Abschlussbericht BMBF Energieeffizienz · Flüssigsilikonkautschuken [Kre91, Jar94, Wal95, Bri96,...

Abschlussbericht

Projektträger: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Förderkennzeichen: 01LY0910A

Akronym: Elastomer-SG

F&E-Thema:

KMU-Innovativ - Verbundvorhaben „Klimaschutz“: Steigerung der Energieeffizienz bei der

Herstellung von Elastomerformteilen im Spritzgießprozess

Laufzeit: 01.09.2009 - 31.12.2011

Projektpartner: Vereinigung zur Förderung des Instituts für Kunststoffverarbeitung in

Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen e.V.

CAS Computerunterstützte Automatisierungssysteme GmbH & Co. KG

Freudenberg Forschungsdienste KG

MAPLAN Deutschland Maschinen u. techn. Anlagen Planungs- u.

Vertriebs GmbH

Opta GmbH Werkzeugbau

Aachen, 30. Juni 2012

Kurzzusammenfassung

Aufgrund langfristig stetig steigender Energiekosten sowie Anforderungen, die durch die

Notwendigkeit zu Ressourcenschonung und Klimaschutz entstehen, steht auch die Elastomer

verarbeitende Industrie vor der Herausforderung eine energieeffizientere Produktion zu

ermöglichen. Im Rahmen eines vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unter

dem Förderkennzeichen 01LY0910A geförderten Forschungsvorhabens sollen Möglichkeiten

aufgezeigt werden, den Energiebedarf beim Spritzgießen von Elastomerformteilen zu senken.

Dazu haben sich folgende Partner zusammengeschlossen: CAS Computerunterstützte

Automatisierungssysteme GmbH & Co. KG, Reinbek, Freudenberg Forschungsdienste

KG, Weinheim, MAPLAN Deutschland Maschinen u. techn. Anlagen Planungs- u. Vertriebs

GmbH, Murr und Opta GmbH Werkzeugbau, Bensheim, sowie das Institut für

Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen. Unter anderem die Werkzeug- und

Materialtemperierung sowie die Prozessführung und Maschinenantriebe bieten ein erhebliches

Einsparpotenzial.

Die effiziente Werkzeug- und Materialtemperierung beim Elastomerspritzgießen wurde im

Rahmen des Forschungsprojekts über innovative Prozesssteuerungs- und Heizkonzepte

realisiert. Es ist ein Verfahren entwickelt worden, welches es erlaubt, die Massetemperatur

beim Spritzgießen vor Werkzeugeintritt dynamisch zu steuern und die Start-Masse-

Temperatur kurz vor Werkzeugeintritt zu erhöhen. Das dazu entwickelte Element erwärmt

den Werkstoff dabei sowohl durch Wärmeleitung als auch dissipativ durch Scherung.

Zusätzlich sorgt es für eine thermische Homogenisierung des Werkstoffs. Für das Werkzeug

ist ein modernes, modulares Heizkonzept umgesetzt worden. Die eigentliche Werkzeugkavität

wird dabei induktiv sowie mit elektrischen Widerstandsheizungen erwärmt. Die

verschiedenen Heizelemente sind in die kavitätsgebenden Werkzeugbacken integriert und

austauschbar. So kann unmittelbar der Einfluss der Erwärmungsmethode auf den

Energieverbrauch erfasst werden. Zudem wird auf die außen angebrachten Heizplatten

verzichtet und stattdessen formnestnah temperiert. Dadurch wird die zur Fertigung

notwendige Energie gezielt dort eingebracht werden, wo sie gebraucht wird. Somit kann die

Anfahrzeit des Prozesses deutlich reduziert werden, da nur vergleichsweise geringe

Werkzeugmassen erwärmt werden müssen. Außerdem konnte das Antriebskonzept durch den

Einsatz von Konstantvolumenpumpen mit servomotorischem Antrieb optimiert und die

Pumpenaktivität und damit die Motordrehzahl an den tatsächlichen Leistungsbedarf angepasst

werden. Ein verfahrens- und materialabhängig energetisch optimiertes Verfahren wird durch

die Aufnahme der neuen Komponenten in ein Prozessoptimierungssystem ermöglicht.

Durch die Entwicklungen konnte die Energieeffizienz beim Spritzgießen von Elastomeren

deutlich gesteigert werden. Energetische Einsparungen bis zu 80 % während des

Werkzeugaufheizvorgangs und bis zu 45 % während der Fertigung sind hierdurch möglich.

INHALTSVERZEICHNIS

1 KURZDARSTELLUNG .......................................................................................................... 1

1.1 Aufgabenstellung ...................................................................................................... 1

1.2 Vorraussetzungen ..................................................................................................... 3

1.3 Planung, Ablauf und Ergebnisse ............................................................................ 4

1.4 Stand der Technik .................................................................................................... 9

1.5 Zusammenarbeit mit anderen Stellen .................................................................. 10

2 EINGEHENDE DARSTELLUNG .......................................................................................... 11

2.1 Analyse des Ist-Zustandes ..................................................................................... 11

2.2 Dynamische Vortemperierung zur Erhöhung der Start-Massetemperatur ..... 13

2.2.1 Stand der Technik ................................................................................................. 13

2.2.2 Entwicklung eines dynamischen Temperierelements........................................... 14

2.2.3 Untersuchung des dynamischen Temperierelements ........................................... 17

2.3 Energieeffizientere Elastomerspritzgießwerkzeuge ............................................ 21

2.3.1 Anforderungen an ein energieeffizientes Werkzeugkonzept................................ 21

2.3.2 Entwicklung eines effizienten, modularen Werkzeugkonzepts ........................... 21

2.3.3 Untersuchung des modularen Werkzeugkonzepts ............................................... 23

2.3.3.1 Aufheizverhalten .......................................................................................... 23

2.3.3.2 Heizstrategien und Werkzeugwechsel .......................................................... 26

2.4 Zyklusoptimierung ................................................................................................. 27

2.5 Bewertung der Formteilqualität ........................................................................... 28

2.6 Vorraussichtlicher Nutzen und Verwertbarkeit der Ergebnisse ....................... 31

2.7 Bekannt gewordener Fortschritt bei anderen Stellen ......................................... 32

2.8 Erfolgte und geplante Veröffentlichungen der Ergebnisse ................................ 32

3 LITERATUR ...................................................................................................................... 34

1 KURZDARSTELLUNG 1

1 KURZDARSTELLUNG

Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums

für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 01LY0910A gefördert. Im

Folgenden werden die Arbeiten und Ergebnisse dieses Projekts mit dem Kurznamen

„Elastomer-SG“ dargestellt. Der Projektträger Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt

(DLR) unterstützte die Forschungsarbeiten.

Mitglieder des Forschungsverbunds:

Firmen: Firmensitz

CAS Computerunterstützte Automatisierungssysteme

GmbH & Co. KG Reinbek

Freudenberg Forschungsdienste KG Weinheim

MAPLAN Deutschland Maschinen u. techn. Anlagen

Planungs- u. Vertriebs GmbH Murr

Opta GmbH Werkzeugbau Bensheim

Hochschulinstitute:

Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Industrie und Handwerk

an der RWTH Aachen Aachen

1.1 Aufgabenstellung

Das Leistungsvermögen der Werkstoffgruppe der Elastomere ist bis heute durch die

konsequente Weiterentwicklung der synthetischen Kautschuke stetig weiter gesteigert worden

[Mez10]. Kautschuke werden eingesetzt, um Maschinen und Motoren zu lagern, um Kräfte zu

übertragen, um Medien zu transportieren, um drehende Wellen oder unter Druck stehende

Systeme abzudichten, um Schwingungen zu dämpfen und um Aggregate zu verbinden

[NN10]. Die materialspezifischen Vorteile der elastomeren Werkstoffe, wie die guten

Dämpfungseigenschaften, die Formstabilität bei erhöhten Temperaturen in Kombination mit

einer guten Kälteflexibilität, oftmals Halogenfreiheit sowie die Medienbeständigkeit

prädestinieren sie für Anwendungen unter anderem in der Elektronikindustrie, im

1 KURZDARSTELLUNG 2

Automobilsektor sowie in der Medizintechnik [Kle08, Kle10]. Im Jahr 2011 wurden 710.000 t

Kautschuk in Deutschland verbraucht, von denen 405.000 t (57 %) für die Reifenproduktion

und 305.000 t (43 %) für die Erzeugung von Technischen Elastomer-Erzeugnissen (TEE)

eingesetzt wurden [NN12]. Eines der wichtigsten Verfahren zur Herstellung von komplexen

TEE ist das Spritzgießen. Das Spritzgießen von Elastomeren ist ein energetisch aufwendiger

Prozess. Die Hauptenergieverbraucher sind hierbei im Bereich der Antriebe für Maschinen-

und Werkzeugbewegungen sowie der Temperierung zu finden (Bild 1.1). Im Gegensatz zur

Thermoplastverarbeitung erhalten Elastomere ihre Formstabilität nicht durch Energieentzug

durch Abkühlung, sondern durch Wärme- und damit Energieeinbringung im Schritt der

Vulkanisation.

Die Kautschuk verarbeitende Industrie in Europa wird aufgrund des Konkurrenzdrucks aus

Niedriglohnländern zur Kostenreduktion gezwungen. Die Produktionskosten beim

Spritzgießen setzen sich aus den Fixkosten, also bspw. den Anschaffungskosten für die

Spritzgießmaschine oder das Werkzeug, und den variablen Fertigungskosten, u.a. für

Rohstoffe, Löhne, Hilfsstoffe und Energie, zusammen. Aufgrund von Skaleneffekten reduziert

sich der Anteil der Fixkosten an den Stückkosten mit steigender Losgröße. Die variablen

Fertigungskosten pro Stück bleiben hingegen zunächst konstant. Diese variablen

Fertigungskosten gilt es folglich zu senken. Besonders ein effizienterer Umgang mit Energie

wird daher aus produktionstechnischer und wirtschaftlicher Sicht für die Elastomer

Bild 1.1: Hauptenergieverbraucher beim Elastomerspritzgießen

1 KURZDARSTELLUNG 3

verarbeitende Industrie aufgrund der stetig steigenden Energiepreise und des

Optimierungspotenzials immer wichtiger. Gleichzeitig motivieren andere Faktoren, wie die

Verantwortung gegenüber Umwelt und kommenden Generationen, eine etwaige

Marketingwirkung sowie gesetzliche Vorgaben zu einem sparsameren Energieverbrauch.

