Mit Simulation zum optimalen Thermoformprozess

Innenverkleidung der Vordertür eines Tesla Model X – (links) Wandstärkenverteilung abgebildet mit der Simulationssoftware, (rechts) fertiges Bauteil (Bildquelle: alle Simpatec)

Als Komplettlieferant von Maschinen und Werkzeugen zur Folien- und Textilverarbeitung verfügt die Firma Kiefel, Freilassing, über jahrzehntelange Erfahrungen im Werkzeug- und Sondervorrichtungsbau. Mit dem Ziel, verkürzte Entwicklungszeiten zu realisieren, erkannte Kiefel schon früh das Potenzial einer simulationstechnischen Abbildung des Thermoformens. Den richtigen Partner zur Umsetzung dieses Vorhaben fand das Unternehmen in der Firma Simpatec, Aachen, einem führenden Dienstleistungs- und Softwareunternehmen für die Kunststoff verarbeitende Industrie. Deren Simulationswerkzeug zur Tiefziehsimulation, T-SIM, setzt Kiefel bereits in der Vorentwicklung ein. Sowohl beim Thermoformen, Kaschieren als auch beim IMG-Verfahren leistet die Software einen erheblichen Beitrag, hochwertige Produkte schnell und kostengünstig herzustellen. So gelang es zum Beispiel, bei Automobil-Interieur-Teilen bis zu 80 Prozent der Entwicklungszeit und den damit verbundenen Kosten einzusparen. Das Zusammenspiel von Simulationsergebnissen und Qualitätsbewertung bereits in der Bauteilentwicklungsphase ermöglichen erste Optimierungsschritte, noch bevor das reale Produkt existiert.

Von der Idee zum Bauteil

CAD-Modell der Innenverkleidung einer Vordertür (Tesla Model X) mit Formhilfen

Bei der Produktion von Interieur-Bauteilen stellen vor allem eine hohe Entscheidungssicherheit für das richtige Herstellungsverfahren, die Minimierung technischer Risiken sowie die richtige Balance zwischen Kosten, Realisierbarkeit, Terminen und Qualitätsansprüchen die Anforderungen an ein leistungsfähiges Simulationswerkzeug. So können beispielsweise Bauteile im IMG-Prozess oder mit TEPEO2-Folie hergestellt werden, die keinen Narbauszug, kein divergierendes Narbbild oder aber Prägungen wie Airbag-Logos aufweisen. Die Bauteile erreichen damit Qualitätsmerkmale, die sonst nur Slush- oder Sprühhäuten vorbehalten waren. Werkzeuge wie T-SIM sind deshalb gefragt, „Wunschdenken“ im Rahmen von nachvollziehbaren Entscheidungsgrundlagen zu transformieren.

Erste Entscheidungshilfen liefern Machbarkeitsanalysen. Bauteile werden als CAD-Daten, die dem gewünschten Fertigungsverfahren entsprechen, platziert und in Lage gebracht. Typische Randbedingungen, wie etwa Radien, Entformungsschrägen, Entformungs­richtung, Hinterschnitte, gewünschter Materialbedarf, maximale Werkzeughöhe, werden dabei beachtet.

Die Entscheidung, ob Bauteile zusammengelegt − wie im vorliegenden Beispiel die Vordertür des Tesla Model X − oder einzeln hergestellt werden, beziehungsweise ob die Geometrie der Oberflächen mit dem angedachten Fertigungsverfahren erreicht wird, definieren die weiteren Folge­schritte. Die ermittelten Werkzeugdaten bieten die Basis für die Prozessoptimierung mittels Simulation.

Grenzbetrachtung einer sinnvollen Simulation

Folienauszug in der Simulation: Die Bilder links zeigen das Folienmaterial mit einem Auszug von 0 Prozent und einer mittleren Noppenlänge von 153,2 μm. Auf den Bildern rechts beträgt der Auszug 50 Prozent und die mittlere Noppenlänge 81,3 μm.

Die Software erlaubt grundsätzlich die Abbildung von Formvorgängen sowohl mittels Vakuum als auch durch Druckluft. Es kann mit Ober- und Unterwerkzeug und mit bis zu 20 im Raum programmierbaren Formhilfen simuliert werden. Allerdings gibt es aktuell noch Limitierungen. So sind beispielsweise der 3D-Spannrahmen oder Gleitspannrahmen nicht direkt programmierbar, und Formhilfen können nicht auf einer Kreisbahn oder in mehreren Bewegungsrichtungen hintereinander bewegt werden. Durch geschickte „Programmiertricks“ gelingt es, diese Mängel zu kompensieren.

Durch die verwendete Berechnungsmethode wird ausschließlich das Verhalten von thermoplastischen Materialien erfasst. Die Simulation einer Textilkaschierung ist momentan nicht möglich. Im Gegensatz zu anderen Thermoform-Simulationsprogrammen, die Werkstoffdaten aus der Literatur verwenden, arbeitet T-SIM mit Materialdaten, die an der realen Folie gemessen werden. Diese Vorgehensweise bietet den Vorteil, dass das Verhalten von Mehrschichtfolien inklusive der durch die Verarbeitung erzeugten Eigenschaften erfasst und für die Simulation verwendet wird. Das bedeutet aber auch, dass jedes neue Material oder jeder neue Materialverbund separat charakterisiert wird. Zur Charakterisierung des Folienmaterials beziehungsweise zur Erzeugung eines Materialdatensatzes werden Folienproben bei verschiedenen Temperaturen mit bestimmten Form­geschwindigkeiten mit einem Stempel geformt und die dabei auftretenden Stempelkräfte gemessen. Die aufgezeichneten Kraft-Weg-Kurven werden dann zur Erstellung des Datensatzes weiterverwendet.

