Spritzgussteil und Spritzgiessmaschine gemeinsam berechnen

Ob ein Kunststoffteil im Spritzgussverfahren hergestellt werden kann, hängt nicht nur von der Geometrie des Bauteils ab. Ebenso wichtig ist die Frage, ob die verfügbare Spritzgiessmaschine den erforderlichen Fülldruck, das Schussvolumen, die Einspritzleistung, die Plastifizierleistung und die notwendige Schliesskraft bereitstellen kann.

Für eine technische Beurteilung müssen deshalb zwei Seiten gemeinsam betrachtet werden: die Anforderungen des Bauteils und des Spritzgussprozesses sowie die Leistungsfähigkeit der Spritzgiessmaschine.

Mit den beiden Roltec Engineering-Tools Spritzguss-Analyse und Spritzgiessmaschine lässt sich diese Verbindung rechnerisch herstellen. Damit können bestehende Maschinen überprüft, Prozessvarianten verglichen und Anforderungen an eine neue Spritzgiessmaschine abgeschätzt werden.

Vom 3D-Bauteil zu den erforderlichen Maschinenparametern

Die Berechnung kann grundsätzlich in zwei aufeinanderfolgenden Schritten durchgeführt werden.

1. Mit der Spritzguss-Analyse wird untersucht, welche Prozessbedingungen für das konkrete Kunststoffteil erforderlich sind.
2. Mit dem Tool Spritzgiessmaschine wird geprüft, welche Maschinen-, Schnecken-, Antriebs- und Einspritzparameter dafür notwendig sind beziehungsweise ob eine vorhandene Maschine diese Anforderungen erfüllt.

Damit entsteht eine durchgängige Berechnungskette:

3D-Geometrie → Material → Anspritzung → Fliessweg → Fülldruck → Füllzeit → Schussvolumen → Plastifizierung → Einspritzeinheit → Antrieb → Maschinengrenzen.

1. Herstellbarkeit eines Bauteils auf einer vorhandenen Spritzgiessmaschine prüfen

Eine typische Aufgabenstellung besteht darin, ein neues Kunststoffteil auf einer bereits vorhandenen Spritzgiessmaschine fertigen zu wollen. Dabei reicht es nicht aus, lediglich zu prüfen, ob das Bauteilvolumen kleiner als das maximale Schussvolumen der Maschine ist.

Zunächst wird das STEP-Modell des Bauteils in die Spritzguss-Analyse geladen. Aus Geometrie, Material, Temperaturen, Anspritzpunkt und Prozessparametern können unter anderem folgende Grössen bestimmt beziehungsweise abgeschätzt werden:

• Bauteilvolumen und erforderliches Schussvolumen
• Wandstärken und Wandstärkenverteilung
• Fliessweglängen
• erforderlicher Fülldruck
• Füllzeit
• Temperaturentwicklung während der Füllung
• erforderliche Schliesskraft
• Kühlzeit und Zykluszeit
• mögliche Bindenähte und Lufteinschlüsse

Besonders wichtig ist der erforderliche Fülldruck. Dünne Wandbereiche, lange Fliesswege oder ein ungünstig positionierter Anspritzpunkt können dazu führen, dass eine Kavität deutlich höhere Drücke benötigt als aufgrund des Bauteilvolumens allein zu erwarten wäre.

Die ermittelten Prozesswerte werden anschliessend mit den technischen Daten der vorhandenen Spritzgiessmaschine verglichen.

Schussvolumen prüfen

Das erforderliche Schussvolumen muss innerhalb des nutzbaren Bereichs der Maschine liegen. Dabei sollte eine Maschine nicht allein deshalb als geeignet betrachtet werden, weil ihr theoretisches maximales Schussvolumen knapp über dem Bauteilvolumen liegt. Anguss, Heisskanal, Kompressibilität der Schmelze sowie eine technisch sinnvolle Reserve müssen ebenfalls berücksichtigt werden.

Einspritzdruck und Einspritzkraft prüfen

Der aus der Bauteilanalyse resultierende Druckbedarf muss von der Einspritzeinheit erzeugt werden können. Aus Schneckengeometrie und erforderlichem Einspritzdruck ergibt sich die notwendige axiale Einspritzkraft.