Aufgabe dieses Forschungsvorhabens ist es daher, die Energieeffizienz beim Spritzgießen von

Elastomerformteilen zu steigern. Im Rahmen des Projekts soll zunächst eine systematische

Analyse des zum Spritzgießen elastomerer Formteile benötigten Energieaufwands

durchgeführt werden. Ausgehend von diesen Ergebnissen werden maschinenseitig innovative

Verfahren zur Materialvorwärmung und Antriebs- und Steuerungstechnik implementiert

sowie ein Konzept zur konturnahen Werkzeugheizung entwickelt. Die entwickelte

Anlagentechnik wird in verfahrenstechnischen Versuchsreihen intensiv untersucht, um

Kenntnisse über den Einfluss der Entwicklungen auf die Prozesseffizienz und die Güte der

Formteile zu gewinnen.

1.2 Vorraussetzungen

Dieses Forschungsvorhaben wurde durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung

im Rahmen der Förderinitiative KMU-innovativ im Technologiefeld Ressourcen- und

Energieeffizienz im Zeitraum 01.09.2009 - 31.12.2011 gefördert. Die beteiligten

Kooperationspartner lieferten ein umfangreiches industrielles Wissen im Bereich der Prozess-,

Verfahrens- und Werkzeugtechnik. Eine wissenschaftliche Vorgehensweise sowie die

Evaluation des Prozesses und der erzielbaren Formteilqualitäten wurden durch das IKV

gewährleistet. Durch die gewählte Zusammenstellung des Forschungsverbunds wurden alle

notwendigen Vorkenntnisse zur erfolgreichen Umsetzung der im Projekt geplanten Aufgaben

erbracht.

Das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) beschäftigt sich seit mehr als 25 Jahren mit dem

Spritzgießen von Elastomeren. Beginnend mit grundlegenden Untersuchungen zur

Automatisierbarkeit der Herstellung elastomerer Formteile wurden am IKV in der Folgezeit

zunächst verstärkt Entwicklungen im Bereich der Werkzeugtechnik vorangetrieben [Bus82,

Paa83, Ben86]. Neben dem frühen Einsatz von Prozessrechnern sind in dieser Zeit auch

grundlegende, die Verarbeitung von Kautschuken im Spritzgießverfahren behandelnde

Untersuchungen durchgeführt worden [Mat85, Jah85, Sch86, Sch87, Wey88]. In der jüngeren

1 KURZDARSTELLUNG 4

Vergangenheit lagen die Forschungsschwerpunkte im Bereich des Elastomerspritzgießens

verstärkt auf der Optimierung des Prozesses, der Übertragung von Spritzgießsonderverfahren

aus der Thermoplastverarbeitung auf den Elastomerbereich sowie der Verarbeitung von

Flüssigsilikonkautschuken [Kre91, Jar94, Wal95, Bri96, Kam98, Hen00, Ron01, Cap02,

Weh02].

MAPLAN gehört zur traditionsreichen Starlinger Group, welche auf eine mehr als 170-jährige

Firmengeschichte zurückblicken kann. Der Geschäftsbereich MAPLAN-Gummispritzguss

zählt zu den bedeutendsten Spritzgießmaschinenherstellern für diese Branche weltweit und

sichert diese Position im Markt durch die permanente Weiterentwicklung von Technologien

und Verfahren [NN07].

Freudenberg Forschungsdienste (FFD) ist der F&E Dienstleister der Freudenberg-Gruppe. Sie

befasst sich, sowohl als Dienstleister für die Freudenberg Teilkonzerne als auch als deren

„Entwickler“, schon lange mit den Themen Effizienzsteigerung, Prozessoptimierung und

Auslegung von Aufbereitungs- und Verarbeitungsprozessen in der Elastomerverarbeitung

[Kau08, NN08]. Schwerpunkte der Forschungs- und Entwicklungsarbeit sind beispielsweise

die Auslegung von Prozessen und Werkzeugen. Die besondere Stärke der FFD liegt dabei in

der einmaligen Kombination aus Materialentwicklungsabteilungen,

Materialcharakterisierungslabors und Applikationsentwicklungsabteilungen, die die optimale

Abstimmung von Material, Maschine und Prozess aufeinander ermöglicht.

Die OPTA Werkzeugbau ist ein innovatives und flexibles Unternehmen, das seit seiner

Gründung 1998 als Werkzeugbauer für Kunden aus unterschiedlichen Bereichen wie der

Automobilindustrie, der Elektro- bzw. Elektronikindustrie sowie der Medizintechnik tätig ist.

Seine Produktpalette reicht von Spritzgießwerkzeugen über Vorrichtungen bis zu

Sondermaschinen.

Die Firma CAS entwickelt, produziert und vermarktet seit 1987 Prozessregelungs- und

Prozessoptimierungssysteme für die Gummi und Kunststoff verarbeitende Industrie. Auf

Basis dieser Systeme wurde in 2006 gemeinsam mit MAPLAN die erste selbstoptimierende

Kautschukspritzgießmaschine vorgestellt [MPEK06].

1.3 Planung, Ablauf und Ergebnisse

Entsprechend der Planung wurde dieses Forschungsvorhaben in sechs aufeinander

aufbauenden Projektphasen durchgeführt.

1 KURZDARSTELLUNG 5

Projektphase 1: Erfassung von Grundlagen

Zu Beginn des Forschungsvorhabens wurde das bei den Kooperationspartnern vorhandene

unterschiedliche Expertenwissen gebündelt und somit ein gleicher Kenntnisstand generiert.

Alle Partner brachten dazu ihr umfangreiches Anlagen- und Prozesswissen bezüglich des

aktuellen technischen Stands beim Spritzgießen von Elastomeren ein. Mit Hilfe der FFD

wurde aus dem Produktportfolio der Freudenberg-Gruppe als Referenzprodukt eine

Klappendichtung, die in Scheibenventilen in verfahrenstechnischen Anlagen eingesetzt wird,

festgelegt. Die Auswahl erfolgte nach folgenden Kriterien:

- Möglichst große Wanddicke, um einen großen messbaren Effekt der

Energieeinsparmaßnahmen sicherzustellen

- Kleine bis mittlere Bauteilgröße zur Reduzierung der Werkzeugkosten

- Werkzeugkonzept darf nicht zu speziell sein, um eine allgemeine Umsetzbarkeit

der neu zu entwickelnden Werkzeugkonzepte zu gewährleisten

- Produktionsbereich der Freudenberg-Gruppe soll für das Referenzprodukt eine

Spritzgießmaschine des Projektpartners MAPLAN einsetzen, um einen direkten

Vergleich der Maschinenperformance zu gewährleisten.

Die ausgewählte Dichtung wird anwendungsabhängig aus unterschiedlichen Kautschuktypen,

wie EPDM, VMQ, HNBR und FKM, hergestellt. Im Rahmen dieses Projekts wurde ein

Siliconkautschuk (VMQ) ausgewählt.

Federführend wurde durch OPTA das bestehende Werkzeugkonzept analysiert. Dieses

umfasst ein Stammwerkzeug, in welches je nach Baugröße der zu fertigenden

Klappendichtung unterschiedliche Werkzeugeinsätze eingebracht werden können. Über

bewegliche Backen wird die Werkzeugbewegung realisiert, um eine Entformung der

ringförmigen Bauteile zu ermöglichen. Die Temperierung erfolgt über fest in die Maschine

integrierte Heizplatten, welche über Wärmeleitung das gesamte Werkzeug erwärmen.

Außerdem fand eine genaue Schnittstellendefinition der durchzuführenden Arbeiten sowie der

zu entwickelnden Komponenten statt. Die dazu notwendigen Arbeitspakete wurden auf die

beteiligten Projektpartner verteilt und die Geräte beschafft. Aus der Analyse industrieller

Serienprozesse konnten durch die Kooperationspartner Einsparpotenziale offengelegt werden.

Projektphase 2: Entwicklung und Bau von Spritzgießmaschine, Spritzgießwerkzeug

und Optimierungssoftware

1 KURZDARSTELLUNG 6

Während der zweiten Projektphase wurde zunächst die Energieaufnahme einer

Spritzgießmaschine in der industriellen Serienfertigung durch das IKV und die FFD an einem

Standort der Freudenberg-Gruppe in der Serienfertigung quantifiziert. Bei der Installation der

Messgeräte in der Serienmaschine sowie der anschließenden Versuchsdurchführung unter

Serienbedingungen wurden das IKV und die FFD durch mit dem Fertigungsprozess vertrautes

Fachpersonal der Freudenberg Dichtungs- und Schwingungstechnik unterstützt. Parallel dazu

wurde mit der Entwicklung einer effizienten Prototypenanlage begonnen. Dazu wurden durch

MAPLAN Energiebilanzen für die Antriebe der Maschine und der Temperiergeräte erstellt.

Die in der Serienmaschine genutzten Antriebe mit Axialkolbenpumpe, die mit einem

Asynchronmotor angetrieben werden, wurden für die Prototypenanlage erstmals durch

MAPLAN mit einem Servomotor mit innenliegender Zahnradpumpe ersetzt. Diese neuen

Antriebe wurden analog zur Serienmaschine auf eine Spritzgießmaschine des Typs MTF

750/160 ausgelegt und beschafft. Anschließend wurden durch MAPLAN umfangreiche

Versuchsreihen gefahren und die Regelparameter optimiert. Die in der Serienfertigung

genutzten Temperiergeräte waren bezüglich der Pumpenantriebsleistung zu groß

dimensioniert. Deshalb wurde durch MAPLAN ein System entwickelt, welches die Geräte

sowohl mit der gleichen Pumpenantriebsleistung als auch mit einer weit geringeren

Pumpenantriebsleistung ausstattet und diese entsprechend den Bedürfnissen regelt. Die

Erhöhung der Start-Massetemperatur kurz vor Werkzeugeintritt wurde durch die Entwicklung

eines dynamischen Temperierelements durch die Kooperationspartner realisiert. Dazu wurden

im Verbund verschiedene Konzepte besprochen und deren Umsetzbarkeit diskutiert. CAS und

das IKV entwickelten das Konzept eines polygonalen, entlang seiner Längachse verdrehten

und verjüngten Fließkanals kurz vor Kavitätseintritt, welcher induktiv beheizt wird. Dieses

Konzept vereint mehrere Möglichkeiten der Energieeinbringung in den Kautschuk. Der

