Zykluszeiten optimieren

Die Hofmann Innovation Group AG, ansässig im oberfränkischen Lichtenfels, gilt als einer der renommiertesten Dienstleister für die Kunststoff verarbeitende Industrie. Europaweit präsent und branchenübergreifend tätig, steht die Gruppe für "Full-Service-Engineering". Von der Produktentwicklung über Rapid Prototyping und Rapid Tooling bis zum Serienspritzwerkzeug sowie der Herstellung und Montage von Kleinserien bietet man dem Kunden alles aus einer Hand. Auftraggeber aus der gesamten Kunststoff-Industrie, insbesondere den Hightech-Branchen Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Haushaltswaren- und Medizinindustrie profitieren von den Innovationen der sechs Firmentöchter.

In den Hightech-Schmieden der Unternehmensgruppe kennt man die  drei entscheidenden Zeitphasen der Prozesskette, die Einfluss auf die Zykluszeit haben. An den entsprechenden Stadien des Prozesses wird ständig versucht, Zeit und damit Kosten sparend in die Fertigung einzugreifen.
Phase 1: Obwohl als kleinster Part bekannt und oft als irrelevant bewertet, ist die Einspritzzeit und Nachdruckzeit  – gesehen in der Relation zur gesamten Zykluszeit  – ein nicht zu unterschätzender Faktor, den es optimal zu nutzen gilt.
Phase 2: Am zweiten Bereich – der Kühlzeit  – werden kontinuierlich Optimierungen im Werkzeug vorangetrieben. Hier hat die Firmentochter CONCEPT Laser GmbH erst in jüngster Zeit bedeutende Entwicklungen mit dem generativen Verfahren LaserCUSING am Technologiemarkt platziert.
Phase 3: Als dritter, nicht zu unterschätzender Faktor gelten die Nebenzeiten, die für Öffnungs-, Entformungs-, Ausstoß und Handlingsbewegungen anfallen.
Wie kann nun eine optimale Ausnutzung der drei Zeit-Phasen erfolgen und welche Technologien kommen bei der Hofmann Innovation Group AG zum Einsatz?
Als Kompetenz-Zentrum für Konstruktion übernimmt vorrangig die Hofmann & Engel Produktentwicklungs GmbH die Design-Aufgaben hinsichtlich der Gestaltung von Bauteil-Geometrien. Über viele Jahre hat man am Standort Dresden bei der Konzeption verschiedenster Produkte die Erfahrung gemacht, dass schon während der Produktentwicklung die "ersten beiden Zeitphasen" entscheidend beeinflusst werden können.
In Fachkreisen ist mittlerweile hinreichend bekannt, dass 70 – 80 % aller Kosten bereits durch die Konstruktion festgelegt, bzw. verursacht werden. Leider wird dieser Aspekt jedoch aus unterschiedlichen Gründen nicht immer zielstrebig beachtet und konsequent umgesetzt. Umso wichtiger ist es bei der Betrachtung von Fertigungsprozessen und deren optimaler Realisierung den Einfluss der konstruktiven Gestaltung von technischen Bauteilen Beachtung zu schenken, wie
³ fertigungs- und werkstoffgerechte Umsetzung von Designforderungen (Optik, Formgebung, Werkstoffkombinationen, etc.),
³ Beachtung von technischen Vorgaben (Mechanik, Temperaturverhalten, Funktionalitäten, etc.),
³ fertigungs- und prozessgerechte Ge- staltung der Bauteile (Herstellbarkeit, Serien- und Qualitätsgerecht, etc.),
³ Einbeziehung logistischer Themen (Transporthilfen, Automatisierungsunterstützung, Stapelbarkeit, Verpackung etc.).
Die immense Bedeutung der fertigungs- und prozessgerechten Gestaltung  aus konstruktiver Sicht wird hier thematisiert. Neben der Fülle von Prozess bestimmenden Parametern kann der Einfluss der Konstruktion auf die Zykluszeit dargestellt werden.