Das Tool Spritzgiessmaschine berechnet dazu unter anderem die erforderliche Einspritzkraft, den Einspritzvolumenstrom sowie den hydraulischen beziehungsweise elektrischen Leistungsbedarf.

Einspritzgeschwindigkeit und Volumenstrom prüfen

Neben dem Druck muss die Maschine das erforderliche Kunststoffvolumen innerhalb der vorgesehenen Füllzeit einspritzen können.

Aus Schussvolumen und Füllzeit ergibt sich der erforderliche Einspritzvolumenstrom. Dieser kann mit dem maximal verfügbaren Volumenstrom und der maximalen Einspritzgeschwindigkeit der vorhandenen Maschine verglichen werden.

Eine Maschine kann deshalb hinsichtlich des Drucks ausreichend dimensioniert sein und trotzdem aufgrund eines zu kleinen Einspritzvolumenstroms ungeeignet sein.

Schliesskraft prüfen

Der Werkzeuginnendruck erzeugt auf die projizierte Fläche des Formteils eine Öffnungskraft. Die Schliesskraft der Maschine muss ausreichend gross sein, um das Werkzeug während Einspritzen und Nachdruck geschlossen zu halten.

Die in der Spritzguss-Analyse abgeschätzte erforderliche Schliesskraft bildet deshalb einen weiteren wichtigen Vergleichswert mit den Maschinendaten.

Plastifizierleistung prüfen

Nach jedem Zyklus muss die Schnecke die für den nächsten Schuss benötigte Kunststoffmenge erneut plastifizieren und dosieren.

Mit dem Tool Spritzgiessmaschine können Plastifizierstrom, Massendurchsatz und die voraussichtliche Dosierzeit berechnet werden. Dadurch lässt sich überprüfen, ob die benötigte Schussmasse innerhalb der verfügbaren Zykluszeit erneut bereitgestellt werden kann.

Ist beispielsweise die Kühlzeit des Bauteils kürzer als die erforderliche Dosierzeit, kann die Plastifizierung zum begrenzenden Faktor des gesamten Produktionszyklus werden.

Schneckenantrieb prüfen

Für die Rotation der Schnecke müssen Drehmoment und Motorleistung ausreichen. Das Berechnungsmodell berücksichtigt die Belastungen der Einzugs-, Kompressions- und Meteringzone und ermittelt daraus unter anderem Schneckendrehmoment, Service-Drehmoment und erforderliche Motorleistung.

Damit kann geprüft werden, ob Schnecke, Getriebe und Antrieb der vorhandenen Maschine für das gewählte Material, den Staudruck und die vorgesehene Schneckendrehzahl ausreichend dimensioniert sind.

2. Prüfen, ob ein Bauteil auf einer vorhandenen Maschine optimal gefertigt wird

Eine technisch mögliche Fertigung ist nicht automatisch eine optimale Fertigung. Zwischen den beiden Aussagen besteht ein wichtiger Unterschied.

Eine Maschine kann ein Bauteil grundsätzlich produzieren, dabei aber beispielsweise:

• nahe an ihrer maximalen Einspritzleistung arbeiten,
• eine unnötig hohe Einspritzgeschwindigkeit benötigen,
• zu lange für die Plastifizierung benötigen,
• mit ungünstig hohem Staudruck betrieben werden,
• eine sehr grosse Schliesskraftreserve besitzen,
• mit einem für das Bauteil ungünstigen Schneckendurchmesser arbeiten oder
• einen unnötig hohen Energiebedarf verursachen.

Die Kombination der beiden Berechnungswerkzeuge ermöglicht deshalb nicht nur eine Ja/Nein-Prüfung, sondern auch einen Variantenvergleich.

Anspritzpunkt optimieren

In der Spritzguss-Analyse können unterschiedliche Anspritzpunkte untersucht werden. Dadurch verändern sich Fliessweglänge, Druckverteilung, Füllzeit und potenziell kritische Bereiche des Bauteils.

Ein besser gewählter Anspritzpunkt kann den erforderlichen Fülldruck reduzieren. Dies kann wiederum kleinere Anforderungen an Einspritzkraft und hydraulische Leistung bedeuten und die Belastung der Maschine reduzieren.

Füllzeit und Einspritzgeschwindigkeit vergleichen

Eine kürzere Füllzeit verlangt normalerweise einen höheren Einspritzvolumenstrom. Eine längere Füllzeit reduziert den erforderlichen Volumenstrom, kann jedoch bei dünnwandigen Teilen zu einer zu starken Abkühlung der Schmelze während des Füllvorgangs führen.

