Beim Spritzgießprozess wird ein großer Teil des Gesamtenergieaufkommens für die Einstellung der richtigen Werkzeugtemperatur verwendet. In der Praxis sind Werkzeuge am häufigsten durch Wasser temperiert. Aus Gründen der Zykluszeit und Bauteilqualität ist eine gleichmäßige Temperatur an der Kavität das Ziel [1, 2, 3]. Das Wasser muss jedoch für höhere Kavitätstemperaturen aufgeheizt werden. Hierfür stehen Temperiergeräte bereit, welche sowohl die Wassertemperatur als auch die Durchflussmenge regeln. Neben einem aufwendigen System aus Tieflochbohrungen werden immer häufiger Werkzeugeinsätze aus generativer Fertigung eingesetzt. Diese haben das Ziel, das Wasser nah an der Kontur, häufig in geringen Querschnitten zu führen und somit einen erhöhten Wärmeabtrag zu realisieren. Hier ergibt sich ein weiteres Problem beim Einsatz von Wasser: Die medienführenden Kanäle können verdrecken oder von Rost befallen werden. Der Einsatz von Wasser in engen und langen Bereichen ist problematisch. Hier ist eine effektive Wärmeabfuhr oft nicht mehr möglich, da die Querschnitte verengt sind. Eine laminare statt turbulente Strömung (schlechterer Wärmeübergang) und somit ein verringerter Wärmeabtrag können zur Entstehung von Hot Spots führen. Zur Vermeidung dieses Effektes werden meist Kupfereinsätze in enge Bereiche eingebracht [4, 5, 6]. Die Wärmeleitung basiert jedoch auf Basis einer Temperaturdifferenz. Diese kann direkte Auswirkungen auf die Oberflächentemperatur der Kavität haben. Außerdem geht aus der Formel der Wärmeleitung hervor, dass lange Strecken und ein geringer Querschnitt zu einer verringerten Wärmeabfuhr führen.

Problemlösung durch den Einsatz von Heatpipes

Funktionsprinzip der Temperierung mit Heatpipes.

Funktionsprinzip der Temperierung mit Heatpipes.

Zur Eliminierung der genannten Probleme beschäftigt sich die FH Bielefeld mit dem Einsatz von Heatpipes in Spritzgießwerkzeugen. Das Ziel ist die Zykluszeitreduzierung in Kombination mit einem energiesparenden und kostengünstigen System. Eine Heatpipe-Temperierung bietet die Chance auf eine Reduzierung der Peripherie, wie etwa der Temperiergeräte. Des Weiteren ist von einer erhöhten konstruktiven Freiheit sowie einer vereinfachten Fertigung des Werkzeugs auszugehen [7, 8].

Heatpipes sind hermetisch verschlossene Rohre, die mit Unterdruck und einem Fluid befüllt sind. In der Regel wird destilliertes Wasser verwendet [9]. Durch den Unterdruck findet der Phasenübergang des Wassers zwischen Flüssig- und Dampfphase in einfachen Fällen bereits bei Temperaturen von circa 30 °C und darunter statt. Durch den hermetischen Verschluss arbeiten Heatpipes autark und wartungsfrei, und ein Verdrecken des Werkzeuges wird vermieden. Die Wandstärke des Rohres ist sehr dünn, was zu einer geringen Masse der Heatpipe führt. Die Energieübertragung beginnt deshalb sehr schnell.

Grundsätzlich sind drei Einbaulagen möglich: horizontal (links), vertikal gravitationsunterstützt (Mitte) und vertikal gegen die Gravitation (rechts). (Bildquelle: alle FH Bielefeld)

Grundsätzlich sind drei Einbaulagen möglich: horizontal (links), vertikal gravitationsunterstützt (Mitte) und vertikal gegen die Gravitation (rechts). (Bildquelle: alle FH Bielefeld)

Heatpipes sind in drei Teilbereiche gegliedert: eine Wärmequelle, eine Wärmesenke sowie eine thermische Trennung (adiabatische Zone). An der warmen Seite, der Wärmequelle, nimmt das Fluid Wärmeenergie auf und wird zu Dampf. So wird der Umgebung Wärmeenergie entzogen. Der Dampf strömt zur Wärmesenke. Wegen der geringeren Temperatur kondensiert der Dampf. So wird Wärmeenergie an die dortige Umgebung abgegeben. Das Fluid fließt zurück zur Wärmequelle. Das Fluid, sprich die latente Wärme, ist also der Energieträger in diesem Prozess. Der Prozess kann demnach Wärme aus dem Werkzeug führen. Er kann aber auch umgekehrt werden und ein externes Aufheizen auf Fertigungstemperatur ermöglichen.

