Optimierung von Spritzgießprozessen

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1 Willi Steinko Optimierung von Spritzgießprozessen ISBN-10: ISBN-13: Inhaltsverzeichnis Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel

2 Inhalt 1 Einleitung DieSpritzgießfertigungalsVerbundMensch,WerkzeugundMaschine Produktionsmittel Ausbildung Wirtschaftlichkeit,Rentabilität Energieverbrauch FestlegungderHerstellkosten,Fehlerverursachung StändigeÜberwachungderFertigung SystematischeAnalyse,Optimierung DieSituationderSpritzgießverarbeiterindenFertigungsbetrieben HerstellervonEigenprodukten Lohnverarbeiter/ZuliefererderAutomobilindustrie Systemlieferanten DieErkenntnisdaraus Ganzheitlicher Optimierung von Spritzgießprozessen was ist darunter zu verstehen? EinzelnePhaseninderProzessketteSpritzgießen QualifikationderMitarbeiter Personalschulung IntensiveWeiterbildunggegenakutenFachkräftemangel InstitutezurWeiterbildungimBereichSpritzgießverarbeitung SeminarebeiRohstoff-undSpritzgießmaschinenherstellern FachliteraturundErfahrungskompendien RatgeberaufPC-Basis ComputerunterstützteFehlerbehebung Wahl des Rohstoffs DieWahldesKunststoffwerkstoffs Materialvorauswahl EinflussnahmedurchfolgendeBedingungen Werkstoffauswahl MechanischeEigenschaften Oberflächeneigenschaften Chemikalienbeständigkeit,Kraftstoffe,Öle ElektrischeEigenschaften ThermischeBelastungundthermischeEigenschaften VerhaltengegenüberUmgebungseinflüssen FazitzurRohstoffauswahl StetigwachsenderKunststoffverbrauch... 21

3 VIII Inhalt 3 Die Bedeutung von Zuschlagstoffen für die anwendungstechnischen Eigenschaften von Kunststoffen ZuschlagstoffefürPolymere WirkungsmechanismenvonZuschlagstoffeninThermoplasten WirkungsmechanismenausgewählterZuschlagstoffe Antioxidantien Füll-undVerstärkungsstoffe Farbmittel ModifizierungderPolymere BeeinflussungderMaterialeigenschaftendurchBlends Brandschutzmittel HalogenhaltigeFlammschutzmittel PhosphorhaltigeFlammschutzmittel StickstoffhaltigeFlammschutzmittel IntumeszierendeFlammschutzmittel AnorganischeFlammschutzmittel WechselwirkungenvonZuschlagsstoffen Die Entwicklung und Fertigung von anwendungsspezifischen Compounds Anwendungen LasersensitiveCompounds KochplattevonIMS Polyman CAundSchulablend CA Der Spritzgießprozess AuswahlkriterienfüreineSpritzgießmaschine AllgemeineAnforderungandieMaschinengrundausrüstung SpezifischeAnforderungen Verfahrenstechnische Voraussetzungen die qualitätsbestimmenden Parameter Materialvorbereitung Formfüllung,BalancierungdesAngusssystems Einspritzgeschwindigkeit Spritzdruck UmschaltungaufNachdruck,Kompressionsphase DieNachdruck undrestkühlphase FaustregelzumDruckbedarfbzw.DruckverlustimSystem Werkzeugtemperierung/Anforderungen Temperierkanallayout,prozessbestimmendeParameter EinflüssederPeripherieTrocknenundFördern Trocknung Verweilzeit Taupunktregelung Temperaturabsenkung AbsperrungderTrichtervomTrockenluftstrom DurchsatzabhängigeLuftmengenregelung Wärmetauschersysteme... 59

