Im Wasser liegt die Kraft

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Neben neuen Prozessführungsstrategien bietet die Simulation im frühen Stadium der Produkt- und Werkzeugentwicklung  Potenzial, Ressourcen einzusparen.

Die Fluidinjektionstechnik (FIT) ist ein etabliertes Spritzgießsonderverfahren zur Herstellung von komplexen, qualitativ hochwertigen Kunststoffhohlkörpern [1] mit funktionalem Hohlraum wie zum Beispiel Kühlwasser- oder Ölleitungen (Medienleitungen). Außerdem wird die FIT dazu verwendet, Massenanhäufungen an flächigen Formteilen mit Rippen oder Formteilen mit dickwandigen Bereichen zu reduzieren. Diese Masseanhäufungen führen zu Schwindung und Verzug beziehungsweise Einfallstellen sowie zu längeren Zykluszeiten, bedingt durch eine höhere Restkühlzeit. Die Beseitigung der Masseanhäufung resultiert neben der Prozesszeitreduktion in der Reduktion der Masse und bietet somit einen Vorteil in leichtbaurelevanten Anwendungs­bereichen wie der Automobilindustrie.

Die Gasinjektionstechnik (GIT) und die Wasserinjektionstechnik (WIT) sind Verfahren der Fluidinjektionstechnik, bei denen entweder Gas (GIT) oder Wasser (WIT) als Fluid verwendet wird. Die Fluide weisen spezifische Vor- und Nachteile auf. Durch die Stoffeigenschaften des Wassers weist die WIT gegenüber der GIT eine bessere Kühleffizienz auf [2] und ermöglicht demzufolge eine höhere Wirtschaftlichkeit. Die WIT unterliegt jedoch bei der Auswahl des Kunststoffs Einschränkungen. Das Wasser kann die Bildung von Fehlstellen fördern oder sich negativ auf das Eigenschaftsbild mancher Kunststoffe auswirken. Die eingesetzten Kunststoffe müssen daraufhin meistens durch Modifikationen mit Zusatzstoffen optimiert werden, wodurch die Wirtschaftlichkeit beeinträchtigt wird.

Restwanddicken als Qualitätsmerkmal

Die Restwanddicke (RWD) des Hohlkörpers und deren Verteilung haben einen unmittelbaren Einfluss auf die Strömungseigenschaften des Mediums sowie die Stabilität des Bauteils [3]. Somit stellt die Restwanddicke eines der wichtigsten Qualitätskriterien für Hohlkörper dar. Sie wird dabei einerseits von den fluidspezifischen Prozessgrößen wie zum Beispiel Prozessfluid, Druckhöhe, Halte- und Verzögerungszeit sowie andererseits von den Parametern des Spritzgießprozesses wie zum Beispiel der Werkzeug- und Schmelzetemperatur etc. beeinflusst. Darüber hinaus beeinflussen auch die Viskosität der Kunststoffmasse [4] und die Geometrie des Bauteils die Restwanddicke.

Am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen wird die Güte der Simula­tion für die WIT bezüglich Restwanddicken untersucht. Dies wird mithilfe des Simulationspakets von Moldex3D der Firma Core Tech System Co., Ltd., Taiwan durchgeführt. Moldex3D ist eine Spritzgießsimulationssoftware, die sowohl die Gas- als auch die Wasserinjektionstechnik simulativ abbilden kann.

