Spritzgießen Kunststoffteile-Fertigung durch Design of Experiments optimieren

Redakteur: Peter Königsreuther

Mit Sigmasoft Virtual Molding inklusive virtuellem DoE gibt es die Möglichkeit, Ressourcen zu sparen und die Bauteilqualität zu verbessern.

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Mit Autonomous Optimization von im Programm Sigmasoft Virtual Molding kann die für ein Bauteil kleinste benötigte Zykluszeit ermittelt werden, mit der das Teil noch prozesssicher spritzgegossen werden darf (hier von anfangs 40 s auf 30 s gesunken). Das System hat jetzt außerdem ein virtuelles DoE (Design of Experiments) aufgesetzt bekommen, um noch effektiver zu werden, sagt Sigma Engineering.
Mit Autonomous Optimization von im Programm Sigmasoft Virtual Molding kann die für ein Bauteil kleinste benötigte Zykluszeit ermittelt werden, mit der das Teil noch prozesssicher spritzgegossen werden darf (hier von anfangs 40 s auf 30 s gesunken). Das System hat jetzt außerdem ein virtuelles DoE (Design of Experiments) aufgesetzt bekommen, um noch effektiver zu werden, sagt Sigma Engineering.
(Bild: Sigma Engineering)

Die Verringerung der Zykluszeit ist eines der entscheidendsten Ziele bei der Auslegung eines Spritzgießprozesses, wie der Praktiker weiß. Gleichzeitig muss die nötige Bauteilqualität in Hinsicht auf die Formbeständigkeit sichergestellt sein, fügt Sigma Engineering an. Viele Prozessveränderungen, die eine möglichst geringe Bauteilverformung erreichen sollen, bedeuten jedoch längere Kühlzeiten. Eine angemessene Auswahl der Werkzeugmaterialien und eine gute Positionierung der Kühlkanäle kann das Problem aber entschärfen und die Zykluszeit auch in diesem Fall deutlich zu verkürzen, während gleichzeitig das erwartete Formverhalten des Bauteils erreicht wird, so Sigma Engineering.

Hier ein Beispiel: Ein Automobilbauteil wurde mit einer unerwartet langen Zykluszeit gespritzt. Das beeinträchtigte natürlich die Rentabilität des Herstellungsprozesses. Bei näherem Hinsehen wurde festgestellt, dass das Bauteil nach dem Spritzgießen mehrere Hotspots aufwies und dass die Verkürzung der Kühlzeit stets auf Kosten der Sollgeometrie des Bauteils ging.

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Virtuelles Design of Engineering hilft bei der Lösung

Der Verarbeiter hat danach zwei mögliche Lösungen ersonnen, um die Hotspots zu vermeiden: Die Verbesserung der Kühlkanalverläufe und den Einbau von Einlegern aus hochleitfähigen Legierungen an bestimmten Stellen im Werkzeug. Das Werkzeug dementsprechend abzuändern trieb jedoch die Kosten in die Höhe, sodass es wichtig war, im Vorhinein die bestmögliche Konfiguration herauszufinden und gleichzeitig den ökonomischen Nutzen der Modifikation abzuschätzen.

In Sigmasoft Virtual Molding wurde deshalb eine virtuelle DoE (Design of Experiments) mit der Autonomous Optimization Technologie aufgesetzt. In diesem Fall wurden zwei Ziele gleichzeitig verfolgt: Die Zykluszeit zu reduzieren und die Werkzeugkosten möglichst gering zu halten. Um dies zu erreichen wurden die Kühlkanalverläufe in mehreren Iterationen verändert und das Material der Einleger variiert.

Zykluszeit um 25 % gesenkt

„Der Iterationsprozess beinhaltete in Summe 176 Designs, die in rund 50 h berechnet wurden“, erklärt Gabriel Geyne, der verantwortliche Sigmasoft Virtual Molding Ingenieur. Davon waren nur 3 Stunden tatsächliche Ingenieursarbeit, der Rest war reine Computerrechenzeit. Anschließend konnte das optimale Design bestimmt werden, ergänzt der Experte. Durch die Untersuchung aller möglichen Varianten konnte die Zykluszeit von 40 auf 30 s reduziert werden. Obwohl die Einleger die Kosten des Werkzeugs erhöhten, konnten für den Spritzgießprozess mit 250.000 Bauteilen in Summe 48.930 USD eingespart werden.

