Hohe Einspritzdrücke können Werkzeugstahl während des Spritzgießens verformen, insbesondere in Bereichen mit schlanken Kernen, Einsätzen und ungleichmäßigen Druckbelastungen. Die Analyse von Werkzeugdurchbiegung und Kernverschiebung hilft dabei zu zeigen, wo sich der Stahl bewegen kann und dadurch Gratbildung, ein Öffnen der Trennebene, Kernversatz oder Wandstärkenabweichungen entstehen können, bevor diese Probleme im Erstversuch auftreten.
Werkzeugberechnung und Konstruktion
Bei der Auslegung und Konstruktion von Formwerkzeugen muss sichergestellt werden, dass das Werkzeug ausreichende Festigkeit und Steifigkeit besitzt, um die Qualitätsanforderungen des Endprodukts zu erfüllen. Das Werkzeugverhalten im späteren Einsatz wird simuliert. Eine Besonderheit ist die Möglichkeit, den Schmelzedruck aus vorherigen Spritzgießsimulationen in die FEM-Analyse zu übertragen. Dafür wurde ein eigenes Tool entwickelt.
- Druck
- Temperatur
- Schließkraft
- Quasistatisch und transient
Dieser Ansatz verbindet die Werkzeugberechnung mit realen Prozessdaten. Statt die Steifigkeit des Stahls nur theoretisch zu prüfen, kann MFS bewerten, wie das Werkzeug unter produktionsbedingten Lasten reagiert. Dies gibt dem Ingenieursteam eine bessere Grundlage für Werkzeugauslegung, Korrekturplanung und Kostenbewertung des Werkzeugs vor der Fertigung oder Nacharbeit.
Steifigkeits- und Festigkeitsanalysen
Spritzgießwerkzeuge sind Baugruppen, die einer Vielzahl unterschiedlicher Belastungen ausgesetzt sind.
Bewertung von Verformungen, die durch unzureichende Steifigkeit des Werkzeugs quer zur Schließkraft auftreten, sowie der daraus resultierenden Spannungen. Zusätzlich werden Spannungen berücksichtigt, die durch den Einspritzdruck oder die Formmasse in der Kavität, den Anguss sowie die Schließkraft entstehen. Besondere Aufmerksamkeit gilt folgenden Details:
- Verformung von Werkzeugkernen durch unzureichende Steifigkeit frei gelagerter Kerne
- Verwendete Kühlelemente (z. B. Kupferkühlfinger)
- Unausgeglichene Druckbelastungen während des Einspritzens
Für Produktionsteams wird die Werkzeugdurchbiegungsanalyse hier praktisch nutzbar. Das Ergebnis ist ein klarerer Überblick über Werkzeugverformung, lokale Spannungen und mögliche Risikobereiche, bevor diese die Bauteilqualität beeinflussen. Zudem unterstützt sie Prüfungen der strukturellen Werkzeugintegrität, wenn Druck, Schließkraft und Kavitätsbelastung nicht gleichmäßig wirken.
Thermische und thermomechanische Analyse
Berücksichtigung von Wärmeübertragung, Einspritzdruck und Schließkraft als zeitabhängige Größen.
Spannungen, die durch unterschiedliche thermische Ausdehnung verschiedener Materialien innerhalb eines Werkzeugs entstehen (z. B. Kupfer in Kühlstiften oder Einsätzen), können zu lokalen Überlastungen führen. Es können die Temperaturverteilung sowie die entsprechende thermische Ausdehnung zeitabhängig berechnet werden.
- Konturnahe Kühlung oder variotherme Temperaturregelsysteme
- Unterstützung der Kühlung
- Wechselwirkung aller Spannungen
Eine thermomechanische Analyse ist besonders hilfreich, wenn Wärme und Druck im Spritzgießprozess zusammenwirken. Kupfereinsätze, Kühlstifte und Temperiersysteme können sich anders ausdehnen als der umgebende Stahl. Diese thermische Ausdehnung kann lokale Kontakte verändern, Spannungen erhöhen und die Werkzeugverformung während wiederholter Zyklen beeinflussen.
