Wissenschaftliches Spritzgießen

Was ist wissenschaftliches Spritzgießen?

Wissenschaftliches Spritzgießen ist ein Verfahren, bei dem die Füll-, Pack- und Haltephasen getrennt behandelt werden, um Schwankungen zu minimieren und gleichzeitig die Produktkonsistenz insgesamt zu verbessern. Das Trennen der Phasen ist auch als gekoppeltes Spritzgießen bekannt. Spritzgießer, die wissenschaftliche Spritzgießtechnik, Software und Verfahren einsetzen, können laut dem Spritzgieß-Experten John Bozzelli „Zykluszeiten verkürzen, die Maschinenleistung steigern und letztlich mehr Gewinn erzielen.”

Worin unterscheidet sich traditionelles vom wissenschaftlichen Spritzgießen?

Beim traditionellen Spritzgießen wird die Form mit einem einzelnen Schuss unter konstantem Druck gefüllt, um den Hohlraum zu verdichten. Beim wissenschaftlichen Spritzgießen wird der Hohlraum zu etwa 90–97 Prozent mit einer bestimmten Geschwindigkeit gefüllt. In der nächsten Phase wechselt die Maschine von der Geschwindigkeitssteuerung zur Druckregelung, bei der der Hohlraum gefüllt oder „ausgepackt“ wird, um den Prozess abzuschließen.

Die wissenschaftliche Methode ermöglicht eine höhere Schuss-zu-Schuss-Konsistenz und eine verbesserte Kontrolle über die Teile-Spezifikationen. Umgekehrt treten beim traditionellen Spritzgießen oft große Abweichungen in den Teile-Abmessungen von Zyklus zu Zyklus auf.

Ein wissenschaftlicher Ansatz beim Spritzgießen ist besonders wichtig bei der Herstellung komplexer Teile und Komponenten, bei denen selbst kleinste Schwankungen der Prozessparameter erhebliche Auswirkungen auf den Ablauf oder das Endprodukt haben können. Ziel des wissenschaftlichen Spritzgießens sind dabei zwei zentrale Strategien:

• Entwicklung eines Prozesses, der mit minimalen Schwankungen wiederholbare Ergebnisse liefert
• Optimierung der maßlichen oder mechanischen Eigenschaften eines Spritzgussteils

Faktoren beim wissenschaftsbasierten Spritzgießen

Ein weiterer Aspekt des traditionellen Spritzgießverfahrens betrifft die maschinenbasierte Steuerung. Es wurde angenommen, dass es 20 oder mehr maschinenbezogene Einstellungen gibt, die verschiedene Probleme am Formteil (Maße, Lunker, Verzug und andere Qualitätsprobleme) beeinflussen können. Die Forschung versuchte, Zusammenhänge zwischen Problemen an den Teilen und den Maschinenparametern zu finden.

Im Laufe vieler Jahre zeigte sich, dass Maschineneinstellungen wenig oder keinen Einfluss auf die Bauteilqualität hatten, weshalb der Fokus von der traditionellen, maschinenbasierten Steuerung auf einen wissenschaftlichen Ansatz wechselte. Die „Kunststoffperspektive“ wurde zum revolutionären Ansatz der modernen Forschung, die sich nun an den Naturgesetzen orientierte und nicht mehr an den Einstellungen der Spritzgießmaschinen. Donald C. Paulson war ein Pionier dieses wissenschaftlichen Ansatzes und gründete in den späten 1960er Jahren ein Kunststofflabor am General Motors Institute.

Verfahrensphasen beim Spritzgießen

Herr Paulson konzentrierte sich auf die vier wichtigsten Phasen der Kunststoffverarbeitung beim Spritzgießen, die die Eigenschaften des Formteils maßgeblich beeinflussen: Wärme, Druck, Strömung und Kühlung. Jede dieser Phasen, so Paulson, „wird durch die Gesetze der Physik bestimmt. Erstens, das Gesetz des Wärmetransfers; zweitens das Poiseuille’sche Strömungsgesetz; und drittens die Zustandsgleichung für Kunststoffe.“

Das Messen und Aufzeichnen der Maschinen- und Kunststoffschwankungen für jede der vier Phasen über einen Zeitraum von vier Jahren führte Paulson und sein Forscherteam zu einigen bahnbrechenden Schlussfolgerungen:

• Physikalische Gesetze, die für andere Materialien gelten, finden auch in der Kunststoffverarbeitung Anwendung
• Die vier Kunststoffvariablen bestimmen die Eigenschaften und Merkmale der Formteile

Der wissenschaftliche Ansatz beim Spritzgießen ändert nichts an der Notwendigkeit, dass der Bediener die Maschinenkonfiguration oder die Auswirkungen der Steuerungen auf die Kunststoffqualität versteht. Aber er hilft dabei, bessere Entscheidungen hinsichtlich der Maschinenparameter und Zykluszeiten zu treffen und bei Problemen mit den Teilen effektiver Lösungen zu finden.

Schritte beim wissenschaftlichen Spritzgießen und die Rolle der modernen Prozessregelung

Das wissenschaftliche Spritzgießen zielt im Kern darauf ab, die wesentlichen Prozessschritte zu entkoppeln. Diese Entkopplung ermöglicht Präzision, Genauigkeit und Kontrolle in jeder Phase des Spritzgießprozesses. Dank technologischer Fortschritte, insbesondere der Einführung des RJG eDart®-Systems, können Spritzgießer heute ein noch höheres Maß an Kontrolle und Reproduzierbarkeit erreichen.

