Inverse thermische Spritzgießwerkzeugauslegung auf Basis des lokalen Kühlbedarfs

Die Wertschöpfung beim Spritzgießverfahren ist eng mit dem benötigten Spritzgießwerkzeug verknüpft, welches zumeist ein komplexes Unikat darstellt und dementsprechend aufwendig konstruiert und gefertigt werden muss. Dabei bildet das Temperiersystem des Werkzeuges den entscheidenden Schlüssel für die Wirtschaftlichkeit des Prozesses und die Qualität der produzierten Formteile; denn die durch die Temperierung beeinflusste Erstarrung der Kunststoffschmelze zum Feststoff bestimmt die erreichbare Zykluszeit und die Formteileigenschaften maßgeblich. Eine detaillierte Auslegung und Konzeption des Temperiersystems erfordert in der Regel viel Zeit und Erfahrungswissen und ist dementsprechend ein relevanter Kostenfaktor sowohl bei der Gestaltung des Werkzeuges als auch für die spätere Spritzgießfertigung.
Ziel der hier dargestellten Untersuchungen ist es, einen Beitrag zum Aufbau einer vollautomatisierbaren, thermischen Spritzgießwerkzeugauslegung zu liefern, die den Teilaspekten Prozesswirtschaftlichkeit und Formteilqualität Rechnung trägt. Dazu wird im ersten Teil ein effizienz- und qualitätsgetriebenes Zielfunktional formuliert,das die Entformungstemperaturen und eine möglichst homogene Formteildichte zur Verzugsvermeidung nutzt. Das Zielfunktional wird in Form eines inversen Wärmeleitungsproblems formuliert und mithilfe eines Gradientenverfahrens minimiert. Zur Initialisierung des Problems werden Druck- und Temperaturdaten aus einer Füllsimulation ohne Temperiersystem genutzt, sodass die relevanten kunststoffspezifischen Aspekte in die Optimierung aufgenommen werden können. Anhand des resultierenden Temperaturfeldes lässt sich das Temperiersystem ausgeeigneten Isothermen, die sich im Werkzeug um das Formteil bilden, ableiten.
Außerdem wird im zweiten Teil ein Ansatz für die tatsächliche Umsetzung des Temperiersystems im Werkzeug dargestellt. Denn im Gegensatz zum Ideal der mathematischen Lösung stellt die Ableitung eines strömungs- und fertigungsgerechten Temperiersystems in der Regel eine Vereinfachung dieser Lösung dar. Ziel ist es, die Gestaltung des Temperiersystems so anzupassen, dass dem lokalen Kühlbedarf des Formteils eine passende lokale Kühlleistung gegenübersteht. Hierzu wird in Analogie zur Gasturbinenkühlung eine Beeinflussung der lokalen Wärmeabfuhr im Temperierkanal durch Hindernisse, sogenannte Turbulatoren, vorgeschlagen. Die Wirksamkeit und die resultierenden Druckverluste werden für verschiedene Turbulatorgestaltungen in Form von Strömungssimulationen analysiert und in einen idealisierten Versuchsstand mit turbulatorbehafteten Wechseleinsätzen überführt. Außerdem werden Werkzeugeinsätze mit und ohne Turbulatoren gefertigt und in praktischen Spritzgießversuchen untersucht.