Durch Variantenrechnungen lässt sich ein sinnvoller Bereich zwischen Füllbarkeit, Druckbedarf und Maschinenleistung untersuchen.

Materialvarianten vergleichen

Unterschiedliche Kunststoffe besitzen unterschiedliche rheologische und thermische Eigenschaften. Ein Wechsel des Materials kann deshalb den erforderlichen Fülldruck, die Verarbeitungstemperatur, das benötigte Schneckendrehmoment und die Plastifizierleistung verändern.

Damit kann beispielsweise untersucht werden, ob eine vorhandene Maschine auch nach einem Materialwechsel weiterhin ausreichend dimensioniert ist.

Schneckendurchmesser bewerten

Der Schneckendurchmesser beeinflusst gleichzeitig Schussvolumen, erforderlichen Dosierhub, Plastifizierleistung, Einspritzkraft und Einspritzgeschwindigkeit.

Ein grösserer Schneckendurchmesser bedeutet deshalb nicht automatisch eine bessere Lösung. Für kleinere Schussvolumen kann eine kleinere Schnecke einen geeigneteren Arbeitsbereich ermöglichen, während für grosse Schussmengen eine grössere Plastifiziereinheit erforderlich sein kann.

Durch den Vergleich verschiedener Schneckendurchmesser kann untersucht werden, welche Konfiguration für das konkrete Bauteil technisch sinnvoll ist.

3. Erforderliche Parameter einer Spritzgiessmaschine für ein bestimmtes Bauteil bestimmen

Die Berechnung kann auch in umgekehrter Richtung verwendet werden. Ist noch keine Maschine festgelegt, können aus dem Bauteil und dem geplanten Prozess die wesentlichen Anforderungen an eine geeignete Spritzgiessmaschine abgeleitet werden.

Aus der Spritzguss-Analyse erhält man zunächst die bauteilbezogenen Prozessanforderungen. Dazu gehören insbesondere:

• erforderliches Schussvolumen beziehungsweise Schussgewicht
• erforderlicher Fülldruck
• Füllzeit
• erforderliche Schliesskraft
• mögliche Zykluszeit
• geeigneter Anspritzbereich
• thermische Prozessbedingungen

Diese Daten bilden die Grundlage für die Berechnung der Einspritz- und Plastifiziereinheit.

Mit dem Tool Spritzgiessmaschine können daraus beziehungsweise unter Vorgabe geeigneter Schneckengeometrien weitere Anforderungen bestimmt werden:

• Schneckendurchmesser und erforderlicher Dosierhub
• Plastifizierstrom und Massendurchsatz
• erforderliche Dosierzeit
• Schneckendrehmoment
• Service- und Auslegungsdrehmoment
• erforderliche Motorleistung
• Getriebeübersetzung und Drehmomentreserve
• erforderliche Einspritzkraft
• Einspritzgeschwindigkeit
• Einspritzvolumenstrom
• hydraulischer Leistungsbedarf

Damit entsteht aus einem konkreten Bauteil ein technisches Anforderungsprofil für die Maschine.

Beispiel eines Maschinen-Anforderungsprofils

Für eine Vorauswahl einer Spritzgiessmaschine können die Berechnungsergebnisse beispielsweise in folgender Form zusammengeführt werden:

Bauteil-/Prozessgrösse	Daraus resultierende Maschinenanforderung
Bauteil- und Schussvolumen	erforderliches nutzbares Schussvolumen
Fülldruck	erforderlicher Einspritzdruck und Einspritzkraft
Füllzeit	erforderlicher Einspritzvolumenstrom und Einspritzgeschwindigkeit
Projizierte Fläche und Kavitätsdruck	erforderliche Schliesskraft
Schussmasse und Zykluszeit	erforderliche Plastifizierleistung
Material, Schneckengeometrie und Staudruck	erforderliches Schneckendrehmoment
Schneckendrehzahl und Drehmoment	erforderliche Motor- und Getriebeleistung

Diese Werte können anschliessend mit Datenblättern verschiedener Maschinenhersteller verglichen werden. Auf diese Weise lässt sich die Auswahl einer geeigneten Maschinengrösse bereits vor Werkzeugbau oder Maschinenbeschaffung technisch eingrenzen.

