1. Anwendersymposium 2014 3D-Druck Metall: Generative Fertigung im Werkzeug- und Formenbau Prozess- und Werkzeugoptimierung durch innovative Werkzeugtemperierung Karl Otto (Carlo) Hüsken Leiter Konstruktion LBC Engineering Konstruktion / Simulation Gielster Stück 6 D-58513 Lüdenscheid Phone: 0049 2315 6775050 Fax: 0049 2351 67750528 E-Mail: Internet: CAD@LBC-Engineering.de www.lbc-engineering.de
Agenda Vorstellung LBC Engineering Case Study Kühloptimierung mit konturnaher Temperierung Balancierung von parallel angeschlossenen Kühlkanälen Wartung und Betrieb von konturnaher Kühlung Fragen Seite 2
Agenda Vorstellung LBC Engineering Case Study Kühloptimierung mit konturnaher Temperierung Balancierung von parallel angeschlossenen Kühlkanälen Wartung und Betrieb von konturnaher Kühlung Fragen Seite 3
Aus LBC GmbH wird LBC Engineering Renishaw übernimmt Pionier im Bereich der generativen Fertigung Der Geschäftsbetrieb der LBC LaserBearbeitungsCenter GmbH, Kornwestheim, wird als neues Geschäftsfeld LBC Engineering in die Renishaw GmbH integriert. Renishaw, ein weltweit operierendes Unternehmen in den Bereichen Messtechnik, Motion Control, Spektroskopie sowie Präzisionsbearbeitung und generativer Fertigung, übernimmt im Rahmen eines Asset-Deals den Geschäftsbetrieb und die Mitarbeiter von LBC, einem Pionier auf dem Gebiet der generativen Fertigung im Werkzeug- und Formenbau. Durch den Zusammenschluss bietet Renishaw neben den Laserschmelzanlagen zur Fertigung nun auch Konstruktions- und Simulationsdienstleistungen sowie eine Lohnfertigung lasergenerierter Prototypen und Serienteile aus metallischen Pulverwerkstoffen an. klimatisierte Fertigungszelle Seite 4
Wer wir sind: Die LBC Engineering hat sich seit der Gründung 2002 auf technologieübergreifende Lösungen für konturnahe Kühlungen im Werkzeug- und Formenbau spezialisiert und gehört zu den Pionieren im Bereich additive Fertigung. Langjährige Erfahrung in Konstruktion und Fertigung ermöglichen über eine fundierte Beratung den interessierten Anwendern die, für sie beste Lösung anzubieten. Technologieübergreifend zur innovativen Werkzeugtemperierung Additive Fertigungsverfahren wie das Lasergenerieren bieten hervorragende konstruktive Freiheiten für komplexe und konturnahe Kühlsysteme in Spritzgieß- und Druckgusswerkzeugen. Um aber Werkzeuge dennoch wirtschaftlich fertigen zu können, muss nicht die ganze Form lasergenerativ hergestellt werden. In der Kombination der generativen und konventionellen Fertigung liegt meist der Schlüssel für ein effizientes Werkzeugkonzept. Simulationen verbessern die Effektivität der Temperierung gezielt. Seite 5
Wer wir sind: Individuelle Beratung ohne großen Zeitaufwand Für eine optimale Lösung arbeiten wir eng mit unseren Kunden zusammen um die genauen Anforderungen gemeinsam zu erörtern und zu verstehen. LBC Engineering bietet dazu ein Online-Conferencing-System an. Dadurch können ohne großen Zeitaufwand Konstruktionen und Simulationen ausführlich besprochen werden. Mit Simulation lässt sich die Effektivität weiter optimieren. Hoch effiziente variotherme Temperierlösungen sind realisierbar. Eine Innovation aus dem Hause LBC Engineering: Der Leitungsfilter schützt die filigranen Kühlkanäle vor Fremdpartikeln Seite 6
Der intelligente Technologiemix für ihre Temperierprobleme Lasergenerieren Vakuumlöten Konventionelle Fertigung Konstruktion Simulation Hochwärmeleitfähige Werkstoffe Elektronenstrahl-Schweißen Wärmebehandlung
