Bei einem Kunststoff-Spritzgießwerkzeug ist der teuerste Fehler der, der erst nach der Bearbeitung des Stahls auffällt. Eine falsch angelegte Kavität, eine fehlende Entformungsschräge oder ein falsch positionierter Anguss bedeuten Nacharbeit, Schweißen, neue Einsätze und zusätzliche Bemusterungen. Die CAD/CAM-Werkzeugkonstruktion und die Füllsimulation machen diese Risiken bereits in der digitalen Umgebung sichtbar, bevor es an die Maschine geht. In diesem Beitrag behandeln wir, in welchen Schritten ein Werkzeug abgesichert wird, bevor Stahl zerspant wird, welche Probleme sich in dieser Phase erkennen lassen und wie sich das auf die Lieferzeit auswirkt.
Prüfung des 3D-Teilemodells auf Spritzgießgerechtheit
Der Prozess beginnt mit der Prüfung des vom Kunden gelieferten 3D-Teilemodells. Eine Geometrie, die aus Sicht des Produktkonstrukteurs funktional ist, kann für den Werkzeugbauer erhebliche Schwierigkeiten bergen. In dieser Phase werden vor allem folgende Punkte geprüft:
- Wanddickenverteilung: Abrupte Dickenübergänge erhöhen das Risiko von Einfallstellen, Lunkern und Verzug. Empfohlen wird, die Rippendicke etwa auf 50–60 % der Hauptwanddicke zu begrenzen.
- Entformungsschrägen-Analyse (Draft): Flächen mit Schräge null oder negativer Schräge werden in einer Farbkarte markiert. Bei genarbten Flächen ist je nach Narbungstiefe eine größere Schräge erforderlich.
- Hinterschnitte: Bereiche, die Schieber, Kerne oder Schrägauswerfer erfordern, werden bestimmt. Oft macht eine kleine Änderung an der Produktkonstruktion den Mechanismus komplett überflüssig.
- Kritische Maße und Toleranzen: Montageflächen, Fügestellen und Funktionsmaße werden als Bereiche vermerkt, denen die Werkzeugkonstruktion Vorrang einräumt.
Diese Prüfung mündet üblicherweise in einen Konstruktionsrückmeldebericht (DFM). Eine Korrektur, solange das Produkt noch flexibel ist, ist deutlich günstiger und schneller als eine Korrektur am Stahl.
Festlegung von Trennebene und Werkzeugaufbau
Die Trennebene ist die Linie, an der sich Stempel- und Matrizenseite des Werkzeugs treffen; sie beeinflusst direkt das Aussehen des Teils, das Gratrisiko und die Werkzeugkosten. Angestrebt wird eine Trennebene, die von Sichtflächen entfernt, möglichst eben und so gelegt ist, dass sich an der Dichtfläche leicht eine Abdichtung erreichen lässt. Sobald die Trennebene feststeht, werden Kavitätenzahl, Art des Angusssystems (Kalt- oder Heißkanal), Auswerferanordnung, Schieber- und Kernmechanismen sowie die Vorauslegung der Kühlkanäle festgelegt. Diese Entscheidungen bilden die Eingangsgrößen für den nächsten Schritt, die Füllsimulation.
Simulation des Spritzgießprozesses mit der Füllsimulation
Die Füllsimulation (Moldflow-Analyse) simuliert am Rechner, wie die Kunststoffschmelze die Kavität füllt, wie sie abkühlt und schwindet. Anhand der rheologischen und thermischen Daten des gewählten Materials werden die folgenden Phasen einzeln bewertet.
Füllanalyse
Es wird sichtbar, in welcher Reihenfolge und mit welchem Druck die Schmelze die Kavität füllt. Das Risiko einer unvollständigen Füllung, Fließungleichgewichte und der erforderliche Einspritzdruck zeigen sich in dieser Phase. Bei Mehrfachwerkzeugen wird hier auch die Balance des Verteilersystems geprüft.
Nachdruck und Kühlung
In der Nachdruckphase wird die Verteilung der volumetrischen Schwindung über das Teil untersucht und die Wahrscheinlichkeit von Einfallstellen in dicken Bereichen berechnet. Die Kühlanalyse zeigt, wie homogen die Kühlkanäle die Temperatur an der Werkzeugoberfläche halten und welche Bereiche die Zykluszeit bestimmen.
