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Zunächst möchte ich einige Worte zu Qualitätsmerkmalen verlieren, dies soll gewiss keine vollständige Auflistung werden, sondern ich möchte nur einige wenige Merkmale anführen, die in den nachfolgenden Beispiele besonders betroffen sind. Die Beispiele sollen aber vor allem zeigen, welche Möglichkeiten sich heute durch die 3D Simulation mit dem Produkt AUTODESK MOLDFLOW Insight bieten.

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Wenn wir von Qualität sprechen, meinen wir an erster Stelle die Qualität des Bauteil. Hier geht es zunächst darum, die Füllbarkeit des Artikels sicher zu stellen.

Ungleichmäßige Oberflächenabbildung z.B. bei genarbten Bauteilen, Glanzgradunterschiede, aber auch Gratbildung sind nur einige mögliche Fehler, die im Spritzguß häufig auftreten.

Und bei technischen Formteilen spielen masslicheAnforderungen wie Ebenheits- oder Rundheitsanforderungen eine sehr wichtige Rolle.

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Zum Werkzeug gehört entsprechend auch das Verteiler- und Anbindungssystem, auf das ich nachfolgend im Detail eingehen möchte.

Die Aufgabe des Verteilersystems liegt darin, die Schmelze schonend den Kavitäten zuzuführen, so dass alle Kavitäten möglichst zeitgleich füllen. Dann spricht man von einem balancierten Füllvorgang.

Ist dies nicht gegeben, erhöht sich der Druckverlust und daraus resultierend die benötigte Schließkraft, andererseits trägt ein unbalancierter Füllvorgang zu breiterer Streuung in den Eigenschaften zwischen den Kavitäten bei.

Der Druckverlust im System, aber auch die thermische und mechanische Beanspruchung der Schmelze sind wichtige Aspekte bei der Auslegung und Dimensionierung von Verteilerquerschnitten.

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Wenn wir von einem natürlich balancierten Kaltkanalverteiler sprechen, gehen wir davon aus, dass aufgrund gleicher Fließweglängen und Verteilerquerschnitte die Kavitäten gleichmäßig gefüllt werden.

Mit der in der Simulation auch heute noch häufig üblichen Abbildung von Verteilersegmenten durch BEAM-Elemente werden diese Annahmen auch scheinbar bestätigt. Unabhängig von der Prozesseinstellungen ergibt sich immer ein balanciertes Füllbild.

In der Praxis treten jedoch Fälle auf, bei denen der Füllvorgang nicht balanciert erfolgt. Dies ist umso wahrscheinlicher, je größer die Fachzahl im Werkzeug ist. Ursache hierfür ist meist der so genannte „Melt flipper“- Effekt.

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Verwenden wir für die Simulationsberechnung ein vollständig in 3D aufbereitetes Berechnungsmodell, können wir den „Melt flipper“-Effekt darstellen. Dann lässt sich auch die Abhängigkeit z.B. von Prozessparametern wie der Einspritzgeschwindigkeit sichtbar mach.

Das vorliegenden Beispiel zeigt, wie sich aufgrund einer Aufteilung des Schmelzestromes innerhalb der nachfolgenden Kanäle über den Querschnitt ungleiche Temperaturen einstellen. In den unteren Verteilerabschnitten liegen deutlich höherer Temperaturen vor, die eine Viskostitätsabsenkungund damit ein leichteres Fließen des Materials bewirken. In der Folge füllen die unteren Kavitäten schneller als die oberen.

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Reduzieren wir die Einspritzgeschwindigkeit, wirkt sich dies auf die Scher- und Temperatursituation in den Kanälen aus. In der Folge füllen jetzt die oberen Kavitäten schneller als die unteren.

Fazit: Nur durch eine echte 3D Simulation von Bauteil UND Verteiler lassen sich Fließphänomene wie der „Melt flipper“-Effekt praxisnah darstellen.

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Durch einfache geometrische Umgestaltung, z.B. durch Höhensprünge im Verteiler, können die Auswirkungen des „Melt flipper“-Effekts auf das Füllen der Kavitäten kompensiert werden.

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Die Auswirkungen des „Melt flipper“-Effekts sind bei Kaltkanälen besonders anschaulich, aber auch bei Heißkanälen ist dieser Effekt über die Simulation nachweisbar, sofern man ein vollständiges 3D Berechnungsmodell verwendet.

Das Beispiel eines 16fach Preform-Werkzeuges zeigt, dass z.B. bei kurzen Einspritzzeiten die inneren Kavitäten etwas früher gefüllt sind als die äußeren.

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Die übliche Modellierung mit BEAM-Elementen kann den eben gezeigten Effekt im Heißkanal nicht abbilden und würde zu einer fehlerhaften Aussage führen.

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Bei der Verwendung von BEAM-Elementen verläuft die Berechnung von einem einzelnen Knotenpunkt zum Nächsten. Dabei werden geometrisch nur die Länge und der Durchmesser erfasst. Unterschiedliche Winkel aufeinanderfolgender oder abzweigender Kanalabschnitte können hierbei nicht berücksichtigt werden.

Am Beispiel dieser drei unterschiedlichen Kanalverläufe zeigt sich in einer Berechnung mit BEAM-Elementen kein Unterschied im Füllverhalten.

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Die 3D-Berechnung kann hingegen den Geometrieeinfluss praxisnah dargestellen. Je spitzer eine Umlenkung ausgeführt ist, umso größer werden die Unterschiede zwischen den Sektionen des Verteilers und entsprechend in den Kavitäten.

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Durch einen Höhenversatz im Verteiler lässt sich die Problematik mit unterschiedlichen Kreuzungswinkeln beheben, und eine Berechnung ist in diesem Fall auch unter Verwendung von BEAM–Elementen wieder aussagekräftig. Eine typische Anwendung, bei der diese Art der Verteilergestaltung eingesetzt wird, sind z.B. Werkzeuge für Fensterrahmen.

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Die Temperaturzunahme innerhalb der Schmelze schon im Heißkanal konnte bis vor kurzen nur über eine echte 3D-Simualtion erkannt werden. Deutlich sieht man den kontinuierlichen Temperaturanstieg bis zum Erreichen des maximalen Druck. Mit dem Umschalten auf Nachdruck und dem damit verbunden, geringen Massedurchsatz, nähern sich die Temperaturen im Heißkanal sehr schnell wieder den Vorgabewerten.

Besonders bei thermisch sensiblen Materialien können hier Ursachen für eine thermische Schädigung nachgewiesen werden, die in der Praxis zu reduzierten mechanischen Eigenschaften oder sichtbaren Oberflächenschäden führen.

Mit dem aktuellen Release von AUTODESK Moldflow Insight ist dies auch bei Verwendung von Beam-Elementen für den Verteiler möglich, der Artikel muss jedoch 3D vernetzt sein.

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Unter Verwendung von BEAM-Elementen können unterschiedliche Strömungseffekte innerhalb des Querschnitts nicht erfasst werden. Erst mit einer echten 3D Berechnung lassen sich Scherungs- oder Temperaturunterschiede über den Querschnitt nachweisen. Insbesondere bei Bauteilen mit sehr hohen Toleranzanforderungen, als typisches Beispiel wären hier Lüfterräder zu nennen, haben diese geringen Temperaturschwankungen eine massive Beeinträchtigung der Rundheit und damit der Laufeigenschaften (Unwucht) zur Folge.

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