißkanalsystem berücksichtigt, liefert daher realistische Ergebnisse zum Füllbild, Druckbedarf und der Temperaturverteilung im Werkzeug.

Konsequenter Einsatz von Simulationstools

Aufbau eines Verteilers inklusive Düsen eines 2fach-Systems. (Bild: Günther)

Dass der Heißkanal ein entscheidender Faktor für die Temperaturverteilung im Werkzeug ist, lässt sich nicht bestreiten. Daher ist es wichtig, Hotspots und Coldspots beim Entwickeln von Heißkanalsystemen zu vermeiden und eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Heißkanalsystem sowie im Werkzeug sicherzustellen. 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, 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 dem wärmetechnischen Betrachten der Verteilerbalken und Heißkanaldüsen werden in Frankenberg auch Füllbetrachtungen, unter anderem Füllung, Verzug, Bindenaht sowie Druckverlust- und Scherberechnungen in Heißkanalsystemen durchgeführt.

Das Image des Unternehmens basiert zudem auch auf der hohen Qualität der innovativen Heiß- und Kaltkanalsysteme. Diese ist nicht zuletzt auch auf den konsequenten Einsatz von Simulationstools zurückzuführen, da sie sowohl beim Entwickeln von neuen Lösungen eine wichtige Rolle spielen als auch beim Optimieren von Spritzgießprozessen und zur Untersuchung von Energieeinsparpotenzialen. Denn thermisch und rheologisch simulierte Heißkanäle können direkt im Werkzeug verbaut werden. Dadurch wird ein kontinuierliches sowie schonendes Verarbeiten der Schmelze bei gleichmäßigem Temperaturverlauf von der Anschlussdüse über den Verteiler und die Heißkanaldüse bis hin zur Kavität ermöglicht. Durch thermische Berechnungen der Verteilersysteme kann ein ungleichmäßiges Füllen von Kavitäten aufgrund von Hotspots oder zu kalten Bereichen ausgeschlossen werden. „Wir setzen die Simulation beispielsweise  ein, um herauszufinden, an welchen Stellen es bei einem Verteiler und den Düsen eines Systems unerwünscht hohe Wärmeübergänge gibt“, erklärt Marco Kwiatkowski, Prokurist und Abteilungsleiter Produktion und Entwicklung Dickschicht.

In die Software eingebunden

Ergebnisse der Simulation Verteiler/Düsen des 2fach-Systems. (Bild: Günther)

Um eine realistische Berechnung der Temperaturverteilung in Werkzeugen mit Heißkanal zu erhalten, müssen in der Spritzgußsimulation 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 beim Hersteller anzufragen und diese kostenfrei zu beziehen.

Dementsprechend wird bei einer Füllsimulation auch die Scherung und der Druckverlust im Heißkanalsystem miteinbezogen. „In unserem Beispiel werden die Leistungen der Verteilerheizung (1.300 W) und der Düsenheizung (315 W) berücksichtigt. Mit Einfließen muss auch die Tatsache, dass Zentrierring, Druckstücke und der vordere Düsenschaft aus einer speziellen Titanlegierung mit geringer Wärmeleitfähigkeit von nur 7 W/mK bestehen. Werden diese Informationen geschickt genutzt, 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.“

Realität nah an Simulation

Heißkanaldüse mit zweigeteiltem Schaft. (Bild: Günther)

Um die Berechnungsergebnisse verifizieren zu können, hat der Hersteller in diesem Beispiel den Wärmeübergang über 14 Messstellen am Verteiler messtechnisch analysiert. Werden die beiden Ergebnisse verglichen, so werden im wichtigen Umfeld der Kavität sehr ähnliche Temperaturen festgestellt. „Es ergab sich ein Temperaturunterschied zwischen Berechnungen und Realität von maximal ±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. Eine konstante Temperaturführung in der Heißkanaldüse wird möglich und eine unerwünschte Temperaturüberhöhung vermieden. Weiterhin lässt sich durch den Einsatz des zweigeteilten Schaftes und der Dichtschichttechnologie der Energieeinsatz um bis zu 50 % reduzieren.

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 wie Zeit zum Öffnen und Schließen des Werkzeugs, sowie zum Entformen des Bauteils. Damit werden alle Einflüsse auf die Bauteiltemperatur, die Erstarrung und prozessbedingten Eigenspannungen und damit letztendlich die Faktoren, welche die Bauteilverformung beeinflussen, berücksichtigt.

Eine Füllsimulation hilft, Formteilgeometrien und Prozessparameter zu optimieren. Schwachstellen, wie Bindenähte oder Lufteinschlüsse, lassen sich so gut erkennen und durch Ändern der Angussposition sowie der Angussart oder der Formteilgeometrie noch vor dem Bau des Werkzeugs beseitigen. Um darüber hinaus die Effizienz des Produktionsprozesses zu steigern, lässt sich auch die maximal auftretende Scherung beim Einspritzen in die Kavität untersuchen. Ebenso kann die bevorzugte Kavitätenfüllung im Heißkanalverteiler simuliert werden. Da auch die Scherung beim Umlenken der Schmelze im Heißkanal in Mehrfachsystemen zu Füllunterschieden führt, setzt der Hersteller hier ebenfalls das Softwaremodul 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.“

Wirtschaftliche Effekte dank Simulation

Der wirtschaftliche Effekt ist am größten, 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, das richtige Positionieren der Kühlung, notwendige Werkzeugmaterialien und ein optimierter Energieeinsatz zeigen oftmals schon Effekte, die sich auch auf die Wirtschaftlichkeit auswirken.