Die Einbaulage bestimmt die Leistung

Je nach Einbaulage der Heatpipe ergeben sich Unterschiede in der Leistungsfähigkeit. Im Idealfall befindet sich die Wärmequelle unten. Der Dampf strömt dann hoch, das kondensierte Fluid fällt gravitationsunterstützt von der obenliegenden Wärmesenke zurück zur Wärmequelle. Dieser Vorgang ist deutlich effektiver als eine Rückführung des Kondensats gegen die Schwerkraft.

Grundsätzlich ist jedoch auch der Prozess gegen die Schwerkraft oder in horizontaler Einbaulage mit Unterstützung durch innere Kapillarstrukturen möglich. Eingebrachte Kapillaren führen das Fluid zurück zur Wärmequelle. Im Wesentlichen sind drei Grundarten der Kapillarstruktur zu unterscheiden. Die gängigen Varianten sind Sinter-, Mesh- und Groove-Strukturen. Die Sinterstruktur ist eine auf der Innenwand der Heatpipe aufgebrachte Porosität. Das Mesh ist ein eingelegtes feinmaschiges Netz, Grooves sind Längsrillen. Es ergeben sich große Leistungsunterschiede in der Art der Kapillaren.

Auf die richtige Leistung kommt es an

Schematische Darstellung des Versuchswerkzeuges

Schematische Darstellung des Versuchswerkzeuges

Nicht die höchste, sondern die richtige Heatpipe-Leistung ist zur Temperierung nötig. Nach einer Wärmebilanzierung des Spritzgießwerkzeuges wird die abzuführende Menge Wärmeenergie bestimmt. Anhand dieses Wertes wird eine Auslegung mit Heatpipes vorgenommen [10]. Hier kann ein horizontaler Einbau ausreichend sein, wie mit einem Versuchswerkzeug der FH Bielefeld nachgewiesen wurde. Die Zieltemperatur an der Kavität soll zwischen 60 °C und 80 °C betragen. Hierfür wird die Wärmesenke mit circa 20 C warmen Frischwasser temperiert. Die Ergebnisse hinsichtlich der Kavitätstemperatur und Zykluszeit sind mit der einer simulierten Wassertemperierung vergleichbar [11]. Eine gravitationsunterstützte Anordnung der Heatpipes hätte ein Auskühlen der Kerne zur Folge. Dann müsste an der Wärmesenke eine Temperatur mit dem Ziel einer geringeren Leistung eingestellt werden. Dies ist weder energetisch noch wirtschaftlich sinnvoll, da hierfür ein Temperiergerät eingesetzt werden muss.

Neu zu entwickelndes Heatpipe-Werkzeug (links) und dazugehöriges Bauteil (rechts).

Neu zu entwickelndes Heatpipe-Werkzeug (links) und dazugehöriges Bauteil (rechts).

Grundsätzlich müssen je nach Wärmebilanzierung, Größe und Kontur des Kerns mehrere Heatpipes eingebaut werden. Zum einen wird so die abgeführte Energiemenge vergrößert, zum anderen führt dies zu einer gleichmäßigeren Temperatur an der Kavität. Ähnlich wie beim Einsatz von Wasser sind eckige Kerne in den Eckbereichen komplizierter zu temperieren als kreisrunde Kerne. Hier kommen mehrere Heatpipes mit dem Ziel einer möglichst homogenen Oberflächentemperatur zum Einsatz. Da sich die benötigte Gesamtleistung auf mehrere Heatpipes aufteilt, muss jedoch nicht zwangsläufig das Leistungsmaximum der einzelnen Heatpipe erreicht werden.

