Spritzgießen Werkzeugtemperierung energieeffizienter gestalten

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ATE Antriebstechnik und Entwicklungs GmbH & Co. KG

Kunststoffprodukte wie Autoteile oder Verpackungen können mit dem Spritzgussverfahren schnell hergestellt werden. Dafür müssen die Werkzeuge gezielt gekühlt oder erwärmt werden, was viel Energie erfordert. Ein Team der TH Köln hat nun einen Weg gefunden, wie man die Temperierung der Spritzgussteile besser reguliert und Energie spart.

Beim Spritzgießen wird Kunststoffgranulat geschmolzen und in eine Gussform innerhalb eines Werkzeugs gebracht. Darin kühlt die Kunststoffschmelze ab und erhält die gewünschte Form. Doch Spritzgießen ist mit einem hohen Energieverbrauch verbunden. Mit effektiveren hydraulischen oder elektrischen Antrieben beim Einspritzen konnte der Energieverbracu zwar reduziert werden. Verbesserungspotential besteht noch beim Temperiersystem. Dieses soll ein konstantes Temperaturniveau sicherstellen, damit die Spritzgussteile gleichmäßig abkühlen und der Prozess stabil ist. „Ein optimierter Wärmeübergang zwischen Kunststoff und Werkzeug ist ein großer Hebel für Energieeinsparungen“, betont Projektleiter Prof. Dr. Denis Anders vom Institut für Allgemeinen Maschinenbau der TH Köln.

Wärmeübergang in Temperierungssystemen optimieren

Im Forschungsvorhaben „OptiTemp“ untersuchten nun Prof. Dr. Denis Anders und sein Team nun, wie der Wärmeübergang in Temperierungssystemen optimiert und damit die Wirtschaftlichkeit gesteigert werden kann. Hierzu wurden zwei Möglichkeiten untersucht, welche das Temperiersystem des Werkzeugs für den Spritzgießprozess energieeffizienter machen sollen.

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.

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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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