4. Bestehende Spritzgiessmaschine für neue Produkte bewerten

In der Produktion stellt sich häufig die Frage, welche zusätzlichen Bauteile auf einer bereits vorhandenen Maschine gefertigt werden können.

Hierfür können mehrere geplante Bauteile nacheinander analysiert und ihre Anforderungen mit derselben Maschine verglichen werden.

So lässt sich beispielsweise feststellen:

• welches Bauteil die höchste Schliesskraft benötigt,
• welches Bauteil den grössten Einspritzvolumenstrom verlangt,
• welches Material die höchste Plastifizierleistung erfordert,
• bei welchem Produkt das Schussvolumen zum begrenzenden Faktor wird und
• welcher Artikel die höchsten Anforderungen an Schneckenantrieb und Hydraulik stellt.

Damit können nicht nur einzelne Produkte, sondern ganze Produktgruppen einer vorhandenen Maschine zugeordnet werden.

5. Engpass einer Spritzgiessmaschine identifizieren

Die maximale Leistungsfähigkeit einer Spritzgiessmaschine wird nicht durch einen einzelnen Kennwert bestimmt. Je nach Bauteil kann eine andere Komponente zum begrenzenden Faktor werden.

Mögliche Engpässe sind beispielsweise:

• maximales Schussvolumen,
• maximaler Schneckenhub,
• verfügbarer Einspritzdruck,
• maximale Einspritzgeschwindigkeit,
• maximaler Einspritzvolumenstrom,
• hydraulische Leistung,
• Plastifizierleistung,
• Schneckendrehmoment,
• Motorleistung oder
• Schliesskraft.

Gerade diese Betrachtung ist für die Maschinenbewertung wichtig. Zwei Maschinen mit ähnlicher Schliesskraft können aufgrund unterschiedlicher Schnecken-, Antriebs- und Hydraulikdaten für dasselbe Bauteil unterschiedlich geeignet sein.

6. Auswirkungen einer konstruktiven Änderung am Bauteil untersuchen

Die Berechnungskette kann bereits während der Produktentwicklung eingesetzt werden. Wird beispielsweise die Wandstärke verändert, eine Rippe ergänzt oder der Anspritzpunkt verschoben, kann die Spritzguss-Analyse erneut durchgeführt werden.

Dadurch lässt sich erkennen, ob eine konstruktive Änderung:

• den Fliessweg verbessert,
• den erforderlichen Fülldruck reduziert,
• die Füllzeit verändert,
• die erforderliche Schliesskraft beeinflusst,
• das Schussvolumen erhöht oder reduziert oder
• die Zykluszeit verändert.

Die daraus resultierenden Werte können wiederum mit der Spritzgiessmaschine abgeglichen werden. Damit wird sichtbar, ob eine Änderung der Konstruktion nicht nur das Bauteil verbessert, sondern auch den Maschinenbetrieb erleichtert.

7. Prozessänderungen vor einem Maschinenversuch abschätzen

Nicht jede Prozessvariante muss zunächst direkt an der Maschine ausprobiert werden. Variantenrechnungen können helfen, technisch wenig sinnvolle Einstellungen bereits vorher auszuscheiden.

Verglichen werden können beispielsweise:

• unterschiedliche Füllzeiten,
• verschiedene Anspritzpositionen,
• unterschiedliche Schneckendrehzahlen,
• verschiedene Staudrücke,
• alternative Schneckendurchmesser,
• unterschiedliche Werkstoffe und
• verschiedene Temperaturbereiche.

Die Berechnung ersetzt dabei nicht die reale Prozesseinrichtung an der Maschine, kann aber den sinnvollen Parameterbereich deutlich eingrenzen.

8. Maschinenbeschaffung und technische Spezifikation unterstützen

Bei der Beschaffung einer neuen Spritzgiessmaschine werden häufig zunächst Schliesskraft und Schussgewicht betrachtet. Für eine belastbare technische Spezifikation sind jedoch weitere Kenngrössen notwendig.

Aus den Berechnungen mehrerer repräsentativer Bauteile können Anforderungen an die zukünftige Maschine abgeleitet werden, beispielsweise:

• minimale erforderliche Schliesskraft,
• geeigneter Bereich des Schussvolumens,
• Schneckendurchmesser und Dosierhub,
• erforderlicher maximaler Einspritzdruck,
• Einspritzvolumenstrom,
• Plastifizierleistung,
• Schneckendrehmoment,
• Antriebsleistung und
• hydraulische Leistung.

