Mittel und Wege zu besonderen Oberflächen beim Spritzgießen wiesen die Aussteller der K 2022. Eine kleine Auswahl.

Der Materialmix des „Rear-End Cover“ ermöglicht es, hinterleuchtete Elemente mit gezielter Lichtabschottung zu erzeugen – ganz ohne unerwünschte Lichtstreuung.

Spritzgießen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Doriat, Clemens, Dr.

Temperiertechnik

Künstliche Intelligenz für die Qualitätssicherung

Industrie 4.0

Industrie 4.0 für die Qualitätssicherung

Mehrkomponenten-Spritzgießen

Folientechnik (IMD, IML, FIM, u.a.)

Plasmabehandlung

Oberflächentechnik

Reinigen und Vorbehandeln

Spritzprägen

Dynamische / variotherme Temperierung

Polycarbonat

Kunststoff Werkstoffe

Thermoplaste

Kunststoff-Rezyklat

Das kann sich sehen lassen

Eine Patentanalyse liefert einen Überblick über den Entwicklungsstand der Werkzeugtemperierung und im Besonderen der variothermen Werkzeugtemperierung.

Die variotherme Werkzeugtemperierung mit Infrarotstrahlung hat großes Potenzial, das im industriellen Einsatz aber noch nicht vollends  ausgenutzt wird

16:9

Entwicklungstrends in der dynamischen Temperierung von Spritzgießwerkzeugen

Variothermie im Wandel der Zeit

Die Heißkanalspezialisten Thermoplay und Männer sowie in Teilen auch Synventive stellen ihren Kunden nun einen gemeinsamen Ansprechpartner mit umfassender Expertise und eine zentral gelegene, serviceorientierte Infrastruktur zur Verfügung.

Aufgrund seiner strategischen Lage in der D-A-CH-Region lassen sich die Service-Kapazitäten der Heißkanal-Spezialisten von Thermoplay und der Männer Group am Standort Bahlingen bündeln

Temperiergeräte

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Gießanlagen

Werkzeugwechselsysteme, Spritzgieß

Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung

Spritzgießwerkzeuge

Normalien und Heißkanaltechnik

Komponenten für die Kunststoffverarbeitung

Dienstleistungen

Werkzeug-, Formen- und Modellbau

Heißkanalsysteme

Heißkanaltechnik

Messtechnik

Messung von Umgebung (Klima)

Thermoplay D-A-CH künftig durch Männer Group betreut

Der bis 2025 reichende strategische Ausblick der technotrans SE sieht unter anderem die Zusammenfassung und Umfirmierung einzelner Gesellschaften zur Dachmarke technotrans vor.

Die Bindung zum Dachkonzern soll durch eine Umfirmierung auch nach außen deutlicher werden. Um ein gruppenweit einheitliches Auftreten zu ermöglichen, werden einzelne Gesellschaften zusammengefasst und die Dachmarke technotrans geschaffen.

CAD- und Branchen-Software

Betriebstechnik / Büro-Organisation

Unternehmen

kunststoffe.de

Kunststoffverarbeitung

technotrans schafft Dachmarke für Unternehmensgruppe

Als Tochterunternehmen der Contura MTC GmbH, Menden, übernimmt CycleTemp ab sofort exklusiv den Vertrieb der variothermen Produkte der Wenz Kunststoff GmbH.

Freuen sich auf die erweiterten Vertriebsmöglichkeiten für variotherme Systeme (v.l.): Reiner Westhoff, Jens Schnettler und Thorsten Müller-Schmetz

20:7

Kunststoffverarbeitung allgemein

Temperieren

Wärmebehandlung

Temperaturregler

Sensoren / Messwertaufnehmer

CycleTemp vertreibt variotherme Produkte von Wenz Kunststoff

In der dritten Auflage zieht die Fachmesse trotz leicht rückläufiger Aussteller- und Besucherzahlen eine positive Bilanz.