Für die Validierung der Simulation werden Bauteile mit Medienleitung und Funktionselement eingesetzt, die mit dem Nebenkavitätsverfahren hergestellt werden. Die Kavität wird bei dieser Verfahrensvariante vollständig mit einer Kunststoffmasse­ gefüllt. Im Anschluss wird die plastische Seele der Kunststoffmasse durch injiziertes Wasser in eine Nebenkavität verdrängt und so ein Hohlraum ausgeformt. Für die Gegenüberstellung der simulierten Restwanddicken sowie der empirisch ermittelten Daten wird die 3-Sigma-Regel verwendet. Die Simulation gilt demnach als hinreichend genau, falls die Simulationsergebnisse im Bereich der dreifachen Standardabweichung der vermessenen Bauteile liegen. Die Bauteile werden jeweils an drei Messpositionen (MP) geschnitten und die Ausräumung anhand des freigelegten Querschnitts an vier Messstellen (MS) vermessen. Die Ausräumung stellt das Verhältnis zwischen freiem Fließquerschnitt und Kavitätsquerschnittsfläche dar. Im Simulationsprogramm wird dies mittels Positionierung von virtuellen Messknoten an den jeweiligen Stellen erfasst. MP 1 unterliegt in der Realität durch eine turbulente und nicht ausgebildete Strömung sehr großen Schwankungen und wird deshalb bei der Auswertung nicht berücksichtigt.

Dies lässt sich durch Einlaufeffekte am Injektor begründen. Somit wird MP 2 ausgewählt, da an dieser Position die Wasserströmung vollständig ausgebildet ist, so dass Einlaufstörungen dort nicht mehr bestehen. MP 2 befindet sich zusätzlich in einem geraden Abschnitt, so dass die symmetrische Ausformung des Hohlraums untersucht werden kann. MP 3 befindet sich in der Mitte der 90°-Umlenkung zur Untersuchung der sich ausbildenden Restwanddicken bei veränderten Strömungsverhältnissen. Die Innenseiten von Umlenkungen bieten dabei einen energetisch günstigeren Strompfad, so dass sich die Hohlraumausbildung zum Inneren der Krümmung verschiebt.

Um dieses Phänomen zu untersuchen, wird anhand der Restwanddicken die Exzentrizität (E) bestimmt. Die Hohlraumexzentrizität repräsentiert den Abstand zwischen Hohlraummittelpunkt und Kavitätsmittelpunkt. Außerdem wird die Ausräumung (A) bewertet. Insgesamt werden vier Versuchspunkte analysiert, wobei jeweils einer der Prozessparameter­ Wassertemperatur (TW), Druckhöhe (pW) oder Haltezeit (tH) vari­iert wird. Die Prozessparameter für die Einspritzphase der Kunststoffmasse bleiben wie bei den realen Versuchen für jeden Versuchspunkt unverändert. Die Ergebnisse der Restwanddicken, Exzentrizität und Ausräumung sind in der Grafik auf Seite III  links oben dargestellt. Die Fluidparameter für Versuchspunkt betragen TW = 25 °C, pW = 20 MPa, tH = 5 s und Verzögerungszeit tV = 6,5 s. Alle Simulationsergebnisse der Restwanddicke, Exzentrizität und Ausräumung für die­sen Prozesspunkt liegen erkennbar im 3-Sigma-Bereich und gelten somit als hinreichend genau.

Simulativer Kühleffizienzvergleich

Nachdem mithilfe der Ergebnisse gezeigt wurde, dass die Simulation­ hinreichend genaue Ergebnisse erzielt, wird numerisch die Kühleffizienz der WIT gegenüber der GIT untersucht und diese mit Ergebnissen aus praktischen Untersuchungen verglichen.

Das untersuchte Bauteil ist wiederum eine Medienleitung und weist Umlenkungen bis circa 150° sowie eine Querschnittserweiterung auf. Im Gegensatz zum vorherigen Bauteil wird dieses mit dem Aufblasverfahren hergestellt. Bei diesem Verfahren wird die Kavität in der Füllphase mit der Kunststoffschmelze teilgefüllt und in der Fluidphase durch die Fluidinjektion ausgeformt. Die Nebenkavität­ entfällt bei diesem Prozess. Als Bezugstemperatur für den Vergleich der Kühleffizienz wird die Entformungstemperatur von 90 °C gewählt. Die Simulation der WIT erreicht diese Temperatur bereits nach 33 s, wobei die der GIT dafür 138 s benötigt. Dies entspricht einem Kühlunterschied von 76 %, wodurch die WIT stark verkürzte Zykluszeiten zulässt. Dieser Wert deckt sich in guter Näherung mit dem Wert von 70 %, welcher auf Basis von praktischen Untersuchungen ermittelt wurde [3].

