efficient cooling system, effiziente Kühlsysteme
24.02.2020

Kühlsysteme beim Kunststoff-Spritzgießen

Effizient auf die richtige Temperatur gebracht

Kühlsysteme spielen beim Kunststoff-Spritzgießen eine große Rolle! Klar, hier bieten sich viele Möglichkeiten zur Optimierung des gesamten Prozesses. Das Ziel: nur so kurz wie nötig kühlen, um die Produktionszyklen möglichst kurz zu halten. Gleichzeitig soll eine möglichst hohe Bauteilqualität dauerhaft gewährleistet sein.

Richtige Temperatur für perfektes Bauteil entscheidend

Kunststoffe reagieren beim Verarbeiten sehr sensibel auf Temperatur. Sie beeinflusst wesentlich das Fließverhalten der Schmelze. Zudem wirkt sie sich auf das Erstarrungsverhalten des Materials aus – und somit auf optische und mechanische Eigenschaften. Die Temperierung hat maßgeblichen Einfluss auf Schwindung und Verzug und damit auf die Maßhaltigkeit von Bauteilen.

Grundsätzlich gilt die Faustformel, dass die Kühlzeit quadratisch mit der Formteildicke steigt. Gerade bei dicken Teilen ist es also nicht von der Hand zu weisen: Die Frage nach der Effizienz ist immer eng verbunden mit dem Faktor Zeit. Bei komplexen Bauteilen ist zudem wichtig, wo genau die Kühlung stattfindet, da sich die Wärme an bestimmten Stellen staut. Eine gleichmäßige Kühlung ist unverzichtbar, um Verzug zu vermeiden und Maßhaltigkeit gewährleisten zu können. Entsprechend der individuellen Anforderungen kommen in Spritzgussprozessen zwei verschiedene Konzepte zur Kühlung zum Einsatz.

1. Werkzeugtechnische Temperierkonzepte

Werkzeugtechnische Temperierkonzepte setzen beim Werkzeug an: oft in Form von geradlinigen Temperierkanälen, die so weit wie erforderlich ins Werkzeug gebohrt werden. Umlenkungen erfolgen über eine i.d.R. um 90 Grad versetzte Bohrung, die die andere Bohrung schneidet. Stopfen sorgen für einen kontrollierten Durchfluss der Kühlflüssigkeit.

Passen die rechtwinkligen Kühlkanäle zur Bauteilform, handelt es sich um eine sehr effiziente Methode, da die Kühlkanäle nah am Bauteil liegen und die Wärme gezielt ableiten können. Schwindung und Verzug werden minimiert. Ein hohes Level von Bauteilqualität lässt sich erreichen.

Eine andere Möglichkeit im Bereich der werkzeugtechnischen Temperierkonzepte ist die konturnahe Kühlung. Hier wird auf andere Verfahren zurückgegriffen, wie das selektive Laserschmelzen, kurz SLS. Es wird dann angewandt, wenn es sich um komplexe innenliegende Strukturen handelt, bei denen Maßhaltigkeit wichtig ist. Dabei entsteht eine 3D-Struktur im Metall – allerdings ist dies nicht praktikabel für das gesamte Werkzeug, sondern nur für Einsätze mit komplexen Temperierkanälen. Eine Variante ist das Vakuumlöten: Dabei werden Temperierkanäle in Platten oder Zylinder eingefräst und und somit eine geschichtete Schalenstruktur mit Kühlkanälen in der Fläche erstellt, etwa für das Innere eines Bechers. Diese Schalen werden anschließend verlötet, um die Dichtigkeit der Kanäle herzustellen.

Um den Prozess zu optimieren, empfiehlt es sich Materialien zu verwenden, die Wärme gut leiten. Sehr häufig kommen hier Kupfer(legierungen) zum Einsatz. Ein mit einem Kühlkanal verbundener Kupferstift beschleunigt ebenfalls den Kühlprozess. Sehr effizient ist auch die Kühlung mit Kältemittel oder flüssigem Kohlenstoffdioxid statt mit Wasser. Da Kältemittel umwelt- und gesundheitsschädlich ist, ist das allerdings eine sehr spezielle und prozesstechnisch aufwendige Lösung.

2. Prozesstechnische Temperierkonzepte

Die bisher beschriebenen werkzeugtechnischen Temperierkonzepte setzen standardmäßig auf eine kontinuierliche Kühlung. Prozesstechnische Temperierkonzepte erweitern das Spektrum: man unterscheidet zumeist drei Varianten

  • Die quasi-kontinuierliche Kühlung: Wenn ein Werkzeug beim Formen nicht zu kalt sein darf – dies ist vor allem bei kleinteiligen Strukturen der Fall – wird während des Einspritzens die Kühlung gestoppt. Dadurch erwärmt sich das Werkzeug zunächst. Sobald das Werkzeug komplett gefüllt ist, wird die Kühlung wieder aktiviert, die Wärme wieder abgeführt.

 

  • Die Kombination von zwei Kühlsystemen mit unterschiedlichen Temperaturniveaus in einem Werkzeug: Durch Schaltung wird beim Einspritzen die heiße Phase aktiviert, die das Formen des Materials erleichtert. Anschließend wird der kühle Teil aktiviert.

 

  • Die dynamische oder variotherme Temperierung: Hierbei wird eine Zusatzheizung verwendet. Dazu wird das Werkzeug geöffnet und Strukturen im Inneren aktiv mittels Infrarot, Laser oder Induktion lokal an den entscheidenden Stellen beheizt. Dann wird das Werkzeug wieder geschlossen und der Kunststoff eingespritzt. Anschließend wird die Wärme mit „normaler“ Temperierung wieder abgeführt.

Fazit

Die Möglichkeiten sind also vielfältig und bieten ein großes Potenzial Zykluszeiten zu verkürzen und Bauteilqualität zu sichern. Bei der Entscheidung für die richtige Temperiermethode sind Simulationssoftwares eine entscheidende Hilfe, denn damit lassen sich zahlreiche Varianten früh in der Entwicklung durchspielen – schon lange vor Abschluss der Konstruktionsphase. Das ermöglicht ein fundiertes Urteil ohne (kosten-)aufwändige Iterationsschleifen mit realen Prototypen.

Materialkombinationen Kunstsstoff Spritzguss

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