Mit Messsystemen und Softwaretools wie dem RJG eDart-System werden die Prozessvariablen in der Form bei jedem Zyklus kontinuierlich überwacht. Diese Echtzeitüberwachung beruht auf den unveränderlichen physikalischen Gesetzen der Kunststoffverarbeitung. Die Gesetze zu Wärme, Druck, Strömung und Kühlung werden unter der Überwachung speziell ausgebildeter Ingenieure exakt gesteuert, sodass jedes Bauteil höchste Qualitätsstandards erfüllt.

• Initialschuss: Der Hohlraum wird zu etwa 98 % seiner Kapazität gefüllt, wobei die Geschwindigkeit die entscheidende Steuergröße ist.
• Füllen und Verdichten: Der Hohlraum wird weiter gefüllt, bis er seine vollständige Kapazität erreicht. Das Material wird dann im Hohlraum verdichtet oder „ausgepackt“, wobei ein konstanter Druck aufrechterhalten wird. Mit RJGs eDart-Systemen erfolgt die Steuerung auf Basis des Kunststoffdrucks im Werkzeug. Dieser Wechsel zum Kunststoffdruck als Steuergröße, anstelle ausschließlich der Maschineneinstellungen, eröffnet ein robusteres Prozessfenster.
• Kühlen und Stabilisieren: Beim Abkühlen stabilisiert sich das Formteil. Erst nach Erreichen der gewünschten Stabilität wird das Teil ausgeworfen und die Maschine für den nächsten dosierten Schuss vorbereitet.

Dieses entkoppelte Vorgehen, erweitert durch Technologien wie RJGs eDart, bietet Spritzgießern eine verbesserte Kontrolle über die Teiledimensionen. Noch wichtiger: Es garantiert eine gleichbleibende Qualität von Zyklus zu Zyklus – in der Branche als Schuss-für-Schuss-Konsistenz bekannt. Mit solch fortschrittlicher Prozesskontrolle kann Rosti seinen Kunden eine ausgesprochen gleichmäßige Produktqualität gewährleisten.

Vorteile des wissenschaftlichen Spritzgießens

Es ist nicht schwer, sich eine Welt ohne wissenschaftliche Prinzipien im Spritzgießen vorzustellen: Produktabweichungen durch starke Temperaturschwankungen, Druck- und Viskositätsänderungen, längere Zykluszeiten, geringere Maschinenleistung, höhere Kosten, mehr Ausschuss und minderwertigere Teile für Kunden.

Wie in unserem Beitrag über die Vorteile des Scientific Moulding beschrieben: „Scientific-Moulding-Praktiken sind unerlässlich, um Ergebnisse zu erzielen, die schnellere Zyklen, höhere Stückzahlen und einen effizienteren Spritzgussprozess liefern.“ Zudem gilt: „Qualitätskontrollprobleme lassen sich vermeiden, indem automatisierte Containment-Kontrolle und Rückverfolgbarkeit für bestimmte Anwendungen eingesetzt werden.“

Die Technologie hinter dem Scientific Moulding ermöglicht es Herstellern, effizienter zu arbeiten und sich einen globalen Wettbewerbsvorteil zu verschaffen. Zudem erhalten OEMs und Kunden hochwertigere Bauteile und weniger Ausschuss – bei gleichzeitig geringeren Kosten.

Die Prinzipien und Technologien, die beim Scientific Moulding zum Einsatz kommen, lösen das Problem, wie Spritzgießmaschinen jedes Mal einwandfreie Teile produzieren können.

Die Rolle der Technologie im Scientific Moulding

Das volle Potenzial des Scientific Moulding entfaltet sich erst in Kombination mit den neuesten Fortschritten der Spritzgießtechnologie. Obwohl diese Vorgehensweise auf den Gesetzen der Physik basiert, hängt ihre Wirksamkeit stark von technologischen Innovationen ab – insbesondere in den Bereichen Ingenieurwesen, Ausrüstung und Software.

Ein herausragendes Beispiel für diese Synergie ist Rostis Einsatz des fortschrittlichen Prozessleitsystems RJG eDart. Dieses System, das sich auf die Kontrolle und Überwachung des Kunststoffdrucks im Werkzeug konzentriert, hat das Vorgehen von Spritzgießern grundlegend verändert. Es geht längst nicht mehr nur um die Maschineneinrichtung oder generelle Qualitätskontrolle; vielmehr ermöglicht modernste Technologie höchste Qualität – und das bei gleichzeitigen Kosteneinsparungen.

Von der ersten Maschineneinrichtung über die Feinheiten der Qualitätskontrolle bis hin zu allen Zwischenschritten: Technologien wie das RJG eDart System unterstreichen die Bedeutung kontinuierlicher Innovation. Solche Fortschritte ermöglichen es Spritzgießern, die hohen Anforderungen ihrer Kunden nicht nur zu erfüllen, sondern zu übertreffen. In diesem Zusammenhang ist Technologie nicht nur ein Enabler, sondern ein Game-Changer für den gesamten Erfolg des Spritzgussprozesses. Schauen wir uns das im Folgenden genauer an.

Die Rolle von Mold-Flow-Simulationssoftware im Scientific Moulding

Die Prinzipien des Scientific Moulding folgen einem datengesteuerten Ansatz. Und Daten machen es möglich, Verbesserungen zu erzielen und wiederholbare Ergebnisse zu sehen. So nutzt Rosti beispielsweise Mold-Flow-Simulationssoftware von SOLIDWORKS®. Als Tool zur Konstruktionsüberprüfung im Vorfeld für Kunststoffspritzgießer bietet es vorausschauende Einblicke in das Design von Kunststoffkomponenten. Zu den wichtigsten Vorteilen der SOLIDWORKS-Softwaretechnologie zählen:

• Ein kürzerer Produktentwicklungszyklus und eine insgesamt schnellere Markteinführung dank vorausschauender Einblicke in die Bauteilgestaltung bereits in frühen Phasen.
• Größere Einblicke in die Geometrie von Kunststoffteilen, die ansonsten zu schwierig oder zu teuer vorherzusagen wären.
• Die Möglichkeit, potenzielle Problembereiche wie Einfallstellen, Bindenähte, Short Shots und andere Fehler und Schönheitsmängel frühzeitig zu erkennen.