Optimale Angussposition bei komplexen Bauteilen

Für jeden Verarbeiter stellt sich außerdem die Schwierigkeit, für seine Bauteile das beste Anspritzsystem zu finden. Oft sind die wegweisenden Kriterien für die Positionierung des Angusssystems auftretende Bindenähte, Fließmarkierungen oder Lufteinschlüsse, heißt es. Aber nur selten nutzten Hersteller die sogenannte Anbindung, um auch den Fülldruck zu minimieren.

Das ist aus ökonomischer Sicht allerdings ein wesentliches Kriterium, sagt Sigma Engineering. Die Positionierung eines Anspritzpunkts, der einen hohen Fülldruck zur Folge habe, führe zwangsläufig auch dazu, dass eine höhere Schließkraft benötigt werde. Zusätzlich verkürzt der höhere Werkzeuginnendruck die Lebensdauer des Werkzeugs, sagen die Experten.

Mit der virtuellen DoE konnten ein Spritzgussteile-Hersteller von einer 700-t-Maschine auf eine 500-t-Anlage umsteigen – ohne Qualitätseinbußen beim Bauteil. Das klappt, weil mit dem Sigma-Engineering-Tool die Position des Anspritzpunktes optimal gesetzt werden kann, um das beste Teileergebnis mit möglichst geringem Druck und Schließkraftbedarf zu erhalten.
Mit der virtuellen DoE konnten ein Spritzgussteile-Hersteller von einer 700-t-Maschine auf eine 500-t-Anlage umsteigen – ohne Qualitätseinbußen beim Bauteil. Das klappt, weil mit dem Sigma-Engineering-Tool die Position des Anspritzpunktes optimal gesetzt werden kann, um das beste Teileergebnis mit möglichst geringem Druck und Schließkraftbedarf zu erhalten.
(Bild: Sigma Engineering)

Die Möglichkeit der Autonomous Optimization in Sigmasoft Virtual Molding mache bereits während der Entwicklung eine Annäherung an ein gutes Design über Trial-and-Error überflüssig und erlaube es dem Anwender, eine beträchtliche Anzahl an Design-Iterationen virtuell zu durchlaufen. So kann die optimale Platzierung des Angusssystems für ein Spritzgießbauteil ohne viel Aufwand gefunden werden, die mit zunehmender Bauteilkomplexität außerdem immer weniger offensichtlich ist.

Und einmal mehr hilft DoE

Nehmen wir wieder ein Beispiel: Ein Bauteil aus einem Fahrzeuginnenraum mit einem Gewicht von ungefähr 0,5 kg wurde mit einem Kaltkanal und zwei Anspritzpunkten hergestellt. Die ersten Simulationen zeigten eine benötigte Schließkraft von etwa 540 t. Im Werk waren nur Maschinen mit 500 oder 700 t Schließkraft verfügbar, sodass der Bauteilhersteller SIGMA Engineering zurate zog, um eine Lösung zu finden, die benötigte Maschinengröße zu reduzieren. Dadurch stehen die größeren Maschinen für ein anderes Projekt zur Verfügung.

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Die Sigmasoft Ingenieure arbeiteten zusammen mit dem Kunden heraus, dass die Position der Anspritzpunkte geändert werden kann. Über die Funktion der Autonomous Optimization wurde wieder eine virtuelle DoE aufgesetzt. Für diesen Fall war das Ziel den Einspritzdruck zu verringern. Sls Variable wurde die Position der beiden Kanäle gesetzt. In Summe wurden 120 Versuche simuliert, um den minimalen Einspritzdruck zu ermitteln.

Die beste und die schlechteste Anspritzposition, mit Blick auf den Druckbedarf.

Sinnvoll verschobene Anspritzpunkte sparen Bares

Mithilfe der Autonomous Optimization wurde der Druck für diese Anwendung um 27 % reduziert. Mit den Änderungen konnte der Schließkraftbedarf um 50 t vermindert werden, sodass eine der kleineren Maschinen des Werks benutzt werden konnte.

Die Verwendung der kleineren Schließeinheit führt im Vergleich zu den größeren Schließeinheiten zu geringeren Betriebskosten. Bei einer Zykluszeit von 40 s und einer Gesamtzahl von 250.000 Bauteilen konnte der Hersteller durch die Verschiebung der Anspritzpunkte 40.000 USD bei den Projektkosten einsparen.

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