Erfolgsfaktor simulationsgetriebene Entwicklung

Ein Großteil aller Kunststoffteile wird heute im Spritzgussverfahren hergestellt – eine anspruchsvolle Methode, die mit einem komplexen Mix aus Zeit, Druck, Temperatur sowie material- und werkzeugspezifischen Parametern einhergeht. Konstrukteure und Formenbauer müssen dabei zahlreiche Faktoren beherrschen: Von der Wahl des passenden Materials über die Positionierung von Bindenähten und Ausgusskanälen bis zum passenden Einspritzdruck.

Bild: Solidworks

Bei der Konstruktion und Herstellung von Kunststoffteilen sind vier Kriterien ausschlaggebend: Das Vermeiden von Fertigungsfehlern und die Reduktion von Ausschuss, die reibungslose Zusammenarbeit zwischen Konstrukteur und Formenbauer, eine durchgängige Kostentransparenz sowie kurze ‚Time-to-market‘. Werden diese Kriterien nicht erfüllt, sind hohe Änderungskosten, langwierige Iterationsschleifen zwischen Konstrukteur und Formenbauer, deutlich höhere Produktionskosten sowie Verzögerungen die Folge. Unterstützung in diesem anspruchsvollen Prozessumfeld können Simulationswerkzeuge zur Konstruktionsüberprüfung bieten.

Ausschuss bereits im Vorfeld reduzieren

Auf Spritzgussprozesse spezialisierte Software ermöglicht bereits in frühen Entwicklungsphasen virtuelle Tests unter realen Betriebsbedingungen. So lassen sich noch vor der Herstellung der Form gängige Fertigungsfehler vorhersagen und gezielt vermeiden, die Zusammenarbeit zwischen den Beteiligten verbessern, Kosten genau planen und die ‚Time-to-market‘ verkürzen. Denn mit hohen Kosten und empfindlichen Verzögerungen werden Konstrukteure insbesondere im Fall von Fertigungsfehlern konfrontiert: Wird erst bei der Produktion festgestellt, dass die Form nicht befüllbar ist und führen auch Modifikationen von Prozessparametern wie Temperatur und Einspritzdruck nicht zum Erfolg, sind Änderungen und Nacharbeiten an der Spritzgussform unvermeidlich – etwa die Erhöhung der Wandstärke oder erneute Politur der Oberfläche.

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Die Konsequenz: erheblicher Zeitverlust durch die mühsame Fehlersuche, mehrere Iterationsschleifen zwischen Konstrukteur und Formenbauer sowie bedeutende Mehrkosten. Dies schlägt vor allem bei der Produktion von Massenartikeln mit sehr hohen Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit – zum Beispiel Kunststoff-Champagnergläser – empfindlich zu Buche. Um dem vorzubeugen, visualisiert und prüft der Konstrukteur im Simulationssystem Solidworks Plastics die für eine makellose Oberfläche des Kunststoffteils entscheidende Position der Lufteinschlüsse. Erkennt die Software, dass sich die Luft im Sichtbereich oder in der Mitte einer größeren Fläche der Form staut, schlägt sie alternative Einspritzpunkte vor und stellt den entsprechenden Verlauf der Schmelzfront dar.

Auf diese Weise kann der Konstrukteur den Anspritzpunkt an eine Stelle versetzen, die Lufteinschlüsse an unkritischen Positionen erzeugt. Gleiches gilt für Bindenähte: Bereits in der Frühphase der Produktentwicklung können das Aufeinandertreffen von zwei oder mehr Fließfronten erkannt, deren Verlauf analysiert und so mögliche Produktausfälle identifiziert werden. Basierend auf diesen Resultaten lassen sich die Anspritzpunkte beziehungsweise weitere wichtige Prozessparameter anpassen und somit die erforderliche Bauteilqualität sicherstellen – und zwar noch bevor die Konstruktionsdaten an den Formenbauer gehen.

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Abstimmung zwischen Konstruktion und Formenbau

Für einen gut abgestimmten Entwicklungs- und Produktionsprozess müssen Teilekonstrukteure und Formenbauer Hand in Hand arbeiten. Das gilt insbesondere, wenn Teams räumlich getrennt arbeiten oder externe Dienstleister eingebunden werden. Besonders wichtig ist dies bei der Herstellung von Mehrfach- und Familienwerkzeugen: Damit am Ende passgenaue Teile entstehen, die sich hinsichtlich Oberflächenbeschaffenheit nicht unterscheiden und höchsten Qualitätsansprüchen genügen, muss die Form tadellos sein. Die Herausforderung liegt dabei in der perfekten Dimensionierung des Angusssystems. Dazu simuliert der Konstrukteur in der Software das Ausbalancieren der Angüsse und ermittelt so, wie die gleichmäßige Füllung und Druckverteilung erreicht werden kann. Auf Basis dieser Ergebnisse und anschaulicher Animationen ist der Formenbauer in der Lage, das Spritzgußwerkzeug zu optimieren und so maßhaltige Teile in höchster Qualität zu gewährleisten.

Simulation im Spritzgussverfahren: Der frühe Blick auf Angüsse und Druckverteilung hilft, dem Formenbau auf Anhieb hochwertige Konstruktionsdaten zur Verfügung zu stellen. Bild: Solidworks

Nachteile durch versteckte Kosten vermeiden

Denn ‚Learning by doing‘ ist ein Luxus, den sich heute weder Entwickler von Kunststoffteilen noch Formenbauer leisten können, da er mit hohem Kostenaufwand einhergeht. Dies trifft insbesondere auf mögliche Fertigungsfehler im Spritzgussverfahren zu – das Experimentieren mit Material, Einspritzdruck, Zyklus- und Kühlzeiten sowie der Temperatur der Schmelze oder der Einspritzgeschwindigkeit am realen Produkt hat deutlich höhere Produktionskosten pro Teil als geplant zur Folge. Der Einsatz eines Simulationssystems erlaubt dem Konstrukteur hingegen, wesentliche Prozessparameter virtuell durchzuspielen, die Herstellbarkeit der Kunststoffteile exakt zu bewerten und die Konstruktion gegebenenfalls frühzeitig anzupassen.

So lassen sich bei der Konstruktion potenzielle Fertigungsfehler in der Frühphase der Produktentwicklung erkennen; Formenbauer profitieren von verlässlichen Konstruktionsdaten und detaillierter Dokumentation. Damit kann eine Gussform entstehen, die im ersten Anlauf fehlerfrei ist – und ein Kostenplan, der ohne Abweichungen eingehalten werden kann. Denn Überraschungen wie Änderungen der Materialmenge, Nacharbeiten an der Form oder gar Fertigungsfehler und kritische Verzögerungen können mithilfe der Software vermieden werden. Zudem lässt sich durch Simulation die Qualität der Teile verbessern, die Entwicklungszeiten und damit die Time-to-market werden deutlich verkürzt. Die so erzielten Einsparungen übersteigen in der Regel schnell Investitions- und Implementierungskosten der Software.