Kurz gesagt: SOLIDWORKS hilft Spritzgießern, das Bauteildesign gleich beim ersten Mal richtig zu gestalten. Dadurch entfallen kostenintensive Werkzeugänderungen, die Teilequalität steigt und die Markteinführungszeit sinkt.

Die Rolle von RJG im Scientific Moulding

RJG ist bekannt für Beratungs- und Schulungsdienstleistungen – darunter wegweisende Kurse wie Decoupled Moulding, High-Performance Moulding und Master Molder 1 & II-Zertifizierungen – und hat mit seinem eDart-System den Spritzgussprozess bei Rosti revolutioniert.

Rostis Einführung des RJG eDart-Prozessleitsystems war ein Meilenstein. Entwickelt, um Spritzgießern entscheidende Informationen zu liefern, reduziert das eDart-System Ausschuss, sichert Prozessstabilität und ermöglicht wiederholbar hochwertige Ergebnisse.

Rostis Ziel war es stets, eine hohe Pressenauslastung zu gewährleisten. Solche Ambitionen erforderten eine agile Pressenflotte und ein klares Bekenntnis zu den Prinzipien des Scientific Moulding. Das eDart-System, mit seinen fortschrittlichen Werkzeuginnendruck-Sensoren, hat Rostis Spritzgießbetrieb optimiert und unübertroffene Kontrolle und Flexibilität ermöglicht.

Die Reise begann im September 2009, als Rosti vor besonderen Herausforderungen stand und das eDart-System in zwei unserer Pressen integrierte. Diese Integration erwies sich als so vorteilhaft, dass eine rasche Ausweitung der Technologie folgte. Bereits 2010 startete Rosti eine zweijährige Initiative, um jede Presse mit dem eDart-System auszustatten. Dieses Streben nach Exzellenz hat unser Engagement für geschlossene Prozesskontrolle zu einem festen Bestandteil unserer Unternehmenskultur gemacht.

Einer der wichtigsten Erfolge, wie Kurt Behrendt, Rostis Director of Engineering, hervorhob, war der „revolutionäre Wandel beim Management der Teilekonsistenz über verschiedene Materialchargen hinweg“. Dies wurde durch die Fähigkeit des eDart-Systems ermöglicht, Werkzeuginnendruckschwankungen zu überwachen und auszugleichen. Das Ergebnis: Eine beispiellose Konstanz in den von Rosti gefertigten Produkten.

Zentrale Vorteile der Integration des RJG eDart-Systems in unseren Scientific-Moulding-Prozess sind:

• Historische Datenerfassung für jeden Spritzzyklus und dadurch unvergleichliche Einblicke.
• Echtzeit-Überwachung der Produktion mit prompten Reaktionsmöglichkeiten bei Bedarf.
• Deutliche Steigerung der Qualitätssicherung für noch konstantere Spitzenbauteile.
• Drastische Reduzierung von Ausschuss und Fertigungszeit, wodurch die Effizienz gesteigert wird.

Im Bereich Scientific Moulding bilden Mold-Flow-Simulationssoftware, Prozessleitsysteme und Technologien wie eDart das Rückgrat einer starken Automatisierungsstrategie. Im nächsten Abschnitt werfen wir einen detaillierteren Blick auf die Unterstützung durch Automatisierung.

Wie Automatisierung Scientific Moulding unterstützt

Wir haben bereits über die Wissenschaft des Spritzgießens gesprochen – über physikalische Gesetze, Prozessschritte und die Rolle der Technologie in den Bereichen Konstruktion, Technik und Prozesssteuerung. Doch Scientific Moulding endet dort nicht. Ganz und gar nicht. Es profitiert ebenso von Automatisierung und einer hochqualifizierten Belegschaft.

In diesem Abschnitt besprechen wir die Auswirkungen der Automatisierung auf das Scientific Moulding und im nächsten Teil die Bedeutung von speziell geschulten Ingenieuren und Technikern.

Die Erfindung und der Einsatz von automatisierten Werkzeugen und Robotik haben nahezu jede Branche positiv beeinflusst. Auch die Spritzgussindustrie bildet da keine Ausnahme. Fakt ist: Je stärker ein Kunststoffspritzgießer seine Abläufe automatisieren kann, desto mehr wächst sein Unternehmen und desto größer wird sein globaler Wettbewerbsvorteil.

Das ultimative Kennzeichen einer Scientific-Moulding-Produktion ist eine vollautomatische Fertigung – wie sie Rosti ab 2011 am Bunsen-Drive-Standort einführte. Solche vollautomatischen Werke werden teilweise auch als „Lights Out“-Fabriken bezeichnet. Der Fertigungsprozess am Rosti-Bunsen-Drive-Standort ist so einzigartig, dass das Unternehmen das US-Patent Nr. 8,827,674 B1 für den Prozess erhielt: Ein spezialisiertes System für Spritzgussfabriken, bei dem sich die Maschinen im Erdgeschoss und die Rohstoffversorgung auf einer Mezzanine-Ebene befindet.

Was bedeutet es, im „Lights-out“-Modus zu arbeiten?

