Die induktive Zusatztemperierung von Spritzgusswerkzeugen ist bereits seit Mitte der 90er Jahre zentrales Forschungsthema am Institut für Konstruktion und Fertigung in der Feinwerktechnik (IKFF) der Universität Stuttgart und wird seitdem kontinuierlich weiterentwickelt [1]. Grundsätzlich lassen sich induktiv beheizte Spritzgusswerkzeuge in drei unterschiedliche Bauformen unterteilen, je nach Lage des Induktors relativ zum Werkzeug. Somit lassen sich Werkzeuge mit externer, halbintegrierter und vollständig integrierter induktiver Heizung unterscheiden.
Externe induktive Beheizung
Bei der externen induktiven Werkzeugheizung wird ein an die Kavitätsgeometrie angepasster, meist spiralförmiger Induktor im geöffneten Werkzeug mittels eines geeigneten Handlingsystems in einem definierten Abstand vor der Kavität positioniert. Bewährt haben sich hier zwangsgeführte Koppelgetriebe, die auf beide Aufspannplatten montiert werden und den Induktor während der Schließbewegung automatisch aus dem Werkzeug ziehen (Bild 1).
Die Wärme wird dabei direkt in der Kavitätsoberfläche generiert (Bild 2). Damit sind, abhängig vom erwärmten Volumen und der Generatorleistung, Heizraten von bis zu 60 K/s möglich [2].Üblicherweise wird auf diese Art nur eine Kavitätshälfte erwärmt. Um zum Zeitpunkt des Einspritzens an der Kavitätsoberfläche eine bestimmte Temperatur zu erreichen, muss die Oberfläche höher aufgeheizt werden, damit der Abkühlvorgang während des Schließvorgangs kompensiert werden kann. Die externe induktive Temperierung ist ein bewährtes System, welches seit Jahren erforscht und eingesetzt wird [3].
Der große Vorteil dieses Systems besteht darin, dass es ohne große konstruktive Änderungen für bereits bestehende Werkzeuge nachgerüstet und damit sehr schnell und flexibel eingesetzt werden kann, um den Effekt der induktiven Beheizung auf die Prozessparameter und die Bauteilqualität zu untersuchen. Durch das Heizen bei geöffnetem Werkzeug verlängern sich unter Umständen die Zykluszeiten, da ein zusätzlicher Prozessschritt notwendig wird. Allerdings konnte in zahlreichen Versuchen nachgewiesen werden, dass sich die Heizzeiten bei der induktiv-variothermen Prozessführung gegenüber beispielsweise der Fluidtemperierung drastisch verkürzen lassen, wodurch sich letztlich eine VerkürzungderZykluszeitenergibt [4]. Das externe System eignet sich lediglich für flächige, ebene Kavitäten ohne ausgeprägte Topologie.
Integrierte induktive Beheizung
Die aktuellen Entwicklungen gehen dahin, den Induktor fest in das Werkzeug zu integrieren (Bild 3). Dabei wird der Induktor von hinten unmittelbar hinter der Kavität in die Werkzeugplatte integriert. Gegenüber Werkzeugen mit externer induktiver Temperierung bedeutet dies einen erheblichen konstruktiven Mehraufwand, da der Induktor und sämtliche zugehörigen Versorgungszugänge (Kühlwasser und elektrische Zuleitungen) sowie die Lage der Auswerfer von Anfang an bei der Konstruktion berücksichtigt werden müssen. Die Heizraten sind gegenüber Werkzeugen mit externer induktiver Erwärmung geringer, da die Kavitätsoberfläche indirekt über Wärmeleitung von hinten erwärmt wird.