Haptik und Optik sind meist die bestimmenden Qualitätskriterien von Interieur-Bauteilen. Neben den gewählten Materialien ist der Herstellungsprozess maßgeblich für die Qualität der Bauteiloberflächen. Zeigt die Simulation einen Materialauszug, führt dieser zwangsläufig zur Verringerung von Oberflächenstrukturen und damit zu ungewollten Qualitätseinbußen.

Kosten-Nutzen-Betrachtung

Im Vergleich zum Prototypen-Werkzeugbau bietet die Simulation erhebliche Einsparpotenziale.

Prinzipiell stehen zur Entscheidungsfindung im Thermoformen zwei Möglichkeiten zur Verfügung: der simulationstechnische Ansatz sowie der Einsatz eines Prototypenwerkzeuges. Betrachtet man die Entscheidungsfindung mittels Einsatz eines Prototypenwerkzeugs, beträgt der generelle Zeitaufwand bis zur Serienproduktion zirka fünf Wochen. Dabei entstehen Kosten von durchschnittlich 30.000 EUR. Zusätzlich fallen Kosten beispielsweise für Prototypenträger (rund 10.000 EUR), Klebstoff oder Folienmaterial an. Durch Einsatz der T-SIM–Software, beispielsweise bei der Bauteilentwicklung für die Innenverkleidung der Vordertür des Tesla Model X, können markante zeitliche und kostenmäßige Einsparungen erzielt werden.

Sinn der simulationstechnischen Abbildung des Herstellungsverfahrens war und ist die Einsparung von Kosten sowie eine höhere Effizienz bei der Bauteilentwicklung. Vorteile des Simulationsansatzes werden im direkten Vergleich zur Entscheidung für ein Prototypenwerkzeug sofort erkennbar. Die Basis für eine Entscheidung liefern in beiden Fällen die Konstruktionsdaten. Jedoch ist der Reifegrad eines Serienwerkzeugs ohne Versuchswerkzeug mit dem simulationstechnischen Ansatz unschlagbar höher.

Neben dem vergleichsweise geringeren Aufwand einer Berechnung liegt ein weiterer großer Vorteil darin, dass in der Simulation beliebig viele Änderungs- oder Optimierungsschleifen virtuell durchlaufen werden können, die in diesem Umfang praktisch nicht umsetzbar sind. Kosteneinsparungen mit bis zu mehreren Tausend Euro sind damit keine Seltenheit. Änderungsschleifen bei Prototypenwerkzeugen benötigen durchschnittlich 40 bis 80 Stunden. Im Vergleich dazu liegen bei einer Simulationsrechnung bereits „über Nacht“ Ergebnisse vor, die eine neue Betrachtung des optimierten Prozesses erlauben. Entscheidungen über die weitere Vorgehensweise oder weitere Optimierungsansätze können so wesentlich schneller herbeigeführt werden. Damit werden Zeiteinsparungen bis zu 80 Prozent möglich. Zudem werden mittels der Simulation alle Wege und Maßnahmen bis hin zur finalen Entscheidungsfindung vollständig dokumentiert und können im Bedarfsfall jederzeit nachvollzogen werden. Neue Materialien, modifizierte Randbedingungen oder angepasste Prozesseinstellungen können erneut virtuell auf ihre Auswirkung geprüft werden. Dieser Zeitvorteil schafft Freiraum, auch zusätzliche Varianten zu betrachten, die sonst oft aus Zeit- oder Kostengründen am realen Werkzeug nicht bewertet werden.

Fehlererkennung und -diagnose

Mittlerweile unerlässliche Entscheidungshilfe ist die T-SIM – Simulationssoftware bei der Diagnose und Qualifizierung möglicher Fehler, die beim Formen auftreten, wie z. B. die Bildung von Falten oder Wülsten. Aufgrund derartiger Ergebnisse kann man bereits in einem sehr frühen Projektstadium den Einsatz von Formhilfen, Vorblasschalen, etc. einplanen oder auch Konzept- bzw. Designänderungen zur Erreichung stabiler Verarbeitungsprozesse, einsteuern.

Die Simulation ist ein wertvolles Hilfsmittel, um den wachsenden Herausforderungen des Marktes zu genügen. Dabei steht nicht die Optimierung des Formprozesses im Vordergrund (obwohl auch möglich), sondern in erster Linie das Aufzeigen von Machbarkeiten und das frühzeitige Erkennen von Risiken. Da die Simulation sehr früh in der Konzept- bzw. Projektphase eingesetzt werden kann, er- öffnen sich hier Potenziale, mögliche falsche Wege zu erkennen, die Lösungsfindung zu beschleunigen oder auch ganz neue Wege einzuschlagen. Bereits nach wenigen Stunden stehen in vielen Fällen Grundlagen für eine technische Diskussion zur Verfügung, auf deren Basis Entscheidungen getroffen werden können. Aufgrund der anerkannt sehr hohen Qualität der Aussagen ist die Akzeptanz der T-SIM-Simulationstechnologie im Markt mittlerweile sehr groß. Viele OEM´s und Zulieferer haben das Simulationswerkzeug bereits in ihre firmenspezifischen Arbeitsabläufe integriert.