Vor vier Jahren haben wir darüber berichtet, wie eine vollständig automatisierte („lights-out“) Fertigungsanlage den Spritzguss revolutioniert hat. Darin beschrieben wir den Lights-out-Prozess wie folgt:

„Lights-out Manufacturing beschreibt den Prozess, bei dem Fabriken und Produktionsstätten mit innovativen und automatisierten Maschinen ausgerüstet werden, damit Aufgaben erledigt werden können, bei denen normalerweise Menschen anwesend sein müssten. Im Wesentlichen kann die Produktionsanlage dann im “Lights-out”-Modus laufen – also ohne wesentliche Unterstützung durch menschliche Arbeitskraft, Beleuchtung, Heizung und andere kostenintensive Faktoren für ein Unternehmen. Lights-out Fertigungsprozesse ermöglichen es Unternehmen zudem, ihre Anlagen rund um die Uhr, 7 Tage die Woche, ohne den Einsatz von mehreren Arbeitsschichten laufen zu lassen.“

In diesem Artikel wurde außerdem festgestellt: „Dies ermöglicht Unternehmen nicht nur, sich in den Bereichen Kosten und Durchlaufzeit zu verbessern, sondern erlaubt es Kunststoffteile-Herstellern zugleich, die Wahrscheinlichkeit von Fehlern zu senken und die Gesamtqualität der produzierten Teile zu steigern.“ Es wurden verschiedene Möglichkeiten aufgezeigt, wie eine lights-out Anlage den Spritzguss verändert hat, insbesondere:

1. US-amerikanische Hersteller können sich einen globalen Wettbewerbsvorteil verschaffen.
2. Große Aufträge können schnell abgeschlossen werden, ohne die höheren Kosten durch zusätzliche Schichten.
3. Anforderungen an Qualitätskontrolle, Lieferzeiten und Kosteneinsparung können erfüllt werden.
4. Es bedarf einer hochqualifizierten und engagierten Belegschaft, um hochmoderne Automatisierungsanlagen und -prozesse zu steuern und zu warten.

Ja, wissenschaftlicher Spritzguss umfasst Technologien wie Mold Fill Simulationssoftware, das RJG eDart Prozesskontrollsystem, moderne Materialflusssysteme, Teiletransportsysteme, Robotik und eine vollautomatisierte, lights-out Produktionsstätte.

Trotzdem ermöglichen diese sich ständig weiterentwickelnden Technologien und die lights-out Methodik nicht, dass ein Unternehmen völlig ohne menschliches Zutun läuft. Tatsächlich wäre das alles ohne qualifiziertes und hochmotiviertes Fachpersonal einfach nicht möglich.

Rostis Mischung aus erfahrenen Experten und hoch motivierten jungen Fachkräften ist für das global ausgerichtete, auf Automatisierung und Wachstum fokussierte Geschäftsmodell von entscheidender Bedeutung. Im Folgenden werden wir auf die wichtige Rolle eingehen, die speziell ausgebildete Ingenieure und Techniker beim wissenschaftlichen Spritzguss spielen.

Die entscheidende Rolle spezialisierter Ingenieure und Techniker im wissenschaftlichen Spritzguss

Auch wenn es nicht zwingend notwendig ist, die Feinheiten der Physik oder Technologie zu verstehen, um die revolutionäre Wirkung des wissenschaftlichen Spritzgusses auf den Spritzgussprozess zu erkennen, ist es unumgänglich, spezialisierte Ingenieure und Techniker federführend einzusetzen. Deren Fachkompetenz sorgt dafür, dass wissenschaftlich fundierte Spritzguss-Systeme präzise und effizient betrieben werden.

Rostis umfassender Ansatz für Spritzguss-Ausbildung und -Training

Rosti legt großen Wert auf Spritzguss-Kompetenz. Die strategische Personalgewinnung und Weiterbildung spiegeln das konsequente Bekenntnis zur Exzellenz wider, einschließlich:

• Praktikumsprogramm: Jeden Sommer begrüßt Rosti zwei bis vier Praktikanten. Dieser proaktive Ansatz sorgt für einen stetigen Zustrom potenzieller Talente zur Vorbereitung auf künftigen Personalbedarf.
• Zielgerichtete Rekrutierung: Rosti stellt gezielt Ingenieure von Hochschulen ein, an denen die Studenten sowohl theoretisches als auch praktisches Training im wissenschaftlichen Spritzguss erhalten. Damit wird sichergestellt, dass die neuen Mitarbeitenden ab dem ersten Tag mit den Feinheiten der Branche vertraut sind.
• Laufende Inhouse-Weiterbildung: In Zusammenarbeit mit Branchenspezialisten wie RJG erhalten Rostis Mitarbeitende regelmäßig Schulungen zu fortgeschrittenen Themen wie Decoupled II und III Spritzguss, Drucksensorspezifikationen, der Auswertung von eDart-Systemdaten und vielem mehr.
• Vierstufiges Curriculum: Um das Qualitätsversprechen zu untermauern, hat Rosti ein umfassendes vierstufiges Curriculum entwickelt. Dieses Programm ist darauf ausgelegt, Einsteiger im Spritzguss zu einem Stand zu führen, der sie befähigt, einen RJG Master Molder Kurs zu absolvieren. Die Kombination aus Schulung vor Ort und wertvollem Mentoring durch erfahrene Master Molder im eigenen Haus ebnet Rosti den Weg zur Entwicklung der nächsten Generation von Teammitgliedern.

Verständnis von Decoupled II und Decoupled III Spritzguss

Decoupled II Spritzguss:
Bei diesem Prozess wird die Form bis zu einer bestimmten Position gefüllt. Danach werden die Nachdruck- und Haltephase kombiniert, wobei der Druck der zweiten Stufe genutzt wird, um die Form vollständig auszupressen. Dieser Vorgang läuft weiter, bis das Angusssystem verschlossen ist.