Fließkanal wurde anschließend durch die FFD simulativ abgebildet. Das sogenannte

dynamische Temperierelement sollte zunächst aus einem generativ aufgebauten

Keramikelement bestehen, auf dessen Innenoberfläche eine dünne metallische Schicht

aufgebracht werden sollte. Nach Diskussion des Konzepts durch das IKV und die FFD mit

dem Hersteller der notwendigen Induktionsspule wurde dieses Konzept zugunsten eines

generativ aufgebauten Vollmetallelements verworfen, da die metallische Mindestschichtdicke

bei einer keramischen Ausführung des dynamischen Temperierelements nicht realisiert

werden konnte. Das Element wurde anschließend durch das IKV simulativ ausgelegt. Das

Spritzgießwerkzeug wurde durch OPTA in enger Absprache mit der FFD entsprechend des

1 KURZDARSTELLUNG 7

bestehenden Werkzeugskonzepts als Stammform mit Einsätzen modular ausgelegt, so dass

verschiedene konturnahe Heizkonzepte (Induktion, Widerstandsheizungen) miteinander

verglichen werden können. Insbesondere sieht das Werkzeugkonzept eine thermische

Trennung zwischen Werkzeugstammform und kavitätsgebenden Einsätzen vor. Dies

verhindert Energieverluste durch Wärmeleitung in kalte Werkzeugbereiche. Die Isolation

wurde durch OPTA mechanisch derart stabil ausgelegt, dass eine Schädigung des

Isolationsmaterials während des Einspritzens verhindert wird und die unterschiedliche

Wärmedehnung der untemperierten Stammform und der temperierten Einsätze mit

berücksichtigt wird. Außerdem wurde oberhalb der Kavität ausreichend Einbauraum für die

Installation des dynamischen Temperierelements vorgesehen. Die Werkzeugtemperierung

wurde durch die FFD simulativ ausgelegt. Die neuen Komponenten wurden anschließend in

die Prozessoptimierungssoftware aufgenommen. Dazu entwickelte CAS die Software zur

Berechnung der Materialzustandsänderungen im dynamischen Temperierelement und im

Werkzeug aus den Vorgaben des IKV weiter. Es wurde zunächst ein Algorithmus für die

Anfahrphase während der Aufheizung des Elastomers im Temperierelement vor dem

Einspritzen sowie in die Phase am Ende der Einspritzphase für eine vorzeitige Reduizierung

der Heizleistung integriert. Für die Erprobungsphase wurde in der Software die Erfassung der

Massetemperatur des Elastomers und der Oberflächentemperatur des Temperierelements

vorgesehen. Für den Praxiseinsatz wird nur die Oberflächentemperatur genutzt.

Projektphase 3: Installation der Prototypenanlage

In der dritten Projektphase wurden die entwickelten Komponenten zusammengeführt und in

den Räumlichkeiten des IKV in Form einer Prototypenanlage installiert. Die

Spritzgießmaschine und die Temperierer wurden von MAPLAN in Betrieb genommen.

Nachträglich notwendig gewordene Anpassungen am Werkzeug wurden durch OPTA

vorgenommen, während CAS das Berechnungsmodul für das Temperierelement in das

Prozessoptimierungssystem übertrug dieses in die Steuerung der Spritzgießmaschine

integrierte. Für die Berechnung notwendige Mischungsdaten wurden durch die FFD zur

Verfügung gestellt und die Reaktionskinetik durch die Auswertung durch CAS von am IKV

durchgeführten Vulkameterkurven bei unterschiedlichen Temperaturen charakterisiert.

Außerdem wurde durch MAPLAN und das IKV die für die Versuchsdurchführungen

notwendige Regelungs- und Induktionsperipherie installiert. Vorversuche stellten die

Funktionsfähigkeit der Anlagentechnik sicher. Mit Abschluss der Phase 3 war ein Meilenstein

des Projekts erreicht.

1 KURZDARSTELLUNG 8

Projektphase 4: Verfahrenstechnische Untersuchungen und Weiterentwicklung der

Anlagentechnik

Nach der Installation der Prototypenanlage wurden verfahrenstechnische Untersuchungen

durch das IKV und die FFD durchgeführt und die Anlagentechnik iterativ weiterentwickelt. Es

wurde die Energieaufnahme der Gesamtmaschine sowie der einzelnen Anlagenkomponenten

ermittelt. Die Formteilqualität wurde am IKV mittels Infrarotthermografie und

Magnetresonanzspektroskopie erfasst. Die einzelnen Anlagenkomponenten wurden in dieser

Projektphase iterativ optimiert. Über einen Vergleich der erzielten Ergebnisse mit den

Referenzmessungen in der Serienfertigung wurde die entwickelte Prozesstechnik evaluiert.

An der Prototypenanlage wurden durch das IKV umfangreiche Untersuchungen durchgeführt

und diese mit den Projektpartnern diskutiert. Dabei standen insbesondere das

Aufheizverhalten und der Energieverbrauch der Werkzeugtemperierung und des dynamischen

Heizelements sowie die daraus resultierende Bauteilqualität im Vordergrund. Parallel dazu

wurde die Werkzeugtechnik durch OPTA auf die induktive Beheizung der Kontureinsätze

erweitert. Dazu musste die Werkzeugstammform modifiziert werden. MAPLAN realisierte

durch Anpassung der Prototypenmaschine die Verarbeitbarkeit der Sensordaten und stellte die

Weiterleitung dieser an das CAS Prozessoptimierungssystem sicher. Die FFD beschäftigte

sich intensiv mit der Optimierung von Heizstrategien für Elastomerspritzgießwerkzeuge. Aus

Aufheizversuchen von Werkzeugen unterschiedlicher Größe wurden Aufheiz- und

Abkühlraten bestimmt, auf andere Oberflächen-/Volumenverhältnisse übertragen und in ein

Modell der Heizstrategieoptimierung implementiert. Des Weiteren wurde durch CAS die

Prozessoptimierungssoftware derart erweitert, dass zukünftig mehrere dynamische

Temperierelemente bei vielkavitätigen Werkzeugen einzeln angesteuert und die jeweilige

Start-Massetemperatur für die jeweilige Kavität einzeln festgelegt werden kann. Somit können

unterschiedliche Heizzeiten in den Kavitäten aufgrund unterschiedlicher Temperaturen

reduziert und die Zykluszeit bei vielnestrigen Werkzeugen optimiert werden.

Projektphase 5: Ergebnisaufbereitung, -auswertung und -bewertung

Während der Ergebnisaufbereitung wurden die umfangreichen Messergebnisse durch das IKV

und die FFD gebündelt. Anschließend erfolgte eine Interpretation und Bewertung der

Kriterien hinsichtlich der Steigerung der energetischen und zeitlichen Effizienz,

Rohstoffeinsparungen, Formteilqualität und Nutzerfreundlichkeit. Daraus ergaben sich erste

1 KURZDARSTELLUNG 9

Evaluationen bezüglich der Umsetzbarkeit der entwickelten Technologien in der

Serienfertigung.

Projektphase 6: Dokumentation

Die in den Arbeitsphasen eins bis fünf gemeinsam durch die Kooperationspartner erarbeiteten

Ergebnisse und die daraus abgeleiteten Erkenntnisse werden in diesem Abschlussbericht

zusammengefasst. Die Resultate wurden darüber hinaus, wie in Kapitel 2.8 dargestellt der

Kautschuk verarbeitenden Industrie umfassend vorgestellt, so dass von einer zeitnahen

industriellen Umsetzung auszugehen ist.

1.4 Stand der Technik

Bei der Gruppe der Elastomere handelt es sich um formfeste, jedoch elastisch verformbare

polymere Werkstoffe, deren Glasübergangstemperatur sich unterhalb der Einsatztemperatur

befindet. Elastomere zeigen auch bei hohen Temperaturen bis hin zur Zersetzung keinen

Fließbereich. Sie entstehen durch die chemische Vernetzung von Kautschuk unter der

Beimischung von Zuschlagstoffen [RS06].

Die Hauptenergieverbraucher beim Spritzgießen von Elastomeren sind in der Temperierung

und den Antrieben zu finden, wobei die Temperierung ca. 70 % der Gesamtenergie benötigt.

Während der Verarbeitung erhalten Elastomere im Gegensatz zu Thermoplasten ihre

Formstabilität nicht durch Energieentzug durch Abkühlung, sondern durch Wärme- und damit

Energieeinbringung im Schritt der Vulkanisation. Die typische Massetemperaturgeschichte

beim Elastomerspritzgießen ist in Bild 1.2 dargestellt

1 KURZDARSTELLUNG 10

Die Temperaturerhöhung der Kautschukmischung erfolgt beim Elastomerspritzgießen

zunächst durch Wärmeleitung von der Wand des Spritzzylinders und durch dissipative

Schererwärmung. Zur Vermeidung von frühzeitigem Vernetzen wird die Temperatur in den

Bereichen Einzug, Materialaufbereitung und Spritzzylinder bzw. Spritzkammer in der Regel

auf 120 °C oder weniger begrenzt. Diese Temperaturgrenze gilt auch für den

Kaltkanalverteiler, falls ein solcher im Werkzeug eingesetzt wird. Im Gegensatz dazu wird mit

dem Eintritt der Kautschukmischung in das Formnest ein drastischer Temperaturanstieg auf

materialabhängige Vernetzungstemperaturen (Vulkanisationstemperaturen) im Bereich von

ca. 180 °C angestrebt [RS06]. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wird insbesondere der

in Bild 1.2 hervorgehobene Temperaturbereich maschinenseitig durch MAPLAN,

werkzeugtechnisch durch OPTA sowie verfahrenstechnisch durch CAS, FFD und IKV

betrachtet.

1.5 Zusammenarbeit mit anderen Stellen

Dieses Forschungsprojekt wurde durch die genannten Kooperationspartner durchgeführt. Es

fand, außer bei Zukaufteilen wie den Induktionsheizungen, darüber hinaus keine

Zusammenarbeit mit anderen Unternehmen oder Forschungsinstituten statt.

Bild 1.2: Massetemperaturgeschichte beim Elastomerspritzgießen [Epi07]

2 EINGEHENDE DARSTELLUNG 11

2 EINGEHENDE DARSTELLUNG

In diesem Kapitel werden die Entwicklungen vorgestellt und die erzielten Ergebnisse

diskutiert. Dies umfasst den voraussichtlichen Nutzen und die Verwertbarkeit der

Entwicklungen. Abschließend erfolgt eine Aufstellung der erfolgten und geplanten

Veröffentlichungen der Ergebnisse.