Drei Stationen, drei Komponenten: Drehtellerwerkzeug für die Bedienblende des Thermomix TM5

Die Moulding Expo entwickelt sich zum Branchen- und Ideenmarktplatz

Instandhaltung

Normalien für die Kunststofffertigung

Normalien

Laserstrukturieren

Laserbearbeitungen

Industrie 4.0 für die Kunststoffverarbeitung

Kaltkanalsysteme

Sensorbestückte Alleskönner

Eine Studie weist die Überlegenheit in den Werkzeugkern integrierter Heatpipes nach – im Vergleich zu herkömmlichen Kühlsystemen wurden geringere Temperaturen im Spritzgießwerkzeug erreicht.

Am einfachen Artikel wird die Leistungsfähigkeit von Heatpipe-Kernen gezeigt.

Heatpipes senken die Kavitätstemperatur ohne zusätzliche Anlagenperipherie

Hotspots ade – ohne  Extra-Energieaufwand

In den Werkzeugkern montierte Einsätze ermöglichen auf einfache Weise eine konturnahe Hotspot-Kühlung. Dieser Ansatz ist erheblich kostengünstiger als additiv gefertigte Kerne.

Kühlkanäle, die konturnah bis in den Hotspot führen, sind mit einfachen spanenden Methoden nicht herstellbar. Mit einem montierten Kühlelement (Mitte) ist es aber möglich.

Einfacher Konstruktionsansatz ermöglicht enorme Kostensenkung in der Werkzeugfertigung

Energie- und Kostenmanagement

Energieeffizienz

Konturnahe Kühlung

Konturnah kühlen für wenig Geld

Der Weg zur energieoptimalen Spritzgießzelle ist oft steinig und unübersichtlich. Erst wenn Transparenz über die einzelnen Verbraucher besteht, kann ein Einsparplan erstellt werden.

Die unterschiedlichsten Maßnahmen helfen beim Energiesparen, doch nicht alle sind für jeden Betrieb gleichermaßen gewinnbringend.

Carbon Busters, Teil 2: Gemeinsam Energieverbräuche erkennen, einordnen und reduzieren

Nachhaltigkeit

Umweltmanagement

Elektrische Antriebe für Spritzgießmaschinen

Antriebe

Elektrische Antriebe

Spritzgießmaschinen

Transparenz als Basis für Energieeffizienz

Über 60 Teilnehmer konnte die Wirth Werkzeugbau GmbH zu ihren Innovationstagen im September begrüßen. Im Zentrum des Programms stand das thermoplastische Schaumspritzgießen – mit einer besonderen Neuheit bei den Maschinenvorführungen.

Geschäftsführer Werner Wirth mit dem im Endlos-Sandwich-Spritzgießen hergestellten Ski

Bei den Wirth-Innovationstagen heißt es „Wissen und Technik live erleben“

Schaumspritzgießen

Werkzeugbau mit Anwendungstechnik

In der vorliegenden Studie wurde die druckabhängige Orientierungsrelaxation durch Variation der Werkzeugtemperatur und des Werkzeuginnendrucks im Rahmen eines neuartigen dynamisch temperierten Spritzprägeprozesses untersucht. Hierzu wurde mittels isothermer pvT-Messungen ein Prozessfenster um den druckabhängigen Glasübergangsbereich abgesteckt, innerhalb dessen die Spritzprägeexperimente erfolgten. Über die Füllphase wurden zunächst gezielt Orientierungen ins Bauteil eingebracht und deren druck- und temperaturabhängige Relaxation während einer isothermen und isobaren Haltephase mittels spannungsoptischer Aufnahmen und Gangunterschiedsmessungen beobachtet. Es konnte eine eindeutige Druck- und Temperaturabhängigkeit der Orientierungsrelaxation gefunden werden, wobei mit zunehmender Werkzeugtemperatur und abnehmendem Werkzeuginnendruck geringere Gangunterschiede infolge von geringeren Orientierungen gemessen werden konnten.

Druckabhängige Orientierungsrelaxation im dynamisch temperierten Spritzprägen

Das gekonnte Zusammenspiel von Bewertungs- und Analysemöglichkeiten bei der Prozesssimulation, die eine Auslegung des optimalen Temperiersystems und einen Vergleich alternativer Herstellungsverfahren einschließt, ebnet den Weg hin zu einem effizienten Produktentwicklungs- und Produktionsprozess.

