Simulation

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

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.
Weitere Informationen

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.

Ergänzendes zum Thema
 
Literaturverzeichnis

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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