Dynamische Beheizung von Spritzgießwerkzeugen mittels Laserstrahlung

Beim Spritzgießen thermoplastischer Kunststoffe ist die Werkzeugtemperatur einer der entscheidenden Einflussfaktoren auf die erzielbare Bauteilqualität. Insbesondere in der Einspritzphase hat eine hohe Temperatur zahlreiche positive Effekte, wie beispielsweise die gute Abformbarkeit von Mikrostrukturen oder die Vermeidung sichtbarer Bindenähte. Um dennoch eine ausreichend niedrige Entformungstemperatur zu gewährleisten kommt die variotherme Prozessführung zum Einsatz, mit der sich beide Temperaturniveaus während eines Zyklus kombinieren lassen. Eine flexible und werkzeugunabhängige Variante der variothermen Temperierung basiert auf dem Einsatz eines extern geführten Laserscanners, der bei geöffnetem Werkzeug vor der Kavität positioniert wird und die Oberfläche durch Bestrahlung erwärmt.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und der umfassenden Analyse dieser Verfahrensvariante. Ausgehend von den Anforderungen an das neue Verfahren werden zunächst Konzeption, Aufbau und Inbetriebnahme einer integrierten Versuchsanlage aus Spritzgießmaschine, Handlingroboter und Laserkomponenten dargestellt. Aufgrund der Vielzahl an Einstellgrößen, die das Aufheiz- und Abkühlverhalten der Oberfläche bestimmen, wird im zweiten Schritt eine Methode zur Bestimmung des Temperaturprofils an der Oberfläche in Abhängigkeit der Prozessparameter erarbeitet. Basis hierzu ist eine numerische thermische Simulation, aus der eine Masterkurve des Temperaturverlaufs und ein mathematisches Modell abgeleitet werden. Mit der Methode können zum einen aus gegebenen Parametern die Aufheiz- und Abkühlverläufe berechnet werden. Zum anderen kann für ein gefordertes Temperaturprofil die dazu benötigte Parameterkombination ermittelt werden, sodass aufwändige Vorversuche entfallen.
​Im Rahmen der verfahrenstechnischen Untersuchungen werden zunächst die Einflüsse der Parameter Laserleistung, Strahldurchmesser bei konstanter sowie variabler Energiedichte und Bestrahlungszeit auf das Temperaturprofil ermittelt. In den anschließenden Spritzgießversuchen wird nachgewiesen, dass sich im Zyklusbetrieb definierte Temperaturen an der Oberfläche der Kavität zum Zeitpunkt des Einspritzens einstellen lassen. Exemplarisch wird der Einfluss der Temperierung auf die Entstehung von sichtbaren Bindenähten an Kunststoffbauteilen mit hochglänzender Oberfläche untersucht. Für die Materialien PC und PMMA wird dabei ermittelt, dass Werkzeugtemperaturen über der jeweiligen Glasübergangstemperatur des Kunststoffs ausreichend sind, um die Tiefe der Bindenähte soweit zu reduzieren, dass sie weder sichtbar noch messtechnisch erfassbar sind.