3D-CAD-Ansicht des konturnahen Temperiersystems für die Spritzgießfertigung einer Blende mit Hochglanzoberfläche.

Vorhersage der Oberflächenqualität von Kunststoffbauteilen mit Hochglanzoberflächen

Spritzgießsimulation

Software

Simulation

Lackieren

Chemisches Bearbeiten (Auftragen)

Qualitätssicherung Kunststoff

Qualitätssicherung

Der Lack ist ab

Simulation von Sigma für die optimierte Werkzeugtemperierung

Temperaturverteilung kurz vor der Entformung: Links die konturnahe Kühlung aus dem 3D-Drucker (nur zur Hälfte sichtbar), rechts die konventionelle Kühlung.

Werkzeugbau

Konventionelle und konturnahe Kühlung im Vergleich

Mit M-Tecs-Magnetspannplatten für den Einsatz bei Arbeitstemperaturen von bis zu 240 °C präsentiert sich die Römheld Rivi GmbH, Hilchenbach, auf der Fakuma. Bislang auf dem Markt erhältliche magnetische Schnellspannsysteme versagen bei Temperaturen über 200 °C auf Dauer. Mit der erhöhten maximalen Arbeitstemperatur lässt sich die Magnetspanntechnik nun auch für Anwendungen in der Spritzgießverarbeitung von Kautschuken oder Hochtemperaturthermoplasten wie Polyetheretherketon (PEEK) und Polyphenylensulfon (PPSU) verwenden. 

Römheld Rivi 

Schnelles Rüsten auch bei hohen Temperaturen 

In den vergangenen Jahren konnte die gwk Gesellschaft Wärme Kältetechnik mbH, Meinerzhagen, Erfahrungen mit ihrer Baureihe weco wd zur Werkzeugtemperierung sammeln. Mit den neu vorgestellten Geräten weco 28 wd und weco 36 wd stehen erstmals Maschinenmodelle mit erhöhter Leistung zur Verfügung. 

gwk 

Dezentrale Werkzeugtemperierung mit erhöhter Leistung 

Ziele des Projekts „GasMold“ konnten in Teilen erreicht werden

Gasbasierende Temperierung von Spritzgießwerkzeugen

Der Anteil der Energie- an den Stückkosten ist im zurückliegenden Jahr enorm gestiegen. Daher hat sich die gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH mit dem Forschungsprojekt GasMold der gasbasierenden Temperierung von Werkzeugen gewidmet – als Alternative zur etablierten variothermen Temperierung. Mit erfolgversprechenden Ergebnissen.

Die Oberfläche eines Spritzgießwerkzeugs mit erhitzen Fluiden zu temperieren hat Vorteile gegenüber gängigen variothermen Verfahren. Dies zeigen erste Ergebnisse des Projekts GasMold.

Steigende Anforderungen an Produktoberflächen lassen sich beim Spritzgießen oft nur durch besonders konditionierte Werkzeugeinsätze in Verbindung mit einer speziellen Temperiertechnik erfüllen. Um den in solchen Fällen hohen optischen Qualitätsansprüchen zu genügen und gleichzeitig nach Kundenvorgabe die Produktionskosten für die spritzgegossenen Bauteile zu reduzieren, müssen die Spritzgießwerkzeuge kontinuierlich technologisch weiterentwickelt werden.

In den zurückliegenden Jahren wurden verschiedene Entwicklungskonzepte umgesetzt, um die Werkzeugtemperierung zu optimieren. Insbesondere im Bereich der sogenannten variothermen Temperierung wurden große Anstrengungen für Weiterentwicklungen unternommen, die heute als etablierte Temperiertechniken im Markt genutzt werden. Somit existieren einerseits technische Umsetzungsmöglichkeiten für qualitativ hochwertige Oberflächen an Spritzgussteilen. Andererseits weist deren Einsatz Nachteile auf.