Decoupled III Spritzguss:
Bei dieser Methode wird die Form zunächst bis zu einer definierten Position gefüllt. Anschließend folgt eine zweite Füllphase bzw. ein maschinelles Nachdrücken, um die Form bis zu einem vorgegebenen Kavitätsdruck aufzufüllen. Ist dieser erreicht, wird der Prozess gehalten, bis das Angusssystem versiegelt ist.

Das RJG eDart Prozesskontrollsystem ist speziell darauf ausgelegt, decoupled Spritzgussprozesse zu unterstützen. Es hilft Spritzgießern, kritische Daten zu überwachen, Variablen in Echtzeit zu steuern und so eine gleichbleibende Qualität Schuss für Schuss sicherzustellen. Durch die Integration von Technologien wie Drucksensoren in der Form liefert das eDart-System Einsichten und Steuerungsmöglichkeiten, die für die präzisen, schrittweisen Abläufe des decoupled Spritzgusses notwendig sind.

Rosti-Ingenieure begleiten den gesamten Prozess

Rosti-Ingenieure sind während des gesamten wissenschaftlichen Spritzgussprozesses intensiv eingebunden. Bereits zu Beginn der Phase der Design-Spezifikation arbeiten sie an der Entwicklung des zu fertigenden Bauteils sowie des hierfür notwendigen Werkzeugs. Daraufhin legen die Ingenieure fest, wie Drucksensoren in alle neuen Formen integriert werden.

Sobald die Sensoren installiert sind, ist das Werkzeug für Tests bereit, die unter Anleitung und Überwachung der Ingenieure durchgeführt werden. Dabei wird geprüft, ob Variablen vorhanden sind und welche Parameter für konstante und optimale Produktion erforderlich sind.

Mit Rückmeldung der Senior-Prozesstechniker von Rosti genehmigen unsere Ingenieure die Auswahl des Prozesses Decoupled II oder Decoupled III für jedes Werkzeug und bestätigen diese Prozessvorlage für das PPAP (Production Part Approval Process) und die laufende Produktion. Nach Produktionsstart überwachen die Ingenieure weiterhin die Messwerte und Ergebnisse, um den Prozess auf bestmögliche Resultate auszurichten und zu optimieren.

Welche Rolle spielt das Design for Manufacturing im wissenschaftlichen Spritzgussprozess?

Design for Manufacturing ist eine der wichtigsten Überlegungen zur Kostenreduzierung im wissenschaftlichen Spritzgießen. Das erste Unternehmen, das Design for Manufacture and Assembly (DFMA) kommerzialisiert hat, Boothroyd Dewhurst, Inc., fand heraus, dass 80 % der Kosten eines neuen Produkts direkt mit dem Design zusammenhängen.

Laut John Gilligan, Präsident von Boothroyd Dewhurst, Inc., „ist der Einsatz von DFMA, um die richtigen Strukturen, Materialien, Prozesse und Arbeitskräfte auszuwählen, entscheidend geworden, da Unternehmen in den heutigen globalen Märkten nur wenige zweite Chancen bekommen.“

Daher ist der beste Zeitpunkt, zu dem ein Werkzeugmacher/Spritzgießer am Designprozess teilnehmen sollte, früh in der Entwicklungsphase. So können die Kundenwünsche bestmöglich verstanden und unerwartete Überraschungen vermieden werden.

In Rostis umfassendem Leitfaden zum Design for Manufacturing im Kunststoffspritzguss stellen wir einen vierstufigen Ansatz zur Designoptimierung vor. Dieser gliedert sich wie folgt:

Design for Manufacturing

Design for Manufacturing (DFM) beschreibt den Prozess, bei dem ein Produkt so entworfen oder konstruiert wird, dass seine Herstellungskosten reduziert werden. Potenzielle Probleme können bereits in der Designphase behoben werden, was der kostengünstigste Zeitpunkt ist, um diese anzugehen.

Design for Functionality

Während des gesamten Designs von Kunststoffteilen ist es unerlässlich, sich auf die funktionalen Anforderungen des Teils zu konzentrieren. Erfahrene Konstrukteure sollten Empfehlungen zu Änderungen abgeben, die sicherstellen, dass das Teil seinen funktionalen Anforderungen entspricht – einschließlich dessen, welchen Einflüssen das Teil ausgesetzt sein wird, welchen chemischen oder korrosiven Materialien das Teil standhalten muss, funktionalen kosmetischen Eigenschaften und mehr.

Design for Assembly

Design for Assembly (DFA) ist ein Prozess, bei dem Produkte so gestaltet werden, dass sie leicht montiert werden können – mit dem Hauptziel, Montagezeit und -kosten zu reduzieren. Die größte Kostenersparnis durch DFA entsteht in der Regel durch die Reduktion der Anzahl von Teilen in einer Baugruppe.

Design for Sustainability

Design for Sustainability legt den Fokus auf die Konstruktion von Teilen mit der Intention für Messgenauigkeit – auf das dauerhafte Einhalten von Toleranzen durch angemessene Messungen im laufenden Betrieb.

Warum spielt die Materialauswahl eine so entscheidende Rolle im Scientific Moulding?

Laut Kip Doyle, Autor eines Artikels über die Top 10 Gründe, warum Spritzgießer im Scientific Moulding scheitern, verfolgen viele Verarbeiter zu sehr einen „maschinenorientierten“ Ansatz und arbeiten nicht aus der „Sichtweise des Kunststoffs“. Er führt an, dass viele Artikel über die vier wichtigsten Kunststoff-Variablen geschrieben wurden (Kunststofftemperatur, Kunststofffluss, Kunststoffdruck sowie Kühlrate und Kühlzeit des Kunststoffs), und ein wissenschaftlicher Spritzgießer muss diesen Ansatz verstehen und den Prozess aus der Perspektive des Kunststoffs optimieren.

