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Wasserinjektionstechnik und ihre Simulation - eine Kombination für Effizienzsteigerung

| Autor/ Redakteur: Cristoph Hinse, Nuno Ribeiro Simões, Dipl.-Ing. Stefan Hofmann, Dr.-Ing. Matthias Theunissen und Prof. Dr.-Ing. Christian Hopmann / Monika Zwettler

Die Fluidinjektionstechnik ist ein etabliertes Spritzgieß-Sonderverfahren zur Herstellung von komplexen Kunststoffhohlkörpern. Wie die Simulation funktioniert und wie sie bei Vorwerk zur Herstellung von Thermomix-Topfgriffen effizient eingesetzt wird.

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Kurze Produktlebenszyklen und hohe Anforderungen erfordern effiziente Produktentwicklungsmethoden. Die Simulation bietet im frühen Stadium der Produkt- und Werkzeugentwicklung erhebliches Potenzial, Ressourcen einzusparen. Hier wird die Simulation der Wasserinjektionstechnik validiert.
Kurze Produktlebenszyklen und hohe Anforderungen erfordern effiziente Produktentwicklungsmethoden. Die Simulation bietet im frühen Stadium der Produkt- und Werkzeugentwicklung erhebliches Potenzial, Ressourcen einzusparen. Hier wird die Simulation der Wasserinjektionstechnik validiert.
(Bild: Simpatec/Vorwerk)

Kurze Produktlebenszyklen und hohe Anforderungen erfordern effiziente Produktentwicklungsmethoden. Neben neuen Prozessführungsstrategien bietet die Simulation im frühen Stadium der Produkt- und Werkzeugentwicklung erhebliches Potenzial Ressourcen einzusparen. In diesem Beitrag wird die Simulation der Wasserinjektionstechnik validiert, zwei Verfahren der Fluidinjektionstechnik (FIT) werden gegenübergestellt und im Anschluss ein Anwendungsbeispiel aus der Praxis aufgezeigt.

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Was ist die Fluidinjektionstechnik?

Die Fluidinjektionstechnik ist ein etabliertes Spritzgieß-Sonderverfahren zur Herstellung von komplexen, qualitativ hochwertigen Kunststoffhohlkörpern [1] mit funktionalem Hohlraum wie z. B. 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 bzw. 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.

Gegenüberstellung Gasinjektionstechnik und Wasserinjektionstechnik

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. Die Restwanddicke wird dabei einerseits von den fluidspezifischen Prozessgrößen, wie z. B. Prozessfluid, Druckhöhe, Haltezeit und Verzögerungszeit sowie andererseits von den Parametern des Spritzgießprozesses wie z. B. die 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 Wasserinjektionstechnik bzgl. Restwanddicken untersucht. Dies wird mit Hilfe des Simulationspakets von Moldex 3D der Firma Core-Tech System Co., Ltd., Taiwan durchgeführt. Moldex 3D ist eine Spritzgießsimulationssoftware, die sowohl die Gas- als auch die Wasserinjektionstechnik simulativ abbilden kann.

Validierung der Simulation

Für die Validierung der Simulation werden Bauteile mit Medienleitung und Funktionselement eingesetzt, die mit dem Nebenkavitätsverfahren hergestellt werden (Bild 1). 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 Querschnittes an vier Messstellen (MS) vermessen (Bild 1). Die Ausräumung stellt das Verhältnis zwischen freiem Fließquerschnitt und Kavitätsquerschnittsfläche dar.

Aufbau der Simulation mit virtuellen Messpunkten

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, sodass Einlaufstörungen dort nicht mehr bestehen. MP 2 befindet sich zusätzlich in einem geraden Abschnitt, sodass die symmetrische Ausformung des Hohlraumes 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, sodass sich die Hohlraumausbildung zum Inneren der Krümmung verschiebt.

Warum verschiebt sich der Hohlraum?

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 eine 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 Bild 2 dargestellt. Die Fluidparameter für Versuchspunkt (Bild 2) 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 gilt somit als hinreichend genau.

Simulativer Kühleffizienzvergleich WIT vs. GIT

Nachdem mit Hilfe 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 ca. 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.

Der Temperaturverlauf und eine exemplarische Skizze der Geometrie sind in Bild 3 dargestellt. 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].