4 Inhalt IX AbsenkungdesFüllstandes Doppelbauchtrichter Förderung BeschickungderTrocknungstrichter FörderungvongetrocknetemMaterial AuslegungvonFörderanlagen BeispieleausderPraxis WerkzeugabmusterungundProzessoptimierungbeimSpritzgießen Werkzeugabmusterung,VorgehensweiseundParameter Qualitätsermittlung MessenundAuswertenderFormteilmaße VorgehensweiseMaschineneinstellung Schneckenhub BerechnenderZuhaltekraft Nachdruckhöhe Nachdruckzeit Abkühlzeit Zylindertemperatur Flanschtemperatur Werkzeugwandtemperatur Schneckendrehzahl Schneckenstaudruck DrehmomentanderSchnecke Einspritzvorgang UmschaltpunktvonSpritzdruckaufNachdruckoptimieren WegabhängigeUmschaltung ZeitabhängigeUmschaltung HydraulikdruckabhängigeUmschaltung WerkzeuginnendruckabhängigeUmschaltung VorgehensweisezurErmittlungdesoptimalenUmschaltpunktes Formfüllstudie Nachdruckhöheoptimieren ErmittlungdererforderlichenZuhaltekraftdurchSpritzversuche Restmassepolster Prozessoptimierung Zusammenfassung Einspritzgeschwindigkeit Einspritzdruck Nachdruckhöhe Nachdruckdauer Abkühlzeit Schneckendrehzahl Schneckenstaudruck Dosierweg Schneckendekompression Restmassepolster... 92

5 X Inhalt UmschaltpunktaufNachdruck Umschaltart Flanschtemperatur Werkzeugwandtemperatur Schließkraft Zylindertemperatur... 93? 5 Das Spritzgießwerkzeug Vollheißkanal-SpritzgießformenfürschnelllaufendeProdukte Erwartungshaltung Voraussetzungen Simulationsberechnungen AnforderungenandieWerkzeugkonstruktion OptimalausgelegteFormenkühlung GeeigneteStahlauswahl FertigungimPräzisionswerkzeugbau Formen-BeispieleausdemPräzisionswerkzeugbau Produkt: Schutzkappen 64-fach-Heißkanal-Spritzgießwerkzeug Produkt: 3-ml-Spritzenzylinder 48-fach-Heißkanal-Spritzgießwerkzeug Produkt: l-pipettenspitzen 16-fach-Heißkanal- Spritzgießwerkzeug Produkt: Nadelschutz 96-fach-Heißkanal-Spritzgießwerkzeug Produkt: 20-ml-Spritzenzylinder 48-fach-Heißkanal- Spritzgießwerkzeug Produkt: Kanülenträger 64-fach-Heißkanal-Spritzgießwerkzeug Schlusswort DasprozessoptimierteSpritzgießwerkzeugimGroßformenbau SpezielleAnforderungenanein Großwerkzeug TemperierungundWerkzeugstabilität NeuentwickelteWerkzeugkonzepte DasKernkappen-Konzept Charakteristik Vorteile gegenüber herkömmlichem Konzept mit Auswerferplatte DasSpreizschieber-Konzept Charakteristik DasSchnellwechselsystem Charakteristik Übernahmeelemente Prozessoptimierung Zielführende Prozessoptimierung gemeinsam mit dem Kunden InfrarotaufnahmenzurVerifizierungthermischenPotenzials

6 Inhalt XI ThermischeOptimierung,Prozessablaufoptimierung Artikelentnahme Zykluszeitreduzierung durch Berücksichtigung aller prozessrelevanten Details BetriebswirtschaftlicheAspekte ReduktionderProjekt-Durchlaufzeit Zusammenfassung Werkzeuge,Werkzeugkonzepte Spritzgießwerkzeuge/Aufbau/Konzepte/Temperierung BezeichnungenamSpritzgießwerkzeug WerkzeugtechnikundWerkzeugbeschaffung VerschiedeneArtenvonKunststoffformenstählen[2] OberflächenbeschichtungvonSpritzgießwerkzeugen Belagbildung Angusssystem,Angussart,Angusslage Heißkanalsysteme,beheizteDüsen IsolationvonHeißkanälenundWerkzeugaufspannplatten Entlüftung TemperiersystemimWerkzeug/Grundsätzliches Produktivitätssteigerung bei der PET-Vorformlingsherstellung durch den EinsatzvonHochkavitätenwerkzeugen Marktanalyse Bestimmung des zu bedienenden Marktsegments EinschätzungdesMarktwachstumsfürPET-Flaschen Marktlücken und Trends im PET-Verpackungsmarkt erkennen AnalysedergrundsätzlichenPET-Systemanforderungen BesonderheiteneinesPET-Spritzgießsystems QualitätsansprücheandenVorformling Optimierungspotentialeerkennenundbewerten AusstoßleistungalsErfolgskonzept Maßgeschneidertes Werkzeugkonzept für das gewählte Marktsegment Lastenheft Optimierungsdurchführung Form(kalteWerkzeughälfte) Formteile SchieberrahmenundKombikeile Kühlung Heißkanal(heißeWerkzeughälfte) Prototypenbau,TestphaseundEvaluierung Kurzschuss(Short-Shot) Acetaldehyd-Gehalt Wasserverbrauch Ausblick aktuelleoptimierungsansätze

