Simulation. Agathon

Aufbau der Simulation - Bild: Agathon

Um es klar zu sagen: Kubische Flachzentrierungen mögen in manchen Anwendungen durchaus ihre Berechtigung haben, doch ob man solche nicht spielfreien Zentrierungen in ein kostspieliges Formwerkzeug einbauen sollte, das hochpräzise zu arbeiten hat, ist zu bezweifeln. In der Praxis führt das nämlich zwangsläufig dazu, dass Formelemente, zum Beispiel Inserts, viel zu schnell verschleißen, was hohe Kosten nach sich zieht. Einkäufer, die zum wiederholten Male dieselben kundenspezifischen Inserts beschaffen mussten, können ein Lied davon singen.

Spielfreie Zentrierungen für höchste Präzision

Damit die beiden Teile des Formwerkzeugs mit seinen möglicherweise zahlreichen Kerneinsätzen hochpräzise zusammengeführt werden, investieren immer mehr Formenbauer in spielfrei arbeitende Zentrierungen.

Und so nimmt auch die Nachfrage nach den spielfrei vorgespannten Wälzführungen von Agathon stetig zu. Höhere Standzeiten und Steifigkeit sind weitere Vorzüge vorgespannter Wälzführungen. Das verspricht einerseits eine enorm hohe Präzision und eine massive Kostenersparnis. Weil die Formeinsätze hochpräzise zentriert werden, nimmt der Verschleiß drastisch ab. Kerne und Inserts müssen so nur sehr selten ersetzt werden. Und weil eine solche Zentrierung praktisch keinen Abrieb erzeugt, sind sie auch für Reinraumanwendungen eine ideale Wahl.
Gegen den Einsatz spielfreier Zentrierungen wie der Agathon-Zentrierung wird immer wieder ein Vorbehalt formuliert: Es wird befürchtet, dass eine unterschiedliche Temperierung der Werkzeughälften zu einem Positionsversatz der Zentrierungen führt. Unterschiedliche Temperierungen sind insbesondere im High-End-Segment oft unumgänglich und für einen sicheren Prozess notwendig. Aufgrund des Temperatursprungs zwischen Auswerfer- zu Düsenseite werden Einbußen bei der Performance der Wälzführungen vermutet. Auch der inhomogene Wärmeeinfluss von Düsenheizung oder lokaler Kühlung führt zu Bedenken.

Modellrechnung zum Einfluss der Wärmeausdehnung

Wärmeübergang an der Trennfläche
Wärmeübergang an der Trennfläche (grün) zwischen Auswerfer- und Düsenseite bei 50 K Temperaturunterschied. - Grafik: Agathon

Dieses Argument hat Agathon einer Prüfung unterzogen. Konkret ließ Agathon thermomechanische FEM-Simulationen berechnen, um herauszufinden, wie sich erstens die Wärme im Formwerkzeug ausdehnt und verteilt und um zweitens den Einfluss der Wärmeausdehnung auf die Wälzführungen zu simulieren. Als Modell wurde ein simples Spritzgießwerkzeug angenommen mit drei Temperierkreisläufen, einer Kavität und zwei eingebauten Agathon-Zentrierungen als Wälzführungseinheiten. Diese Einheiten wurden im Abstand von 120 mm zueinander eingebaut und durch starre, fest miteinander verbundene Knoten in der Simulation abgebildet. Um den Wärmeeinfluss an der Oberfläche der Kavität zu simulieren, wurde zuvor eine Moldflow-Analyse durchgeführt. Deren Resultate bildeten die Grundlage der FEM-Simulation. Insgesamt wurden drei Rechenläufe durchgeführt. Folgende Ausgangswerte wurden dabei gesetzt:

  • Δ 0 K: Düsen – und Auswerferseite (DS und AS) wurden identisch auf 70 °C temperiert
  • Δ 20 K: Düsenseite wurde auf 60 °C, Auswerferseite auf 80 °C temperiert
  • Δ 50 K: Düsenseite wurde auf 40 °C, Auswerferseite auf 90 °C temperiert

Dass die Agathon-Zentrierungen ihre Arbeit perfekt verrichteten, solange kein Temperaturunterschied zwischen den beiden Werkzeughälften bestand, liegt auf der Hand. Interessanter war, was bei den anderen beiden Simulationen passierte. Wichtigstes Ergebnis: In den beiden Simulationen, in denen ein Temperatur­unterschied zwischen Düsen- und Auswerferseite bestand, betrug der tatsächlich gemessene Versatz zwischen Zentriersäule und Zentrierbuchse lediglich ein Drittel bis ein Fünftel des theoretisch berechneten Wertes. Offensichtlich kam es aufgrund der Berührung der beiden Werkzeughälften an den Kontaktflächen zu einem Temperaturausgleich, der den Temperaturunterschied deutlich verringert hat. Daraus lässt sich ableiten, dass es keinen Temperatursprung zwischen AS und DS gibt, sondern die Temperatur an der Kontaktzone fließend von einer Hälfte zur anderen übergeht.

Versatz kann in Maßen ausgeglichen werden

Ergebnisse früherer Simulationen sowie Agathon-interne Prüfungen zeigen, dass Wälzführungseinheiten der sehr steifen Agathon-Zentrierung der Baureihe 799X bei einer eventuell unterschiedlichen Wärmeausdehnung das Potenzial haben, mindestens zwei Hundertstelmillimeter Versatz auszugleichen. Dieser Wert setzt sich aus der elastischen Deformation von Wälzkörper, Säule und Buchse sowie den Passungstoleranzen der Einbaubohrungen zusammen.

Temperaturversätze, Agathon
Hier aufgetragen: die Temperaturversätze (rote Balken), Fertigungstoleranzen (grau) und das Potenzial zur elastischen Deformation von Wälzführungen (blau) im Verhältnis zueinander. - Grafik: Agathon

In der Praxis bedeutet das, dass Wälzführungsprodukte von Agathon auch im Formenbau bedenkenlos eingesetzt werden können - insbesondere dann, wenn nur geringe Wärmeunterschiede im Werkzeug auftreten. Sind im Prozess höhere Temperaturunterschiede als 30 K geplant, sollte der Abstand der Führungen zueinander möglichst gering gehalten werden. Um auftretende Effekte vorhersagbar zu gestalten, hilft es außerdem, das Werkzeug gleichmäßig zu temperieren. Agathon bietet entsprechenden Support an, zum Beispiel Unterstützung beim Engineering inklusive Dimensionierung und Auslegung des Führungssystems. nh

Trends µ-genau

Zentrierung per Wälzführung

Die abwälzende runde Feinzentrierung (Agathon-Zentrierung) ist für die Einzelzentrierung von Kavitäten und Haupttrennebenen ausgelegt. Sie garantiert eine sehr präzise Führung und bereits beim Zentrierstart maximale Tragkraft. Das integrierte Käfigpositioniersystem erlaubt das Ausfahren aus der Vorspannung. Gefertigt aus gehärtetem, verschleißfestem Wälzlagerstahl eignet sie sich laut Hersteller für die Massenproduktion von höchst präzisen Teilen. Agathon verspricht Plattenzentrierungen für präzise Führung und maximale Tragkraft. Die Zentriersysteme sind für Formwerkzeugabmessungen von 100 bis 1000 mm Kantenlänge verfügbar und lassen sich sowohl als Einzelzentrierung von Kavitäten einsetzen wie auch zur Zentrierung von Hybrid-Spritzgießwerkzeugen, für das Führen von Auswerferplatten oder Plattenführung für den Entlüftungshub oder auch die Zentrierung des Werkzeugs auf die Spritzgießmaschine.