Das Potenzial von Industrie 4.0 kann schon in der Produkt-Entwicklung genutzt werden. Foto: Simcon

Spritzgießen automatisch optimiert

Industrie 4.0

Um die Zeit bis zum ersten Gutteil zu verkürzen, lässt sich der Spritzgießprozess in Simulations­schleifen optimieren – und zwar in einem vollständig automatisierten Ablauf.

Die Spritzgießbranche sieht sich heute mit geänderten Kundenanforderungen konfrontiert: Individualisierung von Produkten, kleinere Losgrößen, häufigere Einrichtprozesse. Und das bei gleichbleibend hoher oder gar höherer Produktqualität.

Industrie 4.0 ist die politisch vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) ins Leben gerufene Antwort auf diese Kundenanforderungen. Doch wo ist in der Spritzgießbranche das Potenzial, das gehoben werden kann und wie ist Industrie 4.0 in dieser von kleinen und mittelständischen Unternehmen geprägten Industrie einsetzbar? Wie kann Industrie 4.0 in den Entwicklungsabteilungen und den Produktionshallen umgesetzt werden, damit auch zukünftig wirtschaftlich in Deutschland und Mitteleuropa produziert werden kann?

„Die Erkenntnisse aus der virtuellen Entwicklung fließen direkt in die reale Produktion ein. Die wichtigsten Parameter sind bereits bekannt, und dem Einrichter werden alle Einstellungen genau vorgegeben“, Dr.-Ing. Paul Filz, Geschäftsführer Simcon kunststofftechnische Software

Für das Erfüllen der Anforderungen gibt es Potenzial in vielfältigen Bereichen. Zwei mögliche Bereiche für eine Weiterentwicklung sind zum einen im Produktionsprozess selbst, zum anderen schon im Produkt-Entwicklungsprozess zu finden.

In der Produktion steckt viel Potenzial in der Verbesserung und Automatisierung von Rüstvorgängen und Maschinen-Set-ups. Daneben müssen Serienprozesse automatisch überwacht oder sogar geregelt werden können, damit Ausschuss vermieden wird und Gut-Teile produziert werden.

Weiter mit Trial and Error?

Im Produkt-Entwicklungsprozess kann die notwendige Zeit bis zur ersten erfolgreichen Produktion von Gutteilen heute noch deutlich verkürzt werden. Dabei geht es darum, Werkzeugänderungen zu reduzieren oder ganz einzusparen. Bei Produkt-Entwicklungen sind viele Entscheidungen zu treffen – und um Kosten und Vorlaufzeiten möglichst gering zu halten, müssen dies die richtigen Entscheidungen sein. Das wird heute durch den Einsatz von Spritzgießsimulation unterstützt.

Dabei wird normalerweise nach dem Trial-and-Error-Prinzip vorgegangen. Doch es gibt eine intelligentere und effizientere Methode, um mit Spritzgießsimulation die richtigen Entscheidungen für Bauteil, Werkzeug und Prozess zu treffen und so den Korrekturaufwand spürbar zu verringern, nämlich Varimos – virtuelle und reale automatische Optimierung als Antwort auf Industrie 4.0.

Das Software-Produkt Varimos optimiert die Produkt-Entwicklung, das Produktions-Set-Up und überwacht die Serien-Produktion. Mit der automatischen Optimierung werden gleichzeitig Qualitätsmerkmale wie Prüfmaße und wirtschaftliche Ziele wie die kürzest-mögliche Zykluszeit optimiert sowie die Rahmenbedingungen wie die maximal verfügbare Schließkraft erfüllt. Dafür definiert der Anwender das Ziel; das System ermittelt automatisch die optimale Lösung. Varimos virtuell benutzt die Spritzgießsimulation Cadmould 3D-F als Engine und bildet damit ein mathematisches Modell aus Bauteil-, Werkzeug und Prozessparametern und den gewünschten Qualitäten.

