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Kühlen auf allen Kanälen

Spritzgiessen: Mehr Effizienz durch optimierte Werkzeugtemperierung
Kühlen auf allen Kanälen

Ein Schwerpunktthema der letzten Fachmesse für Kunststoffverarbeitung Fakuma war die Temperierung des Spritzgießwerkzeugs: Ziel aller Bemühungen ist es, den Spritzgießprozess weiter zu optimieren und seine Produktivität zu erhöhen.

Hat sich die Kontrolle des Werkzeuginnendrucks längst etabliert, so steckt noch viel Potenzial in der Werkzeugtemperierung. Das zeigte sich deutlich auf der Fakuma in Friedrichshafen, auf der viele Verbesserungen in diesem Bereich vorgestellt wurden.

Zur Reduzierung der Kühlzeit und damit der Zykluszeit werden die Kühlkanäle im Werkzeug respektive in der Kavität immer häufiger nächstmöglich an der Formteilkontur platziert. Wenn dies mit einer gekonnten, zerspanenden Bearbeitung technisch oder wirtschaftlich nicht realisierbar ist, lässt sich unter anderem das Lasersintern oder -schmelzen einsetzen. Dabei werden metallische Pulverwerkstoffe durch einen Laserstrahl verschmolzen und schichtweise zum fertigen Bauteil aufgebaut.
Mit dieser „generativen“ Fertigung können Werkzeugeinsätze mit deutlich verbesserter, konturnaher Kühlung des Formteils gefertigt werden. Zum Beispiel einen Kern mit Spiral- oder Oberflächenkühlung, der sich konventionell durch spanende Bearbeitung nicht herstellen ließe. Die Ergebnisse: Nachgewiesene Verkürzung der Zykluszeit, Erhöhung der Formteilqualität, abgesenktes Temperaturniveau im Werkzeug – und eine niedrigere Ausschussrate.
Ein Beispiel dafür ist die „Niere“ eines neuen BMW-Modells mit seinen hohen optischen Ansprüchen. Das Werkzeug ist mit Einsätzen ausgestattet, die generativ per „Lasercusing“ mit dreieckigen Kühlkanälen versehen wurden – so nennt der Hersteller der generativ arbeitenden Anlagen, die Concept Laser GmbH in Lichtenfels, ihre Laserschmelz-Technologie. Mit den nach dieser Methode gefertigten Werkzeugeinsätzen sank die Ausschussrate bei der BMW-Niere um bis zu 8 %. Hergestellt wurde das Werkzeug von der zur Sauer & Sohn KG gehörende Firma Sauer Product in Dieburg. „Die Verbreitung der Kenntnisse über das Lasercusing-Verfahren ist noch gering“, resümiert Armand Bayer, Leiter Vertrieb und Produktmarketing bei Sauer Product. „Schätzungsweise fünf Prozent der infrage Kommenden wissen darüber Bescheid. Wir stehen damit also noch am Anfang und müssen weiterhin viel Überzeugungsarbeit leisten.“
Auch Augustin Niavas, Manager Tooling beim Lasersinter-Spezialisten EOS GmbH in Krailling, ist überzeugt davon, dass konturnahe Kühlung die Spritzgießkosten drastisch senken könnte – durch lasergesinterte Werkzeugeinsätze auf EOS-Anlagen. Sein Paradebeispiel: Bei einem Becher konnte die für Systemlösungen in Kunststoff bekannte Polymold GmbH & Co. KG in Pähl das Werkzeug durch Lasersintern so optimieren, dass die Zykluszeit von 24 auf 14 s sank. Leider ziehen Spritzgießverarbeiter diese Möglichkeit heute noch zu selten in Betracht (siehe auch Artikel S. 37).
Konturnahe Kühlkanäle sind natürlich Mittel zum Zweck, sprich nur eine der Voraussetzungen für eine zyklusverkürzende Temperierung. Es gibt noch eine Reihe weiterer, empfehlenswerter Maßnahmen. Will man die Zykluszeiten nachhaltig senken, reicht es zum Beispiel nicht aus, flüssiges Kühlmedium mit gleichbleibender Temperatur durch die Kanäle zu fördern. Besser ist es, das Medium durch denselben Kühlkanal mit zwei unterschiedlichen, abwechselnd hohen und niedrigen Temperaturen zu führen und dabei das Erstarren des Kunststoffes über Temperatursensoren nahe der Kontur gezielt zu steuern.
Unterschiedliche Benennungen dieser Technik durch die verschiedenen Anbieter wie Wechseltemperierung, variotherme Temperierung oder alternierende Temperiertechnik – oft mit den Zusätzen aktiv, dynamisch, hochdynamisch versehen – meinen im Grunde dasselbe Prinzip. Es bietet den Vorteil hoher Werkzeug-Wandtemperaturen, um beispielsweise Mikrostrukturen auf der Teiloberfläche abzubilden. Ohne jedoch den Zyklus zu verlängern, weil gleich nach (oder schon während) der Nachdruckphase auf einen Kaltwasserkreislauf umgeschaltet wird. Ziel: Verkürzen der Zykluszeit und Verbessern der Qualität.