Diese Erkenntnisse haben großen Einfluss auf die Konstruktion mit Heatpipes. So wird an der FH Bielefeld ein Spritzgießwerkzeug neu entwickelt, in dem die drei beschriebenen Varianten der Heatpipe-Temperierung berücksichtigt werden. Die theoretischen Überlegungen werden anhand eines realen Konstruktionsprozesses nachgewiesen. Das Bauteil ist im Rahmen der Lehre entstanden und stellt einen Stiftehalter in Form eines Gebäudetraktes der Fachhochschule dar. In die Kavität sind mehrere Kerne mit unterschiedlichen Geometrien eingebracht, die eine entsprechende individuelle Temperierung benötigen.

Die Konstruktion der Düsenseite ist eindeutig

Rückansicht der Düsenseite

Rückansicht der Düsenseite

Die Aufbauhöhe der Düsenseite ist gering. Hier ist eine Einbringung von horizontalen Heatpipes problematisch. Zur Montage der Heatpipes müsste die Gesamthöhe erhöht werden. Heatpipes benötigen eine Wärmequelle; diese ist jedoch aufgrund der Kernkontur sehr kurz. Die Temperierung wäre vermutlich ineffektiv und punktuell.

In der gravitationsunterstützen Variante kann der komplette Bereich der flachen Kerne die Wärmequelle sein. Es ist somit eine Temperierung über die Gesamtfläche als auch eine leistungsstarke Einbausituation gegeben. Sowohl aus Sicht der Konstruktion als auch des Wärmetransports ist die gravitationsunterstütze Variante zu bevorzugen.

 

Die richtige Variante für die Auswerferseite wählen

Auf der Auswerferseite ist in der horizontalen Variante pro Heatpipe lediglich eine einfache Stufenbohrung nötig. Da die Kerne sehr tief sind, kann die Wärmequelle gut ausgebildet werden. Eine einfache Bohrung für Wärmequelle und Wärmesenke muss gefertigt, sowie eine Aussparung für die adiabatische Zone berücksichtigt werden. Die Heatpipes können mit den Auswerfern parallel laufen. Der horizontale Einbau stellt während der Montage der Auswerferseite keine Probleme dar.

Rückansicht der Auswerferseite: horizontale Variante (links), vertikale Variante (Mitte), beispielhafte gebogene Heatpipe aus vertikaler Variante (rechts).

Rückansicht der Auswerferseite: horizontale Variante (links), vertikale Variante (Mitte), beispielhafte gebogene Heatpipe aus vertikaler Variante (rechts).

Im gravitationsunterstützen vertikalen Einbau verlaufen die Heatpipes quer zu den Auswerfern. Dies verringert den Platz im Werkzeug und somit die konstruktive Freiheit im Vergleich zu einer horizontalen Variante. Außerdem muss ein Biegeradius berücksichtigt werden, der den Gesamtaufbau des Werkzeuges weiter vergrößert. Der Einsatz mehrerer vertikaler Heatpipes hat zur Folge, dass diese nicht nebeneinander, sondern hintereinander gesetzt werden müssen. Dadurch vergrößert sich der Gesamtaufbau des Werkzeuges. Ein Werkzeug mit größerer Gesamthöhe führt eventuell zu Problemen oder unnötigen Einschränkungen bei der Wahl der richtigen Spritzgießmaschine. Die Heatpipes laufen durch die Zwischenplatte. Hierfür werden entsprechende großräumige Aussparungen benötigt. Dies führt zu einer mechanischen Schwächung. So ist ein Durchbiegen des Werkzeuges durch die herrschenden Prozessdrücke denkbar. In der Auswerferseite finden 19 Heatpipes Platz, während in der vertikalen Variante mit 15 Heatpipes räumlich die Grenze erreicht ist. So ist eine Leistungskompensation und gezielte Temperierung in der horizontalen Variante im Vergleich zu der vertikalen möglich. Während der Montage wird sich die vertikale Variante als komplizierter erweisen, da die Heatpipes deutlich länger sind und kleinste Ungenauigkeiten beim Biegen, auch in die dritte Dimension, sich über die Länge auswirken.

