Untersuchung variothermer Werkzeugtemperierung mittels Infrarotstrahlung im Spritzgießprozess

Ausgehend von einer Analyse und Bewertung des Standes der Technik eingesetzter Temperiertechnologien zur variothermen Werkzeugtemperierung im Spritzgießprozess wurden im Rahmen dieser Arbeit Anforderungen an variotherm temperierte Spritzgießwerkzeuge definiert. Wesentlich sind dabei Kriterien, die die Temperaturwechseldynamik beeinflussen, die Möglichkeit zur Integration in den automatisierten Spritzgießzyklus und die Homogenität der resultierenden Temperaturverteilung. Ausgehend von den Anforderungen wurden Werkzeugkonzepte entwickelt und zueinander bewertet. Das gewählte Werkzeugkonzept stellt eine Kombination aus der Erwärmung mittels Infrarotstrahlung durch Halogenstrahler in Kombination mit einem Wasserkühlsystem dar. Um die zu temperierenden Massen zu minimieren und damit die Temperaturwechseldynamik zu erhöhen, wurden die feste und bewegliche Werkzeughälfte jeweils in einen Werkzeugaufsatz und einen Werkzeugeinsatz geteilt, die im geöffneten Zustand keinen Kontakt zueinander haben und durch einen Luftspalt voneinander thermisch isoliert sind. Die Werkzeugaufsätze bilden dabei die für die Formgebung kritischen Bereiche ab. In den Werkzeugeinsätzen sind jeweils Kühlkanäle eingelassen, wodurch diese permanent mit Kühlwasser durchströmt werden. Im geöffneten Zustand des Werkzeuges erfolgt die Erwärmung der Werkzeugaufsätze durch die rückseitige Bestrahlung durch die Halogenstrahler. Diese sind in den Werkzeugeinsätzen eingelassen. Durch diese integrative Bauweise kann der Prozessschritt des Aufheizens zyklusparallel zu anderen Werkzeugfunktionen und -bewegungen (Öffnen, Schließen, Auswerfen) erfolgen. Beim Schließen des Werkzeuges wird der isolierende Luftspalt geschlossen und es kommt zu einer Kühlung der Werkzeugaufsätze durch den Kontakt zu den im Verhältnis kälteren Werkzeugeinsätzen. Wärmeenergie, die nicht sofort vom Kühlsystem abgeleitet werden kann, wird zunächst im Werkzeugeinsatz gespeichert und vom Kühlsystem herausgetragen, sobald der Kontakt zum jeweiligen Werkzeugaufsatz wieder aufgehoben wird. Dadurch kann auch ein Teil der Kühlzeit zyklusparallel erfolgen. Das entwickelte Werkzeugkonzept wurde in ein Versuchswerkzeug übertragen, mit dem Fertigungsversuche durchgeführt wurden. Zunächst erfolgte die Untersuchung, ohne Kunststoffschmelze in die Kavität zu injizieren, um die Temperaturwechseldynamik unabhängig vom Einfluss der transportierten Energie der heißen Kunststoffschmelze zu quantifizieren. Es konnten eine Aufheizrate von bis zu Ṫ_Heiz=4,2 K/s und eine Abkühlrate von bis zu Ṫ_Kühl=2,7 K/s erzielt werden. Danach wurden Fließspiralen zur Überprüfung des Einflusses erhöhter Werkzeugtemperaturen auf die Formfülleigenschaften gefertigt. Es konnte nachgewiesen werden, dass mit steigenden Werkzeugtemperaturen insbesondere nahe oder innerhalb des Schmelztemperaturbereiches des verarbeiteten Kunststoffes erreichbare Fließweglängen bei sonst gleichen Verarbeitungsparametern zunehmen. Die Evaluation der Homogenität der Temperaturverteilung kann systemisch bedingt nicht durch eine vollständige Messung der entsprechenden Werkzeugteile erfolgen. Aus diesem Grund wurde ein Simulationsmodell entwickelt, mit dessen Hilfe die Prozessschritte des Aufheizens und des Abkühlens der Werkzeugein- und -aufsätze der festen und beweglichen Werkzeughälften numerisch nachgebildet werden können. Mithilfe des Simulationsmodells kann zu jedem beliebigen Zeitpunkt die Verteilung der Temperaturen an den Oberflächen, aber auch im Inneren der Werkzeugteile bestimmt werden. Die numerisch bestimmte Verteilung nach dem Ende des Aufheizens auf eine Zieltemperatur von 240 °C an den Messstellen wurde herangezogen, um die Homogenität entlang der Kavität der Fließspirale zu quantifizieren. Etwa die Hälfte der Kavität liegt im Bereich von Δϑ=± 8,6 °C um den Mittelwert von ϑ=263,5 °C und erzielt damit eine vergleichbar homogene Temperaturverteilung wie andere Aufheiztechnologien (Wasser, Heißluft).