Der intelligente Technologiemix für ihre Temperierprobleme Daher arbeiten seit Februar 2012 LBC Engineering und die Listemann Technology AG in einer engen technologischen Kooperation zusammen. Beide Unternehmen sind zudem Mitglied im Verband Deutscher Werkzeug- und Formenbauer (VDWF) 06.10.2014 / Karl Otto (Carlo) Hüsken Prozess- und Werkzeugoptimierung Seite 8
Beispiel Vakuumlöten: INFORMATION: Vakuumgelöteter Einsatz 3-teilige Ausführung 2 Lötoperationen Kühlung Ø6 parallel angeschlossen; Resultierender Querschnitt Ø8,5 Projektablauf: Konstruktion der Kühlung, Festlegung der Löttrennungen inkl. Zeichnungen und Daten zur Lötrohling Erstellung durch Listemann / LBC. Fertigung der Lötrohlinge durch den Kunden. Vakuumlöten, Härten, Anlassen durch die Listemann AG. Härteprüfung und Helium - Dichtigkeitstest vor Auslieferung durch die Listemann AG. Seite 9
Beispiel Lasergenerieren: INFORMATION: Schieberkopf lasergeneriert aus 1.2709 Komplexe Kühlkonstruktion mit 8 Kühlkanälen Ø3 parallel angeschlossen aus einem Zu- und Ablauf Ø10. Das Kühlsystem ist balanciert. Der resultierende Querschnitt beträgt Ø8,5 Dies gewährleistet in jedem Kanal eine gleichmäßige, hoch turbulente Strömung des Kühlmediums und damit einen sehr effizienten Wärmetransport. Projektablauf: Konstruktion der Kühlung durch LBC Engineering. Generative Fertigung und Wärmebehandlung des Einsatzes durch LBC Engineering Seite 10
Kombination der Technologien (Vakuumlöten und Lasergenerieren) INFORMATION: Formeinsatz DS und Formkern AS mit konventioneller Temperierung. Zykluszeit: Kunststoff: 32,8 s bei einer Kühlzeit von 18 s PBT 30% GF Optimierung: Formeinsatz DS (vakuumgelötet) und Formkern AS (lasergeneriert) mit konturnaher Kühlung. Zykluszeit: 24,3 s bei einer Kühlzeit von 9,5 s Kühlzeitreduzierung von 48% Seite 11
Kombination der Technologien (Vakuumlöten und Lasergenerieren) INFORMATION: Die vorher gezeigte Optimierung wurde im Vorfeld simuliert. Die Ergebnisse der Simulation sind in der Praxis exakt erreicht worden. Die Simulation ermittelt eine Entformungszeit von 23,5 s. Unter Berücksichtigung von Einspritz-, Nachdruckund Nebenzeiten aus dem Einstellblatt ergibt sich eine Reduzierung der Kühlzeit von 18 s auf 9,5 s. Dies entspricht einer Kühlzeitreduzierung von 48%. Maximale Temperaturerhöhung in den Kreisläufen beträgt nur 0,4 K. Durch die strömungsgünstige Auslegung der Temperierung wird eine hochturbulente Strömung in den Kühlkanälen erzeugt. Die ans Temperiermedium abgegebene Wärme wird so effizient abgeführt, dass keine signifikante Temperaturerhöhung des Kühlmediums erfolgt. Seite 12
Kombination der Technologien (Vakuumlöten und Lasergenerieren) INFORMATION: Formkern DS lasergeneriert aus 1.2709. Formeinsatz AS vakuumgelötet aus Böhler M333. Temperierauslegung durch LBC Engineering. Fertigung Lötrohlinge durch den Kunden. Vakuumlöten und Härten durch Listemann AG. Lasergenerative Herstellung bei LBC Engineering. Seite 13
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Case Study Optimierung der Werkzeugtemperierung mit Cadmould 3D-F am Beispiel eines 1+1-fach Spritzgießwerkzeugs für Ober- und Unterteil eines Hochdruckreiniger Gehäuses Seite 15
Gegebene Daten Artikelpaar mit Anguss Seite 16
Gegebene Daten bestehendes Spritzgießwerkzeug (dargestellt Formgebung DS und AS) Seite 17
Gegebene Daten Thermographie Aufnahmen 8 0.1 75.9 C 70 70.4 C 70 60 60 4 3.9 7 0.8 7 2.2 50 50 40 7 1.8 5 1.1 6 4.1 7 7.3 40 30 4 3.4 4 9.1 6 7.8 4 1.6 30 24.1 24.0 64.0 C 60 55 3 9.8 50 6 1.6 4 4.0 6 3.1 45 40 35 6 0.8 30 28.3 Seite 18
Gegebene Daten Prozessdaten Material Spritzgießen Adstif EA648P / PP mit 2% Modalen 10-02966 Material Simulation Adstif EA648P / PP Schmelzetemperatur 220 C Entformungstemperatur 100 C Einspritzzeit Nachdruck / Nachdruckzeit Kühlmedium 5.6 s 10s Wasser Temperatur Kühlmedium 35 C Optimale Werkzeugwandtemperatur Restkühlzeit 45 C aus Materialdatenbank 20s Zykluszeit 52s. Seite 19