Dabei sind zunächst die Kosten zu nennen. Techniken für eine dynamische Wechseltemperierung (variotherm) sind teuer, weil die verwendete Heiztechnik, wie Heißdampf, Induktion etc., einen spezifischen konstruktiven Werkzeugaufbau verlangt. In der Regel müssen komplexe Kühl- und Heizkanalstrukturen durch segmentiert aufgebaute Werkzeugeinsätze fertigungstechnisch realisiert werden. Zudem erhöhen variotherme Temperiertechniken die anteiligen Energiekosten bei der Herstellung eines Spritzgussteils, weil die zusätzlich eingebrachte Wärme aus dem Werkzeug abgeführt werden muss. Dynamische Temperierkonzepte sind dann effizient, wenn die Zeitspanne zwischen dem Einbringen der Wärme und deren Abführung aus dem Werkzeug möglichst kurz ausfällt. Das hängt von der verwendeten Heizquelle und von den „unerwünscht“ erwärmten thermischen Massen ab, die im Werkzeug zwangsläufig miterwärmt werden. Dies sorgt zudem für deutlich höhere Energiekosten.

Um diese Nachteile zu beseitigen, hat die KIMW Forschungs-GmbH (KIMW-F) in Zusammenarbeit mit der Meding GmbH aus Halver und dem Lüdenscheider Werkzeug- und Prototypenbau Canto Ing. GmbH ein neuartiges Temperierverfahren entwickelt. Damit ist es möglich, die Werkzeugkavität von innen durch Einleitung eines heißen Gases dynamisch zu temperieren. Dadurch können die eigentlichen Nachteile der marktetablierten variothermen Temperiertechniken eliminiert werden, weil komplexe, segmentierte Werkzeugaufbauten entfallen und lediglich die Randzonen der Werkzeugoberfläche erwärmt werden. Unerwünscht miterwärmte Werkzeugbereiche werden mit diesem Konzept auf ein Minimum reduziert.

Entwicklung eines Konzepts zur gasbasierenden Erwärmung

Im ersten Schritt galt es zu definieren, auf welchem Weg sich Kohlendioxid (CO2) technisch im gasförmigen Zustand grundsätzlich zuführen lässt. In die engere Auswahl für die Zuführung gelangten Nadelverschlussdüsen in Kombination mit Injektoren und Luftventilen sowie spezielle Verteilergeometrien zur Entlüftung als fixierte oder bewegliche Elemente in einem Spritzgießwerkzeug. In den unterschiedlichen Versuchsanordnungen kamen thermische und strömungsmechanische Simulationsverfahren zum Einsatz.

Schnell stellte sich dabei heraus, dass nicht ausreichend thermische Energie in die Werkzeugoberfläche eingebracht werden kann. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden Gaserhitzersysteme des Herstellers Technotrans verwendet (Bild 1), um höhere Masseströme und somit einen höheren thermischen Energieeintrag zu erreichen. Die Forscher legten sowohl die Gaszuführung als auch die Gasverteilergeometrie so aus, dass in der Kavität eine turbulente Strömung vorherrscht. Gleichzeitig wurde die Gasströmung innerhalb des Werkzeugeinsatzes simuliert – mit dem Ziel, die Werkzeugoberflächentemperatur über die Glasübergangstemperatur des jeweils verwendeten Kunststoffs zu erhöhen.

Beim Einbringen unterschiedlicher Gaszuführungen müssen diese auf das Strömungsverhalten in der Kavität ausgelegt werden. Dabei ist darauf zu achten, dass sich das erhitzte Fluid innerhalb der Kavität gleichmäßig verteilt. Mit Nadelverschlussdüsen, Gasinjektoren und einer Gasverteilergeometrie wurden schließlich drei Systeme zur Einbringung untersucht.

Thermische Simulation  des Spritzgießwerkzeugs

Für das Simulationsprogramm Comsol Multiphysics des gleichnamigen Anbieters musste eingangs ein Berechnungsmodell mit variablen Fluideigenschaften gestaltet werden. Die Simulation der Gaszuführung erfolgte zu Beginn. Im nachfolgenden Schritt wurde die Gasverteilung bis zum Entlüftungsspalt berechnet. Aufgrund der feinen Vernetzung der Finite-Elemente-Methode wurde der Entlüftungsspalt (0,02 mm) separat betrachtet. Die Gasaustrittgeschwindigkeit aus dem Entlüftungsspalt bildet dabei die Eintrittsgeschwindigkeit in die Kavität. Bei der Temperaturverteilung in dem Rohrsystem bis zum Gaseintritt konnte ein enormer Wärmeverlust entlang der Gasbohrung bis zur Einleitung in die Verteilergeometrie detektiert werden.