7 XII Inhalt 6 Heißkanalsysteme und Regelung AufbauundKonzepte EinigeAuswahlkriterienfürHeißkanalsysteme PositionderHeizungundThermoelemente,Prozessfenster Heißkanalregler HK-DüsenfürAnwendungenimHochleistungsbereich DierheologischeWerkzeugauslegung Heißkanalsysteme BeispieleeinigerSpezialanwendungen Beispiel Fahrrad-Stoßdämpfer AufbauNadelverschlusssystem WärmeleitfähigkeitundthermischeIsolierung GekühlterAnschnitteinsatz Beispiel B-Säulenverkleidung Beispiel Abdeckplatte Schlussbemerkung Heißkanaltechnik Schmelzeführung Düsenarten GestaltungderAnbindungandasFormteil AuswahldesDüsentyps AuswahlderDüsenklasse AuswahldesVerteilers WahlderFließregulierungstechnik VerschiedeneAnwendungsbeispiele Etagenwerkzeuge HeißeSeiten Kaskadensteuerung Dynamic Feed die individuelle Schmelzedruckregelung für jeden Anschnitt FunktionsweiseDynamicFeed ZielsetzungenvonDynamicFeed VerbesserungderBauteilqualität VerbesserungderProduktivität AnwendungsgebietefürDynamicFeed AnwendungsbeispieleDynamicFeed LösungsvorschlagundVorgehensweise Beispiel: Familienwerkzeug am Beispiel einer Türverkleidung mit Kartentasche LösungsvorschlagundVorgehensweise Reduzierung der maximalen Zuhaltekraft durch den Einsatz von DynamicFeed ZusammenfassungundGesamtbetrachtung LeistungsfähigeHeißkanalregelungzurQualitätsgarantie HeißkanalregleranalysiertdenWerkzeugzustand PID 2 -RegelungsteuertdenHeizstromvorausschauend Phasenanschnittsteuerung bietet unendliche Leistungsvorgaben

8 Inhalt XIII ExakteTemperaturensichernhoheProduktivitätundQualität PID 2 -Regler ist prädestiniert für den Einsatz thermisch empfindlicher Rohstoffe Problemeerkennen,bevorSchädenentstehen Zusammenfassung Wirtschaftliches Temperieren erfordert die Steigerung des Wirkungsgrades anwerkzeugundheißkanalverteilerdurcheinsatzvonwärmeschutz AktuelleErfahrungen AufwandfürdenWärmeschutz Wärmeverluste Wärmeleitung Konvektion Strahlung Trägheit ThermischerWirkungsgrad WeitererNutzenvonWärmeschutz Zusammenfassung Einfluss der Werkzeugtemperierung auf die Qualität und Stückkosten von Spritzgießteilen DiethermischeBehandlungvonWerkzeugenimProzess HeißkanalsystemalsmöglicherProblemindikator Temperierung, Temperiermittelversorgung, Schlauchverbindungen Werkzeugtemperatur,Temperaturführung Regelung der Werkzeugtemperatur über im Werkzeug integrierten Thermofühler Abstand des TemperaturfühlerszurFormnestoberfläche PlatzierungdesThermofühlers Werkzeugwandtemperatur, Abhängigkeit des Druckverlustes im Temperierkanalsystem Übersicht von Schnellkupplungs-Verbindungen beim MediumWasser Schlauchleitungen,Verlegung,Isolation Feststoffablagerungenals Wärmeübertragungsbremse VorbeugendeMaßnahmenzurWasserbehandlung: DauerhaftgeschützteTemperierkanäle Einfluss der Stahlqualität auf Korrosion und Belagbildung indentemperierkanälen PraxisbeispieleinerzuwachsendenTemperierung Die thermische Auslegung der Temperierkanäle im Spritzgießwerkzeug DasSpritzgießwerkzeugalsWärmetauscher BerechnungderKühlzeit,Kühlzeitformel IdealesTemperierkanallayout Unterschiedliche Ausbildung der Temperierkanäle/mögliche Verfahren