2.1 Analyse des Ist-Zustandes

Die Analyse des Ist-Zustandes erfolgt bei der Freudenberg Spezialdichtungsprodukte GmbH

& Co. KG, Reichelsheim. Zur Feststellung des tatsächlichen Energieverbrauchs in der

Serienfertigung wird der Energiebedarf der Heizplatten, der Materialheizung, der Pumpen, der

Steuerung- und Regelung und des Gesamtsystems während des Aufheizens des Werkzeugs

sowie während 22 Zyklen bei der Fertigung einer Klappendichtung erfasst (Bild 2.1). Die

Aufnahme erfolgt mit Leistungs-Analysatoren vom Typ 3169-21 der Hioki Corporation,

Nagano, Japan, die mit einem DataFlow-System der Kistler Instrumente AG, Winterthur,

Schweiz, zur Datenaufnahme gekoppelt werden.

Bild 2.1: Energiebedarf pro Zyklus in der Serienfertigung


Klappendichtungen dienen der Absperrung von Rohrleitungen, wie sie z. B. in der

Lebensmittel- und Getränkeindustrie vorkommen. Dieses Bauteil wird aufgrund seiner hohen

Wandstärke und der damit einhergehenden langen Vulkanisationszeit für die Untersuchungen

ausgewählt. Das angeschaffte Messsystem zur Erfassung der Energieaufnahme erlaubt die

Aufzeichnung von bis zu sechs dreiphasigen Stromkreisen parallel. Die Energieaufnahme der

in der Maschine integrierten Steuerungs- und Regelungselemente wird als Differenz zwischen

der Gesamtaufnahme und der Summe der vermessenen Einzelverbraucher rechnerisch

ermittelt. In der Serienfertigung erfolgt die Beheizung des 2-Kavitäten-Werkzeugs auf 180 °C

über die maschinenseitig angebrachten Heizplatten. Dadurch ergeben sich Aufheizzeiten von

ca. 1,5 h bei einem Energiebedarf für das Aufheizen von ca. 15 kWh. Für einen laufenden

Zyklus ergab sich ein Energiebedarf von ca. 0,5 kWh. Davon entfallen 44,37 % auf die

Heizplatten, 26,67 % auf die Antriebe, 21,19 % auf die Materialheizung sowie 7,77 % auf die

Steuerung und Regelung. Die Temperierung von Material und Werkzeug ist daher derzeit für

über 65 % des Energiebedarfs verantwortlich.

Die Analyse der Serienfertigung ergibt darüber hinaus folgende Nachteile der derzeit

eingesetzten Werkzeugtechnik, die im Rahmen des Forschungsprojekts adressiert werden

sollten:

- Die großen aufzuheizenden Stahlvolumen des Werkzeugs resultieren in langen

Aufheizzeiten und somit einem hohen energetischen Aufwand bis zum ersten Schuss.

- Die konventionell beheizten Werkzeuge leiten die eingebrachte Energie nicht

fokussiert in das Formteil ein, sondern strahlen sehr viel Wärme in die Umgebung ab.

- Durch die Wärmeabstrahlung in die Umgebung ist oftmals eine aktive oder passive

Kühlung der Produktionsstätten für ein erträgliches Arbeitsklima erforderlich.

- Gerade bei Mehrkavitäten-Werkzeugen führt eine ungleiche Wärmeverteilung

zwischen den Kavitäten zu unterschiedlichen Vernetzungsgraden und damit zu

Bauteilqualitäten, deren Angleichung durch eine Verlängerung der

Vulkanisationsphase erreicht wird.

- Schnelle Werkzeugwechsel werden durch die hohen Temperaturen der Form

erschwert.

- Aufgrund der niedrigen Aufheizraten wird die Werkzeugbeheizung auch in

Produktionspausen durchgehend betrieben.


- Durch das als Kaltkanal ausgelegte Angusssystem ist keine Erhöhung der Start-

Massetemperatur während der Einspritzphase ohne Gefahr einer vorzeitiger

Vernetzung möglich.

2.2 Dynamische Vortemperierung zur Erhöhung der Start-Massetemperatur

Zunächst soll das entwickelte System zur Erhöhung der Start-Massetemperatur vorgestellt

werden. Aufbauend darauf werden wesentliche Ergebnisse diskutiert.

2.2.1 Stand der Technik

Die Heizphase legt beim Spritzgießen von Elastomeren die Zykluszeit und den Energiebedarf

fest, da Elastomere im Allgemeinen schlechte Wärmeleiter sind. Darüber hinaus sind

Formteile aus Elastomeren oftmals dickwandig. Mit einer gezielten Materialvorwärmung kurz

vor Werkzeugeintritt wird das Ziel verfolgt, die Start-Massetemperatur der

Kautschukmischung anzuheben und deren Inkubationszeit zu senken. Gleichzeitig muss ein

vorzeitiges Vernetzen vor Werkzeugeintritt zur Sicherstellung einer einwandfreien

Bauteilqualität vermieden werden. Bereits anvernetzte Partikel können Fehlstellen im

Formteil erzeugen. In der Thermoplast- und Elastomerverarbeitung erfolgt die Temperierung

des Spritzmaterials kurz vor Kavitätseintritt meist, um den später zu entformenden Anguss

möglichst klein zu halten. In der Thermoplastverarbeitung werden zur Vermeidung von

vorzeitigem Erstarren der Formmasse Heisskanäle mit entsprechenden Düsen eingesetzt. Bei

der Elastomerverarbeitung werden analog zur Vermeidung von frühzeitiger Vernetzung vor

der eigentlichen Kavität Kaltkanalsysteme eingesetzt. Die verfügbaren Kalt- oder

Heißkanalsysteme sind derzeit nicht in der Lage eine dynamische Temperierung zu

realisieren. Sie erhöhen die Massetemperatur oder halten sie konstant. Elektrische

Widerstandsheizungen haben zudem ein vergleichsweise träges Ansprechverhalten. In

jüngerer Zeit wurden für die Elastomerverarbeitung Systeme entwickelt, die zur Erhöhung der

Start-Massetemperatur über fest stehende oder verstellbare Scherelemente oder Scherspalte

verfügen. Der Einsatz von Scherelementen sowohl zur Homogenisierung als auch zur

Erwärmung eines plastischen Materials birgt gerade bei scherempfindlichen

Ausgangsmaterialien Schwierigkeiten wie Entmischungserscheinungen und erzeugt hohe

Druckverluste.


2.2.2 Entwicklung eines dynamischen Temperierelements

Zur dynamischen Führung der Elastomertemperatur wurde das in Bild 2.2 schematisch

dargestellte Temperierelement durch die Projektteilnehmer gemeinsam neu entwickelt.

Es erlaubt eine hochdynamische Temperaturführung der Formmasse kurz vor

Werkzeugeintritt. Es bildet dazu das Verbindungselement zwischen Schneckenvorraum und

der eigentlichen Werkzeugkavität und ersetzt somit einen klassischen Kaltkanal bzw. einen zu

entformenden Anguss (Bild 2.3).

Bild 2.2: Schematische Ansicht des dynamischen Temperierelements

Bild 2.3: Lage des dynamischen Temperierelements


Nach der Reaktionsgeschwindigkeits-Temperatur-Regel bewirkt eine geringe Erhöhung der

Start-Massetemperatur eine deutliche Reduzierung der notwendigen Heizzeit im Werkzeug.

Die Energie sollte dem Werkstoff dabei grundsätzlich über Wärmeleitung, Dissipation oder

Hochfrequenzanregung zugeführt werden. Eine Materialvorwärmung über Wärmestrahlung

oder Konvektion ist im Fall der hier vorliegenden geschlossenen Systeme schwierig zu

realisieren. Eine Energieeinbringung mittels Wärmeleitung erlaubt die Erwärmung von

fließendem und ruhendem Material und ist einfach implementierbar. Nachteilig ist der große

Temperaturgradient im Material von außen nach innen aufgrund der im Allgemeinen geringen

Wärmeleitfähigkeit von Elastomeren und der daraus resultierenden Begrenzung der

Wandtemperaturen nach oben durch Anvernetzung oder thermische Materialschädigung. Über

Dissipation in einem Scherspalt kann ein homogener Temperaturanstieg in der Formmasse

erzielt werden. Gleichzeitig besteht die Gefahr der Materialschädigung durch zu hohe

Scherung. Gerade bei hochgefüllten Elastomermischungen können zudem Entmischungen

auftreten. In der Extrusion von Elastomeren wurden Systeme zur Mikrowellenvernetzung

eingeführt, die eine sehr schnelle Erwärmung des Werkstoffs ermöglichen. Diese zeigen

jedoch eine starke Materialabhängigkeit und können aufgrund ihrer Bauart derzeit nicht in ein

Spritzgießwerkzeug integriert werden.

Die Beheizung des neu entwickelten dynamischen Heizelements erfolgt induktiv. Dazu

verfügt das Heizelement über Anschlussmöglichkeiten für einen Multifrequenzgenerator und

und ein Temperiergerät. Der eigentliche Fließkanal besitzt einen polygonalen Querschnitt, ist

entlang seiner Fließachse verdreht und verjüngt sich in Richtung des Materialaustritts. Durch

seine Form und die induktive Beheizung kombiniert der Temperierkanal Wärmeleitung im

Kautschuk mit dissipativer Erwärmung durch Scherung sowie Wärmeeinbringung bei

gefüllten Materialien durch elektromagnetische Effekte. Außerdem soll die Wärme effektiv

durch die entstehende Querströmung verteilt und dadurch die Temperatur im Material

homogenisiert werden.

Dem dynamischen Temperierkanal wird nur während der Einspritzphase frisches Material aus

der Spritzgießmaschine zugeführt. Außerhalb dieses Zeitfensters, während des

Werkzeugschließens, des Vulkanisierens sowie des Werkzeugöffnens und der Entnahme des

Formteils, muss ein Anvernetzen des Werkstoffs im Kanal verhindert werden. Bild 2.4 zeigt

die dazu notwenige Temperaturführung im Temperierkanal.


Die aktive Energiezufuhr durch induktive Erwärmung der Temperierkanalwand wird bereits

vor Beginn der Einspritzphase gestartet und vor Beginn der Vernetzungsphase beendet.

Wärme wird über ein geeignetes integriertes Wasserkühlsystem, wenn benötigt, dem

Temperierelement entzogen. Der Temperaturverlauf des Werkstoffs wird dadurch so geregelt,

dass das Material außerhalb der Einspritzphase nicht zu stark erwärmt wird. Die

Temperaturführung wird durch das Prozessoptimierungssystem des Projektpartners CAS

gesteuert. Durch die Entwicklung von Algorithmen zur Einstellung der Heizleistung des

Heizelements kann eine optimale Formteilqualität sichergestellt werden.

