Kleinst-Teile effizient simulieren Einspritzpunkt richtig festlegen

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K-Profile AG Innovationen in Kunststoff

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Angefangen hat alles mit Zahnrädern – erst aus Metall, dann aus Kunststoff. Heute fertigt das Unternehmen vor allem kleine präzise Kunststoffteile für die Medizintechnik. Diese Bauteile werden zusammen mit dem Anwender entwickelt und meist in hochkavitätigen Werkzeugen produziert. Das Festlegen des richtigen Einspritzpunktes, das kunststoffgerechte Teiledesign und die optimale Gestaltung des Werkzeugs sind daher essenziell. Die Simulationssoftware läuft in diesem Unternehmen daher auf schnellen Rechnern, um sie während der Produkt-, Werkzeug- und Prozessentwicklung als ständigen Begleiter nutzen zu können.

Angefangen hat bei Forteq Nidau alles mit Zahnrädern – erst aus Metall, dann aus Kunststoff – für die Automobilindustrie. Das Unternehmen ist Teil der Forteq Group und hat seinen Sitz im schweizerischen Nidau. Dort ist neben dem Hauptsitz der Gruppe auch der Bereich Health Care beheimatet – spezialisiert auf kundenspezifischen Lösungen für medizintechnische Geräte und zur Medikamentenverabreichung. Besonderes Know-how besitzt der Verarbeiter für das Fertigen kleiner präziser Kunststoffteile mit hoher Kavitätenzahl und ohne Materialverlust.

Mit Autodesk Simulation Moldflow können bei der Entwicklung neuer Produkte der ideale Einspritzpunkt, die Materialwahl und Wandstärke bereits durch die Simulation festgelegt werden.

Werkzeugeigenschaften vorab bestimmen

Die Software ermöglicht es, CAD-Modelle aus Konstruktionssystemen zu übernehmen, FE-Netze zu generieren und das Fließverhalten des Werkstoffs in diversen Formen und bei unterschiedlichen Rahmenbedingungen zu simulieren und zu analysieren. Mögliche Probleme werden dadurch schon frühzeitig erkannt – noch bevor das entsprechende Spritzguss-Werkzeug gefertigt wird. Das spart Zeit und Geld. Außerdem hilft die Simulation, eine Form hinsichtlich des Materialverbrauchs, der Zykluszeit und der Stabilität zu optimieren. Früher mussten sich Konstrukteure auf ihre Erfahrung verlassen und entschieden sich daher häufig vorsichtshalber für eine höhere Wanddicke.

Aufgrund der längeren Abkühlzeit erhöhen sich dann aber die Zykluszeiten, was letztlich die Effizienz verringert. Außerdem ist der Materialverbrauch im Vergleich zur optimierten Wandstärke höher, und damit das Bauteil in der Herstellung teurer. Die Simulationssoftware hilft, diesen Spagat zwischen Materialverbrauch und Stabilität zu meistern. „Wir nutzen Moldflow seit etwa zehn Jahren. Damals war es das einzig brauchbare Produkt auf dem Markt und heute hat es sich durchgesetzt – eigentlich ist es der Standard für Simulationen“, zeigt sich Beat Schiegg, Entwicklungsleiter bei Forteq Nidau überzeugt. „Vielfach wird der Einsatz aber auch von den Kunden gewünscht.“

Werkzeugeigenschaften vorab bestimmen

Eines der aktuellen Projekte ist die Entwicklung und Produktion eines elek-trischen Skalpells. Dieses hat etwa die Größe eines Kugelschreibers und einen langen Kern, der nur einseitig abgestützt werden kann. Die Simulationssoftware kommt hier in der Entwicklungsphase schon sehr früh zum Einsatz. Schon beim ersten Entwurf eines Teils wird der Spritzgussvorgang simuliert, um Rückschlüsse auf Realisierbarkeit, Anguss und Verzug zu erhalten. Genaue Analysen liefern wichtige Erkenntnisse zum Materialverhalten innerhalb der Kavitäten:

Fließt der Kunststoff gleichmäßig in die gesamte Form?

