Nach wie vor erweitern sich die Anwendungsmöglichkeiten von Kunststoffen stetig. Zum Einen ist dies der Entwicklung neuer Materialien zu verdanken, zum Anderen jedoch erfordern diese neuen Anwendungsmöglichkeiten eine entsprechende Weiterentwicklung im Bereich der Fertigungsverfahren und Werkzeugtechnik. Ein Beispiel dafür stellt die variotherme Werkzeugtemperaturführung dar, die bekannterweise insbesondere bei Bauteilen mit hohen Anforderungen an die Abformgenauigkeit, Maßhaltigkeit und Oberflächengüte in Kombination mit höherviskosen Schmelzen erhebliches Potential birgt. Mit Induktionserwärmung lassen sich bei variothermer Prozessführung sehr hohe Aufheizgeschwindigkeiten erreichen, wobei der zu temperierende Werkzeugbereich auch lokal begrenzt sein kann.

Induktionserwärmung beruht auf dem Transformatorprinzip. Eine von einem hochfrequenten Wechselstrom durchflossene Spule, der Induktor, erzeugt in der zu heizenden Oberfläche ein magnetisches Wechselfeld, das im elektrisch leitfähigen Werkstück Wirbelströme generiert. Diese führen durch den Ohm´schen Widerstand des Werkstücks zu einer Erwärmung der vom Magnetfeld durchsetzten Oberfläche. Je nach Ausgestaltung der Induktorspule können so die Kavitätsoberflächen direkt vom Magnetfeld durchdrungen und damit beheizt werden. Aus anwendungstechnischen Gründen erfolgt der Einbau des Induktors jedoch häufig hinter der Kavität als integrierter Induktor, sodass eine Erwärmung der formgebenden Bereiche von hinten über Wärmeleitung erfolgt. Da Induktionserwärmung eine sehr hohe Leistungsdichte aufweist, lassen sich dennoch äußerst dynamische Aufheizvorgänge erzielen.

Hohe Prozesssicherheit

Wichtig für einen größtmöglichen Nutzen in der Spritzgussfertigung ist grundsätzlich eine hohe Prozesssicherheit. Für ein Variothermsystem bedeutet dies insbesondere eine exakte und damit reproduzierbare Regelung des dynamischen Temperaturgangs, möglichst ohne langfristige Temperaturdrift. Moderne Spritzgießmaschinen mit flexibler Prozesssteuerung bieten hier komfortable Möglichkeiten, einen solchen Prozess ohne zusätzliche periphere Regeleinheiten umzusetzen – doch eigentlich beginnt die Qualität der Spritzteile bei der Auslegung des Spritzgießwerkzeugs und seiner Komponenten. Bereits konventionelle fluidische Temperiersysteme erfordern einen sorgfältigen Dimensionierungsprozess, um die erwarteten Wärmeströme und Temperaturen präzise vorherzusagen.

Soll nun ein System mit Induktionsheizung integriert werden, steht der Anwender vor einer noch größeren Herausforderung. Einerseits verfügt ein Werkzeugkonstrukteur üblicherweise nicht über weitreichendes Wissen über induktive Erwärmungssysteme, andererseits sind die Anforderungen an ein solches System zur Anwendung in der Kunststoffverarbeitung häufig derart spezifisch, dass die von den Herstellern von Induktionsanlagen über Jahrzehnte erarbeiteten Vorgehensweisen aus den Bereichen des Induktionshärtens oder -glühens nur bedingt anwendbar sind.

Das Institut für Konstruktion und Fertigung in der Feinwerktechnik (IKFF) der Universität Stuttgart befasst sich seit vielen Jahren mit der Anwendung von Induktionserwärmung im Bereich der Kunststoffverarbeitung und hat nun eine Vorgehensweise entwickelt, anhand derer die Auslegung eines induktiven Erwärmungsprozesses ganzheitlich unter Berücksichtigung sämtlicher Systemkomponenten erfolgen kann. Das resultierende Erwärmungsverhalten wird dabei ebenso simulativ abgebildet wie auch der zu erwartende Betriebspunkt des verwendeten Induktionsgenerators.

