IKFF der Universität Stuttgart Induktive Werkzeugtemperierung optimiert einsetzen

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Andreas Maucher und Prof. Dr.-Ing Wolfgang Schinköthe / Peter Königsreuther

Die elektromagnetische Induktion kann Spritzgießwerkzeuge schnell und gezielt erwärmen. Forscher am Institut für Konstruktion und Fertigung in der Feinwerktechnik (IKFF) der Uni Stuttgart arbeiten jetzt an der Optimierung dieser Technik.

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Induktive Werkzeugtemperirung beim Spritzgießen: Durch geeignete konstruktive Anpassungen der Kavitätsplatte lässt sich die Gestaltung der zur elektromagnetischen Erwärmung notwendigen Induktionsspulen vereinfachen. Im Bild ist die Erwärmung auf den mittleren Werkzeugbereich beschränkt, obwohl die Induktoren in Form einfacher gerader sowie durchgängiger Kupferrohre ausgeführt sind.
Induktive Werkzeugtemperirung beim Spritzgießen: Durch geeignete konstruktive Anpassungen der Kavitätsplatte lässt sich die Gestaltung der zur elektromagnetischen Erwärmung notwendigen Induktionsspulen vereinfachen. Im Bild ist die Erwärmung auf den mittleren Werkzeugbereich beschränkt, obwohl die Induktoren in Form einfacher gerader sowie durchgängiger Kupferrohre ausgeführt sind.
(Bild: IKFF der Universität Stuttgart)

Beim thermoplastischen Kunststoffspritzgießen gibt es unterschiedliche Arten der Werkzeugtemperierung. Üblicherweise werden die Werkzeugformen isotherm, also mit einer konstanten Temperatur erwärmt. Oft reicht das durch die steigenden Anforderungen an die Bauteilqualität sowie die immer komplexer werdenden Konturen nicht mehr aus. Für Bauteile, an welche besondere Anforderungen gestellt werden, ist daher ein variothermer, also temperaturveränderlicher Spritzgießprozess notwendig.Am Institut für Konstruktion und Fertigung in der Feinwerktechnik (IKFF) an der Universität Stuttgart liegt einer der Forschungsschwerpunkte im Bereich der variothermen Temperierung mithilfe der elektromagnetischen Induktion.

Bei diesem Verfahren bildet sich ein elektromagnetisches Wechselfeld um einen von hochfrequentem Wechselstrom durchflossenen Leiter aus. Bringt man ein ferromagnetisches Material in dieses Wechselfeld, werden darin Wirbelströme induziert. Diese Wirbelströme werden über den Ohmschen Widerstand des Materials in Wärme umgewandelt.

Externe oder interne Induktoranordnung

Im praktischen Einsatz in Spritzgießwerkzeugen lassen sich durch die folglich erhöhte Werkzeugtemperatur die Oberflächenqualität aber auch Bindenahtsproblematiken verbessern. Des Weiteren können durch das bessere Fließverhalten des Kunststoffes bei höherer Werkzeugtemperatur Bauteile mit dünnen Wandstärken und hohen Aspektverhältnissen hergestellt werden. Je nach Anforderung können die Induktoren im Werkzeug verschieden angeordnet werden. Dabei unterscheidet man unter anderem in eine externe sowie eine interne Anordnung (Bild 1 - zum Vergrößern bitte anklicken).

Bild 1: Prinzipielle Darstellung einer externen (links) sowie einer internen (rechts) Induktoranordnung zur Werkzeugtemperierung im Spritzgießprozess.
Bild 1: Prinzipielle Darstellung einer externen (links) sowie einer internen (rechts) Induktoranordnung zur Werkzeugtemperierung im Spritzgießprozess.
(Bild: IKFF der Universität Stuttgart)

Bei der externen Induktoranordnung (Bild 1 links) wird der Induktor unmittelbar vor der zu erwärmenden Kavität platziert, wodurch die Energie direkt an der Oberfläche eingebracht werden kann. Allerdings ist in diesem Fall eine Vorrichtung zum Ein- und Ausfahren des Induktors bei geöffnetem Werkzeug notwendig. Bei dieser Variante kann demzufolge nur bei geöffnetem Werkzeug Heizenergie eingebracht werden. Dadurch ist eine überhöhte Energieeinbringung an der Oberfläche nötig, da die Wärme sich während des Schließens des Werkzeugs bereits durch Wärmeleitung in alle Richtungen im Werkzeug verteilt.

Bei der internen Induktoranordnung werden die Induktoren, wie in Bild 1 rechts verdeutlicht, hinter der Kavität in die Werkzeugplatte eingebracht. Dadurch ist es möglich, unabhängig vom Maschinenzyklus Energie einzubringen. Allerdings muss durch die Anordnung hinter der Kavität eine kurze Wärmeleitstrecke überwunden werden. Die Wärme verteilt sich in dieser Zeit nicht nur in Richtung Kavität sondern in alle Richtungen, wodurch bei dieser Variante Energie auch in Bereiche gelangt, in denen keine Erwärmung notwendig ist. Dadurch wird unnötig wertvolle Energie sowie Zykluszeit bis zum Erreichen der gewünschten Oberflächentemperatur aufgewendet.

