Das Z-System Partielle dynamische Temperierung im Spritzgussprozess
Warum dynamisch temperieren? Dynamische Werkzeugtemperierung Abformung von Mikrostrukturen Technische Möglichkeiten Herstellung von Mikrobauteilen Vermeidung von Oberflächenfehlern Dünnwandspritzgießen Bildquelle: Fraunhofer ISE Das Z-System 13.11.2015 2
Warum dynamisch temperieren? Dynamische Werkzeugtemperierung Geringere Stückzahlen bei höherer Variantenvielfalt Zukünftige Herausforderungen Kürzere Produktlebenszyklen Produktivitäts- und Effizienzerhöhung Nachhaltigkeit (Umwelt) Das Z-System 13.11.2015 3
Dynamische Werkzeugtemperierung Unterschiede im Verlauf der Werkzeugwandtemperatur Konventionelle Temperierung Dynamische Temperierung (träge) t z Werkzeugwandtemperatur Werkzeugwandtemperatur t z Zeit Zeit Werkzeugwandtemperatur Massetemperatur Entformungstemperatur Quelle: Kunststoff-Institut Lüdenscheid Das Z-System 13.11.2015 4
Dynamische Werkzeugtemperierung Beheizungsmöglichkeiten Werkzeugintegrierte Heizung Externe Heizungen Wasser / Öl Dampf Keramische Heizelemente Integrierter Induktor Externer Induktor IR im geöffneten Zustand IR zyklusparallel Laser CO 2 Laser Quelle: Kunststoff-Institut Lüdenscheid Das Z-System 13.11.2015 5
Partielle dynamische Temperierung Ein Nachteil vieler etablierter dynamischer Temperiertechnologien stellen die hohen erforderlichen Heiz- und Kühlleistungen sowie die notwendige, teure Peripherie dar Hohe Energiekosten Hoher Invest (bei ggf. geringer Flexibilität der Peripherie) Eine partielle dynamische Temperierung Reduziert den Energiebedarf Ist für zahlreiche Aufgabenstellungen und Anwendungen ausreichend Ist bei vielen etablierten Technologien nur eingeschränkt möglich Das Z-System 13.11.2015 6
Partielle dynamische Temperierung Anwendungsbeispiele Bindenähte Dünnwandtechnik Partielle Optimierung der Abformung Matter Hof Das Z-System 13.11.2015 7
Das Z-System Das Z-System beruht auf einer Entwicklung der Fa. hotset welche zusammen mit dem K.I.M.W. hinsichtlich ihrer Anwendung im Spritzgussprozess verifiziert wurde (Schutzrechte wurden angemeldet) Mit diesem System ist die partielle (z.b. linien- oder punktförmige) dynamische Temperierung der Werkzeugwand im Spritzgusszyklus möglich Durch diese Verfahrensweise ist z.b. die optische Vermeidung von Bindenähten, matten Höfen oder partiell sichtbaren Freistrählen möglich Zudem kann Füllproblemen durch die partielle Erwärmung entgegengewirkt werden Das Z-System 13.11.2015 8
Vorversuche Heizen durch 5 mm Stahlplatte Das Z-System 13.11.2015 9
Spritzgussversuche Formteil Für die Spritzgussversuche wurde das Formteil Eiskratzer des KIMW genutzt Linienförmige partielle Erwärmung eines der beiden Bindenahtbereiche Bindenahtbereich Das Z-System 13.11.2015 10
Spritzgussversuche Parametrisierung Die Erfassung des Aufheizverhaltens an der Werkzeugwand im Trockenlauf zeigt eine hohe Dynamik (Heizrate zu Beginn von bis zu 60 K/s) Die Heizleistung lässt sich zudem durch die Parametrisierung gut an die Erfordernisse der Anwendung anpassen Es konnte ein ΔT von bis zu 90 K erreicht werden Das Z-System 13.11.2015 11
Spritzgussversuche Kühlleistung Eine Simulation mehrerer Spritzgusszyklen im Trockenlauf zeigt (bei nicht optimierter Temperierung) ebenfalls eine ausreichende Kühlleistung durch die konventionelle Temperierung (Zyklusdauer: 30 s) Ursache Nur geringe Massen werden erwärmt Thermische Trennung im Werkzeug Das Z-System 13.11.2015 12
Spritzgussversuche Dynamik Das Z-System 13.11.2015 13
Spritzgussversuche Bindenahtvermeidung bei einem ABS Bindenahtvermeidung bei einem ABS durch das Z-System (Vorlauftemperatur: 60 C) Mit Z-System Konventionell temperiert Das Z-System 13.11.2015 14
Spritzgussversuche Bindenahtvermeidung bei einem PC Bindenahtvermeidung bei einem PC durch das Z-System (Vorlauftemperatur: 100 C) Mit Z-System Konventionell temperiert Das Z-System 13.11.2015 15
Spritzgussversuche Energiebedarf Das Z-System 13.11.2015 16