Die Zusammenarbeit mit Ihrem Spritzguss-Partner zur frühen Auswahl des optimalen Harzes im Design-for-Manufacturability-Prozess ist entscheidend für den Erfolg der Teileproduktion. Ein guter Ausgangspunkt ist ein grundlegendes Verständnis der beiden Hauptarten von Harzen – amorph und teilkristallin.

Polymere bestehen aus Strukturen, die hinsichtlich ihrer Kristallinität definiert sind – also wie die Moleküle des Polymers zusammengepackt sind.

Kristalline Strukturen sind in den meisten Fällen sehr geordnet, was dem Material Festigkeit und Steifigkeit verleiht. Amorphe Polymere sind das Gegenteil. Manchmal ist die Unterscheidung zwischen beiden nicht eindeutig. Bei den meisten Polymeren gibt es sowohl kristalline als auch amorphe Anteile. Wie das Polymer verarbeitet wird, bestimmt das genaue Verhältnis der beiden.

In unserem Beitrag zur Vorbereitung der Harzauswahl beim Spritzgießen erläutern wir die Unterschiede zwischen den Polymeren noch genauer.

Wenn Sie den vorgesehenen Einsatzzweck Ihres spritzgegossenen Teils betrachten, ist das Verständnis dieser Schlüsseleigenschaften essenziell, um das beste Harz auszuwählen.

Teileoptik und Geometrie

Das Gesamtbild und die Geometrie eines Teils haben einen erheblichen Einfluss auf die Formgebung und darauf, welches Harz verwendet werden sollte. Das Teiledesign, einschließlich Größe, Form und Wandstärke, kann ein Teil anfällig für Fehler machen, während Merkmale wie Schnappverbindungen, Hinterschneidungen, Dome, Rippen und mehr den Spritzgussprozess verkomplizieren können.

Es ist entscheidend, dass Spritzgießer die neueste Technologie einsetzen, um Simulationen zur Optimierung von Werkzeugkonstruktionen und Harzauswahl durchzuführen, bevor ein Projekt für die Produktion freigegeben wird – hierbei bietet die SolidWorks Premium plastics flow simulation frühzeitig prädiktive Einblicke.

Teilefestigkeit und Flexibilität

Die Materialauswahl spielt auch eine entscheidende Rolle für die Festigkeit und Flexibilität Ihres geformten Teils. Das frühe Angehen spezieller Anforderungen im Designprozess kann helfen, teure Änderungen später zu vermeiden. Die Balance von Eigenschaften wie Steifigkeit, Haltbarkeit, Zähigkeit und anderen ist entscheidend für die optimale Funktion des Teils.

Verwendung von Additiven

Wenn die gewünschten Materialeigenschaften mit den verfügbaren Harzen nicht erreicht werden können, können maßgeschneiderte Materialmischungen entwickelt werden, um die Eigenschaften mehrerer Harze zu verbessern. Das Verstärken von Materialien mit Additiven kann die Teilefestigkeit erhöhen und zusätzliche Steifigkeit verleihen, was Verzug und Schrumpfung reduzieren kann. Additive wie Glas- oder Kohlenstofffasern können verwendet werden, um die Leistung des Teils zu steigern und den Fluss, Auswurf und die Verteilung zu verbessern.

Hochtemperaturmaterialien

Wie bereits erwähnt, spielt das Design im Spritzgussprozess eine wichtige Rolle – das gilt besonders, wenn Hochtemperaturmaterialien eingesetzt werden, um Festigkeit, Stabilität und weitere für die jeweilige Anwendung notwendige Eigenschaften zu steigern. Herkömmliche Spritzgusstechniken sind bei Hochtemperatur- und Exotenharzen nicht immer wirksam.

Einige Eigenschaften von Hochtemperatur- und exotischen Harzen sind einzigartig und können sich je nach Anwendung unterschiedlich verhalten. Um sowohl die Konstruktions- als auch die Materialvorteile voll auszuschöpfen, müssen erfahrene Konstrukteure und Spritzgießer eine Reihe von Faktoren berücksichtigen. In diesem Beitrag werden einige grundlegende und fortgeschrittene Tipps vorgestellt, die bei der Konstruktion von Teilen für das Spritzgießen unter Verwendung von Hochtemperatur- oder exotischen Harzen beachtet werden sollten.

Berechnung der Verweilzeit von Kunststoff

Die Verweilzeit von Kunststoff ist die Zeitspanne, in der Kunststoff oder Harz während des Herstellungsprozesses Hitze ausgesetzt ist.

Wenn Sie sich die Zeit nehmen, die spezifische Kunststoff-Verweilzeit für den jeweiligen Fertigungsprozess zu berechnen, verbessert dies die Materialleistung und das Endprodukt insgesamt.

Das Verständnis der Verweilzeit des Materials in der ersten Stufe der Schnecke hilft Ihnen, die optimale Zeit und Temperatur für Ihre Fertigungsanforderungen zu bestimmen.

Welchen Einfluss hat die Verweilzeit von Kunststoff?

Wenn die Verweilzeit von Kunststoff zu lang ist, kann dies die Bauteilqualität auf verschiedene Arten beeinträchtigen:

• Allgemeine Schwächung der hergestellten Teile
• Farbabweichungen
• Nicht sichtbare Zersetzung
• Ein insgesamt kompromittiertes Produkt

Darüber hinaus kann sie auch die Maschinenleistung beeinflussen, was zu Inkonsistenzen in der Schmelzequalität und Schussgewicht sowie der Schmelztemperatur führt.

Unabhängig von allen gemeinsam genutzten Formeln oder Berechnungen sollte die Kunststoff-Verweilzeit von jedem einzelnen Hersteller individuell berechnet werden, um das für ihr jeweiliges Produkt passende Verhältnis zu bestimmen.