In manchen Fällen ermöglichen die Anforderungen an das technische Teil die Auswahl unterschiedlicher Kunststoffe, aus denen wiederum unterschiedliche Verarbeitungszyk-
len resultieren. Somit kann schon mit der Auswahl und dem Einsatz des geeigneten Werkstoffs eine gewisse Verkürzung der Verarbeitungszeit erzielt werden. Den wohl größten Einfluss bei der geometrischen Bauteilauslegung auf die Zykluszeit hat die allgemeine Wandstärke der Artikel (Produkte). Weiterhin sind Masseanhäufungen wie z.B. an Versteifungsrippen, Anschraubdomen etc. unbedingt zu minimieren.
Als weiterer Schwerpunkt bei der Bauteilgestaltung sollte auf einen günstigen Massefluss geachtet werden. Wird diesem Aspekt nicht die
nötige Aufmerksamkeit geschenkt, kann dies unter Umständen zu einer Zykluszeitverlängerung führen. Einfallstellen erhöhen erheblich die Nachdruckzeit, Lufteinschlüsse erhöhen die Einspritzzeit, und bei Teile-Verzug muss unter Umständen die Zykluszeit verlängert werden.
Dem Themenkomplex Kühlzeit misst man bereits in der Konstruktionsphase größte Bedeutung zu. Hier kann von Projektbeginn an Einfluss auf die Reduzierung von Entformungskräften genommen werden. Kunststoffe benötigen bekanntermaßen eine gewisse Zeit, um die erforderliche Stabilität zum Ausstoßen aus dem Werkzeug zu erlangen. Da die Kühlzeit durch die Entformungstemperatur des Kunststoffes bestimmt wird, ist eine möglichst hohe Entformungstemperatur anzustreben. Wird ein Teil also "heißer“, sprich bei hoher Eigentemperatur ausgestoßen, spart dies Zeit.
Die Entformungstemperatur selbst wird über die notwendigen Entformungskräfte bestimmt. Die Größe der Entfomungsschrägen hat einen immensen Einfluss auf die Entformungskräfte. Bei Hofmann & Engel werden kritische Bereiche gemeinsam mit dem Werkzeugbau besprochen und unter Umständen bereits hier die Entformungselemente des Werkzeuges festgelegt.
Sind zusätzlich aus Designgründen Oberflächenstrukturen bestimmter Rauhigkeiten geplant, muss eine geeignete Ausformschräge vorgesehen werden, um so gegebenenfalls unnötig langes Abkühlen und damit ein
erforderliches "Wegschrumpfen" zu vermeiden.
Die Erfahrung bei der Realisierung zahlreicher Projekte hat gezeigt, dass die Zykluszeit deutlich zu reduzieren ist, wenn Bauteil-Geometrien bereits so gestaltet werden, dass eben weniger Entformungskräfte wirken. Schon bei der konstruktiven Gestaltung des Bauteils sind – sofern möglich – filigrane, hohe oder eng stehende Geometrien (wie z.B. eng stehende Verrippung, hohe Stege) zu vermeiden, um auf diese Weise eine günstige Kühlungsauslegung zu ermöglichen.
Kritische Bauteil-Beanspruchungsstellen (hohe mechanische Belastung oder Anschraubdome, etc.) sind oft für die Wahl der Anspritzpunkte bzw. Art der Anspritzung aufgrund von entstehenden Bindenähten wichtig. Werden "Fließhilfen oder -sperren" bei der Bauteilgeometrie gut überdacht, kann dies die Zykluszeit positiv beeinflussen.
Fast alle Einflusskriterien, die bei der Produktentwicklung für eine kürzere Zykluszeit berücksichtigt werden können, prüft man bei der Hofmann Innovation Group AG bereits in dieser Phase anhand rechnergestützter Simulationen auf ihre Wirksamkeit  – und bessert bei Bedarf nach. Die nachfolgenden drei Beispiele verdeutlichen den positiven Effekt der Simulationen:
1. Wandstärken werden entsprechend der notwendigen Fließwege minimiert.
2. Heiße Bereiche im Artikel werden auf minimale Entformungskräfte ausgelegt, (evtl. durch zusätzliche Schieber!)
3. Durch die notwendige Festlegung der Anspritzpunkte für die Simulation sind Brandstellen, Lufteinschlüsse etc. gegeben und können meist durch Änderungen der Geometrie reduziert werden.