WIT in der Praxis

Die Firma Vorwerk & Co. KG, Wuppertal, ist bekannt für die Herstellung von qualitativ sehr hochwertigen und innovativen Haushaltsgeräten wie zum Beispiel der Multifunktions-Küchenmaschine Thermomix. Der Topfgriff des Thermomix weist im Bereich des Handgriffs einen relativ großen Querschnitt auf und eignet sich somit ideal für den Einsatz der Fluidinjektionstechnik.

Auswerferseite (AS) des Werkzeugs (l.); Düsenseite (DS) des Werkzeugs mit Schieberelementen im geöffneten Zustand (r.). Foto: Vorwerk

Genau aus schon zuvor erläuterten Gründen einer besseren Kühleffizienz (kürzere Zykluszeiten) und einer Reduzierung von Schwindung und Verzug (hier im Griffbereich) und der daraus resultierenden höheren Wirtschaftlichkeit entschied sich die Firma Vorwerk für die Wasserinjektionstechnik.

In Zusammenarbeit mit der Firma Hofmann, Lichtenfels, ist das Werkzeug entwickelt worden. Das Einkavitätenwerkzeug beinhaltet in der Auswerferseite (AS) einen axialen Injektor, die dem Topf zugewandte Seite des Bauteils und den Nebenkavitätsraum. Die Düsen­seite (DS) besteht aus zwei Schiebeelementen, die beim Öffnen und beim Schließen des Werkzeugs durch eine translatorische Bewegung (V-Bewegung) auseinander beziehungsweise zueinander bewegt werden und somit die Handgriffseite des Topfgriffs abbilden. Bedingt durch die Hinterschneidung im Handgriffbereich ermöglicht diese Konstruktion die Herstellung des Thermomix-Topfgriffs. Des Weiteren wurde die Oberfläche des Handgriffbereichs strukturiert, um den Kunden eine angenehmere Haptik zu bieten. Die beiden Werkzeugseiten werden zusätzlich unterschiedlich temperiert, Auswerferseite 35 C und Düsenseite 65 °C, um der Gesamtdeformation entgegenzuwirken.

Als WIT-Verfahrensvariante wurde das Nebenkavitätsverfahren ausgewählt, da beim Einsatz des Aufblasverfahrens wegen der Querschnittunterschiede in der Geometrie beziehungsweise des Füllbilds kein Hohlraum im Bereich des größten Querschnitts erzeugt werden kann. Außerdem würde bei Verwendung des Aufblasverfahrens an der Stelle der Teilfüllung höchstwahrscheinlich eine Fließmarkierung entstehen.

Das eingesetzte Material (Typ: Schulamid 6 GF 30 HI WIT von A. Schulman Europe GmbH, Kerpen) besteht aus PA6 und 30 % Glasfaser und ist für den allgemeinen Einsatz in der WIT entwickelt worden. Hergestellt werden die Thermofix-Topfgriffe auf mehreren hydraulischen Spritzgießmaschinen (Typ: Victory 180 von Engel Austria GmbH, Schwertberg, Österreich). Die Zykluszeit pro Bauteil beträgt circa 52 s. Das Bauteil wird im Anschluss samt Kaltkanal und Nebenkavität mithilfe eines linearen Handlingsystems aus dem Werkzeug entnommen.

In einer Zwischenstation werden automatisiert Kaltkanal und Nebenkavität vom Formteil getrennt. Gleichzeitig wird die Wassereintrittsöffnung (Injektorposition) mittels einer Kunststoffkugel versiegelt, um einen Wassereintritt im Alltagsgebrauch wie zum Beispiel beim Spülen zu vermeiden. Anschließend wird das Bauteil vom Handlingarm auf ein Laufband gelegt und zum Schluss bis zur Endmontage zwischengelagert. Jährlich entstehen so 1,2 Mio. Thermomix-Topfgriffe.