Trotz des Mehraufwands bei der Werkzeugherstellung bietet die integrierte induktive Erwärmung gegenüber dem externen System einige entscheidende Vorteile. Aufgrund der Wärmeleitung ist eine wesentlich homogenere Erwärmung selbst großer, komplex strukturierter Kavitäten mit ausgeprägter dreidimensionaler Topologie möglich, als dies mit einem externen Induktor der Fall ist. Zudem erlaubt das integriert-induktive System ein Beheizen beider Werkzeughälften, auch während des Einspritzvorgangs bis hinein in die Nachdruckphase (Bild 4). Über kavitätsnah eingebrachte Thermoelemente ist außerdem ein geregelter Temperaturverlauf mit einem bestimmten Aufheizprofil möglich.
Halbintegrierte induktive Beheizung
Eine dritte Variante bilden Werkzeuge mit halbintegrierten Induktoren (Bild 5). Bei dieser „Mischform“ ist der Induktor zwar wie beim integrierten System fester Bestandteil des Werkzeugs, der Induktor ist dabei aber ähnlich wie beim externen System nicht in die Werkzeugplatte integriert, sondern umschließt das komplette Werkzeugbzw.denKavitätseinsatz[1]. Nachteilig bei diesem System ist, dass sehr große Volumina beheizt werden müssen, was die Heiz- und Kühlzeiten verlängert [6–7].
Ergebnisse und aktuelle Forschung
Die induktive Erwärmung im Spritzguss stellt speziell für Bauteile oder Compounds, welche sich mit isothermer Werkzeugtemperierung nicht oder nur mit erheblichem Prozessaufwand verarbeiten lassen, ein vielversprechendes Verarbeitungsverfahren dar. Insbesondere mit der externen induktiven Beheizung wurden in zahlreichen Industrie- und öffentlich geförderten Forschungsprojekten sehr gute Ergebnisse erzielt. Aber auch die vollständig integrierte induktive Heizung gewinnt zunehmend an Bedeutung.
Das große Potenzial konnte insbesondere bei Bauteilen mit extrem hohen Fließweg-Wandstärkenverhältnissen[5], [8](Bild 6) bzw. bei der Abformung mikrostrukturierter Oberflächen, beispielsweise für die Medizintechnik [4], [9] oder der Beseitigung von Bindenahtkerben nachgewiesen werden [10].
Die aktuelle Forschung am IKFF konzentriert sich neben der weiteren Verbesserung der Prozessführung bei Werkzeugen mit integrierter induktiver Heizung auf folgende Punkte:
- Anpassung und Optimierung der Kühlung zur weiteren Verkürzung der Zykluszeiten,
- Optimierung und Prozesscharakterisierung von Werkzeugen mit beidseitiger induktiver Beheizung und
- separates induktives Beheizen einzelner Kavitäten bei Werkzeugen mit mehreren Kavitäten.
Hierzu läuft derzeit ein vom BMWI gefördertes AIF-Projekt Nr.15955N, in dem das Potenzial der integrierten induktiven Werkzeugtemperierung bei der Verarbeitbarkeit hochgefüllter, elektrisch leitfähiger Kunststoffe aufgezeigt werden soll. Zielstellung ist die Verbesserung der Fließfähigkeit hochviskoser Polymere mit neuartigen Materialeigenschaften. Damit soll eine verbesserte Formfüllung bei gleichzeitiger Absenkung der maximalen Einspritzdrücke erzielt werden, was eine Verarbeitung auf kleineren Maschinen bzw. eine Produktivitätssteigerung durch die Nutzung von Mehrfachkavitäten ermöglicht.
Neue Technologie
Verarbeitung neuartiger hochviskoser Kunststoffe
Die induktiv-variotherme Prozessführung ermöglicht nicht nur die Verarbeitung hochgefüllter, hochviskoser Compounds zu Bauteilen mit besonders ungünstigen Fließweg-Wandstärkenverhältnissen. Mit dieser Art der variothermen Werkzeugtemperierung können zudem die Abformungen mikrostrukturierter Bauteile verbessert werden. Bei Bauteilen mit optisch hochwertigen Oberflächen lassen sich die sichtbaren Bindenahtkerben reduzieren.
