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Beheben von Oberflächenfehlern bei Kunststoffteilen

Autodesk

Formteilqualität

Die Herstellung perfekter Kunststoffspritzgussteile ist nicht einfach. Zu Beginn eines Projekts dreht sich alles um die mechanischen und funktionalen Eigenschaften. Wird das Bauteil wie geplant funktionieren? Wird es seinen gedachten Zweck erfüllen? Doch selbst wenn Sie ein mechanisch einwandfreies, perfekt funktionierendes Bauteil entwickeln, kann das gesamte Projekt auf der Kippe stehen, wenn beim Spritzgießen ein ästhetischer Fehler auftritt, wenn also das äußere Erscheinungsbild des Bauteils nicht den Anforderungen entspricht.

Einfallstellen. Bindenähte. Rissbildungen. Verfärbungen. Abriebspuren. Alle an der Entwicklung von Spritzgussbauteilen beteiligten Personen sollten diese Begriffe kennen. Leider ist es so, dass ästhetische Faktoren die Qualität eines Bauteils erheblich beeinflussen, ganz gleich, ob die eigentliche Funktion dadurch beeinträchtigt wird oder nicht. Außerdem erfüllen viele Formteile lediglich einen ästhetischen Zweck; hier muss das optische Erscheinungsbild perfekt sein. Das größte Problem besteht darin, dass es nur mit Intuition und Erfahrung schwer einzuschätzen ist, wo ästhetische Fehler auftreten können.

In diesem Artikel untersuchen wir einige dieser Probleme, prüfen verschiedene Ansätze, sie zu umgehen, und zeigen, wie bewährte Konstruktionsverfahren zusammen mit Simulationstechnologien wie Autodesk Moldflow den Ingenieuren helfen können, Oberflächenfehler zu vermeiden.

Die Problematik der Oberflächenfehler

Es ist nicht einfach, ein perfektes Oberflächen-Finish zu erzielen, da im Kunststoffspritzguss viele Entscheidungen getroffen werden müssen. Die zahlreichen Optionen hinsichtlich Bauteilgeometrie, Materialien, Spritzgussverfahren, Formenkonstruktion und Oberflächentexturen sowie deren Auswirkungen aufeinander führen dazu, dass ästhetische Fehler schwer vorherzusagen sind.

Je nach Ihrer Aufgabe sind Sie möglicherweise nicht immer in diese Entscheidungen involviert. Ein Beispiel: Sie denken, man könnte einen ästhetischen Fehler beseitigen, indem man eine andere Materialfarbe, eine geänderte Oberflächentextur der Spritzgussform oder ein unterschiedliches Spritzgussverfahren verwendet. Diese Alternativen sind jedoch aufgrund von Unternehmensvorgaben, Budgeteinschränkungen oder eines engen Terminplans nicht möglich.

Ein weiteres Problem liegt in der Natur der ästhetischen Fehler. Ästhetische Fehler sind primär visuelle Phänomene, die schwer zu messen und zu simulieren sind. Oberflächentexturen und Farben sind nicht so leicht mithilfe von Daten zu beschreiben wie die Bedingungen beim Füllen des Werkzeugs (z. B. Fließfronttemperatur, Scherspannung oder Füllgeschwindigkeit). Fehler können je nach Intensität, Richtung und Farbspektrum des Lichts oder Betrachtungsdauer, -winkel und -entfernung minimiert oder verstärkt werden.

Ein Cremeweiß verbirgt Fehler beispielsweise besser als Grau oder gar Schwarz. Auch bestimmte Oberflächen-Finishes können die Sichtbarkeit von Oberflächenfehlern entweder verstärken oder abschwächen. Die Größe eines Fehlers, wie z. B. die Tiefe oder Breite einer Einfallstelle, kann dazu führen, dass ein Fehler leichter entdeckt wird. Auch die Farben von anderen Objekten in unmittelbarer Nachbarschaft des Bauteils haben den gleichen Effekt. Dies führt dazu, dass selbst die ausgereiftesten Simulationen das visuelle Erlebnis des Kunden nicht vollständig abbilden können.