Ein erfolgreiches Beispiel für eine „variotherme“ Dreier-Kooperation ist das ATT-Gemeinschaftsprojekt (Alternierende Temperiertechnik). Dabei arbeiteten der Spritzgießmaschinen-Hersteller Arburg GmbH & Co. KG aus Loßburg und die Single Temperiertechnik GmbH aus Hochdorf (Esslingen) mit Sauer Product als Werkzeughersteller zusammen. Auf dem Messestand von Single wurde während der Fakuma im Praxisbetrieb eine Leselupe produziert – mit zirka 70 mm Durchmesser und Wanddicken von 3 bis 15 mm.
Ein optisches Teil, in dem Spannungsbrechungen vermieden werden müssen. Im Stammwerkzeug befinden sich Einsätze, die via Lasercusing wie auch konventionell gefertigt sind und die mittels ATT temperiert werden. Dadurch wurde die Zykluszeit verkürzt, die bei üblichen Werkzeugen zwischen 8 und 12 min liegt, zugleich die Qualität gesteigert und die Ausschussquote verringert. Eine äußerst anspruchsvolle Anwendung, denn „ohne eine variotherme Temperierung ist die Fertigung dieses Teils überhaupt nicht möglich“, macht Armand Bayer von Sauer Product klar.
Single stellte die Werkzeug-Wechseltemperierung mit ihren bereits erwähnten Vorteilen in den Mittelpunkt des Messeauftritts: Dabei wird die Werkzeugwand vor dem Einspritzen der Kunststoffschmelze auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur des Thermoplasts erwärmt. Erst nach dem Füllen der Kavität setzt die Kühlung ein, bis das Formteil die notwendige Entformungstemperatur erreicht hat.
Die variotherme Temperierung hält unter anderem den Nachdruck auch in angussferneren Bereichen länger aufrecht und senkt damit den Bedarf an Einspritzdruck und Schließkraft. Sie verringert Eigenspannungen beim Spritzprägen optischer Formteile. Außderdem unterstützt sie die Abformung von Mikro- und Nanostrukturen sowie die Herstellung besonders glatter Oberflächen und hochwertiger Glanzoberflächen. Nicht zuletzt verkürzt sie die Zykluszeit durch intensivere Kühlung.
Hochwertige Oberflächen wirtschaftlich fertigen ist ein Motto der GWK, Gesellschaft Wärme Kältetechnik mbH in Kierspe: In Kooperation mit dem Institut für Werkstofftechnik und Kunststoffverarbeitung (IWK) in Rapperswil und der Georg Kaufmann Formenbau AG in Busslingen, beide aus der Schweiz, zeigte man unter Einsatz von dynamischer Temperierung das qualitativ hochwertige Hinterspritzen von Metallfolien bei einer Visitenkarten-Box. Bei diesem Verfahren wird das Bindemittel der Metallfolie vor dem Einspritzen der Formmasse durch Hochleistungsheizungen aktiviert. Die Basis des Verfahrens ist eine neue Kombination aus kavitätsnaher Kühlung wie auch Heizung. Dabei sind keramische Hochleistungs-Heizelemente direkt in die Werkzeugeinsätze integriert. Sie ermöglichen eine energieeffiziente und dynamische Formnesttemperierung zur wirtschaftlichen Herstellung von Formteilen mit hohen Oberflächenanforderungen.
Das Polymer-Institut Kunststofftechnik (PIK) der Hochschule Heilbronn befasst sich mit der Herstellung von kratzfesten, funktionalen Kunststoffoberflächen und der gemeinsamen Verarbeitung chemisch vernetzender und thermoplastischer Polymere. Auch das PIK setzt die Hochdynamische Variotherme (HDV) Werkzeugtemperiertechnik ein, um nano- und mikroskalig strukturierte Bauteiloberflächen aus Polyurethan zu realisieren – zum Beispiel Nanostrukturen zur Entspiegelung.
Ein neues, mehrfach innovatives Maschinenkonzept, die „MW injection 50“, haben die CKT GmbH und die Ökoplast GmbH, beide angesiedelt im sächsischen Mittweida, als Prototyp vorgestellt. Eine rotierende Mehrstationen-Plattform macht es möglich, vier Funktionen parallel zueinander ablaufen zu lassen: Heizen des Werkzeugs, Einspritzen der Schmelze, Kühlen des Werkzeuges und Entformen des Kunststoffteils.