Warum die Analyse von Werkzeugdurchbiegung und Kernverschiebung wichtig ist
Die Analyse von Werkzeugdurchbiegung und Kernverschiebung gibt Entscheidungsträgern eine technische Möglichkeit zu prüfen, ob ein Werkzeug seine Form unter Last beibehält. Gleichzeitig hilft sie dem Ingenieursteam dabei, Prozesssimulation und Stahlverhalten miteinander zu verbinden. In Kombination mit der Entlüftungs- und Lufteinschlussanalyse kann sie zeigen, ob druckbedingte Fehler mit dem Füllverhalten, eingeschlossenem Gas oder mechanischer Bewegung zusammenhängen.
Gratbildung und Öffnen der Trennebene verhindern
Gratbildung entsteht häufig, wenn Druck und Schließverhalten ein Öffnen der Trennebene ermöglichen. Die Analyse von Durchbiegung und Kernverschiebung hilft dabei, Bereiche mit möglicher Bewegung zu identifizieren, sodass das Ingenieursteam die Abstützung verbessern, die Lastverteilung anpassen oder die Schließkraft prüfen kann, bevor wiederholte Versuche Kosten erhöhen.
Wandstärkenabweichungen reduzieren
Kernbewegungen verändern den verfügbaren Raum für den Kunststofffluss. Bereits geringe Verschiebungen können ungleichmäßige Wandstärken, schwerere Bereiche, Schwachstellen oder lokale Schwindungsunterschiede erzeugen. Die Simulation hilft, diese Risiken zu lokalisieren und unterstützt gezielte Werkzeugkorrekturen, bevor Maßprobleme in die Produktion gelangen.
Maßstabilität von Spritzgussteilen verbessern
Ein stabiles Stahlverhalten unterstützt eine bessere Maßhaltigkeit der Bauteile. Wenn Druck, Temperatur und Schließkraft gemeinsam betrachtet werden, kann das Ingenieursteam erkennen, warum ein Bauteil von der Sollgeometrie abweicht. Dies erhöht die Sicherheit bei der Bauteilfreigabe und reduziert späte Korrekturschleifen.
Werkzeugschwächen vor Fertigung oder Optimierung erkennen
Eine frühe Simulation kann zeigen, ob Rippen, Platten, Kerne, Einsätze oder Abstützbereiche zu flexibel für die erwartete Belastung sind. Dadurch wird die Werkzeugberechnung bereits vor dem Fräsen sinnvoll, und sie unterstützt auch gezielte Verbesserungen, wenn ein bestehendes Werkzeug bereits instabile Ergebnisse zeigt.
Warum MFS für die Analyse von Werkzeugdurchbiegung und Kernverschiebung wählen
- Simulation mit prozessgekoppelten Lasten: MFS kann Schmelzedruck aus der Spritzgießsimulation in die FEM-Berechnung übertragen und schafft dadurch eine stärkere Verbindung zum realen Produktionsverhalten.
- Erfahrung im Werkzeugengineering: Das Ingenieursteam bewertet Werkzeugdesign, Druckverhalten, Schließkraft und Temperatureffekte gemeinsam, sodass die Empfehlungen für praktische Fertigungsentscheidungen nutzbar bleiben.
- Fokus auf Stahlbewegung: MFS analysiert Werkzeugverformung, Kernverschiebung und Spannungsspitzen in Bereichen, die die Bauteilgeometrie oder Oberflächenqualität beeinflussen können.
- Unterstützung komplexer Werkzeuge: Die Analyse eignet sich für hochliegende Kerne, Kupfereinsätze, Kühlstifte, konturnahe Kühlung sowie variotherme Temperaturregelsysteme.
- Klare technische Entscheidungsunterstützung: Die Analyse von Werkzeugdurchbiegung und Kernverschiebung hilft dem Ingenieursteam dabei zu entscheiden, ob ein Design verstärkt, angepasst oder validiert werden kann, bevor teure Änderungen umgesetzt werden.