Bevor ein Extrusionswerkzeug gefertigt wird, müssen wesentliche Prozessfragen beantwortet werden. Die analytische Herangehensweise der Berechnung des Druckverlustes in einem Excel-File ist Gang und Gebe, denn dieser Ansatz ist schnell, einfach und günstig. Oft werden dafür Annahmen getroffen, in denen die Temperatur und die Viskosität als konstant angenommen werden. Diese Annahmen stimmen aber in der Regel nicht mit der Realität überein. Um zu verstehen und genau sichtbar zu machen, was im Extrusionswerkzeug passiert, eignet sich der Einsatz von Simulation.
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| Bild 1: Geschwindigkeitsprofil des Polymers dargestellt mit Flow Tracern |
Insgesamt ist das Thema Simulation im Allgemeinen sehr komplex. Aber entgegen der existierenden Meinung, dass nur FEM-Experten in der Lage seien, eine Simulation durchzuführen, zeigt die Software SIGMASOFT®, dass es auch anders geht. Jeder, der ausreichend Prozesswissen und eine Affinität zu CAD-Programmen hat, wird nach Schulungen in der Lage sein, SIGMASOFT® zu bedienen. Dennoch scheuen sich viele Produzenten und Werkzeugbauer davor, sich mit dem Thema Simulation auseinander zu setzen. Über kurz oder lang wird der Einsatz von Simulation jedoch nicht mehr wegzudenken sein, denn heutzutage tendiert die Entwicklung zu immer kürzeren Entwicklungszeiten, sodass Fehler in Anbetracht der Zeit nicht toleriert werden können: Das perfekte Produkt soll bestenfalls im ersten Anlauf stehen. Wer mittelfristig konkurrenzfähig bleiben möchte, wird sich zwangsläufig mit dem Thema Simulation auseinander setzten müssen.
Parallel zum Konkurrenz- und Zeitdruck wachsen die Anforderungen an Bauteile und Prozesse stetig. Die Tolerenzbereiche werden immer kleiner, aber gleichzeitig nimmt die Komplexität weiterhin zu. Abschätzungen aus Erfahrung und aus dem Bauch heraus sind ein wertvolles Gut, aber durch den zunehmenden Fachkräftemalgel wird dieses Wissen in Betrieben immer weniger.
Das Vorgehen der Simulation beginnt mit dem Import der CADDaten, der Anpassung und Kontrolle der Geometrie sowie der anschließenden Vernetzung. Nachdem die Bauteilgeometrie inklusive des Werkzeuges vernetzt sind, müssen die Prozessparameter definiert werden, bevor die Simulation gestartet wird.
Obwohl auch vor und nach dem Extrusionswerkzeug im Prozess viel passiert, hilft es mit SIGMASOFT® das Innere des Extrusionswerkzeuges sichtbar zu machen. Aus diesem, sonst im Verborgenen ablaufenden Prozess, lassen sich Details über die Vorgänge im Extrusionskopf ableiten. Die Frage, wie lange es dauert bis sich der Prozess im stationären Zustand befindet, kann abgeschätzt und beantwortet werden. Zudem lässt sich das Materialverhalten genau betrachten: Beispielsweise wird deutlich, wie das Geschwindigkeitsprofil des Polymers (siehe Bild 1) oder die inhomogene Temperaturverteilung innerhalb Wandkontakt, Bindenähte, Temperaturverteilung im Bauteil und Werkzeug, Alter des Materials, Fließverhalten, Verzug, Geschwindigkeit und auch Bereiche stagnierender Schmelze (Totwassergebiete) analysiert werden. Oft lässt sich so noch vor Beginn des Prozesses Material einsparen. Zusätzlich kann die Energiebilanz analysiert werden, sodass der Prozess direkt optimiert in die Produktion aufgenommen werden kann. Die Vorteile der Simulation liegen auf der Hand: Nicht nur dass durch den Einsatz von Simulation die Abmusterung virtuell durchgeführt werden kann, kommt es gleichzeitig nicht zu einer Blockierung der Produktionslinie im laufenden Betrieb – das spart Zeit und Kosten. Zusätzlich kann jeder Zeitpunkt im Prozess genau betrachtet werden. Probleme können schneller gelöst und in vielen Fällen im Vorhinein vermieden werden.
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| Bild 2: (links) Vier mögliche Varianten, die innerhalb der autonomen Optimierung gerechnet werden und ... |
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| (rechts) tabellarische Ergebnisdarstellung mit der optimalen Variante an Rang 1 |
Ohne die laufende Produktion zu beeinträchtigen, lassen sich neben Tests auch Optimierungen mit unbegrenzter Anzahl an Varianten berechnen – über Nacht. Mit Hilfe der autonomen Optimierung (Autonomous Optimization) werden alle Varianten automatisiert berechnet. Das Ergebnis ist eine Tabelle, in der alle Designs in einem Ranking zu den geforderten Prozessparametern, dargestellt werden. In Bild 2 sind beispielhaft (links) vier der möglichen Designs gezeigt, wobei oben links das schlechteste und unten rechts das beste Design gezeigt wird. Alle Ergebnisse dazwischen sind in der Tabelle (rechts) aufgeführt. Zusätzlich wird mit diesen Ergebnissen ein Parallelkoordinatensystem ausgegeben, in dem die optimale Variante mit den bestmöglichen Prozessparametern ausgewählt werden kann.
Durch den Einsatz von SIGMASOFT® kann die vorhandene Produktion einfacher optimiert und die Auslegung neuer Prozesse virtuell erfolgen. Es zeigt die Potentiale, wie die Produktion schneller und günstiger werden kann.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ergebnisse der Simulation ein noch besseres Prozessverständnis erzeugen können, weil Details, die sonst im Verborgenen ablaufen, sichtbar gemacht werden. In den meisten Fällen lässt sich durch die Vermeidung von Fehlern am Ende auch die Produktionszeit verkürzen.