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.

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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]

Deutlich effizientere Werkzeugtemperierung

In der praktischen Anwendung lässt sich eine solche Optimierung der induktiven Temperierung einer Werkzeugplatte wie in Bild 3 dargestellt realisieren. Dabei werden alle Bereiche in induktornähe, in denen keine Erwärmung gewünscht ist, mit Kupfer beschichtet. Die Kupferschicht umfasst dabei sowohl den nicht zu erwärmenden Teil der Induktorkanäle als auch die äußere Fläche der Platte, so dass die Wirbelströme verlustarm rund um die Werkzeugplatte fließen können.

Bild 3: Geschlitzte und mit Kupfer beschichtete Kavitätsplatte mit Viertelschnitt.
Bild 3: Geschlitzte und mit Kupfer beschichtete Kavitätsplatte mit Viertelschnitt.
(Bild: IKFF der Universität Stuttgart)

Außerdem, wie bereits vorgestellt, wird der Kavitätsbereich von der Rückseite her mit einem Luftspalt umrahmt. Dieser Luftspalt dient hierbei einerseits zur thermischen Führung, andererseits auch zur Unterbrechung der Kupferschicht, so dass sich die Wirbelströme im Bereich des Spalts über den Stahl, also das Material mit einem höheren ohmschen Widerstand, kurzschließen und eine zusätzliche Erwärmung des Kavitätsbereichs generieren.

Gezielterer Energieeintrag in die Kavitäten

Simulationen eines Viertels der in Bild 3 dargestellten Werkzeugplatte zeigen deutlich den Vorteil einer solchen Werkzeuggestaltung. In Bild 4 ist deshalb ein Vergleich einer Anordnung mit Luftspalt und Kupferbeschichtung (oben) zu einer Anordnung mit vergrößerten Bohrungen in den Randbereichen (unten) aufgezeigt. Dabei ist zu sehen, dass trotz vergrößerten Bohrungen noch eine starke Erwärmung im Zuleitungsbereich entsteht, welche für die Erwärmung des Kavitätsbereichs nicht notwendig ist. Es wird entlang der gesamten Länge der Induktoren eine Erwärmung erzeugt, welche sich unmittelbar in alle Richtungen auf die Werkzeugplatte und damit auf das gesamte Werkzeug ausbreitet. Diese weit verteilte Wärme muss dem Material bei der anschließend notwendigen Kühlung wieder entzogen werden, was unnötige Zykluszeit kostet. Im Gegensatz dazu, sieht man in Bild 4 oben deutlich, wie sich die Erwärmung auf den mittleren Bereich konzentriert. Somit wird insgesamt weniger Energie in unerwünschte Bereiche eingebracht. Bei der anschließend notwendigen Kühlung muss dem Material die Wärme nicht über weite Strecken hinweg entzogen werden, wodurch wertvolle Zykluszeit eingespart werden kann.

Bild 4 vergleicht die thermischen Simulationen einer Werkzeugplatte mit Luftspalt und Kupferbeschichtung mit einer Anordnung, die im Zuleitungsbereich vergrößerte Bohrungen aufweist.
Bild 4 vergleicht die thermischen Simulationen einer Werkzeugplatte mit Luftspalt und Kupferbeschichtung mit einer Anordnung, die im Zuleitungsbereich vergrößerte Bohrungen aufweist.
(Bild: IKFF der Universität Stuttgart)

Auf die Kontur fokussiert bleiben

Mithilfe von Temperatursensoren jeweils in der Mitte und im Randbereich der beiden Konzepte soll der unterschiedliche Temperaturverlauf noch einmal deutlich gemacht werden. Die Sensoren in der Mitte werden nahezu gleich warm. Im Randbereich ist die unterschiedliche Erwärmung markant, da bei der unbeschichteten Platte die Temperatur nur wenig geringer ist als in der Mitte. Bei der beschichteten Platte hingegen liegt die Temperatur nur wenig über der Umgebungstemperatur (Bild 5).

Bild 5: Vergleich der Erwärmung zweier Temperatursensoren im mittleren sowie seitlichen Werkzeugbereich bei beschichteter und unbeschichteter Werkzeugplatte.
Bild 5: Vergleich der Erwärmung zweier Temperatursensoren im mittleren sowie seitlichen Werkzeugbereich bei beschichteter und unbeschichteter Werkzeugplatte.
(Bild: IKFF der Universität Stuttgart.)

Für eine effiziente variotherme Temperierung von Spritzgießwerkzeugen ist es auch bei schnellen und gezielten Verfahren wie der elektromagnetischen Induktion wichtig, unnötige Bereiche von der Erwärmung auszunehmen. Durch eine dem Bauteil angepasste Temperaturführung mittels isolierender Spalte um den zu erwärmenden Bereich sowie einer Führung der Wirbelströme in die gewünschten Bereiche mit Hilfe gut leitfähiger Oberflächenbeschichtungen lässt sich die eingebrachte Energie und damit auch die anschließend notwendige Kühlzeit stark reduzieren.

Quellen:

[1] DE102016102415A1: Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von Werkstücken aus Kunststoff (2017), Maucher, A., Retzbach, A., Schinköthe, W.

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