Der Trend in der Kunststoff verarbeitenden Industrie geht immer mehr zur Herstellung dünnwandiger Artikel. Kundenseitige Anforderungen hinsichtlich Kosten- und Gewichtsersparnis stehen hier im Vordergrund. Bauteile, die in der Konstruktionsphase zykluszeitgerecht optimiert wurden, weisen jedoch häufig andere Eigenschaften auf.
Innerhalb der Firmengruppe denkt und arbeitet man stets nach dem Prinzip des "Full-Service-Engineering". Dies bedeutet, man legt bei der Wahl der Verfahren innerhalb der Prozesskette größten Wert auf die "Verhältnismäßigkeit der Mittel." Nicht alles, was technisch machbar ist, muss in der Realität auch funktionieren. Gerade auf dem Gebiet der Produkterprobung haben sich deshalb Prototypen als wichtiger Zwischenschritt erwiesen, um Kosten zu sparen.
Würde man nur danach verfahren, die Produkterprobung während eines Serienlaufes im Werkzeugbau vornehmen, kann es zu kostenintensiven "Nachbesserungen" und damit wiederum zu unliebsamen Zeitverzögerungen kommen. Pre-Tests, die hinsichtlich der Steifigkeit und Wärmestabilität der dünnwandigen Bauteile haben sich in dieser Phase eines Projektes als überaus sinnvoll erwiesen.
Durch die Erstellung von Prototypenteilen kann bereits frühzeitig auf die Fertigung serientauglicher Teile Einfluss genommen werden. Zum einen dienen diese Prototypen als Freigabeteile der im Vorfeld erstellten CAD-Daten. Zum anderen gibt eine Einbauprüfung Sicherheit in Bezug auf Kollision und Funktion der Bauteile. Auch Festigkeitsprüfungen können mit seriennahen Materialien, die ähnliche mechanische und thermische Eigenschaften aufweisen, durchgeführt werden.
Für Bauteile aus Polyamid kann sogar serienidentisches Material zum Einsatz kommen. Die Hofmann Modellbau GmbH stellt im eigenen Werk Mehrkomponententeile über Rapid-Prototyping-Verfahren her, die Aufschlüsse über die spätere Serientauglichkeit geben. Montageerprobung und Planung können frühzeitig abgestimmt und freigegeben werden. Zur Produkterprobung bietet das Unternehmen eine Vielzahl von Herstellungsverfahren an, die je nach Verwendungszweck und Stückzahl ausgewählt werden. Die Prüfung des Herstellungsprozesses über Aluminiumwerkzeuge hat sich in vielen Fällen als effektivstes Verfahren bewährt. Hierbei werden Prototypen in Originalwerkstoff mit allen gewünschten Serienmerkmalen gefertigt, die Aufschluss über Einfallstellen, Entformung, Anspritzung und Verzug geben. Weiterhin können mit den geänderten Spritzparametern die üblichen Schwindungswerte überprüft und gegebenenfalls korrigiert werden. Ein Aspekt, der für die quantitative Auslegung des Serienwerkzeuges von großer Bedeutung ist. In dieser Phase sind kostengünstig Änderungen vorzunehmen, um den Artikel serientauglich ausreifen zu lassen. Risikofaktoren werden im Vorfeld geprüft und geändert. Ein Zwischenschritt, der wertvolle Kosten- und Zeitersparnis bringt, da eventuelle Änderungen am Serienwerkzeug zu diesem Zeitpunkt noch machbar sind. Die Werkzeugherstellung im klassischen Sinne eröffnet eine interessante Bandbreite an Möglichkeiten, die Zykluszeit positiv zu beeinflussen. Die Werkzeugbau Hofmann GmbH konstruiert die Werkzeuge heute generell in 3D.
Die Kriterien, in welcher Art die Anspritzung des Werkzeuges erfolgt, werden hier festgelegt. In diesem Stadium eines Projektes beweist
sich das "Full-Service-Engineering" innerhalb der Unternehmensgruppe durchaus als Zeitspar-Faktor. Jeder Auftrag wird von einem persönlichen Ansprechpartner betreut. Dieser  Pro-jektleiter übernimmt die gesamte Koordination von Beginn an und begleitet das Projekt bis zur Auslieferung an den Kunden. Das bringt den gewünschten Effekt: Die vorliegenden Ergebnisse der Computer gestützten Simulationen aus der Produktentwicklungsphase erweisen sich nun von größtem Wert. Optimal definierte Anspritzpunkte sind bereits jetzt werkzeugtechnisch ohne Probleme umzusetzen! 