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Wasserinjektionstechnik am Praxisbeispiel Thermomix

Die Firma Vorwerk & Co. KG, Wuppertal, ist bekannt für die Herstellung von qualitativ sehr hochwertigen und innovativen Haushaltsgeräten, wie z. B. die Multifunktions-Küchenmaschine Thermomix (Bild 4). Der Topfgriff des Thermomix weist im Bereich des Handgriffes einen relativ großen Querschnitt auf und eignet sich somit ideal für den Einsatz der Fluidinjektionstechnik. Genau aus schon zuvor erläuterten Gründen einer besseren Kühleffizienz (kürzere Zykluszeiten) und einer Reduzierung von Schwindung und Verzug (hier im Griffbereich) und die daraus resultierende höhere Wirtschaftlichkeit entschied sich die Firma Vorwerk für die Wasserinjektionstechnik.

Wie die Wasserinjektionstechnik eingesetzt wird

In Zusammenarbeit mit der Firma Hofmann – Ihr Impulsgeber, Lichtenfels ist das Werkzeug entwickelt worden. Das Ein-Kavitätswerkzeug (Bild 5) 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 bzw. zueinander bewegt werden und somit die Handgriffseite des Topfgriffes abbilden. Bedingt durch die Hinterschneidung im Handgriffbereich ermöglicht diese Konstruktion die Herstellung des Thermomix-Topfgriffes.

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 bzw. des Füllbildes 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.

Fertigung der Griffe

Das eingesetzte Material (Typ: SCHULAMID 6 GF 30 HI WIT von A. Schulman Europe GmbH, Kerpen) besteht aus PA 6 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 ca. 52 s. Das Bauteil wird im Anschluss samt Kaltkanal und Nebenkavität mit Hilfe 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 z. B. 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 Millionen Thermomix-Topfgriffe.

SEMINARTIPPDas Seminar „Systematische Werkstoffauswahl“ vermittelt die Beziehung zwischen Werkstoffherstellung, Werkstoffstruktur und den daraus resultierenden Materialeigenschaften. Ziel ist es, eine gesamtheitliche Darstellung des Werkstoffauswahlprozesses vorzustellen, ausgehend von der Erstellung eines Anforderungsprofils, der Vorauswahl bis hin zur Feinauswahl und Risikobetrachtung.
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Simulation des Thermomix-Topfgriffes

In der Entwicklungsphase des Werkzeugs durch Hofmann wurde bereits im frühen Stadium des Werkzeugdesigns die Simulation als Hilfsmittel herangezogen, um im Vorfeld unterschiedliche Angusssysteme, Kühlkanalvarianten, Prozessvarianten, usw. durchzuführen. Durch dieses Vorgehen wurden teure und langwierige Iterationsschritte an realen Werkzeugen eingespart. Mit der Unterstützung der Firma Simpatec GmbH, Aachen, der Lösungspartner für die Kunststoffindustrie in den Bereichen Spritzgieß-, Thermoform- und Blasformsimulation und Vertreiber der Software Moldex 3D, wurden die Simulationen durchgeführt.

Im Simulationsmodell sind der Kaltkanal, das gesamte Temperiersystem, die Wassereingangsposition, die Nebenkavität, die Formteilkavität und das Werkzeug gesamtumhüllend vorhanden (Bild 6). Alle Komponenten wurden dreidimensional aus Tetraeder-Elementen automatisch vernetzt, wobei die Formteilkavität aus einen 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 z. B. Schergeschwindigkeit oder Temperatur, genauer zu erfassen bzw. besser aufzulösen. Die Simulation hat auch dazu beigetragen das Prozessfenster einzuschränken. Somit konnten kostenintensive Maschinenzeiten und Materialkosten eingespart werden.

Simulation ersetzt teure Iterationsschleifen

Die Realität bzgl. Restwanddicken wird durch die Simulation der Wasserinjektionstechnik mit Moldex 3D 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-Topfgriffes sind mittels der Simulation teure und langwierige Iterationsschleifen am realen Werkzeug, sowie kostenintensive Maschinenzeiten zur Einschränkung des Prozessfensters eingespart worden.

* Cristoph Hinse und Nuno Ribeiro Simões, SimpaTec GmbH,

* Dipl.-Ing. Stefan Hofmann, Werkzeugbau Siegfried Hofmann GmbH,

* Dr.-Ing. Matthias Theunissen und Prof. Dr.-Ing. Christian Hopmann, Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV).

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Über den Autor

Monika Zwettler

Monika Zwettler

, konstruktionspraxis – Alles, was der Konstrukteur braucht