9 XIV Inhalt Bohrtechnik KonturführendeEinsatztechnik Vakuum-Einschmelztechnik SystemMecobond Rapid-Technologien CO 2 -Kühltechnik ThermischeBerechnungen,Voraussetzungen,Möglichkeiten BerechnungmitSimulationsprogrammen Berechnung mit dem Programm GWK S-Therm BerechnungnachdemBilanzraumverfahren Zusammenfassung Physikalisches/Grundlegendes zur Thermografie was macht die Thermografieeigentlich? DasSpektrumderWellenlängen Gerätetechnik gängigekameratypen Einsatz der Infrarotmesstechnik im Bereich Spritzguss-/Kunststoffverarbeitung: Beispiele weiterer Einsatzmöglichkeiten von Infrarotkamera- Messsystemen Die Werkzeugtemperierung, Mehrkreis-Temperierung, Anforderungen an die Wasserqualität DieWerkzeugtemperierung einkomplexerprozess Temperiergeräte DieHeizung DieKühlung Kältemaschinen DasPrinzip Temperiergeräterichtigauswählen Berechnungsgrundlagen DerWärmeinhaltderSchmelze DieKühlzeit DerWärmeübergangskoeffizient DieDruckverluste DieWahldesTemperiermediums Auswahlkriterien DerWärmeinhalt Schlussfolgerungen DieAuslegungvonTemperiergeräten ZielsetzungundLeistungskriterien Zusammenfassung DieAuswahldesrichtigenTemperiergeräts EinteilungnachWärmeträgermedium TemperiergerätefürWasser TemperiergerätefürWärmeträgeröl EinteilungnachArtderKühlung EinteilungnachBauart

10 Inhalt XV EinteilungnachVerfahren DiskontinuierlicheTemperierung DynamischeTemperierung Werkzeugvorwärmung Zusammenfassung Die Einbindung des Temperiergeräts in den Verarbeitungsprozess DiehydraulischeAnbindung SchnittstellenzurSpritzgießmaschine Durchflussüberwachung DieWasserqualität OrganischeVerunreinigungen AnorganischeAblagerungen Die wichtigsten Faktoren für eine optimale Wasserqualität Der Einfluss von Verunreinigungen auf die Prozesskosten Maßnahmen zur Erzielung der optimalen Wasserqualität DieAnlagentechnikzurKühlwasserkonditionierung Enthärtungsanlage Nebenstrom-Filteranlage Zustands-undQualitätsüberwachung Zusammenfassung Quasi-kontinuierlicheTemperierung,Impulskühlung Warum?Wasverstecktsichdahinter? Definition WärmeströmeimWerkzeugbeiVollautomatik-Betrieb WasgeschiehtbeiUnterbrechungen/beimAnfahren? Wie geht man also bei der Impulskühlung mit dieser Problematikum? WerkzeugtechnikbeiImpulstemperierung EinflüssedeszuverarbeitendenKunststoffs Maschinenfähigkeit ProblemeinderPraxis Anlagenbeschreibung PulseTemp RPT ZusätzlicheBetriebsart Automatik PulseTemp RPT PraxisbeispielOptimierungeinesSaugrohrgehäuseteils Optimierungsschritt Optimierungsschritt (Bild 7.128a und 7.128b) Bei welchen Prozessen schlagen die besonderen Vorteile dieser technischen Lösung gegenüber herkömmlicher Temperierungdurch? Hochleistungsspritzguss Mehrkavitätenfertigung Ergebnis Die geregelte CO 2 -Werkzeugkühlung,eineOptimierungsvariante Funktionsweise der CO 2 -Regelung