Simulation des Thermomix-Topfgriffs

In der Entwicklungsphase des Werkzeugs durch Hofmann Impulsgeber wurde bereits im frühen Stadium des Werkzeugdesigns die Simulation als Hilfsmittel herangezogen, um im Vorfeld unterschiedliche Angusssysteme, Kühlkanalvarianten, Prozessvarianten, und so weiter durchzuführen. Durch dieses Vorgehen wurden teure und langwierige Iterationsschritte an realen Werkzeugen eingespart. Mit Unterstützung der Firma Simpatec GmbH aus Aachen, des Lösungspartners für die Kunststoffindustrie in den Bereichen Spritzgieß-, Thermoform- und Blasformsimulation und Vertreibers der Software Moldex3D, wurden die Simulationen durchgeführt.

Übersicht des Simulationsmodells mit Temperiersystem, Kaltkanal, Kavität und Nebenkavität (l.); Simulation des Thermogriffs mit Darstellung der Wasserblase in Formteil und Nebenkavität (r.) Grafik: Simpatec

Im Simulationsmodell sind der Kaltkanal, das gesamte Temperiersystem, die Wassereingangsposition, die Nebenkavität, die Formteilkavität und das Werkzeug gesamtumhüllend vorhanden. Alle Komponenten wurden dreidimensional aus Tetraeder-Elementen automatisch vernetzt, wobei die Formteilkavität aus einem Boundary Layer Mesh (BLM) besteht. Das BLM besteht am Formteilrand aus bis zu fünf Prismaschichten und im Inneren aus Tetraeder-Elementen. Diese fünf Schichten ermöglichen es, am Wandbereich (Bereich der größten Gradienten) die auftretenden physikalischen Größen wie zum Beispiel Schergeschwindigkeit oder Temperatur genauer zu erfassen beziehungsweise besser aufzulösen. Die Simulation hat auch dazu beigetragen das Prozessfenster einzuschränken. Somit konnten kostenintensive Maschinenzeiten und Materialkosten eingespart werden.

Fazit

Die Realität bezüglich Restwanddicken wird durch die Simulation der WIT mit Moldex3D in äußerst guter Näherung abgebildet. Die Simulation bietet nicht nur die Möglichkeit, einen Spritzgießprozess darzustellen, sondern auch, zwei Verfahrensvarianten mit­einander zu vergleichen, um sich bereits im Vorfeld für das effizien­tere Verfahren zu entscheiden. Am Anwendungsbeispiel des Thermomix-Topfgriffs sind mittels der Simulation teure und langwierige Iterationsschleifen am realen Werkzeug sowie kostenintensive Maschinenzeiten zur Einschränkung des Prozessfensters eingespart worden.

sl

Literaturverzeichnis

[1]        Westphal, F.: Fließende Produktgestaltung. Kunststoffe 103 (2013) 9, S. 57–60

[2]        Michaeli, W.; Brunswick, A.; Pfannschmidt, O.: Gewusst wie! Fragen und Antworten zur Wasserinjektionstechnik (WIT). Kunststoffe 92 (2002) 9, S. 94–98

[3]        Jüntgen, T.: Injektortechnik und Prozessuntersuchungen bei der Gas- und Wasserinjektionstechnik. Dissertation, RWTH Aachen 2004, ISBN: 978-3-86130-488-3

[4]        Michaeli, W.: Untersuchungen zum Einfluss der Materialeigenschaften auf die Hohlraumausbildung bei der Wasserinjektionstechnik (WIT). Institut für Kunststoffverarbeitung, RWTH Aachen, Abschlussbericht zum IGF-Forschungsvorhaben Nr. 15003 N, 2009

[5]        Dornebusch, H.: Untersuchung einer Methode zur Simulation der Hohlraumausbildung bei der Wasserinjektionstechnik unter Variation thermischer und rheologischer Fluideigenschaften. Bachelorarbeit, RWTH Aachen 2014, Betreuer: M. Theunissen

[6]        Theunissen, M.: Stickstoff-Wasser-Nebel als alternatives Prozessfluid für die Fluidinjektionstechnik. Dissertation, RWTH Aachen 2016, ISBN: 978-3-95886-148-0

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