Für verschiedene Heizzeiten erarbeitete das Projektteam erste Simulationsergebnisse. Daraus resultierte die Ableitung einer Temperaturdifferenz auf der Kavitätsoberfläche entlang des Schmelzeflusses von etwa 1 K/cm. Zwar würde die vorhandene Heizleistung die Oberflächentemperatur unter statischen Gesichtspunkten auf das gewollte Niveau erhöhen, jedoch gelingt das nicht bei kürzeren Heizzeiten. Bei einer kürzeren Zeit erhöht sich die Kontakttemperatur der Kunststoffschmelze an der Werkzeugwand um 18 K.

Die gleichen Ergebnisse lassen sich den Dünnschichtsensoren aus den nachgestellten Versuchen entnehmen. Die in den Versuchen erzielten Heizraten reichen allerdings nicht aus, um die Kontakttemperatur über die Erweichungstemperatur des verwendeten Styrol-Acrylnitril-Copolymers (SAN, 107 °C) anzuheben. Die Ergebnisse wurden in den Versuchen mit einem selbst entwickelten keramischen Heizelement ermittelt, das einen Heizgasmassestrom von 8 kg/h aufweist. In den weiterführenden Versuchen kam der Gaserhitzer von Technotrans (Typ: Teco Vario GT) zum Einsatz. Hierbei ergeben sich ähnliche Gaseintrittstemperaturen bei Gasmasseflüssen von 30 kg/h in das Spritzgießwerkzeug.

Die entwickelten Komponenten wurden abschließend in ein Spritzgießwerkzeug integriert (Titelbild), um die Simulationen in der Praxis zu validieren und das Gaserhitzersystem und die Injektoren zu überprüfen. Das System wird mit einer CO2 -Flasche versorgt. Die Zuleitung an das Durchflussmessgerät zur Massestromermittlung ist über einen Druckminderer eingangsseitig angeschlossen, um die verschiedenen Durchflüsse einzustellen. Nachgeschaltet an das Messsystem ist die Zuleitung in das Gaserhitzersystem. Auf der Spritzgießmaschine wurde das isolierte Turboerhitzersystem fest mit dem Versuchswerkzeug verrohrt. Nach Eintritt des Gases in die Kavität zeichnen Thermoelemente die Werkzeugtemperatur auf und wird das Gas über die eingebrachte Entlüftungsgeometrie in der Auswerferseite in das Erhitzersystem zurückgeführt. Somit ist ein Austritt des toxischen und klimaschädlichen Gases ausgeschlossen.

Im Projekt wurde das Werkzeug zunächst über eine systematische Vorgehensweise erstbemustert. Dies dient zur Ermittlung der optimalen Prozessparameter und zur Herstellung von Referenzbauteilen. Bei dem untersuchten Material handelt es sich um ein Kumho SAN 310TR (Hersteller: Kumho Petrochemical). Der Kunststoff zeichnet sich durch eine niedrige Erweichungstemperatur von 107 °C aus, was eine Untersuchung der Oberfläche bei wirtschaftlichen Zykluszeiten für jeden Spritzgießzyklus zulässt.

Die Ermittlung der Masseströme des Heißgases in Abhängigkeit des Versorgungsdrucks markierten den Start. Bei den Referenzbauteilen handelt es sich um im TSG-Verfahren (Thermoplast-Schaumspritzgießen) hergestellte Platten (Bild 2), wobei das Treibgas in der Dosierphase durch die Zersetzung eines chemischen Treibmittels in der Kunststoffschmelze entsteht. Der Vorteil dabei ist, dass der Einfluss der Werkzeugwandtemperatur über dem kompletten Bauteil qualitativ ermittelt wird und somit Rückschlüsse auf die Temperaturverteilung an der Werkzeugoberfläche möglich sind.

Um den Einfluss einzelner Prozessparameter auf die Oberflächenqualität der Bauteile zu ermitteln (Bild 3), wurde zunächst untersucht, wie sich die Heizzeit auswirkt. Die Herstellung der Bauteile erfolgte mit Gasendtemperaturen von 450 °C bei einer Heizzeit von 5 s. Hierbei wiesen die Bauteile einen leichten Schlierenverlauf auf der kompletten Oberfläche auf.