Die Kühlkanäle, der Strukturkörper und die Massekanalgeometrie des dynamischen

Temperierelements wurden wie beispielhaft in Bild 2.5 dargestellt durch thermische,

mechanische und fluidtechnische Simulationen ausgelegt.

Bild 2.4: Temperaturführung im dynamischen Heizelement


Dabei soll die Minimierung der Wanddicke zu einer hohe Dynamik des Systems durch kleine

zu temperierende Massen führen. Gleichzeit muss aber die mechanische Funktionsfähigkeit

des Systems bei bis zu 2200 bar Einspritzdruck sichergestellt werden. Die Kanalgeometrie

soll Totwassergebiete vermeiden und Gebiete hohen Drucks mit einer guten Mischwirkung

erzeugen.

Durch die geometrischen Anforderungen an das dynamische Temperierelement ist eine

konventionelle Fertigung über spanende Verfahren nicht möglich. Daher wird auf das direkte

Metall-Lasersinter-Verfahren zurückgegriffen. Dieses Verfahren erlaubt durch das lokale

Aufschmelzen von feinem, pulverförmigen Metall durch einen CO2-Laser den schichtweisen

Aufbau des Temperierelements. Dadurch ist die Fertigung von internen Hohlräumen und

Hinterschnitten möglich. Das von der bkl-lasertechnik, Coburg, generativ erzeugte Bauteil

kann nachbearbeitet werden und ist aus 1.2709, einem martensitaushärtenden Werkzeugstahl

mit hohen mechanischen Kennwerten.

2.2.3 Untersuchung des dynamischen Temperierelements

Die eigentliche Induktionsspule aus Kupfer wird während des Betriebs von einem

Multifrequenzgenerator MFG 15 des Herstellers eldec Schwenk Induction GmbH,

Dornstetten, versorgt. Der Generator hat eine maximale Ausgangsleistung von 15 kW. Die

Spule muss während des Betriebs aktiv gekühlt werden, um ein Überhitzen zu verhindern.

Dadurch ergibt sich das in Bild 2.6 dargestellte Oberflächentemperaturprofil des dynamischen

Temperierelements.

Bild 2.5: Mechanische Auslegung des dynamischen Temperierelements


Deutlich erkennbar sind die großen Temperaturunterschiede zwischen induktiv beheiztem

Temperierelement und gekühlter Induktionsspule.

Das Aufheizverhalten des dynamischen Temperierkanals hängt von der der Generatorleistung

ab. Diese ist aufgrund Spulenauslegung auf 60 % des Maximalwerts beschränkt. Bild 2.7 zeigt

das Aufheiz- und Abkühlverhalten des Systems in Abhängigkeit von der Generatorleistung.

Deutlich wird die hohe thermische Dynamik gerade bei hoher Ausgangsleistung, die die für

den Einsatz notwendige Temperaturführung ermöglicht und dabei insbesondere ein

Anvernetzen im Kanal während der Formteilvulkanisation im Werkzeug verhindert. Die

Erfassung der Temperatur erfolgte über Thermografieaufnahmen im Mittelpunkt der

Oberfläche des Elements.

Bild 2.6: Oberflächentemperaturprofil des dynamischen Temperierelements


Die Spritzmasse durchströmt das Temperierelement aus dem Maschinenpott mit einer

Temperatur von 50 °C, das Temperierelement ist auf 60 °C wassertemperiert. Die

Massetemperatur am Austritt aus dem Temperierelement wird in diesen Messreihenmittels

Infrarotkamera erfasst. In Bild 2.8 ist die Masseaustrittstemperatur in Abhängigkeit der

Generatorleistung dargestellt. Bei hohen Generatorleistungen ist eine Erhöhung der

Massetemperatur auf über 80 °C zu messen. Der Temperierkanal ist entlang des Fließwegs um

180 ° verdreht, der Fließkanal weist zudem einen polygonalen Querschnitt auf. Dadurch

befindet sich die Spritzmasse während des Austritts in einer Rotation. D

er ortsfeste Messpunkt erfasst die Erhebungen und Vertiefungen des Massestrangs. In diesen

liegen lokal unterschiedliche Reflektionsgrade vor, welche die periodischen Schwankungen

der gemessenen Massetemperaturen während der Einspritzphase erklären.

Bild 2.7: Aufheiz- und Abkühlvorgang in Abhängigkeit von der Generatorleistung


Die dargestellten Erhöhungen der Start-Massetemperatur stellen sich bei 30 s Aufhheizzeit

des Temperierkanals während der Vulkanisationsphase im Werkzeug ein. Der dazu nötige

energetische Aufwand ist in Bild 2.9 dargestellt. Mit steigender Generatorleistung und damit

erhöhtem Energieaufwand steigen die maximale und mittlere Temperatur der Spritzmasse.

Der dazu nötige Energieaufwand liegt im zweistelligen Wh-Bereich.

Bild 2.8: Massetemperatur am Austritt in Abhängigkeit von der Generatorleistung

Bild 2.9: Abhängigkeit der Start-Massetemperatur am Austritt des Temperierelements vom

Energiebedarf bei 30 s Aufheizzeit des Temperierelements


2.3 Energieeffizientere Elastomerspritzgießwerkzeuge

Die Formgebung findet in der Kavität des Spritzgießwerkzeugs statt. Heutige

Werkzeugkonzepte weisen oftmals die bereits in Kapitel 2.1 dargestellten Nachteile auf. In

der Elastomerverarbeitung ist bislang kein systematisch verfolgtes Vorgehen bekannt, die

Werkzeugtechnik bezüglich ihrer Energieeffizienz zu optimieren. Meist ist eine Beheizung

des gesamten Werkzeugs durch maschinenseitig oder werkzeugseitig integrierte elektrische

Heizplatten oder Heizpatronen vorgesehen. Daher sollte im Rahmen dieses

Forschungsvorhabens ein deutlich energieeffizienteres Werkzeugkonzept entwickelt werden.

Dieses wird im Folgenden vorgestellt und evaluiert.

2.3.1 Anforderungen an ein energieeffizientes Werkzeugkonzept

An ein modernes und effizientes Werkzeugkonzept werden durch die Projektteilnehmer

mehrere Anforderungen gestellt:

- Der Aufheiz- und Abkühlvorgang muss schnelle Werkzeugwechsel und kurze

Anfahrzeiten erlauben.

- Die Temperierung muss regelbar, reproduzierbar und über die Kavitätsoberfläche

homogen erfolgen.

- Wärmeverluste in die Umgebung sollten möglichst vermieden werden.

- Das Konzept muss eine hohe mechanische Belastungsfähigkeit aufweisen und den

Anforderungen des Serieneinsatzes genügen.

2.3.2 Entwicklung eines effizienten, modularen Werkzeugkonzepts

Um einen Vergleich mit dem in Kapitel 2.1 untersuchten Serienprozess durchführen zu

können, wurde das Serienwerkzeugkonzept durch die FFD und OPTA zu dem in Bild 2.10

dargestellten Stammwerkzeugkonzept mit kavitätsgebenden Formeinsätzen modifiziert.


Das Werkzeugkonzept sieht insbesondere die thermische Trennung von Einsatz und

Stammform sowie die konturnahe Beheizung des Einsatzes vor. Aus der

Thermoplastverarbeitung sind Werkzeugkonzepte zur gezielten und konturnahen

Temperierung des Formnests bekannt. Die Kavitätsoberfläche wird dabei kurzfristig beheizt,

um bspw. Fließwege zu verlängern, präzise Oberflächen abformen zu können oder Bindenähte

zu vermeiden. Dabei wird meist eine zweistufige Temperaturführung genutzt. Die

Temperierkanäle werden je nach eingesetzter Technik beispielsweise zunächst mit einem

Temperierfluid mit hoher Temperatur und anschließend mit einem Fluid mit niedrigerer

Temperatur durchströmt [Gri08]. Die Beheizung des Werkzeugs kann auch über

Infrarotstrahlung, Induktion oder Sonderverfahren wie Laser- und Mikrowellenstrahlung

erfolgen [Kla10]. Im Gegensatz zur Thermoplastverarbeitung bietet sich beim

Elastomerspritzgießen die durchgehende konturnahe Beheizung der Werkzeugkavität an. Ein

Abkühlen der Kavität ist im Gegensatz zur Thermoplastverarbeitung für die Formstabilität des

Formteils nicht notwendig. Bei der Elastomerverarbeitung können ebenfalls, hier mit dem Ziel

der Maximierung der Energieeffizienz, unterschiedliche Heizkonzepte eingesetzt werden. Die

modulare Bauweise des Werkzeugs erlaubt den Austausch der formgebenden Einsätze und die

Evaluation unterschiedlicher Heizkonzepte, insbesondere von formbaren elektrischen

Widerstandsheizelementen und induktiver Beheizung.

Formbare elektrische Heizelemente sind vergleichsweise kostengünstig, einfach ohne

zusätzliches Equipment zu implementieren und in verschiedenen Leistungsstufen zu

erwerben. Induktion als Heizkonzept bietet demgegenüber den Vorteil von hohen

Aufheizraten und Energiedichten, fordert aber den Einsatz zusätzlicher Hardware und ist

derzeit noch nicht Stand der Technik. Theoretisch möglich wäre der Einsatz von keramischen

Bild 2.10: Modulares Werkzeugkonzept


Heizelementen. Diese haben ebenfalls eine hohe Aufheizrate und Energiedichte, sind aber

derzeit nur bei einfachen, flächigen Geometrien einsetzbar und somit für die gleichmäßige

konturnahe Beheizung runder Geometrien nicht nutzbar.

2.3.3 Untersuchung des modularen Werkzeugkonzepts

Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wurde die induktive Beheizung sowie die

Temperierung über formbare elektrische Widerstandsheizelemente am IKV und bei den FFD

untersucht, wobei insbesondere letztere aus Sicherheits- und Kostengründen Vorteile

gegenüber einer induktiven Beheizung bieten. Beide Heizkonzepte sind wie in Bild Bild 2.10

dargestellt in das Werkzeug integriert. Keramikheizer können aufgrund der runden Geometrie

der untersuchten Klappendichtung im Rahmen dieses Forschungsvorhabens nicht untersucht

werden.