Um eine vollständige Formfüllung und höchste Abbildegenauigkeit zu sichern, muss die Formtemperatur zyklisch verändert werden, was zu einer längeren Zykluszeit führen würde. In Mittweida entstand deshalb eine variotherme Temperierung, welche die formgebenden Platten an getrennten Stationen heizt und kühlt. Diese Anordnung reduziert die Zykluszeit und senkt den Energiebedarf spürbar. Als Werkzeuge werden lediglich die formgebenden Platten benötigt, die leicht ein- und ausgebaut werden können, was unter anderem die Formenbaukosten senkt.
Als Sekunden-Temperierung könnte man es bezeichnen – das induktive Temperieren durch ein elektromagnetisches Wechselfeld, mit dem sich Stahlwerkzeuge sekundenschnell ohne Vorwärmen auf Temperatur bringen lassen. Bei RocTool im Industriepark Technolac von Le Bourget du Lac, Frankreich, sind inzwischen alle Patente zur schnellen Induktionserwärmung von Werkzeugen in einer Hand: RocTool kooperiert künftig mit dem Kunststoff-Institut für die mittelständische Wirtschaft NRW GmbH (KIMW) in Lüdenscheid und übernimmt dazu dessen Verfahren „Indumold“ zur Erwärmung des Werkzeugs von innen – während das „Cage System“ von RocTool dies mit um die Form herum verlegten Leitungen von außen tut.
Die Franzosen verfügen also jetzt über zwei Induktionsverfahren, die sie alternativ oder ergänzend einsetzen können. Die neue Marke „3iTech“ soll künftig die Klammer für beide Verfahren bilden. Interessierte Unternehmen können die schnelle Temperier-Technologie sowohl in Frankreich als auch in Deutschland auf Pilotanlagen testen. 3iTech ermöglicht dabei Formtemperaturen, die von 20 °C bis 400 °C reichen, mit oder ohne Werkzeugbewegung, mit offener oder geschlossener Form.
Eine effiziente Alternative zu klassischen Kühlkanälen präsentierte in diesem Zusammenhang das KIMW: Bei der BFMold-Technology übernimmt eine Kugelschüttung die mechanische Abstützfunktion und generiert gleichzeitig eine Hohlraumstruktur, die es ermöglicht, Temperiermedien sehr nah und flächig unter der Werkzeugoberfläche heranzuführen. Sie lässt sich mit dem Indumold-Verfahren kombinieren und ist ideal geeignet, wenn eine ganzflächige und konturfolgende Temperierung eine bessere Formteilqualität und/oder Wirtschaftlichkeit erwarten lässt.
Ebenfalls auf der Basis von Lasercusing-Einsätzen hat die Hofmann Innovation Group AG in Lichtenfels zusammen mit der ebenfalls dort ansässigen Rießner-Gase GmbH & Co. KG eine CO2-Temperierung entwickelt. Der Hintergrund:
Spezielle Kanalgeometrien und -anordnungen in den Werkzeugeinsätzen ermöglichen hohe Strömungsgeschwindigkeiten bei geringem Druckverlust. Weil man bei Kanaldurchmessern unter 3 mm mit flüssigen Temperiermedien wie Öl oder Wasser jedoch an eine Grenze stößt, bietet sich hier CO2 als alternatives Kühlmedium an: Das Gas wird durch ein Kapillarrohr in eine Steigbohrung eingeleitet, expandiert dort und kühlt die Umgebung stark ab. Die Kanaldurchmesser konnten dank des CO2-Einsatzes auf 1,5 mm reduziert werden – bei hohen Abkühlgeschwindigkeiten.
Man kann davon ausgehen, dass etwa 100 Messgrößen den Spritzgießprozess beeinflussen – ein großer Teil über das Werkzeug und seine Peripherie, sei es über die Nachdruck-Regelung oder über die hier behandelte Temperierung. In diesem Sinne leistet die verbesserte Werkzeugtemperierung einen wesentlichen Beitrag zur Optimierung des gesamten Spritzgießprozesses in Richtung Schnelligkeit, sprich Zykluszeit-Verkürzung, Qualitätssteigerung sowie Energie- und Kosteneinsparung.
Klaus Diebold Fachjournalist in Nürnberg

Marktchancen
Zum Glück, so muss man sagen, ist das Potenzial der Werkzeugtemperierung längst nicht ausgeschöpft. Denn dies bietet europäischen Werkzeug- und Formenbauern die Chance, sich von Billiganbietern abzusetzen. Höhere Schnelligkeit, Qualität und Kosteneinsparungen sind gefragt. Voilà, und hier sind die Methoden dafür: Generativ gebaute Werkzeugeinsätze. Wechselnde, induktive oder CO2-Temperierung und/oder Kugelfüllungen statt Kanälen nach KIMW-Patent.
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