Temperierung von Spritzgusswerkzeugen durch vollständig integrierte induktive Beheizung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Üblicherweise wird beim Kunststoffspritzguss unter Temperierung eine Kühlung verstanden, um die Wärmeenergie der Schmelze abzuführen. Neue Anwendungen erfordern eine variotherme Temperaturführung. Das Werkzeug wird vor dem Einspritzen aufgeheizt und danach wieder abgekühlt. Diese variotherme Temperierung kann durch eine induktive Werkzeugtemperierung realisiert werden. Dabei wird die Wärme durch Wirbelströme direkt im Metall erzeugt. Gegenüber Konvektion und Wärmeleitung ist die übertragbare Wärmestromdichte um ein Vielfaches höher. Ziel dieses Forschungsvorhabens war deshalb die Untersuchung und Realisierung einer vollständig in das Spritzgießwerkzeug integrierten induktiven Temperierung und die Erarbeitung von Auslegungshilfen für den integrierten Aufbau des Temperiersystems. Dazu wurden verschiedene Varianten eines vollständig integrierten induktiven Werkzeugheizsystems simuliert, aufgebaut und untersucht. Das verwendete Auslegungsprinzip einer prognostizierenden FEM-Simulation erwies sich hierbei als ein geeignetes Mittel, das Verhalten des induktiven Systems im Prozess vorherzusagen und zu optimieren. Die Realisierung eines prozesssicheren Systems enwies sich insbesondere durch die Integration vieler, sich gegenseitig beeinträchtigender Funktionsträger als aufwendig und problematisch. Insbesondere ergaben sich Herausforderungen bezüglich Abdichtung des Systems, Materialauswahl (widersprüchliche Forderungen nach Korrosionsbeständigkeit und Konzentration des Magnetfeldes) und elektrischer Isolation. Mit Hilfe eines innen gekühlten integrierten Induktors konnte letztlich ein System realisiert werden, dass den Anforderungen der Massenfertigung gerecht wird. Es besteht aus einem mäanderförmigen Induktor aus rechteckigen Rohrabschnitten. Die Kühlung des Induktors erfolgt durch im Rohrquerschnitt fließendes Kühlwasser und ist somit systematisch von der Formplatte getrennt. Der Induktor selbst wird in einem Kanal in definiertem Abstand von der Formplatte isoliert geführt. Das Potential der vollständig integrierten induktiven Temperierung konnte damit nachgewiesen werden. Selbst Fließweglängen von über 900 mm bei einem Fließwegquerschnitt von 1 mm x 3 mm wurden prozesssicher realisiert. Die realisierten Heiz- und Prozesszeiten sind zwar systembedingt höher als bei vergleichbaren externen induktiven Systemen, können jedoch gegenüber den in der Industrie etablierten variothermen Systemen wie dem Ölvariotherm-Verfahren stark reduziert werden. Im Rahmen dieses Projektes konnte somit sowohl die Realisierbarkeit als auch eine wirtschaftliche Nutzung einer vollständig integrierten induktiven Erwärmung nachgewiesen werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Optimierter Energieeinsatz durch induktive Erwärmung von Spritzgießwerkzeugen - FEM unterstützte Auslegung von induktiven Heizungssystemen. Vortrag, 20. Stuttgarter Kunststoffkolloquium, 14./15.3.2007, Tagungsband
Zülch, M.; Burkard, E.; Schinköthe, W.
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Simulativ gestützte Auslegung von induktiven Werkzeugheizsystemen im Kunststoffspritzguss. Festschrift 40 Jahre IKFF mit Jahresbericht 2007, Universität Stuttgart, IKFF, Februar 2008
Zülch, M.
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Anwendungsgebiete der induktiven Erwärmung im Bereich der Kunststoffverarbeitung. Vortrag 21. Stuttgarter Kunststoffkolloquium, 18./19.3.2009, Tagungsband, ISBN 978-3-00-026368-2
Schinköthe, W.; Zimmermann, T.; Zülch, M.
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Nutzung der variothermen Prozessführung bei der Herstellung von Bipolarplatten. 2. Workshop AiF - Brennstoffzellenallianz. Zentrum für Brennstoffzellentechnik Duisburg, Duisburg, 17.2.2009
Schinköthe, W.; Preißner, L.; Witt, G.; Zimmermann, T.; Zülch, M.