Verzug, Bindenähte und Lufteinschlüsse
Bereichsweise Schwindungsunterschiede sowie Faser- oder Molekülorientierung führen zu Verzug; die Analyse sagt voraus, in welche Richtung und in etwa wie stark sich das Teil verformen kann. Auch Bindenähte, an denen zwei Fließfronten aufeinandertreffen, und Stellen mit Lufteinschlüssen, an denen die Luft nicht entweichen kann, werden kartiert. Liegen diese in ästhetisch oder festigkeitsmäßig kritischen Bereichen, werden Anschnittlage, Wanddicke oder Entlüftung neu ausgelegt.
Optimierung der Anschnittlage
Eines der wertvollsten Ergebnisse der Analyse ist die richtige Anschnittposition. Durch den Vergleich mehrerer alternativer Positionen wird die günstigste Variante hinsichtlich Füllbalance, Lage der Bindenaht und Verzug ermittelt.
| Möglicher Fehler | Typische Ursache | Lösung in der Konstruktionsphase |
|---|---|---|
| Unvollständige Füllung | Langer Fließweg, dünner Querschnitt, unzureichender Anschnitt | Lage oder Anzahl der Anschnitte ändern, Wanddicke anpassen |
| Einfallstellen | Dicker Querschnitt, unzureichender Nachdruck | Rippen verjüngen, dicke Bereiche aushöhlen, Anschnitt näher an den dicken Bereich legen |
| Verzug | Ungleichmäßige Kühlung, Orientierungsunterschiede | Kühlkanäle neu anordnen, Anschnittlage ändern |
| Bindenaht | Zusammentreffen der Fließfronten | Anschnitt verlegen, Überlaufkammer ergänzen |
| Lufteinschluss | Keine Entlüftung im zuletzt gefüllten Bereich | Entlüftungskanal, Entlüftung über Trennebene oder Auswerfer |
CAM-Programmierung, Werkzeugweg-Simulation und Kollisionsprüfung
Nach der Freigabe der Werkzeugkonstruktion folgt die CAM-Phase. Für Schruppen, Vorschlichten und präzises Schlichten werden Werkzeugwege erzeugt; Werkzeugdurchmesser, Schnitttiefen und Schnittparameter werden entsprechend Stahlhärte und erwarteter Oberflächenqualität gewählt. Auch die Konstruktion der Erodierelektroden für enge, tiefe Bereiche, die der Fräser nicht erreicht, erfolgt in dieser Phase.
Bevor die Programme an die Maschine gesendet werden, werden sie in der virtuellen Umgebung simuliert. Bei der Materialabtragssimulation wird die bearbeitete Oberfläche mit dem Konstruktionsmodell verglichen und zu viel oder zu wenig bearbeitete Bereiche werden sichtbar. Die Kollisionsprüfung kontrolliert, ob Werkzeug, Werkzeughalter und Spindel mit dem Teil oder den Spannmitteln in Berührung kommen. So werden Werkzeugbruch, beschädigte Werkzeugteile und verlorene Maschinenstunden auf ein Minimum reduziert.
Wie verkürzt die digitale Absicherung die Lieferzeit?
Füllsimulation und CAM-Simulation erfordern zusätzliche Ingenieurzeit; diese Zeit wird in den späteren Phasen jedoch mehr als wieder eingespart:
- Weniger Bemusterungsschleifen: Da der Großteil der Probleme schon vor der ersten Bemusterung gelöst ist, muss das Werkzeug seltener zurück an die Maschine.
- Weniger Stahlkorrekturen: Änderungen, die Schweißen und Nacharbeit erfordern, kosten Zeit und bergen Risiken für Werkzeuglebensdauer und Oberflächenqualität.
- Planbare Zykluszeit: Die Kühlanalyse ermöglicht eine realistischere Abschätzung der Stückkosten in der Serie bereits zu Projektbeginn.
- Schnellere Musterfreigabe: Erste Muster, die maßlich nahe am Ziel liegen, verkürzen den Freigabeprozess beim Kunden.
Es ist auch festzuhalten, dass die Simulation den realen Versuch nicht vollständig ersetzt; Materialcharge, Maschinenverhalten und Prozesseinstellungen erfordern vor Ort eine Feinabstimmung. Eine richtig aufgebaute digitale Absicherung macht die Bemusterung jedoch von einer Phase der Fehlersuche zu einer Phase von Feinabstimmung und Freigabe.
Als Altınel Kalıp können wir den Prozess mit Ihnen gemeinsam planen, von der Prüfung Ihres Teilemodells auf Spritzgießgerechtheit über die Füllsimulation bis zum Werkzeugbau. Für eine Konstruktionsbewertung oder ein Angebot nehmen Sie gerne Kontakt mit unserem Team auf.