Die gute Nachricht ist, dass in diesem Bereich große Fortschritte erzielt wurden. Einige neue Funktionen haben die Visualisierungsmöglichkeiten verbessert, darunter:

  • Export der Geometrie eines Modells mit durch unterschiedliche Schwindung hervorgerufenem Verzug als CAD-Datei (.sat oder .step) zum einfacheren Vergleich mit dem Originalmodell
  • Export der vorherberechneten Tiefe von Einfallstellen aus Simulationstools in Visualisierungstools (VRED oder 3ds Max)
  • Hochwertiges Rendering für eine möglichst realitätsnahe Abbildung hinsichtlich Farbe, Textur und Beleuchtung (siehe Abbildung 1)

 

Simulation allows a better assessment of the cosmetic effects
Abbildung 1: Neuere Simulationssoftware bietet ein hochwertiges Rendering, das die Realität hinsichtlich Farbe, Textur und Beleuchtung genauer abbildet und es den Anwendern somit ermöglicht, die Oberflächenfehler aufgrund der jeweiligen Material-, Werkzeug- oder Prozessauswahl besser einzuschätzen.

Die Hersteller von Kunststoffspritzgussteilen entwickeln unterdessen neue Verfahren zur Vermeidung von ästhetischen Fehlern, darunter ausgereiftere Lösungen zur Temperatursteuerung der Spritzgussform, Technologien für 3D-Texturen, Spritzgießen mit flüssigem Silikonkautschuk und Integration von Komponenten, wie beispielsweise durch Umspritzung.

Trotzdem benötigen Ingenieure zuverlässige Verfahren, um das Risiko von Oberflächenfehlern zu erkennen und sie zu vermeiden. Hier hilft die Simulation.

Die vier wesentlichen Einflussfaktoren

Um Probleme mit ästhetischen Fehlern zu lösen, müssen Ingenieure vier wesentliche Einflussgrößen untersuchen. Eine Simulation kann Ingenieuren dabei helfen, in der Konstruktionsphase die Risiken von Fehlern zu minimieren oder die Behebung von Fehlern zu beschleunigen, wenn in einem Prototyp Fehler auftreten.

1. Spritzgießverfahren

Das ästhetische Erscheinungsbild der Bauteiloberfläche hängt sehr stark vom gewählten Spritzgießverfahren ab. So hat es sich beispielsweise bewährt, den Anschnitt so zu platzieren, dass die Schmelze von einem dickwandigen Bereich zu den dünnen Bereichen fließt. Doch beim Anschneiden eines großen, dicken Bereichs kann je nach der Art des Anschnitts (direkter Anguss, Tunnelanguss, Anguss über Hilfssteg oder mit Überlappung) der Kunststoff als unerwünschter Freistrahl in die Form eintritt. Eine Fertigung des gleichen Bauteils mit Gasinnendruck, Prägung oder Mehrfachanschnitt könnte dieses Problem verhindern.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Nachdruck- und Haltezeit durch einen mikrozellulären Schaum zu ersetzen. In diesem Fall wäre es ideal, dünne Bereiche anzuschneiden, um die Bildung von Lufteinschlüssen einzudämmen. Natürlich könnten Ingenieure auch die Werkzeugtemperatur verändern, um eine mit Kunststoff gesättigte Oberfläche zu schaffen, was die Qualität des Finishes erhöht. Ein Beispiel hierfür wäre schnelles Heizen und Kühlen oder der Einsatz von Induktionsheizung (siehe Abbildung 2). Viele dieser Verfahren können simuliert werden, sodass man bereits vor dem Bau des Werkzeugs beurteilen kann, welche Methode die beste ist, um die gewünschte Oberflächenqualität zu erreichen.

Simulation can predict the effect of process choices
Abbildung 2: Eine Simulation kann die Ergebnisse unterschiedlicher Spritzgussverfahren vorherberechnen, wie beispielsweise den Einfluss von Induktionsheizen oder schnellem Heizen und Kühlen („Variotherm“) auf die Oberfläche des Kunststoffteils.

 

2. Materialauswahl

Nicht alle Materialien verhalten sich in Bezug auf ästhetische Aspekte gleich. Mithilfe einer Simulation können Sie untersuchen, wie sich die Materialauswahl auf die Verarbeitbarkeit und auf mögliche Fehler auswirkt. Dank der Kenntnis der Eigenschaften verschiedener Materialien weiß ein Kunststoffingenieur, wie Anschnitte erstellt werden sollten, um Fehler wie Verfärbungen beim Anschnitt zu vermeiden. Füllstoffe wie Fasern oder Metallflocken haben ebenfalls einen großen Einfluss auf das Erscheinungsbild eines Produkts. Eine Simulation kann dabei helfen, diesen Einfluss zu beurteilen.