Kompromiss aus Leistungsfähigkeit und konstruktiven Bedingungen

An der FH Bielefeld werden Messungen mit auf dem Markt erhältlichen Heatpipes durchgeführt. Dabei ergeben sich große Unterschiede. Bei einer dreifach gebogenen Heatpipe in gravitationsunterstützter Variante war die Wärmeübertragungsleistung sehr gering. Aus konstruktiven Gründen kann der vom Lieferanten empfohlene Biegeradius von circa 40 mm nicht eingehalten werden und muss auf 20 mm reduziert werden. Ein erheblicher Leistungseinbruch ist die Folge. Eine weitere gebogene, gravitationsunterstütze Heatpipe führt zu guten Ergebnisse, während eine horizontale, gerade Heatpipe zu zufriedenstellenden Ergebnissen führt.

Anbindung und Regelung mit einem Heiz-/Kühlelement

Die Varianten unterscheiden sich hier grundlegend. Während in der vertikalen Variante die Wärmesenke nach oben hinaus aus dem Werkzeug geführt werden kann, muss sie in der horizontalen Variante in der Zwischenplatte untergebracht werden. So sind sehr schnelle Temperaturwechsel möglich. Beide Varianten werden mittels Wasser gekühlt. Die Bauteile sind preislich günstig und insbesondere in der vertikalen Variante einfach austauschbar. Die vertikale Variante hat eine außenliegende Wärmesenke, so ist theoretisch eine Wärmeabfuhr über Zwangskonvektion denkbar, ähnlich einer CPU Temperierung.

Über den umgekehrten Prozess kann die Heatpipe das Werkzeugelement auf Produktionstemperatur aufheizen und die Temperatur im Werkzeug auch bei Produktionsunterbrechung regeln. Hier ist zu erwähnen, dass diese Chance effektiver im horizontalen als im vertikalen Zustand realisiert werden kann.

 

Kontakt

FH Bielefeld, Fachbereich Ingenieurwissenschaften und Mathematik, Bielefeld

www.fh-bielefeld.de/ium

Literaturverzeichnis
[1] M. Schläger, C. Balka und J. Gießauf, „Wer bremst, verliert,“ Kunststoffe, pp. 32-35, Januar 2017.
[2] C. Jaroschek, „Klappern für die Kunststofftechnik,“ Kunststoffe, pp. 28-39, Oktober 2018.
[3] C. Prilop, „Zykluszeitreduzierung durch gezielte Kühlung von Hot Spots,“ Kunststoffe, pp. 34-36, 3 2008.
[4] O. Zöllner, „Optimierte Werkzeugtemperierung Bayer,“ ATI 1104, November 1997.
[5] C. Jaroschek, „Heiß oder Kalt, das ist hier die Frage?,“ Kunststoffe, pp. 92-98, 10 2012.
[6] W. Michaeli und S. Allert, „Sinnvoll kombiniert statt unnütz installiert,“ Kunststoffe, pp. 52-56, Februar 2011.
[7] S. Kartelmeyer, C. Jaroschek und E. Moritzer, „Temperieren ohne Wasser – Einsatz von Heatpipes in Spritzgießwerkzeugen,“ VDWF im Dialog , pp. 20-25, 04 2018.
[8] G. Menges, W. Michaeli und P. Mohren, Spritzgießwerkzeuge – Auslegung, Bau, Anwendung, München: Carl Hanser Verlag, 2007.
[9] P. Stephan, „Wärmerohre,“ in VDI-Wärmeatlas, 2013.
[10] C. Jaroschek, S. Kartelmeyer und V. Hüttemann, „No Cool Werkzeuge – richtig gerechnet,“ Kunststoffe, pp. 44-48, 8 2017.
[11] S. Kartelmeyer, L. Fromme, M.-V. Hüttemann, E. Moritzer und C. Jaroschek, „Thermal Simulation of a Heat Pipe Tempered Injection-Mould Tool,“ in Comsol Conference, Lausanne, 2018.

 

 

Über die Autoren

Stephan Kartelmeyer

ist wissenschaftlicher Mitarbeiter an der FH Bielefeld.

Max-Vincent Hüttemann

ist wissenschaftlicher Mitarbeiter an der FH-Bielefeld.

Prof. Dr. Elmar Moritzer

ist Professor für Kunststofftechnologie am KTP der Universität Paderborn.

Prof. Dr. Christoph Jaroschek

ist Professor für Kunststoffverarbeitung der FH Bielefeld.