Unter Anwendung wissenschaftlicher Spritzgießtechniken nutzt Rosti aufgezeichnete Daten zur Qualitätskontrolle und um etwaige Anpassungen an Werkzeugen vorzunehmen. So wird die Gesamtqualität der Teile verbessert und negative Auswirkungen einer falsch berechneten Kunststoffverweilzeit vermieden.

Erfahren Sie hier mehr über die Bedeutung der Berechnung der Kunststoff-Verweilzeit.

Kunststoffvariablen erfordern ein Verständnis für die Eigenschaften des zu verarbeitenden Materials und dessen bevorzugte Verarbeitungsbedingungen. Wenn die wichtigsten Eigenschaften, das Verhalten und die Reaktion eines Materials auf den Prozess bekannt sind, können wissenschaftliche Spritzgießer den Prozess so optimieren, dass möglichst konstante Bauteile entstehen.

Welche Merkmale des wissenschaftlichen Spritzgießens werden bei der Bauteilkonstruktion und Werkzeugoptimierung genutzt?

Die Herstellung von Werkzeugen für Prototypen und Serienteile ist eine der zeitaufwändigsten und kostenintensivsten Phasen der Entwicklung neuer Produkte. Um Fertigungsdurchlaufzeiten und Kosten zu senken, wurden Prototypen- und Fertigungsprozesse durch die Weiterentwicklung wissenschaftlicher Spritzgießverfahren deutlich vorangetrieben.

Wissenschaftliches Spritzgießen bedeutet, mit Hilfe von Daten einen Prozess zu entwickeln, der reproduzierbare Ergebnisse mit minimalen Abweichungen erzielt. Mit Know-how und Tests bezüglich der Harze können die maßlichen und mechanischen Eigenschaften eines Spritzgussteils optimiert werden. Oft wird dies durch den Einsatz von Simulationen zur Formfüllung und Prozesskontrollsystemen erreicht. Dabei sind vorausschauende Analysen, Prozessvalidierung und eine vollständige Prozessdokumentation entscheidend, um anspruchsvolle Teile herzustellen.

Bauteiloptimierung

Konstrukteure sollten auf bisherige Erfahrungen und Kompetenz bei der Optimierung des Bauteildesigns für spezielle Anwendungen zurückgreifen. Wissenschaftliche Spritzgießelemente im Zusammenhang mit dem Bauteildesign können den Einsatz modernster Software und Technik umfassen – darunter rechnergestützte Konstruktion, Moldflow-Analysen und Prototypenentwicklung, um die Endanwendung des Bauteils zu validieren.

Zu den Konstruktionsüberlegungen können gehören:

• Radius, Entformungsschrägen, Einfallstellen, Wanddicke usw.
• Anschnittposition
• Schweißnahtlagen
• Umwelt-/ Endverwendungsfaktoren
• Bauteilästhetik

Spritzgießer sollten wissen, wie sie vermeiden, ein Teil zu entwerfen, die Form zu bauen und mit dem Spritzgießprozess zu beginnen, nur um dann festzustellen, dass das Design in der Produktion nicht funktioniert. Prototypenwerkzeuge sind eine hervorragende Möglichkeit, kritische Form- und spritzgießtechnische Variablen zu validieren und zu optimieren.

Werkzeugoptimierung

Wissenschaftliche Spritzgießverfahren können auch zur Optimierung des Werkzeugdesigns oder zur Verbesserung von schlecht konstruierten Werkzeugen eingesetzt werden. Es ist entscheidend, Spritzgießwerkzeuge auf ihre Leistung bei der Herstellung von gleichmäßigen, fehlerfreien Teilen zu überprüfen. Ingenieure sollten jede Facette der mechanischen Funktionalität eines Werkzeugs unter den passenden Materialeinstellungen untersuchen.

Im Anschluss können Tests durchgeführt werden, um mögliche Ungleichgewichte zwischen den Kavitäten zu prüfen. Nach Abschluss dieser Analyse kann eine Angusstempelstudie durchgeführt werden, um Daten darüber zu sammeln, an welchen Punkten in den Werkzeugkavitäten die Angüsse vollständig abdichten. Die Dokumentation der Ergebnisse und Empfehlungen für Anpassungen im Prozess oder Werkzeug sind essenziell, um potenzielle Fehlerquellen zu beheben.

Der Einfluss der Qualitätskontrolle im wissenschaftlichen Spritzgießen

Qualitätskontrolle ist integraler Bestandteil bei der Verfeinerung und Perfektionierung des wissenschaftlichen Spritzgießprozesses. Die Fähigkeit, aufgezeichnete Daten zu nutzen und auszuwerten, ermöglicht es, proaktiv Anpassungen vorzunehmen und so die Gesamtqualität der gespritzten Teile zu erhöhen. Sobald diese Qualitätsstandards erreicht sind, sorgen wissenschaftliche Spritzgießprinzipien für einen deutlich effizienteren Produktionsfluss. Diese gesteigerte Effizienz ist so ausgeprägt, dass der Bedarf an Eingriffen durch Bedienpersonal und Maschinenüberwachung sinkt.

Fortschrittliche Spritzgießer setzen mittlerweile bahnbrechende Strategien der „Lights-out-Produktion“ ein. In diesen Szenarien übernehmen fortschrittliche automatisierte Anlagen Aufgaben, die traditionell menschliches Eingreifen erforderten und verdeutlichen so das Potenzial moderner Fertigungstechnologien.

Die kontinuierlichen Weiterentwicklungen im wissenschaftlichen Spritzgießen ermöglichen es Herstellern, technologiegetriebene Prozesse zu nutzen und somit eine starke Wettbewerbsfähigkeit auf globaler Ebene aufzubauen.

