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Das Z-System

Partielle dynamische Temperierung im Spritzgussprozess

© Kunststoff-Institut Lüdenscheid

Warum dynamisch temperieren?

Dynamische Werkzeugtemperierung

Technische Möglichkeiten

Abformung von Mikrostrukturen

Herstellung von Mikrobauteilen

Vermeidung von Oberflächenfehlern

Dünnwandspritzgießen

13.11.2015Das Z-System 2

Bildquelle: Fraunhofer ISE


Warum dynamisch temperieren?



ZukünftigeHeraus-

forderungen

Geringere Stückzahlen bei höherer Variantenvielfalt

Kürzere Produktlebens-zyklen

Produktivitäts- und Effizienzerhöhung

Nachhaltigkeit (Umwelt)


► Unterschiede im Verlauf der Werkzeugwandtemperatur


Zeit

tz

Wer

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gw

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Zeit

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WerkzeugwandtemperaturMassetemperaturEntformungstemperatur

Quelle: Kunststoff-Institut Lüdenscheid

„Konventionelle“Temperierung

DynamischeTemperierung (träge)





► Beheizungsmöglichkeiten

Werkzeugintegrierte Heizung

Wasser / Öl

Dampf

Keramische Heizelemente

Integrierter Induktor

CO2

Laser

Externe Heizungen

Externer Induktor

IR im geöffneten Zustand

IR zyklusparallel

Laser

Quelle: Kunststoff-Institut Lüdenscheid


Partielle dynamische Temperierung


► Ein Nachteil vieler etablierter dynamischer Temperiertechnologienstellen 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


Partielle dynamische TemperierungAnwendungsbeispiele


Bindenähte

Partielle Optimierung der Abformung

Dünnwandtechnik

Matter Hof


Das Z-System


► Das Z-System beruht auf einer Entwicklung der Fa. hotset welche zu-sammen 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 Freistrählenmöglich

► Zudem kann Füllproblemen durch die partielle Erwärmung entgegengewirkt werden


VorversucheHeizen durch 5 mm Stahlplatte



SpritzgussversucheFormteil


► Für die Spritzgussversuche wurde dasFormteil „Eiskratzer“ des KIMW genutzt

► Linienförmige partielle Erwärmung eines der beiden Bindenahtbereiche

Binde-nahtbereich


SpritzgussversucheParametrisierung


► Die Erfassung des Aufheizverhaltensan der Werkzeugwand im Trockenlaufzeigt eine hohe Dynamik(Heizrate zu Beginn von bis zu 60 K/s)

► Die Heizleistung lässt sich zudem durch die Parametrisierung gut an die Erforder-nisse der Anwen-dung anpassen

► Es konnte ein ΔT von bis zu 90 K er-reicht werden


SpritzgussversucheKühlleistung


► Eine Simulation mehrerer Spritzguss-zyklen im Trockenlauf zeigt (bei nicht optimierter Temperierung) ebenfalls eine ausreichende Kühlleistung durch die konventionelle Temperierung (Zyklusdauer: 30 s)

► Ursache§ Nur geringe

Massen werden er-wärmt

§ Thermische Tren-nung im Werk-zeug


SpritzgussversucheDynamik



SpritzgussversucheBindenahtvermeidung bei einem ABS


► Bindenahtvermeidung bei einem ABS durch das Z-System(Vorlauftemperatur: 60°C)

Mit Z-System Konventionell temperiert


SpritzgussversucheBindenahtvermeidung bei einem PC


► Bindenahtvermeidung bei einem PC durch das Z-System(Vorlauftemperatur: 100°C)

Mit Z-System Konventionell temperiert


SpritzgussversucheEnergiebedarf



Simulation des Z-Systems


► Zur zielgerichteten Auslegung weiterer Werkzeuge wurde eine Systematik ent-wickelt um eine simulatorische Abbildung des Temperiervorgangesin Abhängigkeit der Parametrisierung vornehmen zu können

Nach ca. 10,0 s

Vergleich Simulation und Praxis(Vorlauftemperatur: 60°C / Heizzeit: 10 s)

Praxis Simulation


Simulation des Z-Systems



Das Z-System


► Vorteile§ Den Erfahrungen nach keine Zykluszeit-

verlängerung§ 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


Fluidtempe-rierung

Werkzeug-integrierte Heizung

Was

ser

Dam

pf

Ker

amik

Inte

grie

rter

Indu

ktor

Z-S

yste

m

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

trifft zu

trifft teilweise zu

trifft nicht zu


Das Z-System


Fluidtempe-rierung

Werkzeug-integrierte

Heizung

Was

ser

Dam

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Ker

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Inte

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Indu

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Z-S

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m

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

trifft zu

trifft teilweise zu

trifft nicht zu


Das Z-System

Das Z-System

Fluidtempe-rierung

Werkzeug-integrierte

Heizung

Was

ser

Dam

pf

Ker

amik

Inte

grie

rter

Indu

ktor

Z-S

yste

m

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.

trifft zu

trifft teilweise zu

trifft nicht zu

13.11.2015 22


Das Z-SystemMöglicher Projektablauf


Ggf. Abschluss einer GHV für das Projekt

Kick-Off Meeting

Übermittlung der Werkzeug- und/oder

Artikeldaten an hotset / KIMW

Machbarkeitsanalyse

Angebot über Heizsystem/-regelung

und Engineering

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

Auslieferung des einbaufertigen Z-

Systems

Unterstützung beim Einbau und bei der Inbetriebnahme des

Systems vor Ort (alternativ auch im

KIMW)

Kunde hotset KIMW


Das Z-System


► Das Z-System ist ein gemeinschaftliches Projekt der Firma hotsetund des Kunststoff-Instituts Lüdenscheid

► Ihre Ansprechpartner hierzu

§ hotset Heizpatronen und Zubehör GmbH– Herr Andreas Filler– Tel.: +49 173 5228001– E-Mail: [email protected]

§ Kunststoff-Institut Lüdenscheid– Herr Timo Boehm– Tel.: +49 23 51.10 64 -175– E-Mail: [email protected]

mailto:[email protected]




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