Simulation des Z-Systems Nach ca. 10,0 s Zur zielgerichteten Auslegung weiterer Werkzeuge wurde eine Systematik entwickelt um eine simulatorische Abbildung des Temperiervorganges in Abhängigkeit der Parametrisierung vornehmen zu können Vergleich Simulation und Praxis (Vorlauftemperatur: 60 C / Heizzeit: 10 s) Praxis Simulation Das Z-System 13.11.2015 17
Simulation des Z-Systems Das Z-System 13.11.2015 18
Das Z-System Vorteile Den Erfahrungen nach keine Zykluszeitverlängerung Durch Senkung der Grundtemperatur des Werkzeuges teilweise Zykluszeiteinsparung möglich Minimale Peripheriekosten Minimale Energiekosten Keine Lizenzkosten Einfache Bedienung und Integration in die Produktionsumgebung Full-Service Angebot (von der Machbarkeitsanalyse bis hin zu Inbetriebnahme) Nachteile Bei teilkristallinen Materialien und strukturierten Oberflächen können Glanzunterschiede entstehen (muss geprüft werden) Wie bei anderen Verfahren bestehen werkzeugtechnische Einschränkungen (z.b. benötigter Bauraum, Zugänglichkeit, etc.) => Machbarkeitsanalyse Das Z-System 13.11.2015 19
Das Z-System trifft zu trifft teilweise zu trifft nicht zu Technische Limits Heizen bei geschlossenem Werkzeugt möglich Sehr hohe Temperaturen möglich- für alle Thermoplaste geeignet Für amorphe Thermoplaste geeignet Für großflächige Formteiltemperierung geeignet Für 2,5D Konturen geeignet Für 3D Konturen geeignet Für Hochglanzoberflächen geeignet Werkzeug und Kühlung Konventionelle Temperierkanäle ausreichend Keine spezielle Werkzeugkonstruktion erforderlich Für bestehende Werkzeuge nachrüstbar Wasser Dampf Fluidtemperierung Werkzeugintegrierte Heizung Keramik Integrierter Induktor Z-System Das Z-System 13.11.2015 20
Das Z-System trifft zu trifft teilweise zu trifft nicht zu Wasser Dampf Keramik Fluidtemperierung Werkzeugintegrierte Heizung Integrierter Induktor Z-System Wirtschaftliche Aspekte Geringe Anlagen-/Investitionskosten Geringe Zusatzkosten für Werkzeuge Geringe Energie- und Betriebskosten Geringe Zusatzkosten für sicherheitsrelevante Maßnahmen Kurze oder zyklusparallele Heizzeit Geringe oder keine Zykluszeitverlängerung Heizung universell für andere Werkzeuge verwendbar Sicherheit Geringes sicherheitstechnisches Risiko Das Z-System 13.11.2015 21
Das Z-System trifft zu trifft teilweise zu trifft nicht zu Wasser Dampf Keramik Fluidtemperierung Werkzeugintegrierte Heizung Integrierter Induktor Z-System Verfahrenstechnische Anwendungen Partielle Vermeidung der sichtbaren Bindenaht Partielle Fließhilfe (Filmscharnier, Dünnstellen) Partielle Mikrostrukturen TSG Vollflächige Beheizung Technische Peformance Maximal erreichbare Temperatur [ C] 200 160 >>200 >>200 >>200 Heizgeschwindigkeit [K/s] 4-7 10-15 20 25-50 25-60 Druck [bar] 18-20 7-16 0 0 0 Rahmenbedingungen Anforderungen bauseitiger Voraussetzungen (Stromanschluss, Sicherheitsvorrichtungen) i.d.r. vorh. Je nach Leistung i.d.r. vorh. Je nach Leistung i.d.r. vorh. Das Z-System 13.11.2015 22
Das Z-System Möglicher Projektablauf Ggf. Abschluss einer GHV für das Projekt Entwicklung des Werkzeugkonzepts (ggf. unterstützt durch Simulationsrechnungen) / Auslegung des Hochleistungsheizers Werkzeugänderung durch Kunden (alternativ Koordination des Umbaus durch Dritte durch das KIMW) / Bau des Heizsystems Kick-Off Meeting Angebot über Heizsystem/-regelung und Engineering Auslieferung des einbaufertigen Z- Systems Übermittlung der Werkzeug- und/oder Artikeldaten an hotset / KIMW Machbarkeitsanalyse Unterstützung beim Einbau und bei der Inbetriebnahme des Systems vor Ort (alternativ auch im KIMW) Kunde hotset KIMW Das Z-System 13.11.2015 23
Das Z-System Das Z-System ist ein gemeinschaftliches Projekt der Firma hotset und des Kunststoff-Instituts Lüdenscheid Ihre Ansprechpartner hierzu hotset Heizpatronen und Zubehör GmbH Herr Andreas Filler Tel.: +49 173 5228001 E-Mail: afiller@hotset.com Kunststoff-Institut Lüdenscheid Herr Timo Boehm Tel.: +49 23 51.10 64-175 E-Mail: boehm@kunststoff-institut.de Das Z-System 13.11.2015 24