Zusätzlich bietet RJG Spritzgießern die Möglichkeit, essenzielle Parameter in Echtzeit zu überwachen. Durch Einblicke in kritische Variablen können Hersteller eine gleichbleibende Qualität gewährleisten, Ausschuss reduzieren und ihre Spritzgießprozesse stabilisieren. Dieses System unterstützt außerdem das Monitoring von Druckschwankungen im Werkzeug und stellt sicher, dass Produkte über verschiedene Produktionsläufe hinweg gleichbleibende Qualität aufweisen.

Die In-Mold-Drucksensoren von RJG bieten eine zusätzliche Ebene der Überwachung und Kontrolle. Die Messung und das Management der Druckverhältnisse im Werkzeug sind entscheidende Faktoren für die Herstellung von gleichbleibend hochwertigen Teilen.

Die Möglichkeit, historische Prozessdaten für jeden Schuss aufzuzeichnen, bedeutet, dass Spritzgießer eine Fülle an Informationen zur Analyse und Prozessverbesserung zur Verfügung haben. Dieser datengestützte Ansatz ermöglicht eine proaktive Reaktion auf Qualitätsabweichungen und führt zu vorhersehbareren und verlässlicheren Ergebnissen.

Wie hat das wissenschaftliche Spritzgießen das Spritzgießen verändert?

Die Fortschritte im wissenschaftlichen Spritzgießen haben die Kunststoffindustrie auf hohem Niveau beeinflusst. Sie haben Unternehmen nicht nur ermöglicht, Kosten und Durchlaufzeiten zu optimieren, sondern auch die Wahrscheinlichkeit von Fehlern zu senken und die Gesamtqualität der produzierten Kunststoffteile zu erhöhen. Weitere Beispiele sind:

Wettbewerbsvorteil

Beim Entwerfen und Herstellen komplexer Spritzgussteile ist es von großem Vorteil, einen Partner an der Seite zu haben, der modernste Prozesse einsetzt und zudem geografisch gut erreichbar ist. Viele Unternehmen erkennen die Vorteile, ihre Fertigungspartner in unmittelbarer Nähe zu wissen. Die Fähigkeit, schnell zu reagieren und wichtige Anpassungen in kurzer Zeit vorzunehmen, ist ein oft entscheidender Faktor bei der Auswahl des Herstellers. Wenn Produktionsstätten fortschrittliche Fertigungsprozesse wie etwa Lights-out-Funktionen implementieren, signalisieren sie ihren Partnern, dass sie so effizient wie möglich arbeiten und produzieren.

Schnellere Durchlaufzeiten bei geringeren Kosten

Werden Fertigungsprozesse intelligent und datenbasiert gestaltet und überwacht, steigt die Produktionskapazität und Aufträge werden in deutlich kürzerer Zeit abgeschlossen. Auch wenn dies nicht für jeden Auftrag geeignet ist, eignet sich automatisiertes Spritzgießen besonders für mittel- und großvolumige Produktionen mit etwa 2.000 Betriebsstunden pro Jahr oder mehr.

Zudem können Kapazitäts-, Geschwindigkeits- und Arbeitseffizienzgewinne durch das wissenschaftliche Spritzgießen direkt an den Kunden weitergegeben werden – was letztlich die gesamten Produktkosten senkt. Bei richtiger Organisation verbessert der Prozess zudem die Flexibilität der OEM-Produktion.

Hochqualifiziertes Personal

Spricht man über Automatisierung, Lights-out-Produktion und andere Angebote des wissenschaftlichen Spritzgießens durch einen Spritzgießer, wird oft besonders der Vorteil betrachtet, menschliche Arbeit zu reduzieren. Auch wenn der Prozess einen schlankeren Produktionsablauf ermöglicht und weniger Personal benötigt werden könnte, können nicht alle Projekte voll automatisiert werden. Modernste Technologien und Prozesse erfordern dennoch eine hochqualifizierte und engagierte Belegschaft, die kluge Entscheidungen trifft und die Anlagen wartet.

Schutz des geistigen Eigentums

Wenn Hersteller auf Innovation und Schnelligkeit am Markt angewiesen sind, um sich im Wettbewerb zu behaupten, kann das Auslagern von Produktionsteilen die Designs Patentrechtsverletzungen, Produktpiraterie und weiteren Risiken aussetzen. Die Zusammenarbeit mit einem seriösen und erfahrenen Partner, der alles von Design, Entwicklung bis Produktion unter einem Dach behält, stellt sicher, dass das Unternehmen sein gesamtes geistiges Eigentum sowie die im Prozess gewonnenen Erkenntnisse schützt und behält.

Ist die Zusammenarbeit mit einem Spritzgießer, der wissenschaftliche Spritzgießprozesse einsetzt, teurer?

Durch die Partnerschaft mit einem Spritzgießer, der wissenschaftliche Spritzgießprozesse zur intelligenten Werkzeugkonstruktion und Bauteilvalidierung nutzt, können Sie Geld sparen. Gut konstruierte Werkzeuge verbrauchen weniger Material und führen zu weniger Fehlern – beides wirkt sich direkt kostensenkend aus.

Die Zusammenarbeit mit einem Spritzgießer, der bereits in der Konstruktionsphase Potenziale zur Verbesserung erkennt, zum Beispiel bei der Fertigungsgerechten Konstruktion, führt zudem zu erheblichen Einsparungen. Die frühzeitige Identifizierung von Problemen wie Radien, Auszugswinkeln, Wandstärken, Anschnittpositionen und anderen formgebenden Merkmalen verhindert finanzielle und optische Probleme im weiteren Verlauf. Tatsächlich werden bis zu 80 Prozent der Herstellungskosten durch Konstruktionsentscheidungen bestimmt.