Kerntechnologien der Moldflow-Analyse zur Optimierung von Spritzgussfehlern

In der modernen Spritzgussfertigung sind Produktfehlerraten, Materialverschwendung und Produktionsstillstände aufgrund von Werkzeugfehlern häufige Probleme. Laut Branchenstatistik liegt die Erfolgsquote beim ersten Werkzeugerprobungsversuch ohne Optimierung durch Formfüllanalyse lediglich bei 40–50 %, während häufige Fehler direkt zu einem Effizienzverlust von über 30 % führen. Basierend auf numerischer Strömungsmechanik (CFD) und thermodynamischen Prinzipien simuliert die Formfüllanalyse präzise den gesamten Prozess der Kunststoffschmelze im Werkzeughohlraum und liefert so eine wissenschaftliche Grundlage für Werkzeugkonstruktion und Prozessoptimierung. Das Keilwellen-Testwerkzeug dient als zentrales Instrument zur Überprüfung der Analyseergebnisse; die Kombination beider bildet das Kernsystem zur Fehlerkontrolle.

I. Häufige Fehler von Spritzgussformen und deren Auswirkungen auf die Produktion

1. Arten häufiger Defekte

Typische Fehler bei der Spritzgussfertigung sind Grat, unvollständige Füllung, Luftblasen, Verzug, Bindenähte und Einfallstellen. Grat tritt bei dünnwandigen Produkten in bis zu 60 % der Fälle auf; Bindenähte sind häufig bei Produkten mit komplexen Kavitäten zu beobachten; und Verzug ist besonders ausgeprägt bei technischen Kunststoffen wie ABS und PC.

2. Auswirkungen auf die Produktionseffizienz und die Produktqualität

Die Nacharbeitsquote aufgrund von Gratbildung liegt bei etwa 15–20 %, mit einer durchschnittlichen Nacharbeitszeit von 3–5 Minuten pro Teil. Der Materialverlust durch unvollständige Füllung beträgt 8–12 %, und die Ausschussquote von Produkten mit Verzug kann bis zu 25 % erreichen. Darüber hinaus beansprucht die Werkzeugstilllegung und -einstellung aufgrund der Fehlerbehandlung 20–25 % der gesamten Produktionszeit und schränkt die Produktionskapazität erheblich ein.

II. Grundprinzipien und Schlüsseldaten der Formfüllanalyse

1. Grundprinzip der Formfüllanalyse

Durch die Erstellung eines 3D-Formmodells und einer Kunststoffdatenbank simuliert es den gesamten Schmelzprozess von der Einspritzung bis zur Abkühlung und Erstarrung. Mithilfe numerischer Berechnungen reproduziert es die Verteilung von Temperatur-, Druck- und Geschwindigkeitsfeld und prognostiziert Lage und Ursache von Defekten.

2. Interpretation der wichtigsten Datenindikatoren

Zu den wichtigsten Kenngrößen gehören Fließzeit, Druckverteilung, Temperaturverteilung, Scherrate und Erstarrungszeit. Die Fließzeit sollte innerhalb von ±0,3 s liegen; der maximale Einspritzdruck im Formhohlraum sollte weniger als 85 % des zulässigen Formdrucks betragen (der zulässige Formdruck für technische Kunststoffformen liegt üblicherweise zwischen 150 und 200 MPa); die Temperaturverteilung sollte ≤5 °C gleichmäßig sein; die Scherrate sollte zwischen 1000 und 5000 s⁻¹ liegen; und die Erstarrungszeit beträgt üblicherweise 70–80 % der gesamten Abkühlzeit.

III. Kernmethoden der Formfüllanalyse zur Optimierung von Spritzgussfehlern

1. Optimierung des Gatterdesigns

(1) Bestimmung der Angussposition: Basierend auf der Simulation des Schmelzeflusses wird der Anguss am äußersten Punkt des Schmelzeflusses im Formhohlraum oder an der Stelle mit der maximalen Wandstärke platziert, wobei die wichtigsten spannungstragenden Bereiche des Produkts vermieden werden. Bei Produkten mit einem Formhohlraum beträgt die Anzahl der Angüsse üblicherweise 1–2.