Als oberste Priorität bei der Werkzeugauslegung betrachtet man den Faktor, die Fließwege des Kunststoffes kurz zu halten. Kürzere Fließwege bewirken Reduzierung der Einspritzzeit und ermöglichen dünnste Wandstärken. Dabei wird die Direkt-
anspritzung über einen Heißkanal bevorzugt. Zwei deutliche Vorteile sprechen für sich: Einerseits kann der Kaltkanal die Kühlzeit nicht negativ beeinflussen und zum Anderen können die Entnahmezeiten durch den Kaltkanal nicht negativ beeinflusst werden.
Um bei der Auslegung des Heißkanals das bestmögliche Ergebnis zu erzielen, sollte der Heißkanalher-steller unbedingt hinsichtlich des Schussgewichtes informiert werden. Zudem ist die Kenntnis der geplanten Einspritzzeit entscheidend, um die Verteilerkanäle entsprechend groß zu dimensionieren.
Aus Sicht des Werkzeugbauers kommt der Werkzeugkühlung im Hinblick auf eine Zeitersparnis immer größere Bedeutung zu. Dabei besteht bekanntermaßen die Möglichkeit, Kühlkanäle konventionell zu bohren. Die Konstruktion in 3D leistet für den Werkzeugkonstrukteur in diesem Bereich eine große Hilfestellung.
Für kleine Geometrien sind Einsätze aus hochleitfähigen Metallen vorteilhaft. Um die dabei entstehenden Nachteile zu vermeiden, setzt der Werkzeugbau Einsätze, gefertigt in der neuen Technik LaserCUSING ein.
Das in unserer Zeitschrift bereits vorgestellte LaserCUSING hat eine tatsächliche Verringerung der Kühlzeit erbracht. Werkzeuge oder Werkzeug-Einsätze werden bei diesem Verfahren mit Kontur-angepassten Kühlkanälen aus einkomponentigen Metallpulvern generiert. Schon in der Konstruktionsphase werden die Leistungsfähigkeit der Werkzeugkühlung mit Simulationsprogrammen getestet sowie Schwachstellen erkannt und beseitigt.
Trotz der bereits bei der Produktentwicklung – hinsichtlich kleiner Entformungskräfte – optimierten Bauteil-Geometrie, werden die technischen Möglichkeiten des traditionellen Werkzeugbaus voll ausgeschöpft. Die Ausstoßelemente werden unter Versteifungsrippen eingeleitet. So weit wie möglich kommen Abstreiferleisten und Abstreiferplatten zum Einsatz. Gut polierte Werkzeugoberflächen sind eine Selbstverständlichkeit. Zur Unterstützung wird die Facon, wo es sinnvoll erscheint, mit gleitfähigen Schichten versehen.
Befinden sich im Werkzeugschieber ist zu beachten, dass die Verfahrwege der Schieber möglichst die Nebenzeiten nicht negativ beeinflussen. Mechanisch bestätigte Schieber laufen parallel zur Öffnungsbewegung der Maschine und führen damit zu keiner Zykluszeitverlängerung.
Sind Plattenbewegungen notwendig, erfüllen Klinken den gleichen Zweck. Betätigt man zum Beispiel ein Ausstoßerpaket über Klinken, wird die gesamte Zeit zum Ausstoßen der Teile eingespart. Lassen sich Kernzüge nicht vermeiden, ist eine Werkzeugauslegung bei der diese parallel zu anderen Prozess-Schritten laufen, vorteilhaft. Weiterhin sind Prozess-Schritte mit hoher Taktzeit konstruktiv so auszulegen, dass sie mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten gefahren werden können.
Bei der Anordnung und Lage der Formnester sind Aspekte hinsichtlich der Zykluszeit nicht zu vernachlässigen. Ein Beispiel verdeutlicht dies: Bei einem Werkzeug mit zwei Kavitäten hat sich beim Einsatz eines Portalroboters die horizontale Anordnung der Nester als vorteilhaft erwiesen. Die Verfahrzeiten des Roboters verkürzen sich. Zudem sind aufgrund der schnellen Bewegungen selbst schmierende Werkstoffe in den
verschiedenen Werkzeugführungen wichtig. Die Werkzeugsäulen sollten konstruktiv mit Entlüftungskanälen ausgestattet sein, um Pfeifgeräusche zu vermeiden.