Ein weiterer Bereich, in dem Simulationen von Vorteil sein können, ist die Untersuchung von Bindenähten. Berechnungsingenieure untersuchen dazu den Winkel der Fließfront sowie die Temperatur und den Druck, um Bereiche zu entdecken, in denen Fließfronten durch ein Hindernis, z. B. aufgrund der Bauteilgeometrie, unterbrochen werden und sich dann wieder verbinden. Auch wenn mehrere Anschnitte gewählt wurden, müssen sich die Fließfronten vereinigen. Bindenähte können die Festigkeit des Bauteils und das Erscheinungsbild der Oberfläche negativ beeinflussen. Mithilfe von Simulationen können Sie die verfügbaren Optionen untersuchen und von der Software berechnen lassen, um rasch das geeignetste Material, die beste(n) Anschnittposition(en) und die optimale Bauteilgeometrie zu ermitteln.

3. Bauteilgeometrie

Bei der Methode der fertigungsgerechten Konstruktion sind Simulationen besonders nützlich, da sie Ingenieuren eine zuverlässige Möglichkeit bieten, die Auswirkungen von Veränderungen der Wandstärke zu untersuchen, wie beispielsweise das Verhältnis von Rippen zu Flächen oder von dick zu dünn sowie die Auswirkungen auf die Formfüllung. Eine schnelle Prüfung hinsichtlich Entformung und Hinterschneidungen kann bei der Bewertung der Kosten, der Herstellbarkeit, der Texturtiefe und der Gefahr von Verformungen beim Auswerfen (z. B. Abriebspuren) ebenfalls von Nutzen sein.

Die Qualität der Formfüllung und die Wandstärke sind untrennbar miteinander verbunden. Die wichtigste Regel für eine einheitliche Füllung ist daher die Wahrung der Gleichmäßigkeit, und eine gleichmäßige Formfüllung wirkt sich auch positiv auf das ästhetische Erscheinungsbild des Bauteils aus. Die Auswirkungen von Fließverzögerungen sind oft sichtbar und hängen stark von unterschiedlichen Wandstärken ab. Mithilfe einer Spritzgießsimulation lassen sich Probleme erkennen, beispielsweise durch Konturendarstellungen zur Ermittlung von Fließfehlern sowie Darstellungen der Fließfrontgeschwindigkeit, der Scherspannungen an der Wand und der Temperatur an der Fließfront. Eine Software für Spritzgießsimulation kann sicherstellen, dass eine Form ohne größere Temperaturschwankungen leicht und gleichmäßig gefüllt wird, und sie kann helfen, mögliche Probleme wie Freistrahlen, Bindenähte und Lufteinschlüsse zu erkennen und zu vermeiden.

4. Konstruktion der Spritzgussform

Die Konstruktion von Spritzgussformen ist ein komplexes Gebiet, insbesondere was die Konstruktion des Anschnitts und dessen Auswirkungen auf mögliche Bauteilverfärbungen anbelangt. Der Anschnitt und sein Querschnittsverlauf haben einen großen Einfluss auf das ästhetische Erscheinungsbild des Formteils. Auch die Höhe der Scherspannungen ist eine wichtige Einflussgröße. Mit Simulationen kann beispielsweise untersucht werden, ob die Scherspannungen abnehmen, wenn statt eines runden Anschnitts ein rechteckiger Querschnitt verwendet wird. Mit Simulationen lassen sich zudem die beste Position des Anschnitts und die ideale Fließgeschwindigkeit ermitteln. Mit diesen Ergebnissen können die Anschnitte dann so dimensioniert werden, dass die Scherspannung minimiert wird (siehe Abbildung 3).

Zudem unterstützen Simulationen Ingenieure bei der Evaluierung neuer Verfahren wie beispielsweise schnellem Heizen und schnellem Kühlen, mit denen Oberflächenfehler vermieden werden können. Simulationen können eine zeitabhängige thermische Analyse der Form und des Wärmeübergangs zwischen Kunststoff und Werkzeug durchführen. Induktionsheizen ist ein weiteres Verfahren, mit dem die Temperaturverteilung optimiert werden kann, ohne die Zykluszeit zu verlängern; auch dieses Verfahren kann simuliert werden.

Ingenieure müssen außerdem entscheiden, welches Angusssystem und welcher Anschnitt (Kaltanschnitt, Heißkanalsystem oder Kaskadenanschnitt) verwendet werden sollen. Eine Simulation kann die Öffnungs- und Schließmechanismen abbilden, wie beispielsweise die Öffnungsgeschwindigkeit der Nadelverschlussdüse, und ein detailliertes Profil der Fließfront erstellen. In diesem Profil kann man mögliche Verzögerungen erkennen, die die Geschwindigkeit der Fließfront und die Eigenschaften der Materialschmelze verändern, was wiederum große Auswirkungen auf Textur und Finish der Oberflächen hat.

