Bei den Verfahren In-Mould-Labelling (IML) und In-Mould-Decoration (IMD) werden bedruckte Folien im Werkzeug mit dem Spritzgieß-Teil zusammengebracht. Das Verstrecken und Hinterspritzen der Folie verzerrt jedoch das aufgebrachte Dekor. Um ein optimales Ergebnis zu erreichen, ist es notwendig zu wissen, wie die Folie gestreckt wird, damit der Aufdruck so verzerrt auf der Folie aufgebracht werden kann, dass nach dem Hinterspritzen ein unverzerrtes und hochwertiges Bild auf dem Artikel entsteht. Dies im Versuch-Irrtum-Verfahren durchzuführen erfordert mehrere Iterationen, wodurch neben dem hohen Zeitaufwand auch Mehrkosten entstehen. Mittels Simulation lassen sich einfach und schnell neue Lösungen erproben und damit kostenintensive Korrekturen am Werkzeug vermeiden.

IMD/IML-Simulation

Die Verformung der Folie wird in einer gekoppelten Simulation mit der Thermoform-Simulationssoftware T-Sim von Accuform, Tschechien, und der Spritzgieß-Simulationssoftware Cadmould 3D-F von Simcon, Würselen, berechnet. Im ersten Schritt wird der Verstreckvorgang der Dekorfolie durch das Schließen des Werkzeugs berechnet. Dann wird die deformierte Folien-Geometrie inklusive der lokalen Dicke in die Spritzgieß-Software eingelesen, mit dren Hilfe das Hinterspritzen der vorgeformten Folie simuliert wird. Das Ausbreiten des Schmelzekuchens hinter der Dekorfolie hat dabei Einfluss auf deren Verformung. Diese Information wird schrittweise zur Thermoform-Software zurück übertragen, um hiermit das Verformen der Folie iterativ zu berechnen. Dieser Übertragungsvorgang zwischen den beiden Softwares wird so oft fortgeführt bis das Werkzeug vollständig gefüllt ist. Am Ende der Füllung kann aus der Foliendeformation die notwendige korrigierte Bedruckung berechnet werden, um ein unverzerrtes Bild zu erhalten.

Gestaltung attraktiver Verpackungen

Ein konkretes Beispiel ist die Gestaltung einer Lebensmittelverpackung mit IML/IMD. Neben der Zielvorgaben einer gleichmäßigen Füllung, die über Fließhilfen im Boden realisiert wird, das Einhalten der Maßtoleranzen für die Längs- und Queröffnungsmaße L1 und L2 musste auch ein ebener Schweißrand realisiert werden. Die technischen Vorgaben waren eine Maschinen-Zuhaltekraft kleiner 3.000 kN, Fülldruck unter 1.500 bar und eine maximal auftretende Schmelzekontakt-Temperatur von unter 225°C um Auswaschungen der Dekorfolie zu vermeiden. Außerdem eine Schubspannung kleiner 220 kPa im Angussbereich um Faltenbildung oder Risse in der Dekorfolie zu vermeiden sowie letztendlich eine kürzestmögliche Zykluszeit.

Um diese Qualitäten zu beeinflussen wurden die Geometrien und Einstellungen entsprechend variiert. Die Wanddicke der Fließhilfe/Fließbremse im Boden 0,5 bis 1,3?mm, die Einspritzzeit von 0,2 bis 1,3?s, die Massetemperatur von 200 bis 240°C und die Werkzeugtemperatur von 20 bis 30°C.

Insgesamt wurden für eine Varimos-Optimierung neun Varianten simuliert mit einer Simulationszeit von vier Stundenbetrug pro Optimierung auf einem handelsüblichen PC mit Intel i7-2600-CPU (3,4 GHz).

Simulation legt Schwachpunkte offen

Die anfänglich durchgeführte Machbarkeitsanalyse auf Basis der Artikelkonstruktion zeigte, dass verschiedene Qualitätskriterien nicht eingehalten werden können, unter anderem wegen einer ungleichmäßigen Füllung. Eine Berechnung mit eingebrachten Fließhilfen im Bodenbereich ließen sich zwar dann alle Qualitätskriterien einhalten, aber durch die größere Wanddicke würden sich der Materialeinsatz um sieben Prozent erhöhen und die Kühlzeit um 19 Prozent verlängern. Hinzu kämen zehn Prozent mehr Maschinenstunden und 100.000 Euro Mehrkosten pro Jahr.

