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IKFF der Universität Stuttgart

Induktive Werkzeugtemperierung optimiert einsetzen

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Gezielte Temperaturführung im Werkzeug

Um zu verhindern, dass die Temperatur in nicht gewünschte Bereiche abfließt, werden zur thermischen Isolierung Spalte von der Rückseite der Werkzeugplatte her angebracht. Diese werden je nach Anforderung durch die Bauteilgeometrie entweder den Induktor oder den gesamten Kavitätsbereich umrahmend gestaltet. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass die Wärme im gewünschten Bereich rund um die Induktoren erzeugt wird, zunächst aber nur in Richtung Kavität abfließen kann. Erst mit Überwinden der Luftspalte verteilt sich die Energie vorerst sehr kavitätsnah auf die umliegende Werkzeugplatte. Mit Hilfe einfacher Versuchsgeometrien wurde eine solche Luftspaltanordnung im Vergleich zu einer herkömmlichen Induktoranordnung untersucht. Dabei wurde eine Verbesserung der Erwärmungszeit um circa 60 % festgestellt. Daraus resultierend ergibt sich durch die gezielter eingebrachte Wärmeenergie ebenfalls eine Verringerung der Kühlzeit in gleichem Maße.

Abschirmung der Randbereiche

Durch den isolierenden Spalt um den Kavitätsbereich auf der Rückseite der Werkzeugplatte kann zwar die Wärme zunächst in Richtung Kavität geleitet werden, allerdings werden alle im Feldbereich des Induktors liegenden Werkzeugbereiche erwärmt. Um induktornahe Regionen, wie etwa Zuleitungsbereiche, von der Erwärmung auszunehmen, werden üblicherweise die Abstände zwischen Induktor und ferromagnetischem Material vergrößert, so dass weniger bis gar keine Wirbelströme mehr in das ferromagnetische Material induziert werden können. Im Bereich der Induktorzuleitungen bei Werkzeugplatten, also den Randbereichen um den Kavitätsbereich, ist dies lediglich durch eine Vergrößerung der Bohrungsdurchmesser möglich. Allerdings kann dabei der Bohrungsdurchmesser sowohl aus Platz- als auch Festigkeitsgründen nicht unendlich groß werden. Somit liegt nach wie vor Material im Feldbereich, wodurch es, wenngleich auch in etwas geringerem Maße, weiterhin zu einer unerwünschten Erwärmung der Randbereiche kommt.

Wirbelströme verlustarm leiten

Mithilfe von gut leitfähigen Oberflächenbeschichtungen, wie zum Beispiel Kupferschichten, lassen sich Wirbelströme „auffangen“ und verlustarm in die gewünschten Bereiche leiten. Dabei müssen diejenigen Teile des Werkzeugs beschichtet werden, welche im Feldbereich liegen, aber nicht erwärmt werden sollen. Die in sich kurzgeschlossenen Wirbelströme werden dann in das gut leitfähige Material induziert und aufgrund des Skineffekts innerhalb dieser Schicht entgegen der Ursache, also axial zum Induktor, verlustarm geführt. Die Oberflächenbeschichtung muss mindestens die Dicke der Skintiefe besitzen, da ansonsten Teile der induzierten Wirbelströme im Material mit höherem ohmschen Widerstand fließen, was wiederum eine Erwärmung der unerwünschten Bereiche verursacht. Unterbricht man die Beschichtung an der Stelle wo die Erwärmung gewünscht ist, fließen die Wirbelströme über ein Material mit höherem ohmschen Widerstand, wodurch in diesem Areal eine Erwärmung erzeugt wird. Bild 2 zeigt die prinzipielle Gestaltung zu einer solchen Führung der Wirbelströme.

Bild 2: Beispielhafte Darstellung der Funktionsweise der Wirbelstromführung durch gut leitfähige Oberflächenbeschichtungen. In Anlehnung an [1].
Bild 2: Beispielhafte Darstellung der Funktionsweise der Wirbelstromführung durch gut leitfähige Oberflächenbeschichtungen. In Anlehnung an [1].
(Bild: IKFF der Universität Stuttgart )

Dabei werden die Wirbelströme entlang der Beschichtung geführt bis sie sich über den kleinen im Inneren liegenden Spalt sowie über die Oberfläche kurzschließen. Im unbeschichteten Spalt fließen sie somit über ein Material mit höherem ohmschen Widerstand. Dabei entsteht im Spaltbereich durch höhere Verluste eine Erwärmung. [1]

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