Hochfrequenter Wechselstrom

Ein System zur induktiven Erwärmung enthält als wesentliches Element einen elektrischen Schwingkreis, welcher den benötigten hochfrequenten Wechselstrom erzeugt. Sowohl die in das Spritzgusswerkzeug eingebaute Induktorspule als auch Teile des versorgenden Induktionsgenerators bilden eben jenen elektrischen Schwingkreis, sodass bei Betrachtung einzelner Komponenten dieses Systems stets die starken Wechselwirkungen mit den anderen Elementen berücksichtigt werden müssen. Eine gedankliche Trennung des Systems im Sinne einer Energiequelle und ein davon nahezu unabhängiges wärmeerzeugendes Element, wie es beispielsweise bei einem Heißkanalsystem möglich ist, kann daher bei Induktionserwärmung nicht auf einfache Weise erfolgen. Moderne Simulations-Softwareumgebungen erlauben es dem Anwender auch derart komplexe Wechselwirkungen hinsichtlich elektrotechnischer, elektromagnetischer und thermodynamischer Effekte abzubilden, sodass bei Veränderung eines Teilsystems auch die Auswirkungen auf das resultierende Gesamtsystem dargestellt werden.

Bei der am IKFF entwickelten Vorgehensweise zur Auslegung induktiver Erwärmungssysteme stellt die Modellbildung den zentralen Aspekt dar. Das induktive Variothermsystem wird in untereinander vernetzte Teilsysteme aufgeteilt, welche sich mit jeweils geeigneten Simulationsprogrammen analysieren lassen.

Ausgegangen wird von einem gegebenen Temperaturgang an der Kavitätsoberfläche. Dieser resultiert aus den Forderungen der Prozess- und Verarbeitungsparameter. Basierend auf einem ersten einfachen CAD-Entwurf des dynamisch zu temperierenden Werkzeugbereichs wird anhand einer transient-thermischen FEM-Simulation die benötigte Heizleistung und die sich einstellende Temperaturverteilung untersucht. Bereits in diesem Stadium kann die Geometrie der Induktionsspule entsprechend des gewünschten Aufheizverhaltens optimiert werden.

Es schließt sich eine elektromagnetische Simulation des Induktors mit dem zu heizenden Werkzeug an. Ziel dabei ist es, die Parameter für ein elektrisches Ersatzmodell des Induktors zu ermitteln. Das elektrische Ersatzmodell wiederum wird in eine Netzwerksimulation der elektrischen Generatorschaltung eingebunden und bildet die Induktionsspule so ab, dass der elektrische Betriebspunkt des Generators abgeleitet werden kann. Auf diese Weise werden Frequenz, Strom und Spannung bestimmt und es kann ermittelt werden, ob sich der Generator innerhalb des optimalen Anpassbereichs befindet. Hier kann beispielsweise auch der Einfluss der Zuleitungen zwischen Generator und Spritzgusswerkzeug untersucht werden, welcher in der Praxis nicht zu vernachlässigen ist.

Genaue Kenntnis der Materialparameter

Induktionserwärmung heizt den Werkzeugstahl unmittelbar, sodass sich dessen elektromagnetische Materialeigenschaften direkt auf das sich einstellende Erwärmungsverhalten auswirken. Für eine exakte Vorhersage ist daher eine genaue Kenntnis dieser Materialparameter essentiell. Für den Bereich der Formenbaustähle ist bislang noch keine umfassende Datenbasis frei verfügbar, sodass der Anwender derzeit selbst für die Qualität der zur Simulation verwendeten Materialparameter verantwortlich ist. Das IKFF nutzt hier aktuell selbst ermittelte Daten.

Das Gesamtsystem kann bei Anwendung der beschriebenen durchgängigen Auslegungsroutine bereits vor dem Aufbau eines ersten Prototyps optimiert werden. Diese Verlagerung der ersten Optimierungsschleifen in die virtuelle Simulationsumgebung bedeutet für den Anwender eine geringere Anzahl benötigter Prototypen, was sich gleichermaßen positiv auf die Entwicklungszeit und -kosten auswirkt.
Der ganzheitliche Ansatz erhöht die Transparenz bei der Auslegung induktiver Temperiersysteme, erleichtert den Einstieg in die Anwendung dieses Sonderverfahrens und birgt darüber hinaus weiteres Potenzial bei der Gewährleistung einer hohen Prozesssicherheit im Produktionsalltag.

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Über den Autor

Matthias Maier, Adrian Retzbach sind wissenschaftliche Mitarbeiter im Bereich Kunststoff-Spritzguss und induktive Temperierung Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schinköthe ist Direktor am Institut für Konstruktion und Fertigung in der Feinwerktechnik der Universitä