2.3.3.1 Aufheizverhalten

Das zeitliche Aufheizverhalten der Werkzeugkavität unterscheidet sich deutlich in

Abhängigkeit des eingesetzten Heizkonzepts. In Bild 2.11 ist dies für das konventionelle,

serienmäßige Heizkonzept, für die konturnahe Beheizung des Formnests über formbare,

elektrische Widerstandsheizelemente und für die induktive Werkzeugheizung dargestellt,

wobei die Temperaturerfassung bei den Widerstandsheizungen über Thermoelemente und bei

der Induktionsheizung über Thermografieaufnahmen erfolgt.

Das Konzept erlaubt durch die Integration einer konturnahen Widerstandsheizung und den

Verzicht auf eine Beheizung des kompletten Werkzeugs über die maschinenseitig

angebrachten Heizplatten eine deutliche Verkürzung der Aufheizzeit um bis zu 89 % bis zum

ersten Schuss. Diese Aufheizzeit bis auf eine Kavitätstemperatur von 180 °C kann durch den

Einsatz einer bereits diskutierten konturnahen induktiven Werkzeugheizung weiter reduziert

werden, so dass die induktive Beheizung eine Zeitersparnis von 97 % gegenüber dem

konventionellen Werkzeugkonzept aufweist und von ca. 70 % gegenüber einer konturnahen

Beheizung über formbare Widerstandsheizelemente.


Mit dieser Zeitersparnis einher geht die in Bild 2.12 für das konventionelle Werkzeugkonzept

sowie für das Werkzeug mit konturnaher elektrischer Widerstandsheizung dargestellte

Energieeinsparung beim Aufheizen.

Aufgrund der deutlich geringeren zu erwärmenden Massen in Kombination mit der Isolation

der Formeinsätze von der Werkzeugstammform wird die Energie zielgerichtet eingebracht

Bild 2.11: Vergleich des Aufheizvorgangs

Bild 2.12: Energetischer Vergleich eines Aufheizzyklus von konventioneller und energetisch

optimierter Werkzeugbeheizung


und Wärmeverluste in die Umgebung werden minimiert. Das optimierte Werkzeug erlaubt

daher eine deutliche Reduzierung des Energiebedarfs des Werkzeugaufheizvorgangs im

Vergleich zum konventionell aufgebauten Serienwerkzeug um bis zu 80 %.

Eine induktive Werkzeugbeheizung ist insbesondere bei hoch dynamischen Prozessen von

Interesse. Durch diese Art der Beheizung können sehr hohe Aufheizraten realisiert werden.

Diese sind Bild 2.13 in Abhängigkeit der Generatorleistung dargestellt.

Die Temperaturaufnahme erfolgt dabei mittels Infrarotaufnahme der Werkzeugkavität. Bei

maximaler Generatorleistung von 15 kW kann durch die konturnahe Auslegung der

Induktionsspule in den Formeinsätzen ein Aufheizen auf 180 °C Kavitätstemperatur im

zweistelligen Sekundenbereich realisiert werden. Auch aus energetischer Sicht stellt es sich

als sinnvoll heraus, den Aufheizvorgang mit möglichst hoher Leistung zu betreiben (Bild

2.14). So kann zusätzlich zur Reduktion der Aufheizzeit um 92 % bei 15 kW Aufheizleistung

im Vergleich zu 3 kW Aufheizleistung der dafür notwendige Energiebedarf um 80 % gesenkt

werden. Die induktive Werkzeugbeheizung zeigt das größte Energieeinsparpotenzial im

Vergleich zur konventionellen Beheizung. Allerdings ist bei integrierter induktiver

Werkzeugbeheizung, wie sie in diesem Forschungsvorhaben realisiert wurde, insbesondere

bei den in der Elastomerverarbeitung häufig anzutreffenden Vertikalmaschinen mit manueller

Entnahme auf eine erhöhte Sicherung des Maschinenbedieners zu achten. Wird wie bei dem

in Kapitel 2.2 beschriebenen dynamischen Temperierelement die Induktionsspule sicher

Bild 2.13: Induktiver Aufheizvorgang und Abkühlen in Abhängigkeit von der Generatorleistung


isoliert außerhalb der Reichweite des Nutzers betrieben, stellen die hohen Spannungen eine

deutlich geringere Gefahr dar als bei einer kontinuierlich, auch während der

Entformungsphase arbeitenden, geregelten Induktionsheizung in Reichweite des Bedieners.

2.3.3.2 Heizstrategien und Werkzeugwechsel

Einher mit der deutlichen Aufheizzeitverkürzung geht eine Reduzierung der Kühlphase

aufgrund der geringen zu temperierenden Massen. Dieses hochdynamische Verhalten kann

bereits in Kapitel 2.3.3.1 durchgeführten Untersuchungen beobachtet werden. Dadurch lassen

sich auch Heizstrategien optimieren und Werkzeugwechsel effizienter durchführen.

Betrachtet sei der beispielhafte Fall einer dreistündigen Produktionsunterbrechung, bei der in

der Praxis heutzutage die Werkzeugheizung im Allgemeinen durchgehend betrieben wird.

Durch die Realisierung sehr hoher Aufheizraten kann das Werkzeug in der optimierten

Bauweise auch bei ausgeschalteter Heizung zum Ende der Produktionspause sehr schnell

wieder in einen betriebsbereiten Zustand überführt werden. Der dafür notwendige

Energiebedarf ist während der Heizphase kurzfristig zwar relativ hoch, diese ist jedoch

zeitlich eng begrenzt. So kann, wie Bild 2.15 zeigt, kumuliert über der Betriebsdauer im

Vergleich zu einer durchlaufenden Heizung 60 % (ca. 9 kWh) Energie eingespart werden. Die

Bild 2.14: Zeit- und Energieverbrauch in Abhängigkeit der Generatorleistung für induktives

Aufheizen bis 180 °C Kavitätstemperatur


Höhe der Ersparnis ist dabei von der Unterbrechungszeit und der Absenktemperatur abhängig.

Das Werkzeugkonzept ist außerdem besonders für häufige Werkzeugwechsel aufgrund von

kleinen Serien beziehungsweise bei häufigen Formreinigungsvorgängen sinnvoll. Dabei

erlauben die Modularität und die hohen Aufheiz- und Abkühlraten der Formeinsätze die

Fertigung unterschiedlicher Formteilgeometrien oder den Austausch gleicher Formeinsätze

untereinander zur Reinigung.

2.4 Zyklusoptimierung

Unabhängig von Aufheizverhalten und Heizstrategie ist gerade für den Serieneinsatz die

Energieaufnahme pro Spritzgießzyklus entscheidend. Diese ist in Bild 2.16 dargestellt und

kann mit dem entwickelten Werkzeugkonzept, den optimierten Antrieben sowie mit dem

Prozessoptimierungssystem im Vergleich zum Referenzsystem um bis 45 % gesenkt werden.

Antriebsseitig werden in der Prototypenmaschine erstmalig Konstantvolumenpumpen mit

servomotorischem Antrieb durch MAPLAN eingesetzt. Dadurch kann die Pumpenaktivität

und damit die Motordrehzahl an den tatsächlichen Leistungsbedarf angepasst werden. Gerade

beim Elastomerspritzgießen ergeben sich durch die Pausen der hydraulischen Verbraucher

während der Vulkanisation und der Entformung deutliche Energieeinsparnisse. Ein ähnlicher

Effekt kann durch die ebenfalls durch MAPLAN umgesetzte bedarfsgerechte Regelung des

Förderstroms der Temperiergeräte erzielt werden [Eis11].

Bild 2.15: Verringerung des Energiebedarfs durch Optimierung der Heizstrategie


Das Prozessoptimierungssystem bildet alle Stationen des Elastomerspritzgießprozesses ab und

berechnet daraus die höchstmögliche Start-Massetemperatur sowie die minimale Heizzeit.

Durch dieses Vorgehen können Sicherheitszuschläge minimiert werden [Eis11].

Bei der Werkzeugtemperierung ist die fokussierte Energieeinbringung in Kombination mit der

Isolation der Formeinsätze zielführend. Durch die Modifikation des Werkzeugkonzepts

konnte die Idee eines „kalten Werkzeugs“ realisiert werden. Dieses bietet neben dem

geringeren Energieverbrauch auch Vorteile in der Handhabbarkeit der Stammform, da diese

auch nach mehreren Stunden Dauerlauf noch nicht zu heiß ist, so dass sie immer noch berührt

werden kann. Außerdem konnte das Temperaturgefälle zwischen den einzelnen Kavitäten

gesenkt werden. Dies führt zu einer Verkürzung der eigentlichen Heizzeit, da sich diese bei

mehreren Kavitäten immer nach der mit der niedrigsten Temperatur richten muss, um eine

Untervulkanisation zu vermeiden [Mas11]. Auf das Temperaturgefälle wird im Folgenden

näher eingegangen.

2.5 Bewertung der Formteilqualität

Über die Bewertung der Formteilqualität wird auf die Güte der entwickelten Komponenten

rückgeschlossen. Dabei muss insbesondere eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der

Kavität sichergestellt werden, damit der Prozess bei geringstmöglicher Zykluszeit ohne die

Gefahr lokaler Untervulkanisation bei kälteren Kavitätsteilen durchgeführt werden kann. Die

Bild 2.16: Optimierung der pro Zyklus benötigten Energie beispielhaft dargestellt für formbare

Heizelemente


Temperaturverteilung auf den Oberflächen wird im Rahmen dieses Forschungsvorhabens

mittels Infrarotthermografie durch das IKV und die FFD erfasst. Dies hat den Vorteil, dass im

Gegensatz zu lokal begrenzten Temperatursensoren die tatsächliche Oberflächentemperatur

großflächig erfasst werden kann. Aufgrund der Einbausituation ist die direkte Messung der

Werkzeugkavitätstemperatur mittels Infrarotthermografie während der Fertigung nicht

möglich. Daher werden die Formteile unmittelbar nach Entformung sowie im weiteren

Abkühlverlauf jeweils nach 20 s vermessen. Den qualitativen Temperaturverlauf bei Aufsicht

und Seitenansicht sowie die jeweils ausgewerteten Messlinien zeigt Bild 2.17.

Bild 2.18 zeigt die Auswertung der Thermografieaufnahmen exemplarisch für eine Aufsicht

sowie eine Seitenansicht. Dabei wird in beiden Ansichten die erzielbare Homogenität der

Temperaturverteilung deutlich. Das entwickelte Werkzeugkonzept ermöglicht somit eine

äußerst gleichmäßige Kavitätstemperierung.