Industrie 4.0 heißt, Erkenntnisse aus der virtuellen Entwicklung in den realen Fertigungsprozess zu übertragen. Grafik: Simcon
Industrie 4.0 heißt, Erkenntnisse aus der virtuellen Entwicklung in den realen Fertigungsprozess zu übertragen. Grafik: Simcon
Virtuelle Optimierung

Varimos virtuell wird im Produktentwicklungsprozess eingesetzt. Es ermöglicht nicht nur die Variation von Verfahrensparametern sondern auch die Variation von Bauteil- und Werkzeuggeometrievarianten wie zum Beispiel Wanddicken, Rippenhöhen, Anspritzlagen, Verteiler- oder Temperiersystemen. Damit optimiert das Tool automatisch das Schwindungs- und Verzugsverhalten auf Maßhaltigkeit. Das Ergebnis sind optimierte Bauteile, Werkzeuge und Spritzgießprozesse, die als Startpunkt für die Serienproduktion ein hohes Maß an Qualität bieten. Die Basis für die virtuelle Optimierung sind die statistische Versuchsplanung (DOE) und die virtuelle Vermessung der simulierten Bauteile.

Den besten Ausgangspunkt für die Optimierung an der Spritzgießmaschine mit Varimos real stellen die Ergebnisse aus der virtuellen Optimierung dar. Dabei bietet die Vernetzung von Entwicklung und Produktion einen erheblichen Vorteil, weil die Erkenntnisse aus der virtuellen Entwicklung direkt in die reale Produktion einfließen: Der Startpunkt für die Optimierung und die wichtigsten Einstellparameter sind bereits bekannt, und dem Einrichter werden alle Einstellungen genau vorgegeben. Das verkürzt den Ablauf der Bemusterung erheblich. Varimos real kann jedoch auch für die Optimierung von nicht durch Spritzgießsimulation optimierten Werkzeugen eingesetzt werden.

Beim Einrichten des Serienprozesses wird die automatische Optimierung der Maschineneinstellparameter jetzt dazu verwendet, um systematisch zu Gut-Teilen bei kürzester Zykluszeit zu gelangen. Die Basis für die reale Optimierung sind die statistische Versuchsplanung (DOE) und die Vermessung von Musterteilen.

Überwachung

Die vollständige Überwachung und Dokumentation der Serienproduktion basiert auf Daten aus der Maschinensteuerung oder von Sensoren, die im Werkzeug eingebracht sind. Zusätzlich kann eine automatische Regelung des Prozesses eingerichtet werden.

50 % Produktentwicklungszeit kann eingespart werden: Eine der wichtigsten Grundlagen für Varimos virtuell ist das in Cadmould verwendete 3D-F-Verfahren, das speziell für die Simulation von Kunststoffschmelzen entwickelt worden ist und gegenüber klassischen 3D-Volumen-Ansätzen vor allem kurze Simulationszeiten bietet. Die Erfahrungen aus zahlreichen Projekten der Automobilindustrie, der Lebensmittel- und Medizinbranche zeigen, dass die Produktentwicklungszeit bis zum Start der Serienproduktion bei Verwendung automatischer Optimierung um bis zu 50 % verkürzt werden kann. Dies ist insbesondere auf die Reduktion von Werkzeugänderungeschleifen zurückzuführen. Die Zykluszeit bietet weiteres Einsparpotential von durchschnittlich 20 %.

Als Basis für Varimos hat Simcon mit Cadmould 3D-F die Lösung für die virtuelle Auslegung und Optimierung von Bauteil, Werkzeug und Prozess und blickt auf über 25 Jahre Erfahrung in der Entwicklung und Anwendung der Spritzgießsimulation zurück. Dr. Gierth optimiert mit seiner Software CQC seit 25 Jahren reale Spritzgießprozesse. Die Kombination beider Systeme heißt Varimos und bietet als automatische, zielgerichteter Kunststoff-System-Optimierung alle Lösungen für Bauteil, Werkzeug und Prozess, um Industrie 4.0 heute in die Spritzgießbranche zu bringen.

Dr.-Ing. Paul Filz,  Bernhard Helbich

 

Anlaufbild: Simcon