Aufgabenstellung Optimierung der Werkzeugtemperierung an den Stellen der Hotspots, mit dem Ziel, die Kühlzeit zu reduzieren und eine gleichmäßigere Abkühlung zu erreichen. Ermittlung der Verbesserungen mittels Spritzgieß-Simulation. Artikel mit konventioneller Temperierung Seite 20
1. Abbildung des bestehenden Spritzgießprozesses im Cadmould 3D-F Artikel mit Anguss und Kühlkanälen Ansicht von der Auswerferseite Kühlkanal DS und AS je: Ø12 mm Durchfluss 10l / min Temperatur 35 C Anbindung über Kaltkanal mit Stange. 2 Anspritzpunkte pro Artikel. Massekanalquerschnitte und Längen aus CAD Daten entnommen. Seite 21
1. Abbildung des bestehenden Spritzgießprozesses im Cadmould 3D-F Artikel mit Anguss und Kühlkanälen Ansicht von der Düsenseite Kühlkanal DS und AS je: Ø12 mm Durchfluss 10l / min Temperatur 35 C Seite 22
1. Abbildung des bestehenden Spritzgießprozesses im Cadmould 3D-F Hotspots Ansicht von der Auswerferseite Temperaturbereich 100 C Seite 23
1. Abbildung des bestehenden Spritzgießprozesses im Cadmould 3D-F Hotspots Ansicht von der Düsenseite Temperaturbereich 120 C 105 C 115 C Seite 24
2. Optimierung der Temperierung Optimierte Temperierung Düsenseite Zusätzliche Kühlkanäle in den Formkernen. Ø4 mm parallel angeschlossen, resultierender Durchfluss Ø8, Durchfluss 6l / min, Temperatur 35 C Temperaturbereich 120 C 74 C 78 C Seite 25
3. Umsetzung ins Spritzgießwerkzeug Optimierte Temperierung Düsenseite Kühlverteilplatten vakuumgelötet Zusätzliche Kühlkreisläufe Ø8 Diese Modifikation kann in die bestehenden SGW eingebracht werden. Seite 26
1. Abbildung des bestehenden Spritzgießprozesses im Cadmould 3D-F Wandtemperaturen mit konventioneller Temperierung Temperaturbereich 55 130 C 77 C 77 C 80 C 115 C 119 C Seite 27
2. Optimierung der Temperierung Wandtemperaturen mit konturnaher Temperierung Temperaturbereich 50 130 C 55 C 49 C 51 C 49 C 50 C Seite 28
2. Optimierung der Temperierung Artikel mit konturnahen Temperierkanälen auf der Auswerferseite Kühlkanäle Ø4 mm Seite 29
2. Optimierung der Temperierung Artikel mit konturnahen Temperierkanälen im Cadmould Düsenseite Seite 30
2. Optimierung der Temperierung Artikel mit konturnahen Temperierkanälen im Cadmould Auswerferseite Seite 31
2. Optimierung der Temperierung Seite 32
2. Optimierung der Temperierung Seite 33
Thermographische Aufnahme bei 36,0 Sekunden (Optimierung) Seite 34
3. Umsetzung ins Spritzgießwerkzeug Auswerferseite mit konturnaher Temperierung Pos. 008 Formeinsatz (konventionell hergestellt) Pos. 008-1 Einsatz im Einsatz mit konturnaher Kühlung Ø4 (Lasergeneriert) Pos. 009 Formeinsatz (konventionell hergestellt) Pos. 009-1 Einsatz im Einsatz mit konturnaher Kühlung Ø4 (Lasergeneriert) Pos. 009-3 Formeinsatz abgetrennter Teileinsatz mit konturnaher Temperierung Ø4 (Lasergeneriert in Hybrid-Bauweise) Pos. 009-2 Formeinsatz abgetrennter Teileinsatz mit konturnaher Temperierung Ø4 (Lasergeneriert in Hybrid-Bauweise) Seite 35
3. Umsetzung ins Spritzgießwerkzeug Auswerferseite mit konturnaher Temperierung Pos. 010 Formeinsatz mit konturnaher Temperierung Ø4 (Lasergeneriert in Hybrid-Bauweise) Pos. 011 Formeinsatz mit konturnaher Temperierung Ø4 (Lasergeneriert in Hybrid-Bauweise) Seite 36
3. Umsetzung ins Spritzgießwerkzeug Auswerferseite mit konturnaher Temperierung Übersicht Pos. 008-011 Formeinsätze mit konturnaher Temperierung Ø4 Seite 37