Kühlt er einheitlich ab?

Kommt es irgendwo zu Einschlüssen oder Einfallstellen?

„Moldflow ist vor allem hilfreich, wenn es sich um ein kompliziertes Teil handelt. Etwa wenn unterschiedlicher Druck auf einen Kern herrscht oder ein Werkzeug einen losen Kern hat“, erklärt Beat Schiegg. „Bei einfachen Teilen brauchen wir keine Simulation, aber sobald es etwas komplizierter wird, ist es sehr angenehm, wenn man etwas mehr über das Teil weiß.“ Im Fall des elektronischen Skalpells wurde der Versatz des Kerns berechnet und festgestellt, dass der eigentlich geplante Einspritzpunkt zu Problemen führen würde. Durch die Simulation konnte der Einspritzpunkt so gelegt werden, dass der Druck des Kunststoffs auf die Seite wirkt, auf der der Kern abgestützt ist. Andernfalls wäre das Material zwischen Kern und Abstützung gelaufen. Auf diese Weise war das entwickelte Spritzguss-Werkzeug sofort einsatzfähig. Ohne Simulation wäre das Problem des falschen Einspritzpunkts nicht vor dem ersten Schuss auf der Spritzgießmaschine. Das hätte zu einer hohen Zeitverzögerung und vermeidbaren Kosten geführt, da man das komplette Werkzeug neu entwickeln hätte müssen.

Ein starker Rechner macht den Unterschied

Bis 2012 war die Hardwareausstattung des Verarbeiters allerdings nicht dem neuesten Stand angepasst. Das erschwerte die Arbeit mit der Software, da jede Berechnung und Darstellung viel Zeit beanspruchte und den Computer blockierte. Dem Einsatz einer Lenovo Think Station S30 ist es zu verdanken, dass die Arbeit deutlich beschleunigt und erleichtert wurde.

Es können nun mehrere Entwurfsalternativen mit verschiedenen Parametern berechnet und analysiert werden, um in möglichst kurzer Zeit die beste Alternative zu ermitteln.

Die deutlich bessere Grafikkarte der neuen Workstation erleichtert außerdem das Auswerten der Simulationen, da die Darstellung sehr viel klarer ist. Für die Zukunft plant die forteq Nidau, noch stärker auf Simulationen zu setzen, vor allem im Bereich der Werkzeug-Produktion. Denn damit erhalten sie deutlich mehr Informationen zu den Werkzeugqualifikationen wie Einstellparameter oder Prozessfenstergrößen.

„Heute haben wir zwei schnelle Rechner. Dadurch machen wir deutlich mehr Simulationen und lassen mehrere Varianten berechnen.“

Beat Schiegg, Entwicklungsleiter bei der Forteq Nidau

Verarbeiter im Detail

Geschichte der Forteq Nidau

1997 kam die Anfrage des Pharmaunternehmens Glaxo Smith Kline, ein Zählwerk für einen Inhalator für Asthmatiker zu entwickeln, das mitzählt und anzeigt, wie viele Pumpstöße noch enthalten sind.

Dieses besteht neben drei Federn aus neun kleinen Kunststoffteilen, wobei das kleinste nur etwa 0,027 Gramm wiegt. Das Unternehmen produziert dieses Zählwerk inzwischen für die Auslieferung nach Amerika und ganz Europa – in Spitzenjahren mit Stückzahlen im 2-stelligen Millionenbereich. Seitdem ist das Fertigen kleiner präziser Kunststoffteile mit hoher Kavitätenzahl und ohne Materialverlust die Spezialität.

Seit 2000 hat das Unternehmen eine eigene Entwicklungs-Abteilung. Dort werden auch Produkte nach den Anforderungen der Kunden entwickelt. Spritzguss-Simulationen für die Tochterfirmen, die unter anderem die Bereiche Automotive, Werkzeugbau und Verarbeitung von Duroplasten abdecken, werden dort ebenfalls durchgeführt.