Temperieren direkt an der Werkzeugwand

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Ein aktuelles Forschungsprojekt des Kunststoff-Zentrums in Leipzig (KUZ) verfolgt den Ansatz, über speziell für den Spritzgießprozess entwickelte Dünnschichtheizelemente die Kontaktfläche der Werkzeugwandung direkt zu beheizen. Damit werden in Versuchen bereits qualitativ hochwertige Konturabformungen erzielt.

Beim Spritzgießen von Formteilen mittels thermoplastischer, duroplastischer oder elastomerer Werkstoffe können vielfach Fehler entstehen. Zum Beispiel durch eine nicht ausreichende Abformgenauigkeit an der Oberfläche, durch Bindenahtkerben, Glanzunterschiede oder Wolken- und Schlierenbildungen. Dies erfordert kostenintensive und zeitraubende Nacharbeiten.

Weitere Probleme können entstehen, wenn der erhitzte Werkstoff durch Kontakt mit der kälteren Werkzeugwand ungleichmäßig erstarrt. Besonders die Herstellung optischer Formteile, die Abformung von Mikrostrukturen oder die Herstellung dünnwandiger Teile ist bei einer reduzierten Fließfähigkeit nicht möglich, wenn die sich abkühlende Kunststoffschmelze nicht alle Werkzeughohlräume ausfüllt. Eine rapide Abkühlung der Schmelze beim Auftreffen auf die Kavitätswand ist vor allem beim Miniatur- und Mikrospritzgießen festzustellen.

Das Demonstrationsformteil in einer flächigen Variante im Größenvergleich Foto: KUZ

Hier setzt ein aktuelles Forschungsprojekt des Kunststoff-Zentrums in Leipzig (KUZ) an. Es wird der Ansatz verfolgt, über speziell für den Einsatz im Spritzgießwerkzeug entwickelte Dünnschichtheizelemente die Kontaktfläche der Werkzeugwandung zur Kunststoffschmelze direkt zu beheizen und damit eine qualitativ hochwertige Konturabformung im Spritzgießprozess zu erzielen.

Dünnschichtsystem einer Heizstruktur

Zu Beginn der Projektarbeit wurde die Beschichtungstechnologie an speziellen Probekörpern entwickelt und getestet. Einfache polierte Stahlgrundkörper wurden mit elektrischen Isolationsschichten aus Aluminiumoxid (Al2O3) homogen beschichtet und darauf die Heizstrukturen aus Kupfer abgeschieden. Nach erfolgreich absolvierten Heiztests konnte ein geeignetes Heizleiterdesign mit erforderlichem Querschnitt und mäanderförmigem Verlauf für die Beschichtung von Werkzeugeinsätzen definiert werden. Für die Fertigung wurde ein neuer Strukturierungsprozess entwickelt, der aus einer Kombination aus Fotolithografie, Laserstrukturierung und nasschemischer Ätzung besteht. Das Fraunhofer IST in Braunschweig realisierte die Beschichtung der Werkzeugeinsätze nach dem vom KUZ entwickelten Heizleiterdesign.

Das neue Heizleiterdesign, abgestimmt auf eine Schichtdicke von 3 µm für den Kupferheizleiter, erwies sich schon bei ersten Heiztests als sehr leistungsfähig und hochdynamisch. Es wurde bei einer angelegten Spannung von 30 V eine Heizleistung von 120 W erzielt. Nach dem Erreichen einer Einschwingtemperatur von circa 50 °C konnte eine Grenztemperatur von 200 °C innerhalb von 2,8 s nach Einschalten der Heizung erreicht werden, in der Anfahrphase sogar ein Temperatursprung von 100 °C innerhalb von 0,5 s.

Tests im Prozess des Mikrospritzgießens

Vergleich der Abformung des Demonstrationsformteiles flächig im Mikrospritzguss aus POM (Ansicht auswerferseitige Kontur); links ohne, rechts mit Einsatz der Dünnschichtheizung Foto: KUZ

Der nun verfügbare Werkzeugeinsatz mit Heizschicht wurde in einen Stammaufbau eines Mikrospritzgießwerkzeuges integriert und mit den erforderlichen elektrischen Kontaktierungen ausgestattet. Novum der Regelung ist die Temperaturerfassung der Heizschicht über die Änderung des elektrischen Widerstandes in Folge der Temperaturänderung. Somit kann auf zusätzliche Temperatursensorik in der Anwendung verzichtet werden.

Für die nachfolgenden Spritzgießversuche wurde für technologische Betrachtungen zusätzlich ein kombinierter Temperatur-Druck-Sensor von Kistler im Einsatz mittig zur Formteilkontur verbaut.

Variotherme Prozessführung

Ein nächster Schritt war der Nachweis der Funktionalität und auch der Beständigkeit des Schichtsystems unter Spritzgießbedingungen. Hierzu wurde das Werkzeug auf einer Mikrospritzgießmaschine aufgespannt und mit den Parametern zur Herstellung der Demonstrationsformteile aus POM in der flächigen Variante eingestellt. Innerhalb der Zeitspanne kurz vor dem Schließen des Werkzeuges bis zur Beendigung des Einspritzzyklus wurde mit der Dünnschichtheizung auswerferseitig mit einer Spannung von 40 V auf circa 190 °C temperiert. Nach dem Einspritzen erfolgte bei ausgeschalteter Dünnschichtheizung ein schneller Temperaturausgleich innerhalb des Werkzeuges auf das Grundniveau von 45 °C der normalen Werkzeugtemperierung. Eine Zykluszeiterhöhung durch die variotherme Prozessführung war nicht erforderlich.

Das Ergebnis: Mit Einsatz der Dünnschichtheizung ist eine präzisere Abformung der Oberflächenkontur am gespritzten Formteil im Vergleich zu einem herkömmlich hergestellten Formteil ersichtlich. Ebenso wurde im herkömmlichen Spritzgießprozess eine unvollständige Formfüllung provoziert, welche dann bei eingesetzter Dünnschichtheizung durch ein verbessertes Fließverhalten zu einem vollständig gefüllten Formteil führte.

gr

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