Zusammenfassung: In diesem Projekt soll die Optimierung der Werkzeugtemperierung durch konturnahe Temperierung mittels rheologischer Analyse nachgewiesen werden. Grundlage der Berechnungen sind die Artikel-, Werkzeugund Materialdaten, die vom Kunden zur Verfügung gestellt wurden. Die Analyse ist in 3 Abschnitte unterteilt: 1. Abbildung des bestehenden Spitzgießprozesses mit konventioneller Temperierung anhand des Datenblattes des Kunden 2. Simulation mit optimierter konturnaher Temperierung. 3. Umsetzung ins Werkzeug Düsenseite: Ergänzung von Standard-Kühlröhrchen und vakuumgelöteten Kühlverteilplatten Auswerferseite: Einsatz von konturnaher Temperierung durch lasergenerativ hergestellte Einsätze. Durch die Optimierung der Temperierung in Düsen- und Auswerferseite konnten die Hotspots beseitigt werden. Die Abkühlung ist gleichmäßiger. Die Kühlzeit konnte um 55% reduziert werden. Unter Berücksichtigung der Nebenzeiten kann somit die Zykluszeit von derzeit 52 s auf 37 s reduziert werden. Seite 38
Agenda Vorstellung LBC Engineering Case Study Kühloptimierung mit konturnaher Temperierung Balancierung von parallel angeschlossenen Kühlkanälen Wartung und Betrieb von konturnaher Kühlung Fragen Seite 39
Balancierung von parallel geschalteter Kühlung 4 Kreisläufe Ø4 mm Resultierender Querschnitt Ø8 mm Balancierung 97% Seite 40
Balancierung von parallel geschalteter Kühlung 4 Kreisläufe Ø2 mm Resultierender Querschnitt Ø4 mm Balancierung 98% Seite 41
Balancierung von parallel geschalteter Kühlung 9 Kreisläufe Ø1,53 mm (Ellipse 1,3 x 1,8) Resultierender Querschnitt Ø4,6 mm Seite 42
Balancierung von parallel geschalteter Kühlung 9 Kreisläufe Ø1,53 mm (Ellipse 1,3 x 1,8) Resultierender Querschnitt Ø4,6 mm Balancierung 99% Seite 43
Balancierung von parallel geschalteter Kühlung 9 Kreisläufe Ø1,53 mm (Ellipse 1,3 x 1,8) Resultierender Querschnitt Ø4,6 mm Balancierung 99% Seite 44
Information:
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Voraussetzungen für den Betrieb von konturnaher Kühlung Einsatz von geeigneten Filtern. Seite 47
Voraussetzungen für den Betrieb von konturnaher Kühlung Vermeidung von Toträumen in den anschließenden Formplatten Toträume; Bereiche ohne Strömung Gefahr von Ablagerungen Toträume; Bereiche ohne Strömung Gefahr von Ablagerungen Seite 48
Voraussetzungen für den Betrieb von konturnaher Kühlung Vermeidung von Toträumen in den anschließenden Formplatten Zusätzlicher Einsatz von Umlenkstopfen. Vermeidung von Toträumen Zusätzlicher Einsatz von Umlenkstopfen. Vermeidung von Toträumen Seite 49
Voraussetzungen für den Betrieb von konturnaher Kühlung konturnahe Kühlkreisläufe möglichst separat anschließen. Die Kanäle können bei Bedarf im Ultraschallbad gereinigt werden. Verkalkungen können, soweit sie überhaupt entstehen, mit entsprechenden Spülanlagen entfernt werden. Beim Einlagern des Werkzeugs Kühlung gründlich ausblasen. Seite 50
Kontakt: STAMMHAUS UND FERTIGUNG: Wirtschaftspark 34 LI-9492 Eschen (Liechtenstein) Fon +423 375 90 10 Fax +423 375 90 20 info@listemann.com www.listemann.com Ihr Ansprechpartner: Günther M. Rehm Leiter Vertrieb & Marketing Phone +423 375 90 18 Mobil +41 79 916 22 76 g.rehm@listemann.com STAMMHAUS UND FERTIGUNG: Renishaw GmbH LBC Engineering Karl-Benz-Str. 12 72124 Pliezhausen info@lbc-engineering.de www.lbc-engineering.de KONSTRUKTION UND SIMULATION: Renishaw GmbH LBC Engineering Gielster Stück 6 58513 Lüdenscheid cad@lbc-engineering.de Ihr Ansprechpartner: Karl Otto (Carlo) Hüsken Leiter Konstruktion Phone: +49 2351 6775050
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Besuchen Sie uns auf der Fakuma 2014 14. 18.10.2014 Halle A2 Stand A2 2306 Weitere Informationen finden Sie auf: www.lbc-engineering.de