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Werkzeuglegierung – wie teuer muss es sein?

Schneller ist gleich besser und günstiger? Verkürzte Zykluszeit ist gleich effektivere Produktion? Wer in der Spritzgussbranche tätig ist, weiß, dass diese Gleichung leider nicht immer aufgeht. Denn wird der Zyklus des Spritzgussprozesses ohne (virtuelle) Testläufe verkürzt, kommt am Ende meist ein Bauteil heraus, das plötzlich nicht mehr verwendbar ist: Toleranzabweichungen, optische und mechanische Mängel sind oft die Ursache nicht vollends durchdachter Änderungen. Das kann auch mit der Wahl der Werkzeuglegierung zusammenhängen. 

Warum das so ist und wie sich für das Spritzgusswerkzeug Kosten optimal gestalten lassen, erfahren Sie in diesem Beitrag.

Werkzeuglegierung © Witawas Inmanee  / shutterstock.com (c) © Witawas Inmanee  / shutterstock.com

Werkzeuglegierung © Witawas Inmanee / shutterstock.com

Mit Simulationen finden Sie das optimale Spritzgusswerkzeug

Wer einen Spritzgussvorgang effektiver gestalten, Gewinne maximieren und Kosten reduzieren möchte, kann das am besten erreichen, indem er die Zykluszeiten minimiert: Personalkosten werden eingespart, die Maschine steht früher für neue Projekte zur Verfügung und auch Ressourcen werden geschont. Es gilt somit, das Spritzgusswerkzeug optimal und perfekt auf die Anforderungen des Bauteils abgestimmt einzurichten – und das, ohne die Kosten in die Höhe zu treiben.

So weit die Theorie. In der Praxis gestaltet sich die Anpassung des Werkzeugs meist etwas schwieriger, werden für das jeweilige Werkzeug die optimalen Einstellungen doch selten beim ersten Versuch gefunden. So sind mehrerer Testläufe normal und kosten einiges an Zeit und Geld. Nur wie lassen sich trotz Änderungen am Spritzgusswerkzeug Kosten sparen? Um teure Versuche in der Produktion zu vermeiden, gibt es für die Spritzgießindustrie eine Lösung: die virtuelle Prozessoptimierung bzw. die Simulation für Kunststoffspritzguss. Eine Software zur virtuellen Spritzgusssimulation arbeitet wie eine virtuelle Spritzgießmaschine. Sie berücksichtigt das komplette Werkzeug und alle seine Komponenten, kann mehrere aufeinanderfolgende Produktionszyklen fahren und so die exakten Prozesseinstellungen realitätsgetreu reproduzieren.

Durch das Spritzgusswerkzeug Kosten sparen – mit der richtigen Werkzeuglegierung

Wer optimieren will, braucht einen Zielwert. Denn ob die Änderungen am Spritzgusswerkzeug eine Verbesserung gebracht haben, lässt sich nur durch einen Vergleich herausfinden. Konkret bedeutet das: Die Simulation des bestehenden Werkzeugs ist die Referenz für weitere Optimierungen. Dabei ist es das Ziel, die Wärme aus dem Bauteil so schnell wie möglich bzw. so schnell wie nötig abzuführen. Wie gut das funktioniert, ist abhängig von der verwendeten Werkzeuglegierung, denn ihre Wärmeleitfähigkeit entscheidet, wie schnell die Wärme abgeführt wird. 

Sollen durch Anpassungen am Spritzgusswerkzeug Kosten eingespart werden, so geht es am Ende immer um einen Kompromiss zwischen Ausgaben im Werkzeugbau und Einsparungen in der Produktion über Reduktion der Zykluszeit und Ausschuss. In diesem Zusammenhang ist es wichtig, zu beachten, nach welchen Kriterien die Werkzeuglegierung ausgewählt werden soll oder muss. 

Um bei der Veränderung am Spritzgusswerkzeug Kosten zu sparen und die passende Werkzeuglegierung zu finden, geben die folgenden Faktoren Orientierung. Nach einer Auswahl auf Grundlage dieser lässt sich die verwendbare Legierung bereits sehr stark eingrenzen:

1. Der Legierungsgehalt: Hier geht es darum, zu entscheiden, ob dieser hoch oder niedrig sein soll, ob er rostfrei ist oder nicht. So kommen beispielsweise im Medizinmarkt und bei vielen technischen Bauteilen nur rostfreie Legierungen zum Einsatz. Zudem gilt es zu beachten, dass PEEK, PEI, PVC aber auch Silikone sehr aggressiv gegenüber Stahl sein können.