11 XVI Inhalt AufbauRegelkreis FunktionsprinzipderTemperaturregelung SynchronerRegelmodus AsynchronerRegelmodus VerfahrenstechnischeundmetallurgischeÜberlegungen ProjektBatteriedeckel KostenundNutzendes RapidCoolingSystems Kosten Nutzen BeispielrechnungamBeispieleines2-K-Spritzgussteils Zusammenfassung Finite Elemente-Simulation Finite-Elemente-Berechnungen an thermoplastischen Kunststoffbauteilen GrundlagenderFE-Berechnung Grundlagen Modellbildung/FE-Netze Randbedingungen Lineare/NichtlineareBerechnung Grundlagen des Materialverhaltens von thermoplatischen Kunststoffen Spannungs-Dehnungs-Diagramm Viskoelastizität Kriechen/Relaxieren Abminderungsfaktoren MechanischeAuslegungvonKunststoffbauteilen Statik StrukturanalyseundlinearelastischeAnalyse ZeitabhängigeBerechnung(Kriechen/Relaxieren) Dynamik Modalanalyse(Eigenfrequenzermittlung) AufschwingenvonBauteilen Crash Temperatur KopplungderFEMmitderFüllsimulation BerücksichtigungderFaserorientierung BerechnungdesKernversatzes Ergebnisinterpretation Allgemein Auslegungskriterien ErforderlicheVorgaben CAD-Daten Schnittstellen Randbedingungen SimulationanSpritzgießbauteilen WarumSimulation

12 Inhalt XVII Säule1 derbauteilentwurf Säule2 derwerkzeugbau Säule3 DieFertigung Berechnungsverfahren FEM Finite-Elemente-Methode FDM Finite-Differenzen-Methode Volumenkontrollmethode BoundaryMethode Spritzgießsimulation BerechnungdervolumetrischenFormfüllung BerechnungderNachdruckphase BerechnungdesKühlsystems Sonderverfahren Hinterspritzen/In-moldDecoration Spritzprägen Sandwichspritzgießen Gasinjektionsverfahren AngabenzurGrößederÜberlaufkavität Zusammenfassung ComputerunterstützteFehlerbehebunginderSpritzgießtechnik VorbeugendeMaßnahmen HerausforderungdurcheinAssessment-Tool PraktikumanvirtuellenVerarbeitungsanlagen ComputerBasiertesTraining(CBT) Spritzgieß-Simulation RepräsentativeFallstudien Praxisnähe ErläuterndesundvisualisierendesProgramm ComputerunterstützteSeminar-Nachbereitung Akzeptanz HoheAttraktivität Kompetenz-Sicherung Kosten-Nutzen-Aspekte EinbindungvonCBT Optimierungsvoraussetzungen Möglichkeiten ganzheitlicher Produktionsoptimierung und Qualitätssicherung imspritzgießprozessausdererfahrungdesmaschinenherstellers ProduktionsoptimierungbeginntbereitsbeimRüsten Die Spritzgießmaschine, zentrales Funktionselement der Produktion qualitativhochwertigerkunststoffbauteile Aktive Qulitätsbeeinflussung der Spritzgießprozesses durch die RegelungstechnikderSpritzgießmaschine SpritzseitigeRegelungstechnik Die Spritzgießmaschine als Messmittel zur Erkennung von Prozessabweichungen

13 XVIII Inhalt Auswerte- und Darstellmöglichkeiten von Maschinen- Istwerten Aussagekraft von Maschinen- Istwerten und Prozessgrößen ÜberwachungderQualitätsmerkmale ÜberwachungderProzessparameter DerWerkzeuginnendruckzurProzess-undQualitätsüberwachung Werkzeuginnendruck ProzessanalyseundProzessoptimierung Prozesssteuerung Prozess-undQualitätsüberwachung Werkzeuginnendrucksensoren PositionierungvonWerkzeuginnendrucksensoren SensorenzurMessungdesWerkzeuginnendrucks DirektmessendeWerkzeuginnendrucksensoren IndirektmessendeWerkzeuginnendrucksensoren BerührungslosmessendeWerkzeuginnendrucksensoren DieWerkzeugwandtemperaturalsBasiszurQualitätssicherung AmAnfangwarderWerkzeuginnendruck DasPrinzipdesWerkzeugwandtemperatur-Sensors DasPrinzipdesWerkzeuginnendruck-Sensors Schnellkupplungen für den einfachen Austausch von Werkzeugeinsätzen MessdatenerfassungundProzessüberwachung Echtzeit-SteuerungenmitHilfederWerkzeugwandtemperatur Mehrkomponenten Spritzgießen SchmelzefrontabhängigeSteuerungen DieautomatischeKaskadensteuerung AutomatischeEntlüftungderKavität AutomatischesSpritzprägeninAbhängigkeitderSchmelzefront AutomatischeGasinnendruckverfahren Die Bedeutung von Reaktionszeiten oder Was ist eigentlich Echtzeit? Online-Prozess-Regelung mit Hilfe der Werkzeugwandtemperatur DieBalancierungundRegelungvonHeißkanalwerkzeugen HeißkanalwerkzeugemitMehrfachkavitäten UnterschiedlicheRegelprinzipien DieBalancierungvonTemperiersystemen RegelungenfürDuroplast-undElastomeranwendungen FabrikweitvernetzteSystemeundProzess-Informationssysteme Ausblick Anwendung von statistischen Prozessmodellen zur Optimierung und Qualitätssicherung HerausforderungandieSpritzgieß-Industrie Prozessoptimierung EinflüsseundZielebeimSpritzgießen