Optimierung der Angussgröße: Berechnet auf Basis der Materialfließfähigkeit und des Produktgewichts beträgt der Angussdurchmesser für kleine PP-Produkte 0,8-1,2 mm und für große Produkte 1,5-2,5 mm.

2. Optimierung des Läufersystems

Auslegung des Angusskanals: Priorität hat eine ausgewogene Anordnung, um eine gleichmäßige Schmelzeflussstrecke und einen gleichmäßigen Druckverlust in jedem Formhohlraum zu gewährleisten. Die Längenunterschiede der Angusskanäle sollten innerhalb von 5 % liegen. Der Durchmesser des Hauptkanals ist 1–2 mm größer als der der Nebenkanäle, deren Durchmesser 4–8 mm beträgt.

Optimierung der Angusskanalgröße: Sicherstellen, dass der Druckverlust der Schmelze im Angusskanal ≤30 MPa beträgt und die Füllzeitdifferenz von Mehrkavitätenformen auf unter 0,2 s reduziert wird.

3. Optimierung des Kühlsystems

Gestaltung der Kühlwasserkanäle: Es gilt das Prinzip der kavitätennahen und gleichmäßigen Verteilung. Der Abstand zwischen Wasserkanal und Kavitätenoberfläche beträgt 15–25 mm, der Abstand zwischen den Wasserkanälen 25–35 mm. Für Formen mit komplexen, gekrümmten Oberflächen werden konturnahe Wasserkanäle eingesetzt, wodurch die Kühlgleichmäßigkeit um mehr als 40 % verbessert werden kann.

Auswahl des Kühlmediums: Für normale Produkte wird industrielles Kühlwasser (Temperatur 20-25℃) mit einer Durchflussrate von 1,5-2,5 m/s verwendet; für technische Kunststoffe oder dickwandige Produkte wird Eiswasserkühlung (Temperatur 5-10℃) verwendet, wobei die Temperaturschwankung der Formoberfläche ≤3℃ beträgt.

4. Optimierung der Einspritzprozessparameter

Injektionsdruck und -geschwindigkeit: Der Injektionsdruck wird auf das 1,1- bis 1,2-Fache des maximalen Kavitätendrucks eingestellt. Es wird eine segmentierte Geschwindigkeit angewendet: 30–50 mm/s in der initialen Füllphase, 60–100 mm/s in der mittleren Phase und 20–40 mm/s in der Endphase.

Nachdruck und Nachdruckzeit: Der Nachdruck beträgt 60–80 % des Einspritzdrucks. Die Nachdruckzeit richtet sich nach der Wandstärke des Produkts – pro 1 mm Wandstärkezunahme verlängert sich die Nachdruckzeit um 1–1,5 s.

Formtemperatur: Die Zylindertemperatur liegt 20-40℃ über dem Schmelzpunkt des Kunststoffs (200-240℃ für ABS-Materialien, 260-300℃ für PC-Materialien); die Formtemperatur beträgt 40-80℃ für kristalline Kunststoffe und 60-120℃ für amorphe Kunststoffe.

IV. Anwendung von Spline-Testformen in der Formfüllanalyse

1. Übersicht über Spline-Testformen

Eine speziell zur Überprüfung von Formfüllanalysen verwendete Standardform entspricht den Abmessungen von Zugkeilprofilen nach ISO 527-2 (170 mm × 15 mm × 4 mm). Sie kann als Einzel- oder Mehrfachform ausgeführt und mit Standardanschnitten, Verteilerkanälen und Kühlsystemen ausgestattet werden. Durch die Herstellung von Standardkeilprofilen wird die Übereinstimmung zwischen Materialeigenschaften und Analysedaten überprüft.

2. Wichtige Konstruktionspunkte von Keilwellen-Testformen

Als Formkernmaterial wird vorzugsweise S136- oder H13-Formstahl mit einer Härte von HRC50-55 nach der Wärmebehandlung verwendet; die Oberflächenrauheit des Formhohlraums beträgt Ra≤0,8μm; das Auswerfsystem verwendet eine Kombination aus Auswerferstiften und Auswerferplatten mit einem Auswerferstiftdurchmesser von 2-3 mm und einem Abstand von 30-40 mm; und es sind Befestigungslöcher für Temperatursensoren vorgesehen, um die Temperatur im Formhohlraum in Echtzeit zu überwachen.