Auf Grund dessen wurde der unübliche Einbau von Fließbremsen untersucht. Auch damit können die Qualitätskriterien eingehalten werden, obwohl die Füllung nicht ganz so balanciert abläuft wie bei der Verwendung von Fließhilfen. Dafür bleibt aber die Zykluszeit im vorgesehenen Rahmen und zusätzlich können noch zwei Prozent Material eingespart werden. Zusätzlich liefert die Simulation dem Werkzeugbauer die notwendigen Daten für die Vorhaltung um den unvermeidbaren Verzug des Spritzgieß-Teils sicher zu kompensieren. Damit liefert das System nicht nur ein mathematisches Optimum für alle Einstellungen und Geometrievarianten, sondern auch Informationen über die Abhängigkeiten der Qualitäten von den Parametern.

Bis zu 100 Qualitäten unter einen Hut bringen

Neben der attraktiven Dekoration ist für ein hochwertiges Bauteil auch ein Optimieren des Hinterspritz-Prozesses notwendig. Dazu gehören alle Anforderungen, die an ein Spritzgieß-Teil zu stellen sind wie beispielsweise die Vermeidung von Verzug. Darüber hinaus muss darauf geachtet werden, dass die Dekoration durch die eingespritzte Schmelze nicht zu stark aufgeschmolzen und dadurch ausgewaschen wird. Die Folie darf durch die von der fließenden Schmelze hervorgerufenen Scherkräften nicht so stark belastet werden, dass sie faltig wird oder reißt. All dies lässt sich mit Hilfe der Spritzgieß-Simulation berechnen. Allerdings gibt es hierbei häufig konkurrierende Qualitätskriterien.

Das bedeutet: Was gut für Qualität 1 ist, ist schlecht für Qualität 2. Diese Qualitäten können ganz unterschiedlich sein, beispielsweise bestimmte wichtige Maße bei denen eine Toleranz eingehalten werden muss, Ebenheiten oder Rundheiten, aber auch die Zykluszeit, die zulässige Maschinen-Zuhaltekraft und bei IML/IMD-Artikeln die maximal zulässigen Scherkräfte und die Schmelzetemperatur an der Kontaktfläche zur Dekorfolie. Es ist für normale Spritzgieß-Teile nicht ungewöhnlich, dass sich über 100 solcher Qualitäten ergeben, die gleichzeitig beachtet und optimiert werden sollen. Das ist jedoch in den meisten Fällen für den Werkzeugkonstrukteur unmöglich. Daher bleibt ihm nichts anderes übrig als sich auf die aus seiner Sicht wichtigsten Qualitäten zu konzentrieren. Aus diesem Grund hat Simcon das System Varimos (Virtual and Real Injection Moulding Optimisation System) entwickelt, mit dem es möglich ist mehrere Hundert Qualitäten gleichzeitig zu beobachten und automatisch zu optimieren.

Das System wendet sich an Werkzeugkonstrukteure zum Optimieren der Vorhaltung und an Prozess-Spezialisten zum Optimieren der Verfahrensparameter. Auch Bauteil-Konstrukteure können damit neue kreative Lösungen erarbeiten. Die Funktion beruht auf einer virtuell durchgeführten statistischen Versuchsplanung und -durchführung. Dabei können sowohl Prozess- als auch Bauteil-Parameter wie die lokale Wanddicken-Verteilung oder die Anspritzposition variiert werden. Die notwendigen Simulationen werden dann von Cadmould 3D-F automatisch durchgeführt. Sie basieren auf den unterschiedlichen Maschineneinstellungen (Parametersätzen) und geometrischen Varianten, welche aus einem automatisch vom System ermittelten Versuchsplan hervorgehen. Anschließend werden die numerischen Simulationsergebnisse analysiert und von dem integrierten mathematischen Optimierer ausgewertet, so dass derjenige Prozess- und Bauteil-Parametersatz gefunden wird, der hinsichtlich der geforderten Ziele (Qualitäten, Wirtschaftlichkeit) zu einem gemeinsamen Optimum führt.

Autor

Über den Autor

Paul F. Filz