Simulation helps find the best gate locations and ideal flow rate
Abbildung 3: Mithilfe einer Simulation lassen sich die beste Anschnittposition und die ideale Fließgeschwindigkeit ermitteln. Auf Basis der Ergebnisse können die Anschnitte dann so dimensioniert werden, dass die Scherspannung minimiert wird. Dies wirkt sich positiv auf das Erscheinungsbild der Bauteiloberfläche aus.

 

Fallstudie

Eine kurze Fallstudie eines realen Bauteils soll verdeutlichen, wie sich diese komplexen Vorgänge auf die ästhetische Qualität des Bauteils auswirken und inwiefern eine Simulation bei Problemen helfen kann.

In diesem Fall handelt es sich um ein Bauteil, das mit Zweikomponentenumspritzung aus Elastomer hergestellt wurde. Die Herstellung war aufgrund der erforderlichen Farbstoffverteilung in ästhetischer Hinsicht eine Herausforderung. Die ersten Durchläufe verliefen jedoch sehr gut. Als dann sowohl das Material als auch der Farbstoff geändert wurde, trat ein Fehler am Boden des Bauteils auf (siehe Abbildung 4).

Case study: TPE
Abbildung 4: Der Zweikomponenten-Umspritzprozess mit TPE (thermoplastischen Elastomeren) war erfolgreich, bis Material und Farbstoff geändert wurden, woraufhin ein Fehler am Boden des Bauteils auftrat.

Durch verschiedene Analysen der Simulationssoftware (darunter Fließpfade, Fließfrontverlauf und Fließfrontkontur) konnten die Ingenieure die Fließgeschwindigkeit darstellen und eine Verzögerung in der Nähe des Randes feststellen, die eine ungleichmäßige Geschwindigkeit der Fließfront verursachte (siehe Abbildung 5).

Diese Fallstudie verdeutlicht, welche Auswirkungen die Entscheidungen der Ingenieure auf die Qualität des Oberflächen-Finishes haben können. In diesem Fall trat in beiden Situationen eine Fließverzögerung auf. In dem einen Material war sie kaum sichtbar, während sie im anderen Material verstärkt zu Tage trat.

Das Bauteilvolumen war in diesem Fall sehr klein, sodass der Spritzgießprozess schwer zu steuern war. Einige Änderungen im Verfahren minderten den Fehler in gewissem Maße, doch die eigentliche Ursache der Fließverzögerung war die Bauteilgeometrie. Genauer gesagt führte eine Änderung in der Wandstärke zu einer Verzögerung und infolgedessen zu einem Voreileffekt. Sobald die eigentliche Ursache eines Problems gefunden ist, sind die nächsten Schritte einfach vorzunehmen.

Simulation helps engineers visualize flow velocity
Abbildung 5: Mithilfe der Simulation konnten die Ingenieure die Fließgeschwindigkeit darstellen und so eine Verzögerung der Fließfront in der Nähe des Randes feststellen, die den sichtbaren Fehler verursachte.

 

Zusammenfassung

Alle Kunststoffingenieure stehen bei der Optimierung der Qualität des Oberflächen-Finishes vor ähnlichen Problemen. Es gibt jedoch verschiedene Möglichkeiten, um die Probleme zu lösen, bevor sie kostspielig werden. Die Vor- und Nachteile sind jedoch nicht immer leicht zu quantifizieren. Die Beurteilung dessen, was akzeptabel ist und was nicht, ist oft subjektiv und von der jeweiligen Anwendung abhängig.

Die Ursachen eines Fehlers im Oberflächen-Finish sind jedoch nicht subjektiv. Eine Simulation bietet verschiedene Analysewerkzeuge, mit denen Ingenieure Untersuchungen durchführen und verstehen können, wie Entscheidungen hinsichtlich Spritzgussverfahren, Materialauswahl, Bauteilgeometrie und Werkzeugkonstruktion das Erscheinungsbild des Endprodukts beeinflussen.

Die Simulationstechnologie Autodesk Moldflow ermöglicht schnelle Einblicke in den Spritzgussprozess und erlaubt es Ingenieuren, auch bei engen Terminen mehrere Optionen zu untersuchen und somit schnell eine gute Lösung zu finden.

Brian Pelley, Moldflow-Experte bei Autodesk, ist Berechnungsingenieur und besitzt mehr als 20 Jahre Erfahrung mit Simulation, CFD und FEM für Unternehmen aus der Serien- und Einzelfertigung. Zu seinen Fachgebieten zählen Berechnung, Support, Schulung, Beratung und Vertrieb.

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