3. Rolle der Spline-Prüfung bei der Formfüllanalyse

Es dient als „Kalibrator“ für Analyseergebnisse und korrigiert Modellparameter durch Vergleich simulierter und gemessener Daten. Sagt die Formfüllanalyse beispielsweise einen Verzug der Keilwellen von 0,5 mm voraus, während die tatsächliche Messung 0,52 mm beträgt, lässt sich der Fehler nach der Anpassung auf ±3 % reduzieren. Gleichzeitig können Prozessparameter vorab überprüft werden – etwa durch Prüfung der Schweißnahtfestigkeit von Keilwellen bei unterschiedlichen Einspritzgeschwindigkeiten, um den optimalen Prozessbereich zu ermitteln.

V. Praktische Fallanalyse

Ein Unternehmen verwendete ABS-Material zur Herstellung von Türverkleidungen für Automobile. Der erste Formversuch zeigte starke Schweißnähte und Verzugsverformungen mit einer Fehlerrate von 12 %. Die Formfüllanalyse ergab, dass die Ein-Anguss-Konstruktion der ursprünglichen Form zu einem übermäßig langen Schmelzefüllweg führte und die ungleichmäßige Verteilung der Kühlwasserkanäle eine Temperaturdifferenz von 8 °C im Formhohlraum verursachte.

Optimierungsplan: Ein zusätzlicher Angusskanal und ein ausbalancierter Angusskanal werden eingebaut; der Abstand der Kühlwasserkanäle wird auf 30 mm angepasst und zwei konturnahe Wasserkanäle werden hinzugefügt. Die Prüfung der Keilwellenverzahnung ergab eine Erhöhung der Zugfestigkeit der Schweißnaht von 18 MPa auf 25 MPa und eine Verringerung des Verzugs von 0,8 mm auf 0,3 mm.

Nach Anwendung des Optimierungsplans entsprach die Schweißnahtfestigkeit des Produkts dem Standard, die Verzugsverformung war kontrollierbar, die Fehlerrate sank auf 2,5 %, die Produktionseffizienz stieg um 28 % und der Materialabfall pro Charge verringerte sich um 10 %.

VI. Entwicklungstrends der Moldflow-Analysetechnologie

1. Integration mit KI und Big Data

Auf dem Weg zu intelligenter Technologie identifizieren KI-Algorithmen automatisch Konstruktionsfehler und Optimierungspotenziale für Parameter und kombinieren diese mit Big Data, um selbstlernende und selbstkalibrierende Modelle zu realisieren. Einige Systeme können die vollständige Prozessanalyse komplexer Formen innerhalb von 10 Minuten durchführen und so die Effizienz um mehr als 50 % steigern.

2. Simulation der Kopplung mehrerer physikalischer Felder

Die Kopplungsanalyse von Strömungsfeld, Temperaturfeld und Spannungsfeld wird verstärkt, die Wechselwirkung zwischen Schmelzeströmung und Formstrukturverformung wird simuliert und mit softwaregestützter kollaborativer Simulation kombiniert, um eine vollständige digitale Verifizierung von der Konstruktion bis zur Leistungsvorhersage zu realisieren.

VII. Schlussfolgerung

Die Formfüllanalyse ist die Kerntechnologie zur Optimierung von Spritzgusswerkzeugfehlern, und Testwerkzeuge mit Keilwellenprofilen verbessern die Zuverlässigkeit der Optimierungslösungen. Durch die Optimierung von Konstruktion und Prozessen in Kombination mit der Verifizierung durch Keilwellenprofile lässt sich die Fehlerhäufigkeit deutlich reduzieren und die Erfolgsquote beim ersten Werkzeugerprobungsversuch steigern. Mit der fortschreitenden Technologieintegration wird die Formfüllanalyse im Bereich des Präzisionsspritzgießens eine immer wichtigere Rolle spielen und die Transformation der Branche hin zu höherer Effizienz, Genauigkeit und intelligenteren Prozessen vorantreiben. Die Etablierung eines geschlossenen Systems aus Formfüllanalyse, Keilwellenprofilprüfung und Werkzeugoptimierung ist der Schlüssel zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen.