Analyse von Wärmeverteilung und Positionsversatz im Werkzeug

Aufbau der Simulation. (Bildquelle: alle Agathon)

Im Formenbau kommen kubische Flachzentrierungen häufig zum Einsatz. Solche Flachzentrierungen haben in manchen Anwendungen durchaus ihre Berechtigung. Doch solche, nicht spielfreie Zentrierungen in ein kostspieliges Formwerkzeug einzubauen, das hochpräzise zu arbeiten hat, bringt Nachteile mit sich. In der Praxis führt dies zwangsläufig dazu, dass Formelemente, zum Beispiel Inserts, viel zu schnell verschleißen. Das zieht hohe Kosten nach sich. Einkäufer, die zum wiederholten Male dieselben kundenspezifischen Inserts beschaffen mussten, können ein Lied davon singen.

Wärmeübergang an der Trennfläche (grün) zwischen Auswerfer- und Düsenseite bei 50°C Temperaturunterschied.

Damit die beiden Teile des Formwerkzeugs mit seinen möglicherweise zahlreichen Kerneinsätzen hochpräzis zusammengeführt werden, investieren immer mehr Formenbauer in spielfrei arbeitende Zentrierungen. Und so nehme auch die Nachfrage nach den spielfrei vorgespannten Wälzführungen von Agathonstetig zu, bestätigt Stefan Nobs, Leiter Technik Normalien des Schweizer Unternehmens. Höhere Standzeiten und Steifigkeit seien weitere Vorzüge vorgespannter Wälzführungen. „Daraus ergibt sich einerseits eine enorm hohe Präzision und anderseits eine massive Kostenersparnis“, so Nobs. Weil die Formeinsätze hochpräzis zentriert werden, nimmt der Verschleiß ab. Kerne und Inserts müssten somit äußerst selten ersetzt werden. Und weil eine solche Zen-trierung praktisch keinen Abrieb erzeugt, sind sie auch für Reinraumanwendungen eine gute Wahl.

Gegen den Einsatz spielfreier Zentrierungen wird bisweilen jedoch ein Vorbehalt formuliert. Es wird befürchtet, dass eine unterschiedliche Temperierung der Werkzeughälften zu einem Positionsversatz der Zentrierungen führt. Unterschiedliche Temperierungen sind insbesondere im High-End-Segment oft unumgänglich und für einen sicheren Prozess notwendig. Durch den vermeintlichen Temperatursprung zwischen Auswerfer- zu Düsenseite werden Einbußen bei der Performance der Wälzführungen vermutet. Auch der inhomogene Wärmeeinfluss von Düsenheizung oder lokaler Kühlung führt zu Bedenken.

Simulation der Wärmeverteilung

Als Anbieter hochwertiger Führungen und Zentrierungen ging Agathon dieser Thematik auf den Grund und hat eine thermomechanische FEM-Simulation in Auftrag gegeben. Simuliert wurden die Wärmeausdehnung im Formwerkzeug sowie deren Einfluss auf die Funktion der Wälzführungen. Als Modell diente ein simples Spritzgießwerkzeug mit drei Temperierkreisläufen, einer Kavität und zwei eingebauten Agathon-Zentrierungen als Wälzführungseinheiten. Diese Einheiten wurden im Abstand von 120 mm zueinander eingebaut und durch starre, fest miteinander verbundene Knoten in der Simulation abgebildet. Den Wärmeeinfluss an der Oberfläche der Kavität berechnete zuvor eine Moldflow-Analyse. Deren Resultate bildeten die Grundlage der FEM-Simulation. Insgesamt wurden drei Rechenläufe mit folgenden Ausgangswerten durchgeführt:

• Δ 0 °C: Düsen – und Auswerferseite (DS und AS) wurden identisch auf 70 °C temperiert
• Δ 20 °C: Düsenseite wurde auf 60 °C, Auswerferseite auf 80 °C temperiert
• Δ 50 °C: Düsenseite wurde auf 40 °C, Auswerferseite auf 90 °C temperiert

Wärme verteilt sich gleichmäßig im gesamten Formwerkzeug

Die Abbildung zeigt die Temperaturversätze (rote Balken), Fertigungstoleranzen (grau) und Potential zur elastischen Deformation von Wälzführungen (blau) im Verhältnis zueinander.

Wichtigstes Ergebnis: In den beiden Simulationen, in denen ein Temperaturunterschied zwischen Düsen- und Auswerferseite bestand, betrug der tatsächlich gemessene Versatz zwischen Zentriersäule und Zentrierbuchse lediglich ein Drittel bis ein Fünftel des theoretisch berechneten Wertes. Folglich kam es durch die Berührung der beiden Werkzeughälften an den Kontaktflächen zu einem Temperaturausgleich, der den Temperaturunterschied deutlich verringert hat. Daraus lässt sich ableiten, dass es keinen Temperatursprung zwischen AS und DS gibt, sondern die Wärme an der Kontaktzone von einer Hälfte zur anderen fließt.

Temperaturversätze (rote Balken), Fertigungstoleranzen (grau) und Potenzial zur elastischen Deformation von Wälzführungen (blau) im Verhältnis zueinander.

Ergebnisse früherer Simulationen sowie interne Prüfungen zeigen, dass Wälzführungseinheiten der (äußerst steifen) Zentrierung der Baureihe 799X bei einer eventuell unterschiedlichen Wärmeausdehnung das Potenzial besitzt, mindestens zwei Hundertstel Millimeter Versatz auszugleichen. Dieser Wert setzt sich aus der elastischen Deformation von Wälzkörper, Säule und Buchse sowie den Passungstoleranzen der Einbaubohrungen zusammen. „Wälzführungsprodukte von Agathon können auch im Formenbau bedenkenlos eingesetzt werden“, resümiert Stefan Nobs. Dies gilt insbesondere dann, wenn nur geringe Wärmeunterschiede im Werkzeug auftreten. Sind im Prozess höhere Temperaturunterschiede als 30 °C geplant, sollte der Abstand der Führungen zueinander möglichst gering gehalten werden. Und um auftretende Effekte vorhersagbar zu gestalten, hilft es außerdem, das Werkzeug gleichmäßig zu temperieren.