Werkstoffe 04.12.2014 0 Bewertung(en) Rating

Verkürzung der Heizzeit bei der Verarbeitung von Elastomeren

Mit einem Heizzeit- sowie Massetemperaturrechner zur Abschätzung der möglichen Heizzeitverkürzung, können Elastomerverarbeiter gezielt ihre Prozesse, sowie Werkzeug- und Düsenkonzepte optimieren. Im Rahmen des Forschungsprojekts "Heizzeitverkürzung" an der Montanuniversität Leoben (Österreich) wurden die Prozesseinflussfaktoren auf den Einspritz- und Heizvorgang systematisch untersucht.

Das Verständnis der strömungstechnischen und thermodynamischen Vorgänge während der Einspritzphase konnte im Rahmen der experimentellen Untersuchung wesentlich verbessert werden. Praktische Bedeutung hat ein neues Berechnungsprogramm zur Abschätzung der im Einspritzvorgang erzielbaren Massetemperatur, sowie der Heizzeitverkürzung ("Heizzeitrechner"), welches Elastomerverarbeiter nun gezielt zur Verbesserung ihrer Prozesse einsetzen können.

 - Projektleiter Dr. Leonard Perko im Technikum Kunststofftechnik der Montanuniversität Leoben vor der Elastomermaschine Maplan MTF 750/160 edition
Projektleiter Dr. Leonard Perko im Technikum Kunststofftechnik der Montanuniversität Leoben vor der Elastomermaschine Maplan MTF 750/160 edition
Maplan

Projektleiter Dipl.-Ing. Dr. mont. Leonhard Perko erstellte im Projekt ein empirisch verifiziertes Programm zur Berechnung der Temperaturerhöhung von Kautschukmischungen im Einspritzvorgang. Ein weiteres Modul ermöglicht es Anwendern, das Potenzial einer möglichen Heizzeitverkürzung bereits vor der Prozessoptimierung abzuschätzen. Eine programmunterstützte Reduktion der Heizzeit, unter Sicherstellung der vollständigen Formteilvernetzung, ermöglicht es, den Zyklus signifikant kürzer zu gestalten, wodurch eine Minimierung des energetischen Aufwands erzielt werden kann. Zudem wurde das Potenzial zur Massetemperaturerhöhung mittels gekoppelter Scher- und Dehnerwärmung in einer konischen Düse messtechnisch erfasst und im Berechnungsprogramm abgebildet. Im Rahmen dieses Projektes wurde auch die Kompressionserwärmung in Kautschukmischungen erstmals wissenschaftlich untersucht.

Berechnungsmodell für die gekoppelte Scher- und Dehnerwärmung in konischen Düsen

Basis der Betrachtung der Scher- und Dehnerwärmung in konischen Düsen bildeten die analytischen Modelle nach Cogswell und Binding. Zur praktischen Verifikation wurde auch das Strömungsfeld im Düseneinlauf experimentell untersucht. Dabei ergaben sich bei Düsenwinkeln >45° Todstellen in den Ecken, die kaum durchströmt wurden. Die Messung der Massetemperatur nach dem  Durchströmen jener konischen Düse diente der Verifikation des Berechnungsmodells. Die nachfolgende Abbildung zeigt die gemessenen Temperaturerhöhungen über den Düsenwinkel bei unterschiedlichen Einspritzgeschwindigkeiten (durchgehende Linien). Die schraffierten Linien zeigen die mit dem neuen "Perko-Berechnungsmodell" ermittelten Werte.

 - Massetemperatur als Funktion des Düsenwinkels; Vergleich zwischen Messung und Berechnung (Versuchsmischung NBR)
Massetemperatur als Funktion des Düsenwinkels; Vergleich zwischen Messung und Berechnung (Versuchsmischung NBR)
Maplan

Die maximal erzielten Temperaturerhöhungen lagen bei bis zu 70 °C. Eine Abhängigkeit der Massetemperatur vom Winkel der Düse ist im Bereich zwischen 20° und 45° gegeben. Höhere Düsenwinkel veränderten das Ergebnis nicht weiter.

Untersuchung der mittels konischer Düsen erzielbaren Heizzeitverkürzung

 Die kombinierte Scher- und Dehnerwärmung in konischen Düsen konnte, wie erwähnt, mittels eines neuen Berechnungsmodells beschrieben werden. Mit einem in der folgenden Abbildung schematisch dargestellten Versuchswerkzeug wurden bei unterschiedlichen Prozessbedingungen Formteile gespritzt. Diese Teile wurden auf a) Härte, b) Druckverformungsrest (DVR), sowie c) im Zugversuch überprüft. Vor allem der DVR in der Mitte der Formteile gilt als guter Indikator für den kritischen Vernetzungszustand des Bauteils.

 - Versuchswerkzeug zur Ausnutzung der Scher- und Dehnerwärmung für die Heizzeitverkürzung
Versuchswerkzeug zur Ausnutzung der Scher- und Dehnerwärmung für die Heizzeitverkürzung
Maplan

Die praktischen Versuche ergaben, dass sich die Einspritzarbeit als Haupteinflussgröße auf die Temperaturerhöhung der elastomeren Formmasse auswirkt und die dadurch erzielbare Heizzeit die anderen Effekte überdeckt. Eine weitere Optimierung der konischen Geometrien ergab keine Verbesserung zum Stand der Technik.

Heizzeitverkürzung mittels Kompressionserwärmung

Zudem wurde das Potenzial der  Kompressionserwärmung in Kautschukmischungen zur Verkürzung der Heizzeit untersucht. Die gemessenen Werte für die Kompressionserwärmung betragen bei 1.800 bar Druckerhöhung etwa 10 °C. Der gezielte Einsatz der Kompressionsphasen im Zyklus führte jedoch zu keinen merklichen Verbesserungen der Bauteilqualität und zu keiner signifikanten Verkürzung der Heizzeit . Fazit: Die Kompressionserwärmung eignet sich nicht zur Heizzeitverkürzung. Ursachen hierfür liegen einerseits in der relativ geringen erreichbaren Temperaturerhöhung, (ca. 10 °C bei 1.800 bar Druckerhöhung)  und andererseits auch darin, dass ein Großteil der generierten Wärme durch die etwas niedriger temperierten Wände der Spritzeinheit wieder abgeführt wird. 

Berechnungsprogramm zur Abschätzung der Heizzeitverkürzung (Heizzeitrechner)

Untersucht wurde das rechnerische Potenzial zur Heizzeitverkürzung in Abhängigkeit von der Formteildicke. Die Untersuchungen zeigten, dass sich die Heizzeit von Formteilen mit einer Dicke unter 4 mm kaum verkürzen lässt. Das Potenzial steigt mit steigender Werkzeugtemperatur und steigender Bauteildicke. Projektleiter Dr. Leonard Perko: "Der Heizzeitrechner als neues Berechnungsprogramm dient zur validen Abschätzung der möglichen Heizzeitverkürzung. Elastomerverarbeiter können nun gezielt ihre Prozesse sowie Werkzeug- und Düsenkonzepte optimieren." Kautschukverarbeitende Betriebe können den Heizzeitrechner über die Projektpartner nutzen.

pl

Kommentar schreibenArtikel bewerten
  • Funktionen:
  • drucken
  • Kontakt zur Redaktion

Kommentar schreiben

Ihre persönlichen Daten:

Sicherheitsprüfung: (» neu laden)

Bitte füllen Sie alle Felder mit * aus! Ihre E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht.