Donnerstag, 5. Februar 2015

XPress 1501

Simulieren - aber richtig

Sichere Ergebnisse erfordern Wissen über den gesamten Prozess.


Abb.: 1
"Ich brauch' schnell das Verzugsergebnis für ein Teil aus PA6"
Zu dieser Fragestellung werden Geometriedaten geliefert bei denen die Lage der Anbindung bestenfalls grob beschrieben ist. Die Abmessungen des Verteilersystems und der Anbindung fehlen ganz. Abgesehen vom Verlust der Informationen wie Fülldruckbedarf, Schererwärmung, Länge der  Nachdruckzeit etc. stellt sich noch ein weiteres Problem ein.

Dieses resultiert daraus, dass nur die  Materialgruppe und nicht die Materialbeschreibung im obigen Beispiel genannt wurde. Einfach zu sehen ist der Unterschied zwischen zwei Materialien aus der gleichen Materialgruppe anhand des  MFI Wertes der in den meisten Materialdatenblättern zu finden ist.
Wird ein beliebiges Material aus der Materialgruppe ausgewählt kann es zu extremen Unterschieden in der Formfüllung, dem Druckbedarf, der auftretenden Scherung und natürlich auch in den Verzugswerten kommen.

Abb. 2
Die Simulation soll den Entwicklungsprozess eines Kunststoff-Formteils
begleiten. Parallel zur Formteil-Konstruktion werden die ersten Füllberechnungen durch geführt.
Dies kann erfolgen, auch wenn das Formteil noch nicht bis ins kleinste Detail konstruiert wurde.
Mit den Informationen aus der Simulation lassen sich auf dieser Ebene schnell und leicht Änderungen einbringen.
Möglich Problemstellen, wie z.B. Masseanhäufungen oder Engstellen, die zur Verzögerungen beim Füllen führen können, werden sichtbar.


Für den Formteilkonstrukteur ist die Betrachtung der Formfüllung interessant. Unterschiedliche Anbindungen werden von ihm untersucht. Der Aufbau des Verteilersystems oder der Werkzeugtemperierung ist an dieser Stelle verfrüht.


Werkzeugkonstruktion:
Nach der Konstruktion und Überprüfung des Formteils wird der Werkzeugkonstrukteur die Anzahl der Kavitäten bestimmen und davon ausgehend das Verteilersystem beschreiben.
An dieser Stelle erfolgt die nächste Simulation unter Berücksichtigung der Lage der Anbindung und deren Durchmesser.
Zu erkennen sind die Druckverluste im Verteilersystem und - zur Ermittlung der Nachdruckphase - die Einfrierbedingungen am Anschnitt.
Mit diesen Informationen kann der Werkzeugkonstrukteur die Querschnitte der Verteiler anpassen bzw. sein gesamtes Konzept zur Anbindung des Formteils korrigieren.


Abb.: 3
Bis zu diesem Zeitpunkt sind die Ergebnisse aus der Simulation unter der Annahme einer idealen Werkzeugtemperierung ermittelt worden. Nachdem das Verteilersystem optimiert ist, wird die Werkzeugtemperierung aufgebaut und die Temperaturverteilung im Werkzeug berechnet.
Am Formteil selbst werden sowohl die Oberflächentemperatur zu einem bestimmten Zeitpunkt, als auch die Temperatur über der Wandstärke bestimmt.

Mit diesen Informationen kann der Werkzeugkonstrukteur die Lage der Temperierbohrungen optimieren und in kritischen Bereichen durch einen Einsatz mit höherer Wärmeleitfähigkeit für eine gute und gleichmäßige Wärmeabfuhr sorgen.


Abb.: 4
Eine Simulation erfolgt immer auf der Basis gemessener Viskositäts- und PVT-Kenndaten. Die Ergebnisse der Messungen sind in Materialgesetzen hinterlegt, welche bei der Simulation angewendet werden.
Innerhalb einer Materialgruppe können Materialien mit gänzlich verschiedene Eigenschaften vorhanden sein.

Die Viskositätsdaten beziehen sich auf das Füllverhalten des Formteils. Je nach Additiv und Aufbau des Materials ist bei gleichem Druckbedarf und gleichem Temperaturniveau ein längere oder kürzerer Fliesweg realisierbar.

Auf der Basis der PVT Daten wird der Verzug aufgrund der Materialschwindung berechnet. In der Abbildung oben sind für Materialien der gleichen Materialgruppe (PA6) zwei unterschiedliche PVT Diagramme (links: Ultramid B35Z, rechts: Ultramid B3S) dargestellt, die zu unterschiedlichem Verzug am Formteil (bei ansonsten gleichen Randbedingungen führen).


Materialdaten
Der kritische Punkt bei der Durchführung einer Simulation ist die Verfügbarkeit und die Qualität von Materialdaten.
In der Materialdatenbank ist zu prüfen, ob für ein bestimmtes Material Daten vorhanden sind oder nicht. Sind keine aktuellen Daten verfügbar, muss versucht werden diese z.B. über den Rohstoffhersteller zu erhalten.

Die Messung der erforderlichen Daten ist teuer und aufwändig ist. Dadurch sind die benötigten Informationen beim Hersteller nicht immer verfügbar.
In diesem Fall kann durch Vergleich von einzelnen Kennwerten (am einfachsten durch Vergleich der Materialdichte und des MFI Wertes) ein Ersatzmaterial gewählt werden.


Abb.: 5

Derjenige der die Simulation durchführt muss in jedem Fall darüber informieren, dass ein Ersatzmaterial zur Anwendung gekommen ist. Die Unterschiede bei der Aussage sowohl in Richtung des erforderlichen Druckbedarfs, als auch hinsichtlich Schwindung und Verzug können erheblich sein.
Simulationen welche mit einem Ersatzmaterial durchgeführt wurden, sind nicht in gleichem Maße verlässlich, wie Simulationen die mit guten Materialkennwerten erstellt wurden. 


Erklärungen zu den Bildern:

Abbildung 1:
Die Durchführung einer rheologischen Simulation muss nach dem oben beschriebenen Schema erfolgen, wenn ein bestmöglicher Nutzen erzielt werden soll. Dabei sind vier aufeinander aufbauende Regelkreise zu durchlaufen. Je ein Regelkreis ergibt sich für die Lage der Anbindung, die Auslegung des Verteilersystems, die Nachdruckphase und die Werkzeugtemperierung. Nach jedem Durchlauf sind die Ergebnisse der Simulation zu betrachten und zu bewerten. Je nach Einschätzung der Ergebnisse ist eine Änderung der verwendeten Einstellparameter oder der Geometrie des Verteilersystems, der Temperierung oder sogar des Formteils erforderlich. Da die genannten Regelkreise voneinander abhängen, potenziert sich ein zuvor gemachter Fehler in den weiteren Simulationen. Die auf den ersten Blick aufwändig erscheinende Vorgehensweise sichert gute Ergebnisse unter Berücksichtigung aller wesentlichen Prozesseinflüsse. Auf diese Weise lässt sich z.B. die Zykluszeit verlässlich bestimmen. 

Abbildung 2:
Unterschiedliche Ergebnisse bei der Füllung einer Scheibe.

Abbildung 3:
Unterschiedliche Ergebnisse aus den Betrachtungen mit und ohne Werkzeugtemperierung.

Abbildung 4:
PVT-Diagramme von zwei Materialien der gleichen Materialgruppe im Vergleich.

Abbildung 5:
Je nach verwendetem Material ergeben sich Unterschiede bei Fülldruckbedarf und der erreichbaren Fließweglänge.

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