Die oft eingesetzten Niedrigtemperatur-Kühlgeräte führen bei ungünstigen Bedingungen zur Korrosion und spielen bei der Materialfestlegung der Werkzeuge eine wichtige Rolle. Kommt die LaserCUSING-Technologie hierbei zum Einsatz, hat der Konstrukteur die Möglichkeit, auf korrosionsfreie Materialien, wie Edelstahl zurückzugreifen. Wie bereits erwähnt, zahlt es sich gerade bei diesem Verfahren besonders aus, auf die "Kleinigkeiten" zur Reduzierung der Nebenzeiten (Phase 3) zu achten: So spart z.B. eine einfache Heißkanaldüse wichtige Sekundenbruchteile, da der Vorgang zum Aufsetzen des Spritzaggregates nicht notwendig ist.
Die Werkzeugbau Hofmann GmbH bietet Auftraggebern schon seit Jahren eine besondere Dienstleistung: Werkzeuge werden nicht nur hinsichtlich der geforderten Zykluszeiten im eigenen Spritzgießtechnikum bemustert, sondern es befinden sich in Lichtenfels ständig drei bis fünf kundeneigene Spritzmaschinen mit samt ihrer Peripherie. Insbesondere bei komplizierten Verfahren, wie z.B. Mehrkomponenten- und Hohlkörpertechnologie oder Wasserinjektion kann vor Ort unter "realen Bedingungen" die  vorgegebene Zykluszeit nachgewiesen oder unterschritten werden.
Vor drei Jahren stellte die CONCEPT Laser GmbH, jüngstes Mitglied der Hofmann Innovation Group AG bereits das LaserCUSING vor. Zum ersten Mal wurde es möglich, mit neuen Lasertechnologien und einem komplett neu entwickelten Verfahren, die Schwachstellen des bis dato praktizierten Lasersinterns zu überwinden. Aufgrund einer speziell entwickelten und patentierten Belichtungsstrategie und der Verwendung von Originalwerkstoffen werden heute massive und großvolumige Bauteile, wie zum Beispiel Werkzeugeinsätze realisiert. Die Materialeigenschaften sind dem Ausgangsmaterial identisch und erlauben den Einsatz dieser Bauteile unter Produktionsbedingungen.
Das LaserCUSING hat bereits vielfach in der Praxis bewiesen, hoch komplizierte Formen im 3D-Bereich zu generieren und den Formeinsatz mit Kühlkanälen zu versehen. Sprich, die Kühlkanäle, die konventionell nur bedingt oder mit sehr großem Aufwand eingebracht werden konnten, werden nun während des Prozesses konturgetreu an den Werkzeugeinsatz angepasst. In Folge der optimal gekühlten Werkzeugeinsätze werden deutlich kürzere Zykluszeiten erreicht. Durch die Dichtigkeit der Bauteile kann kein Kühlwasser austreten.
Die Verzugserscheinungen am Spritzteil werden durch optimale Werkzeug-Kühlung minimiert. Nachbearbeitungsvorgänge an der Werkzeug-Kontur reduzieren sich ebenfalls erheblich. 
Die erreichte Genauigkeit liegt vor der Nachbehandlung bei plus/minus 50 µm. Die meisten Flächen werden deshalb durch einen Feinschlichtgang nachbearbeitet um eine höhere Genauigkeit zu erhalten. Der Schrupp- und Vorschlichtprozess entfällt komplett. Durch den wesentlich geringeren Teileverzug ist der Weg von der ersten Bemusterung zum serienreifen Teil viel kürzer.
Zusammenfassend ergeben sich handfeste kalkulatorische und qualitative Vorteile:
³ Durch konturnahe Kühlung erhöht sich die Produktivität des Werkzeuges (bis zu 30% reduzierte Zykluszeit),
³ Verzug am Spritzteil wird durch optimale Kühlung drastisch vermindert,
³ bessere Produktqualität,
³ vorgearbeitete Formkontur der Werkzeugeinsätze,
³ Extrem kurze Herstellungszeit der LaserCUSING-Einsätze.

www.hig-ag.de