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Temperieren

Spritzgießwerkzeuge sind sehr komplexe Gebilde die zum einen die Kunststoffmasse in die gewünschte Form bringen und zum anderen die zugeführte Wärme abführen bzw. Wärme bereitstellen. Ein maßgebliches Qualitäts- und Produktivitätskriterium ist dabei, wie gut der Wärmeaustausch zwischen Kunststoffschmelze und Spritzgießwerkzeug funktioniert. Je nach verwendeten Kunststoff- und Werkzeugmaterialien variiert dieses Zusammenspiel. Das oberste Ziel ist Kunststoffbauteile mit gewünschter Maßhaltigkeit und geringst möglichem Verzug herzustellen. Dies hängt stark von den lokalen Temperaturfeldern und der Gleichmäßigkeit der Temperierung ab. Da Spritzgießwerkzeuge aufgrund ihrer Komplexität und Einzigartigkeit sehr teuer sind, bietet die Simulation der thermischen Prozesse große wirtschaftliche Vorteile. Dabei wird die optimale Platzierung der Kühlkanalverläufe, die Auslegung der Kühlkanalgeometrien und eine ganzheitliche Betrachtung des Wärmehaushaltes analysiert. Ein Punkt der darüber hinaus zunehmend an Bedeutung gewinnt, ist die Energieeffizienz.

Am Institut für Polymer-Spritzgießtechnik und Prozessautomatisierung liegen die Forschungsschwerpunkte auf der Simulation und Optimierung von Kühlkanalgeometrien und -verläufen in Spritzgießwerkzeugen. Dies umfasst die Analyse des Kühlmittelflusses in Hinblick auf Verweilzeit, Homogenität, Druckverbrauch und Wärmeaustausch. In diesen Zusammenhang wird auch vermehrt mit additiver Fertigung bzw. konturnahen Kühlkanälen experimentiert, da sich mit Hilfe dieser Technologie völlig neue Kühlkonzepte realisieren lassen. Neben den thermischen Fragestellungen müssen auch eine Vielzahl an mechanischen Fragestellungen beantwortet werden, da beim Spritzgießprozess bis zu 2000 bar Druck notwendig sind, um die Kunststoffschemelze in das Werkzeug zu injizieren. Das heißt das Spritzgießwerkzeug wird zyklisch stark belastet, muss aber reproduzierbar eine Vielzahl von Bauteilen in höchster Präzision abformen. Damit das Spritzgießwerkzeug diesen Belastungen standhält ist eine präzise Auslegung der Abstände zwischen Kühlkanal und Kavität notwendig.

Abbildungen der Simulation des Kühlmittelflusses mittel OpenFoam® und Betrachtung des gesamten Wärmehaushaltes eines Spritzgießwerkzeuges (Schnittdarstellung) Abbildung links: Simulation des Kühlmittelflusses mittels OpenFoam® Abbildung rechts: Betrachtung des gesamten Wärmehaushaltes eines Spritzgießwerkzeuges (Schnittdarstellung)