Dadurch kann ein technisches Lastenheft für die Maschinenbeschaffung stärker an den tatsächlich vorgesehenen Produkten orientiert werden.

9. Energiebedarf und Leistungsreserven beurteilen

Eine sehr grosse Maschine kann ein kleines Bauteil problemlos fertigen, ist deshalb aber nicht automatisch die wirtschaftlich beste Lösung.

Wenn erforderliches Drehmoment, Motorleistung, hydraulische Einspritzleistung und Plastifizierleistung bekannt sind, lässt sich beurteilen, wie stark die jeweiligen Maschinensysteme tatsächlich beansprucht werden.

Dies unterstützt beispielsweise den Vergleich zwischen:

• zwei vorhandenen Maschinen für dasselbe Produkt,
• unterschiedlichen Plastifiziereinheiten,
• verschiedenen Schneckendurchmessern oder
• unterschiedlichen Maschinenkonzepten.

Dabei geht es nicht darum, die Maschine möglichst nahe an ihrer Leistungsgrenze zu betreiben. Entscheidend ist ein technisch sinnvoller Arbeitsbereich mit ausreichenden Reserven.

10. Technische Machbarkeit vor dem Werkzeugbau bewerten

Besonders wertvoll ist die kombinierte Berechnung in einer frühen Projektphase. Zu diesem Zeitpunkt können Änderungen an Bauteil, Material, Anspritzkonzept oder Maschinenauswahl noch vergleichsweise einfach vorgenommen werden.

Ein möglicher Arbeitsablauf ist:

1. STEP-Modell des geplanten Kunststoffteils erstellen.
2. Wandstärken und Fliesswege prüfen.
3. Material und Verarbeitungstemperaturen definieren.
4. geeignete Anspritzpositionen vergleichen.
5. erforderlichen Fülldruck und Füllzeit bestimmen.
6. Schussvolumen und Schliesskraft abschätzen.
7. geeignete Schnecken- und Maschinenparameter festlegen.
8. Plastifizierleistung und Dosierzeit überprüfen.
9. Drehmoment und erforderliche Antriebsleistung berechnen.
10. Einspritzkraft, Volumenstrom und hydraulische Leistung prüfen.
11. Ergebnisse mit einer vorhandenen oder geplanten Maschine vergleichen.
12. kritische Parameter identifizieren und Varianten optimieren.

Spritzgussprozess und Maschine als Gesamtsystem betrachten

Die Herstellbarkeit eines Spritzgussteils lässt sich nicht allein aus dem Bauteil und ebenso wenig allein aus dem Datenblatt einer Spritzgiessmaschine beurteilen.

Die Spritzguss-Analyse beschreibt im ersten Schritt die Anforderungen, die Geometrie, Material und Prozess an die Fertigung stellen. Das Tool Spritzgiessmaschine überträgt diese Anforderungen anschliessend auf Plastifizierung, Schnecke, Antrieb und Einspritzeinheit.

Gemeinsam ermöglichen beide Werkzeuge unter anderem:

• die Prüfung, ob ein bestimmtes Bauteil auf einer vorhandenen Spritzgiessmaschine hergestellt werden kann,
• die Bewertung, ob die vorhandene Maschine dafür technisch sinnvoll eingesetzt wird,
• die Identifikation des begrenzenden Maschinenparameters,
• die Optimierung von Bauteil, Anspritzung und Prozessparametern,
• den Vergleich verschiedener Maschinen- und Schneckenvarianten,
• die Abschätzung der erforderlichen Maschinenparameter für ein neues Bauteil sowie
• die Vorbereitung einer technisch begründeten Maschinenauswahl oder Maschinenbeschaffung.

Damit entsteht aus zwei getrennten Berechnungen ein zusammenhängender Engineering-Workflow: vom CAD-Modell des Kunststoffteils bis zur technischen Dimensionierung und Bewertung der Spritzgiessmaschine.

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Spritzguss-Analyse – Bauteil, Füllung und Prozess untersuchen
Spritzgiessmaschine – Plastifizierung, Einspritzen und Antrieb berechnen