Bild 2.17:Infrarotthermografie am Formteil


Die Formteilevaluierung mittels Magnetresonanzspektroskopie liefert keine eindeutigen

Ergebnisse. Die Messauflösung des Systems sowie die Temperaturabhängigkeit der

Messungen erlauben keine Detektion bereits anvernetzter Partikel oder Fehlstellen. Das

System eignet sich jedoch zur weiteren Optimierung der Prozessführung. Die Prozessführung

kann dabei zur Minimierung der Heizphase sowie der tatsächlich benötigten

Werkzeugkavitätstemperatur genutzt werden. Aus Unwissenheit über die benötigte Heizzeit

wird diese in der betrieblichen Praxis oftmals länger als benötigt angesetzt, um eine

Untervulkanisation des Formteils verhindern zu können. Gleichzeitig erfolgt die Festlegung

der Werkzeugtemperatur vielfach einer subjektiven Bewertung, wobei zu hohe Temperaturen

zu direkten energetischen Nachteilen und zu niedrige Werkzeugtemperaturen zu einer

Verlängerung der Heizzeit führen. Heizzeitrechner und Prozessoptimierungssysteme erlauben

eine von Formteil- und Rohstoffparametern abhängige Prozessregelung die allerdings auf

einer physikalischen Modellierung und oftmals nicht auf einer Messung des Ist-Zustands des

Vernetzungsvorgangs beruht. Eine tatsächliche zerstörungsfreie Bestimmung und Kontrolle

des Vernetzungsgrads ist mit den verfügbaren Analysemethoden bislang nicht möglich.

Durch die im Rahmen des Forschungsvorhabens eingesetzte Magnetresonanzspektroskopie

wird die transversale Relaxationszeit des Kautschuks gemessen. Diese liefert eine Information

zur Vernetzungsdichte [GKB05]. In Bild 2.19 ist der heizzeitabhängige Vulkanisationsgrad in

3,5 mm Bauteiltiefe bei konstanter Werkzeugtemperatur dargestellt. Der Vulkanisationsgrad

Bild 2.18: Bewertung der Temperaturhomogenität


ist dabei auf das Intervall des höchsten und niedrigsten Werts der Messung qualitativ skaliert

dargestellt. Erwartungsgemäß steigt der Vulkanisationsgrad in Abhängigkeit der Heizzeit

zunächst bis zu einem quasi stationären Plateau. Dieser Verlauf kann mithilfe eines

Polynomes dritter Ordnung beschrieben werden. Mit Hilfe einer linearen Regression ergibt

sich anschließend die optimierte Heizzeit des Bauteils in der untersuchten Bauteiltiefe.

Bild 2.19: Heizzeitabhängiger Vulkanisationsgradverlauf bei 200 °C in 3,5 mm Bauteiltiefe

Zielführend ist die Untersuchung der Bauteilmitte im dickwandigsten Bereich, da die geringe

Wärmeleitfähigkeit hier die Heizzeit bestimmt. Aus der Erfassung des zeitlichen

Vulkanisationsgradverlaufs für verschiedene Werkzeugtemperaturen in Kombination mit der

benötigten Energieaufwendung lässt sich ein für das jeweilige Formteil charakteristisches

dreidimensionales Kennlinienfeld erzeugen, mit dem ein Elastomerspritzgießprozess

qualitativ und energetisch optimal geführt werden kann.

2.6 Vorraussichtlicher Nutzen und Verwertbarkeit der Ergebnisse

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde eine Möglichkeit zur Steigerung der Start-

massetemperatur sowie zur effizienten konturnahen Werkzeugtemperierung beim

Elastomerspritzgießen entwickelt. Durch die Nutzung dieser Entwicklungen kann die

Zykluszeit sowie der Energiebedarf für die Fertigung komplexer elastomerer Formteile bei


gleichbleibend hoher Formteilqualität reduziert werden. Die Entwicklungen können zudem

Rüstvorgänge verkürzen. Weiterentwickelte Antriebe sowie die Modellierung des Verfahrens

in der Prozessoptimierungssoftware führen zu weiteren Einsparungen. Die in diesem

Vorhaben erzielten Erkenntnisse sind unmittelbar in der Industrie anwendbar und liefern dort

ökonomischen und ökologischen Nutzen bei vergleichsweise geringen Investitionen. Die

Verwertbarkeit der Ergebnisse wird daher als sehr hoch eingeschätzt.

2.7 Bekannt gewordener Fortschritt bei anderen Stellen

Die Erhöhung der Start-Massetemperatur zum Zweck der Zykluszeitverkürzung bei

dickwandigen Bauteilen wird von der Firma LWB Steinl GmbH & Co. KG, Altdorf, durch ein

Drosselelement vor dem Spritzzylinder im sogenannten Adaptive Cure Control System

realisiert. In dem mit einem anpassbaren Querschnitt ausgestatteten Drosselelement wird

Druckenergie in Wärme umgewandelt. Dieses System kann jedoch Grenzen bei der

Verarbeitung von scher- und wärmeempfindlichen Gummimischungen sowie bei

Angusssystemen mit hohem Druckbedarf haben [HSGD11].

Das IsoWe-Werkzeugkonzept der Konstruktionsbüro Hein GmbH, Neustadt, sieht isolierte

Formeinsätze vor. Anstatt das gesamte Werkzeug zu temperieren, werden ausschließlich die

durch eine Isolationsschicht getrennten Einsätze temperiert. Der Schwerpunkt dieses

Konzeptes liegt auf der thermischen Isolation und lässt bewusst die Wahl der

Temperiermethode offen. Diese kann individuell gestaltet werden [Hei10].

2.8 Erfolgte und geplante Veröffentlichungen der Ergebnisse

Die gewonnenen Erkenntnisse dieses Forschungsvorhabens wurden wie folgt veröffentlicht:

MICHAELI, W.; MASBERG, U.; BEHMENBURG, C.; OPDENWINKEL, K.: Effiziente Werkzeug- und

Materialtemperierung beim Elastomerspritzgießen. Umdruck zur IKV-Fachtagung:

Siliconkautschuke – Ein besonderes Material für besondere Anwendungen. Aachen, 2010

MICHAELI, W.; MASBERG, U.; BEHMENBURG, C.: Ansätze zum energieeffizienteren

Elastomerspritzgießen. Tagungsumdruck zum Kautschuk Herbst Kolloquium. Hannover, 2010


MICHAELI, W.; MASBERG, U.; BEHMENBURG, C.: Effiziente Werkzeug- und

Materialtemperierung beim Elastomerspritzgießen. Umdruck zur SKZ-Fachtagung:

Spritzgießen von Elastomeren. Würzburg, 2010

MICHAELI, W.; MASBERG, U.; BEHMENBURG, C.: Material- und Werkzeugtemperierung –

Energieeffizienz beim Elastomerspritzgießen. Poster zur WZL-Fachtagung:

Ressourceneffiziente Produktionstechnik. Aachen, 2011

MICHAELI, W.; BEHMENBURG, C.; RASCHE, S.: Energieeffizienz in der Kunststoff- und

Kautschukverarbeitung. Hannover Messe: Suppliers Convention. Hannover, 2011

MICHAELI, W.; MASBERG, U.; HOPMANN, C.; BEHMENBURG, C.: Verbesserte Werkzeug- und

Materialtemperierung für ein effizienteres Elastomerspritzgießen. Tagungsumdruck zur DKG-

Fachtagung: Green Rubber. Fulda, 2011

HOPMANN, C.; BEHMENBURG, C.: Energieeffiziente Werkzeug- und Materialtemperierung

beim Elastomerspritzgießen. Umdruck zur SKZ-Fachtagung: Kosten reduzieren durch

Energieeffizienz in der Kunststoffverarbeitung. Würzburg, 2011

HOPMANN, C.; BEHMENBURG, C.; BEHM, H.; DERING, J.P.: Elastomertechnik: Neue Ansätze

für die Aufbereitung und Spritzgießverarbeitung. Umdruck zum IKV-Kolloquium: Integrative

Kunststofftechnik. Aachen, 2012

MICHAELI, W.; HOPMANN, C.; MASBERG, U.; BEHMENBURG, C.; HOFFMANN, W.-M.: Über ein

energieeffizienteres Elastomerspritzgießen. GAK – Gummi, Fasern, Kunststoffe 64 (2011) 5,

S. 277-280

HOPMANN, C.; MICHAELI, W.; MASBERG, U.; BEHMENBURG, C.; HOFFMANN, W.-M.: Effiziente

Werkzeugtemperierung beim Elastomerspritzgießen. In: Berger, K.-F.; Kiefer, S.:

Dichtungstechnik Jahrbuch 2012. Mannheim: Isgatec GmbH, 2011

Eine weitere Veröffentlichung der Ergebnisse wird im Dichtungstechnik Jahrbuch 2013,

Mannheim, Isgatec GmbH, 2012, stattfinden.

Die gewonnen Erkenntnisse dieses Forschungsvorhabens gehen außerdem in die

Richtlinienarbeit der VDI-Gesellschaft für Produktion und Logistik im Fachausschuss 208:

Ressourceneffizienz ein.

