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IKFF der Universität Stuttgart Induktive Werkzeugtemperierung optimiert einsetzen

| Autor/ Redakteur: Dipl.-Ing. Andreas Maucher und Prof. Dr.-Ing Wolfgang Schinköthe / Peter Königsreuther

Die elektromagnetische Induktion kann Spritzgießwerkzeuge schnell und gezielt erwärmen. Forscher am Institut für Konstruktion und Fertigung in der Feinwerktechnik (IKFF) der Uni Stuttgart arbeiten jetzt an der Optimierung dieser Technik.

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Induktive Werkzeugtemperirung beim Spritzgießen: Durch geeignete konstruktive Anpassungen der Kavitätsplatte lässt sich die Gestaltung der zur elektromagnetischen Erwärmung notwendigen Induktionsspulen vereinfachen. Im Bild ist die Erwärmung auf den mittleren Werkzeugbereich beschränkt, obwohl die Induktoren in Form einfacher gerader sowie durchgängiger Kupferrohre ausgeführt sind.
Induktive Werkzeugtemperirung beim Spritzgießen: Durch geeignete konstruktive Anpassungen der Kavitätsplatte lässt sich die Gestaltung der zur elektromagnetischen Erwärmung notwendigen Induktionsspulen vereinfachen. Im Bild ist die Erwärmung auf den mittleren Werkzeugbereich beschränkt, obwohl die Induktoren in Form einfacher gerader sowie durchgängiger Kupferrohre ausgeführt sind.
(Bild: IKFF der Universität Stuttgart)

Beim thermoplastischen Kunststoffspritzgießen gibt es unterschiedliche Arten der Werkzeugtemperierung. Üblicherweise werden die Werkzeugformen isotherm, also mit einer konstanten Temperatur erwärmt. Oft reicht das durch die steigenden Anforderungen an die Bauteilqualität sowie die immer komplexer werdenden Konturen nicht mehr aus. Für Bauteile, an welche besondere Anforderungen gestellt werden, ist daher ein variothermer, also temperaturveränderlicher Spritzgießprozess notwendig.Am Institut für Konstruktion und Fertigung in der Feinwerktechnik (IKFF) an der Universität Stuttgart liegt einer der Forschungsschwerpunkte im Bereich der variothermen Temperierung mithilfe der elektromagnetischen Induktion.

Bei diesem Verfahren bildet sich ein elektromagnetisches Wechselfeld um einen von hochfrequentem Wechselstrom durchflossenen Leiter aus. Bringt man ein ferromagnetisches Material in dieses Wechselfeld, werden darin Wirbelströme induziert. Diese Wirbelströme werden über den Ohmschen Widerstand des Materials in Wärme umgewandelt.

Externe oder interne Induktoranordnung

Im praktischen Einsatz in Spritzgießwerkzeugen lassen sich durch die folglich erhöhte Werkzeugtemperatur die Oberflächenqualität aber auch Bindenahtsproblematiken verbessern. Des Weiteren können durch das bessere Fließverhalten des Kunststoffes bei höherer Werkzeugtemperatur Bauteile mit dünnen Wandstärken und hohen Aspektverhältnissen hergestellt werden. Je nach Anforderung können die Induktoren im Werkzeug verschieden angeordnet werden. Dabei unterscheidet man unter anderem in eine externe sowie eine interne Anordnung (Bild 1 - zum Vergrößern bitte anklicken).

Bild 1: Prinzipielle Darstellung einer externen (links) sowie einer internen (rechts) Induktoranordnung zur Werkzeugtemperierung im Spritzgießprozess.
Bild 1: Prinzipielle Darstellung einer externen (links) sowie einer internen (rechts) Induktoranordnung zur Werkzeugtemperierung im Spritzgießprozess.
(Bild: IKFF der Universität Stuttgart)

Bei der externen Induktoranordnung (Bild 1 links) wird der Induktor unmittelbar vor der zu erwärmenden Kavität platziert, wodurch die Energie direkt an der Oberfläche eingebracht werden kann. Allerdings ist in diesem Fall eine Vorrichtung zum Ein- und Ausfahren des Induktors bei geöffnetem Werkzeug notwendig. Bei dieser Variante kann demzufolge nur bei geöffnetem Werkzeug Heizenergie eingebracht werden. Dadurch ist eine überhöhte Energieeinbringung an der Oberfläche nötig, da die Wärme sich während des Schließens des Werkzeugs bereits durch Wärmeleitung in alle Richtungen im Werkzeug verteilt.

Bei der internen Induktoranordnung werden die Induktoren, wie in Bild 1 rechts verdeutlicht, hinter der Kavität in die Werkzeugplatte eingebracht. Dadurch ist es möglich, unabhängig vom Maschinenzyklus Energie einzubringen. Allerdings muss durch die Anordnung hinter der Kavität eine kurze Wärmeleitstrecke überwunden werden. Die Wärme verteilt sich in dieser Zeit nicht nur in Richtung Kavität sondern in alle Richtungen, wodurch bei dieser Variante Energie auch in Bereiche gelangt, in denen keine Erwärmung notwendig ist. Dadurch wird unnötig wertvolle Energie sowie Zykluszeit bis zum Erreichen der gewünschten Oberflächentemperatur aufgewendet.

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