14 Inhalt XIX Aufgaben des Spritzgießers = Anforderungen an die CQC Systematik[1] OptimierendesWerkzeuges: FindendesoptimalenArbeitspunktes: HaltendesoptimalenArbeitspunktes: DokumentationderProduktion: LeistungenderCQC Systematik DerCQC Arbeitsablauf DasBrainstorming DerBemusterungsplan Statistische Versuchsplanung Design of Experiments (DoE) Versuchsdurchführung Formteilmerkmale erfassen Aufnahme der Prozesskurvenverläufe Bemusterungsanalyse Maschineneinstell-Optimierung Werkzeugänderungen BerechnungvonProzesskennzahlen CQCAusrüstungs-/Leistungsvarianten CQC Einrichten(Offline) CQC Überwachen(Online) CQC Regeln(Online) VorteilederBemusterungmitVersuchsplan(CQC Einrichten) ZusätzlicheVorteileCQC Überwachen/Regeln: Zusammenfassung Erfahrungen der Firma Geberit Produktions- AG mit dem CQC - SystemimproduktivenEinsatz Vor- und Nachteile des CQC Systems im Produktionsalltag Fazit Istanalyse und Optimierung beim Spritzgießprozess IstanalyseamFormteilundimProzess VerfahrenstechnischesPotenzial Systematisches Vorgehen bei einer Istanalyse und Prozessoptimierung Rheologische und Thermische Analyse an Spritzgießwerkzeugen und Prozessen DierheologischeAnalyse DiethermischeAnalyse SymmetrischeWärmeabfuhr,Werkzeugwandtemperatur DiethermischeProzesskette ErmittlungundBerechnungvonZeitenundKosten Maschinenablauf,Maschinenbewegungen,Peripherie OptimierungsbeispieleanFormteilenundProzessen

15 XX Inhalt Feinwerktechnik,Elektronikindustrie Messwerk BodenplattefürKFZ Armaturen Ausgangsbasis ErkenntnisausderErgebnisanalyse OptimierungderWerkzeugeinsätze Optimierungsergebnis Elektro-Schaltgerätegehäuse Gehäuse Oberteil Gehäuse Unterteil ErgebnissederIstanalyse TemperierungderKernenichtoptimal MöglichePotenzialebeigeändertemWerkzeugkonzept SteckerleistenfürdentechnischenElektrobereich HoheAnforderungenandieWerkzeugtemperierung MöglichkeitenzurOptimierungderTemperierung Optimierungsergebnis SteckverbinderfürdieKfz-Elektronik Füllsimulation,thermischeBerechnung,Verzugsberechnung VerzugamFertigteil Haushalt-undWeißgeräteindustrie TraversealsWaschmaschinensockel ErgebnissederIstanalyse Optimierungsvorschläge Optimierungsergebnis Automobilindustrie Türinnenverkleidung für AUDI A3/2-Türer. Optimierung eines GroßwerkzeugesimPartnerverbund IstanalyseamFertigteil Optimierungskonzept Optimierungsergebnis BugStoßfängerfürPORSCHE Erarbeitung und Umsetzung eines Werkzeugkonzeptes für höchste Qualitätsansprüche Spritzgießsimulation,Infrarotanalyse Spritzgießsimulation,ThermischeWerkzeugauslegung InfrarotanalysevonFormteilundWerkzeug