Sparsamer Spritzgießen Kölner Forscher denken die Werkzeugtemperierung neu

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Das Spritzgießen von Kunststoffen ist ein sehr etablierter Prozess. Wichtig dabei ist nicht nur die Maschine sondern auch die richtige Temperierung des Spritzgießwerkzeugs. Dazu gibt es jetzt Neues.

Beim Spritzgießen wird in der Regel rieselfähiges Kunststoffgranulat per Plastifizierschnecke aufgeschmolzen und dann mit hohem Druck in das Spritzgießwerkzeug injiziert, in dem sich die formgebenden Konturen befinden. Im Werkzheug kühlt die Kunststoffschmelze ab und es entsteht ein einsatzfähiges Kunststoffteil. Das Werkzeug öffnet sich nach dem Abkühlphase und das fertige Bauteil wird über Stifte aus der Form gestoßen. Doch das Spritzgießen braucht relativ viel Energie. Zwar konnten Maschinenbauer in den vergangenen Jahren durch effektivere hydraulische oder elektrische Antriebe den Energiebedarf für die Maschinenbewegungen reduzieren, doch besteht beim Temperiersystem für das Spritzgießwerkzeug, das ein konstantes Temperaturniveau sicherstellen soll, noch Nachholbedarf. Vor allem kommt es auf einen möglichst effizienten Wärmeübergang zwischen Kunststoffschmelze und Werkzeugoberfläche an, wodurch sich viel Energie einsparen lässt, sagen Forscher der Technischen Hochschule Köln, die sich mit der Verbesserung der Werkzeugtemperierung momentan befassen.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens „OptiTemp“ wurden bereits zwei Möglichkeiten untersucht, welche das Temperiersystem des Werkzeugs für den Spritzgießprozess energieeffizienter machen sollen.

Zwei Chancen, den Spritzgießprozess energieeffizienter zu machen

Der erste Ansatz sieht vor, statische Mischer im Kühlkanal einzusetzen. Diese werden als spiralförmige Bauteile aus Metall oder Draht beschrieben, die das als Kühlflüssigkeit verwendete Wasser quasi verwirbeln. Durch die Turbulenz wird mehr kühles Wasser an die warmen Bereiche des Werkzeugs, in denen die Kunststoffschmelze abkühlt, bewegt, was den Kühlprozess beschleunigt, erklären die Experten. Zugleich vergrößert sich die Kontaktfläche zwischen der Kühlflüssigkeit und der Innenwand, wodurch die Temperatur ebenfalls besser und vor allem schneller angepasst werden kann.

Beim zweiten Ansatz wurden die Auswirkungen einer pulsierenden Strömung untersucht. Dabei variierten die Wissenschaftler sowohl die Strömungsgeschwindigkeit als auch die Strömungsrichtung des Wassers. Das geschah zum Beispiel durch den Einsatz einer speziell entwickelten Pulsationspumpe, um Ablagerungen im Kanal (Kalk oder organische Beläge) zu verringern, die den Wärmeübergang reduzieren. Das theoretisch sinnvolle Vorgehen konnte dem Projektteam zufolge experimentell jedoch noch nicht abschließend validiert werden.

Zielkonflikt Wärmeübergang versus Druckverlust

Um die Wirksamkeit der statischen Mischer des ersten Ansatzes im Kühlkanal zu evaluieren, entstand im Labor für Strömungslehre am Campus Gummersbach ein Prüfstand, wie es weiter heißt. Mit diesem wurden strömungsmechanische Zielparameter wie das Mischverhalten und induzierte Druckverluste untersucht. Im Ergebnis habe man mithilfe der statischen Mischer Energieeinsparungen von bis zu 25 Prozent erzielen können, wie die Kölner betonten. Die ermittelten Werte variierten aber je nach Konfiguration des Kühlsystems, des Werkstoffs des Spritzgießwerkzeugs sowie der Durchflussrate des Kühlmediums.

Zudem ist ein Zielkonflikt zu berücksichtigen. Dabei geht es darum, dass ein verbesserter Wärmeübertragung aus energetischer Sicht leider mit einem erhöhten Druckverlust einhergeht. Dieser entsteht durch den Einbau der statischen Mischer in den Kühlleitungen. Um die Strömung im Temperierkanal so gut wie möglich anzutreiben, sind deshalb stärkere Pumpen erforderlich, die aber wieder mehr Energie verbrauchen. Leider konnte kein optimales Ergebnis für beide Ziele gleichzeitig erreicht werden. Deshalb muss der Effizienzgewinn beim Wärmeübergang die höheren Energiekosten übersteigen, so die Forscher. Auf Basis der Ergebnisse der Versuchsstände wurde schließlich ein Simulationsmodell für die Konfiguration von Spritzgießwerkzeugen erstellt.

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