Untersucht wurden in den nachfolgenden Schritten verschiedene Spritzgieß- sowie Fluideinstellungsparameter. Nach der ersten Sichtung der Bauteile wurden die Anforderungen an das Erhitzersystem und die Spritzgießmaschine festgehalten. Ziel der Untersuchung war die Ausarbeitung einer Ergebnismatrix, die den Einfluss der Prozessparameter auf die Bauteilqualität widerspiegelt. Zudem wurden allgemeine Verarbeitungshinweise und Maschinenspezifikationen erarbeitet, die zu einem späteren Zeitpunkt veröffentlicht werden.

Des Weiteren wurden die Energieverbräuche bei partieller Oberflächenoptimierung betrachtet. Hierbei zeigte sich, dass bereits geringe elektrische Anschlussleistungen des Erhitzersystems genügen, um eine lokal begrenzte Schlierenreduktion oder Bindenahtkaschierung zu erzielen. Zwar sind für die Energiekosten noch keine validen Zahlen verfügbar. Das Institut geht aber davon aus, dass diese deutlich sinken werden, weil im Unterschied zur variothermen Temperierung hier nur die Werkzeugoberfläche temperiert werden muss.

Fazit: Temperieren mit erhitzten Fluiden funktioniert

Es ist möglich, die Werkzeugoberfläche mit erhitzen Fluiden variotherm zu temperieren. Dies belegen die vorgestellten Untersuchungen. Es hat sich allerdings gezeigt, dass es mit vordefinierten Berechnungsmodellen nicht möglich ist, strömungsmechanische und thermische Simulationen mit konstanten Fluid- bzw. Materialeigenschaften zu berechnen. Das Simulationsmodell als Eigenentwicklung ist in der Lage, zukünftige Fragestellungen aus diesem Bereich zu interpretieren.

Durch das Simulationsmodell und Know-how zur Nachstellung der durchgeführten Berechnungen können nicht nur neue, sondern auch Bestandswerkzeuge für das Verfahren angepasst werden. Es kann sowohl eine punktuelle Erhitzung mittels Düsen als auch eine vollflächige Temperierung über bestimmte Injektionsgeometrien realisiert werden. Dass eine industrielle Nutzung des Verfahrens nur bei weiterer Optimierung der Peripherieanlage möglich ist, war eine weitere Erkenntnis im Projektverlauf. Das Gaserhitzersystem muss an den Prozessablauf der Spritzgießmaschine angepasst werden. Nicht nur die Anbindung der Peripherie über etablierte Schnittstellen, sondern auch die Regelung der Begasungszeit über Werkzeugtemperaturen sowie eine angepasste konstante Temperaturhaltung werden hierbei den Einsatz für die industrielle Nutzung ermöglichen.

Gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH  

In einer Spritzgießmaschine wurde bei dem Projekt die thermische Simulation nachgestellt.

Bild 1. Um die Werkzeugoberflächentemperatur zu erhöhen, wurden die Versuche mit einem Gaserhitzersystem durchgeführt. Durch diesen Aufbau lassen sich höhere Masseströme und somit ein höherer thermischer Energieeintrag umsetzen.

Bild 2. Für die Versuche wurden Referenzbauteile hergestellt. Das Bild zeigt eine im TSG-Verfahren hergestellte Platte.

Bild 3. Die Untersuchungsergebnisse werden bei der KIMW-F dokumentiert und bewertet. Dabei gelangt modernste Analysetechnik zum Einsatz.

Hauptartikel

Variotherme Temperierung mit heißem Gas in der Werkzeugkavität

Volker Gogoll ist freier Autor und Geschäftsführer der Agentur vogomedia in Meinerzhagen; <a href="mailto:info@vogomedia.de">info@vogomedia.de</a>

Alexander Paskowski ist bei der KIMW-F in Lüdenscheid als Projektingenieur tätig; <a href="mailto:paskowski@kunststoff-institut.de">paskowski@kunststoff-institut.de</a>