2. Die Härte der Legierung: Sie ist abhängig vom zu verarbeitenden Polymer zu wählen. Dabei macht es unter anderem einen Unterschied, ob es sich um ein unverstärktes, ein mit Glas- oder Carbonfasern verstärktes, ein ungefülltes oder ein mit Talkum oder Glasperlen gefülltes Polymer handelt. Daneben macht auch der Füllgrad einen entscheidenden Unterschied.

Wer das Spritzgusswerkzeug früh gestaltet, ist auf der sicheren Seite

Geht es darum, durch Änderungen an der Werkzeuglegierung und damit im späteren Produktionsprozess Kosten zu reduzieren, so ist der Zeitpunkt, an dem die Anpassungen vorgenommen werden sollen, entscheidend. Das bedeutet: Alle Korrekturen am Werkzeug und an der Werkzeuglegierung müssen ganz zu Beginn, noch vor dem Start des Werkzeugbaus stattfinden. Denn Mittels Simulation kann ein Spritzgusswerkzeug optimal gestaltet werden, wenn schon in der Designphase der richtige Einsatz von Werkzeuglegierungen evaluiert wird. So können Kosten, die im Werkzeugbau entstehen späteren Produktionskosten gegenübergestellt werden.

Die passende Werkzeuglegierung zu definieren ist zur Zeit in der Realität überwiegend die Aufgabe des Werkzeugbauers, nur ganz selten die des Bauteilentwicklers. Der Produzent kümmert sich nur dann um die Werkzeuglegierung, wenn die kalkulierten Zykluszeiten nicht erreicht werden oder statt beispielsweise 100.000 Teilen auf einmal 200.000 Teile produziert werden müssen. Der bessere Weg wäre jedoch, wenn sich schon der Bauteilentwickler die Frage nach der optimalen Legierung stellt und dem Werkzeugbauer die entsprechenden Informationen hinsichtlich Wechselwirkungen auf die Bauteilqualität und Prozesszeiten weitergibt. 

So finden Sie die beste Kombination aus Werkzeuglegierung und Temperierkonzept

In der Designphase liegt der Fokus nur auf dem Bauteil, eventuell auch noch auf der Kühlung. Werkzeugkonzepte werden erst im nächsten Schritt erstellt und geprüft. Dies geschieht meistens durch den Werkzeugbauer, seltener durch den Bauteilentwickler. Optimal ist hier eine eng verflochtene Zusammenarbeit von Werkzeugbauer und Designer. Nur so können das optimale Spritzgießwerkzeug und die bestmögliche Kombination aus Werkzeuglegierung und Temperierkonzept entstehen. Außerdem kann so geprüft werden, ob ein teurer, konturnaher gekühlter Einsatz verwendet werden muss, oder ob kritische Wärme auch durch Legierungskombinationen, wie beispielsweise bei einem Kern mit Kupferstiften, sinnvoll abgeführt werden kann.

Kosten sparen und teures Trail-and-Error vermeiden

Wie eng Werkzeuglegierung und Temperierkonzept zusammenhängen, zeigt das folgende Beispiel:

Im Rahmen des Spritzgießprozesses zur Produktion eines Rasierapparates wurde nach Optimierungspotenzialen gesucht. Ziel war es, einen Weg zu finden, um die Temperaturdifferenzen, die während der Herstellung innerhalb des Rasierers herrschten, zu minimieren, darüber die Zykluszeit zu verkürzen und gleichzeitig die Kosten zu senken. Dabei konnte die Simulation zeigen, dass eine konstruktive Änderung am Spritzgusswerkzeug durch die Nutzung von hochleitfähigem Stahl sowie von optimierten Kühlkanälen dafür sorgen würde, die Zykluszeit um mehr als eine Sekunde zu senken. 

Was wenig klingt, bedeutet jedoch auf das ganz Jahr gerechnet eine Kosteneinsparung von rund 192.800 Euro. Virtuell per Simulation durchgeführt, kosten diese Änderungen am Spritzgusswerkzeug letztendlich weniger als 200 Euro, Trail-and-Error in der Realität hingegen mehrere tausend Euro.

Höhere Qualität und bessere Werkzeuge mittels Simulation

Fest steht: Die Simulation verlängert zwar die Entwicklungszeit, die der Bauteilentwickler braucht. Gleichzeitig verkürzen sich jedoch die Herstellungszeiten des Werkzeugs, die Werkzeugänderungskosten reduzieren sich und die Bauteilqualität ist von Beginn an erreicht. Wird für teilkristalline Polymer die notwendige Kühlzeit verwendet, können zudem die Reklamationskosten gesenkt werden. Um durch Anpassungen am Spritzgusswerkzeug Kosten zu sparen, ist dabei vor allem entscheidend, dass mittels Simulation alle Änderungen erst virtuell ablaufen und nur das perfekte Ergebnis in der Praxis angewendet wird.

 

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