3 LITERATUR 34

3 LITERATUR

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zur Simulation des Spritzgießens. RWTH Aachen, Dissertation, 2002

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Kiefer, S.: Dichtungstechnik Jahrbuch 2012. Mannheim: Isgatec GmbH, 2011

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Thermoplast-Verbundbauteilen. RWTH Aachen, Dissertation, 2001

[RS06] RÖTHEMEYER, F., SOMMER, F.: Kautschuktechnologie – Werkstoffe - Verarbeitung

– Produkte- Carl Hanser Verlag: München, 2006

[Sch86] SCHNEIDER, C.: Das Verarbeitungsverhalten von Elastomeren im

Spritzgießprozess. RWTH Aachen, Dissertation, 1986

[Sch87] SCHNEIDER, W.: Spritzpressen technischer Gummiformteile. RWTH Aachen,

Dissertation, 1987

[Wal95] WALDE, H.: Beitrag zum vollautomatischen Spritzgießen von

Flüssigsilikonkautschuk. RWTH Aachen, Dissertation, 1995

[Weh02] WEHR, H.: Fluidinjektionstechnik im Elastomerspritzgießprozess. RWTH Aachen,

Dissertation, 2002

[Wey88] WEYER, G.: Automatische Herstellung von Elastomerartikeln im

Spritzgießverfahren. RWTH Aachen, Dissertation, 1988

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Berichtsblatt

1. ISBN oder ISSN

2. Berichtsart (Schlussbericht oder Veröffentlichung)

Schlussbericht

3. Titel

Steigerung der Energieeffizienz bei der Herstellung von Elastomerformteilen im Spritzgießprozess

4. Autor(en) [Name(n), Vorname(n)]

Hopmann, Christian

Masberg, Ullrich

Behmenburg, Clemens

Hoffmann, Wolf-Martin

Schmidtke, Horst

Potthoff, Axel

Stein, Holger

5. Abschlussdatum des Vorhabens

Dezember 2011

6. Veröffentlichungsdatum

7. Form der Publikation

8. Durchführende Institution(en) (Name, Adresse)

Vereinigung zur Förderung des Instituts für Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen e.V., Pontstr. 55, 52062 Aachen


Freudenberg Forschungsdienste KG, Borsigstr. 29, 21465 Reinbek

MAPLAN Deutschland Maschinen u. techn. Anlagen Planungs- u. Vertriebs GmbH, Gottlieb-Daimler-Str. 66, 71711 Murr

Opta GmbH Werkzeugbau, Lindberghstr. 3, 64625 Bensheim

9. Ber. Nr. Durchführende Institution

020355

10. Förderkennzeichen

01LY0910A

11. Seitenzahl

39

12. Fördernde Institution (Name, Adresse)

Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) 53170 Bonn

13. Literaturangaben

35

14. Tabellen

0

15. Abbildungen

21

16. Zusätzliche Angaben

17. Vorgelegt bei (Titel, Ort, Datum)

IKV-Fachtagung: Siliconkautschuke – Ein besonderes Material für besondere Anwendungen, Aachen, 2010 Kautschuk Herbst Kolloquium, Hannover, 2010 SKZ-Fachtagung: Spritzgießen von Elastomeren, Würzburg, 2010 WZL-Fachtagung: Ressourceneffiziente Produktionstechnik, Aachen, 2011 Hannover Messe: Suppliers Convention, Hannover, 2011 DKG-Fachtagung: Green Rubber, Fulda, 2011 SKZ-Fachtagung: Kosten reduzieren durch Energieeffizienz in der Kunststoffverarbeitung, Würzburg, 2011 IKV-Kolloquium: Integrative Kunststofftechnik, Aachen, 2012 GAK – Gummi, Fasern, Kunststoffe 64 (2011) 5, S. 277-280 Dichtungstechnik Jahrbuch 2012. Mannheim: Isgatec GmbH, 2011 Dichtungstechnik Jahrbuch 2013. Mannheim: Isgatec GmbH, 2012

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18. Kurzfassung

Aufgrund langfristig stetig steigender Energiekosten sowie Anforderungen, die durch die Notwendigkeit zu Ressourcenschonung und Klimaschutz entstehen, steht auch die Elastomer verarbeitende Industrie vor der Herausforderung eine energieeffizientere Produktion zu ermöglichen. Im Rahmen eines vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 01LY0910A geförderten Forschungsvorhabens sollen Möglichkeiten aufgezeigt werden, den Energiebedarf beim Spritzgießen von Elastomerformteilen zu senken. Dazu haben sich folgende Partner zusammengeschlossen: CAS Computerunterstützte Automatisierungssysteme GmbH & Co. KG, Reinbek, Freudenberg Forschungsdienste KG, Weinheim, MAPLAN Deutschland Maschinen u. techn. Anlagen Planungs- u. Vertriebs GmbH, Murr und Opta GmbH Werkzeugbau, Bensheim, sowie das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen. Unter anderem die Werkzeug- und Materialtemperierung sowie die Prozessführung und Maschinenantriebe bieten ein erhebliches Einsparpotenzial. Die effiziente Werkzeug- und Materialtemperierung beim Elastomerspritzgießen wurde im Rahmen des Forschungsprojekts über innovative Prozesssteuerungs- und Heizkonzepte realisiert. Es ist ein Verfahren entwickelt worden, welches es erlaubt, die Massetemperatur beim Spritzgießen vor Werkzeugeintritt dynamisch zu steuern und die Start-Masse-Temperatur kurz vor Werkzeugeintritt zu erhöhen. Das dazu entwickelte Element erwärmt den Werkstoff dabei sowohl durch Wärmeleitung als auch dissipativ durch Scherung. Zusätzlich sorgt es für eine thermische Homogenisierung des Werkstoffs. Für das Werkzeug ist ein modernes, modulares Heizkonzept umgesetzt worden. Die eigentliche Werkzeugkavität wird dabei induktiv sowie mit elektrischen Widerstandsheizungen erwärmt. Die verschiedenen Heizelemente sind in die kavitätsgebenden Werkzeugbacken integriert und austauschbar. So kann unmittelbar der Einfluss der Erwärmungsmethode auf den Energieverbrauch erfasst werden. Zudem wird auf die außen angebrachten Heizplatten verzichtet und stattdessen formnestnah temperiert. Dadurch wird die zur Fertigung notwendige Energie gezielt dort eingebracht werden, wo sie gebraucht wird. Somit kann die Anfahrzeit des Prozesses deutlich reduziert werden, da nur vergleichsweise geringe Werkzeugmassen erwärmt werden müssen. Außerdem konnte das Antriebskonzept durch den Einsatz von Konstantvolumenpumpen mit servomotorischem Antrieb optimiert und die Pumpenaktivität und damit die Motordrehzahl an den tatsächlichen Leistungsbedarf angepasst werden. Ein verfahrens- und materialabhängig energetisch optimiertes Verfahren wird durch die Aufnahme der neuen Komponenten in ein Prozessoptimierungssystem ermöglicht. Durch die Entwicklungen konnte die Energieeffizienz beim Spritzgießen von Elastomeren deutlich gesteigert werden. Energetische Einsparungen bis zu 80 % während des Werkzeugaufheizvorgangs und bis zu 45 % während der Fertigung sind hierdurch möglich.

19. Schlagwörter

Elastomere, Spritzgießen, Energieeffizienz, Werkzeugkonzept, Aufheizverhalten, Heizstrategie, Zyklusoptimierung, Start-Massetemperatur, Temperierelement, Antriebe, Prozessoptimierung

20. Verlag

21. Preis

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Document Control Sheet

1. ISBN or ISSN

2. type of document (e.g. report, publication)

report

3. title

Increasing the energy efficiency in the production of injection molded rubber parts

4. author(s) (family name, first name(s))

Hopmann, Christian

Masberg, Ullrich

Behmenburg, Clemens

Hoffmann, Wolf-Martin

Schmidtke, Horst

Potthoff, Axel

Stein, Holger

5. end of project

December 2011

6. publication date

7. form of publication

Conference proceedings

8. performing organization(s) (name, address)

Vereinigung zur Förderung des Instituts für Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen e.V., Pontstr. 55, 52062 Aachen


Freudenberg Forschungsdienste KG, Borsigstr. 29, 21465 Reinbek

MAPLAN Deutschland Maschinen u. techn. Anlagen Planungs- u. Vertriebs GmbH, Gottlieb-Daimler-Stra. 66, 71711 Murr

Opta GmbH Werkzeugbau, Lindberghstr. 3, 64625 Bensheim

9. originator’s report no.

020355

10. reference no.

01LY0910A

11. no. of pages

39

12. sponsoring agency (name, address)

Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) 53170 Bonn

13. no. of references

35

14. no. of tables

0

15. no. of figures

21

16. supplementary notes

17. presented at (title, place, date)

IKV-Fachtagung: Siliconkautschuke – Ein besonderes Material für besondere Anwendungen, Aachen, 2010 Kautschuk Herbst Kolloquium, Hannover, 2010 SKZ-Fachtagung: Spritzgießen von Elastomeren, Würzburg, 2010 WZL-Fachtagung: Ressourceneffiziente Produktionstechnik, Aachen, 2011 Hannover Messe: Suppliers Convention, Hannover, 2011 DKG-Fachtagung: Green Rubber, Fulda, 2011 SKZ-Fachtagung: Kosten reduzieren durch Energieeffizienz in der Kunststoffverarbeitung, Würzburg, 2011 IKV-Kolloquium: Integrative Kunststofftechnik, Aachen, 2012 GAK – Gummi, Fasern, Kunststoffe 64 (2011) 5, S. 277-280 Dichtungstechnik Jahrbuch 2012. Mannheim: Isgatec GmbH, 2011 Dichtungstechnik Jahrbuch 2013. Mannheim: Isgatec GmbH, 2012

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18. abstract

Due to increasing energy costs and long term needs arising from the need to conserve resources and the climate, the elastomer manufacturing industry faces the challenge of an energy-efficient production. As part of a research project, funded by the German Federal Ministry for Education and Research, opportunities to reduce the energy demand during the injection molding of rubber are identified. For this purpose the following partners have joined: CAS Computerunterstützte Automatisierungssysteme GmbH & Co. KG, Reinbek, Freudenberg Forschungsdienste KG, Weinheim, MAPLAN Deutschland Maschinen u. techn. Anlagen Planungs- u. Vertriebs GmbH, Murr, Opta GmbH Werkzeugbau, Bensheim, and the Institut of Plastics Processing (IKV) at RWTH Aachen University. Especially the mold and material temperature control, the process control and the machine drives show significant savings potential. The efficient mold and material temperature control was realized within the research project on innovative process control and heating concepts. A method has been developed, which allows dynamically controlling the melt temperature and thereby increasing it shortly before the melt enters the mold. The mold has been modified to a modular heating concept. The actual mold cavity is heated inductively or by electric resistance heaters. The heating elements are integrated into interchangeable mold parts. The influence of the heating method on the energy consumption is measured and evaluated. In addition, by eliminating the need for external heating panels, the energy which is necessary for crosslinking is introduced focused where it is needed. Thus, the start-up time for the process can be significantly reduced, since only relatively small masses of the mold have to be heated. Furthermore, the drives of the injection molding machine were optimized to the use of constant-volume pumps with servo drives. The pump activity and thus the motor speed can be adjusted to the actual requirements. The process- and material-dependent energy optimized method is made possible by the inclusion of all new components in the process optimization system. Because of the new developments, the energy efficiency of the injection molding of rubber could be increased significantly. Energy safings of up to 80 % during the heating-up and up to 45 % during the manufacturing process are possible.

19. keywords

Elastomers, injection molding, energy efficiency, mold design, heat-up, heating strategy, cycle optimization, start-melt temperature, tempering, drives, process optimization

20. publisher

21. price

Abschlussbericht BMBF Energieeffizienz · Flüssigsilikonkautschuken [Kre91, Jar94, Wal95, Bri96,...

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