Ziel der Entwicklung
Die stetig wachsende Zahl an Kunststoffformteilen sowie die zunehmende Funktionsintegration fordern eine konsequente Weiterentwicklung der Fertigungstechniken und Materialien in der kunststoffverarbeitenden Industrie und im Werkzeugbau. Diese steigenden Forderungen an die Bauteilentwicklung und -fertigung sind der Antrieb für ständige Innovationen, da bisher vorhandene und zuverlässige Technik an Grenzen stößt. Dem gegenüber stehen stetige Verkürzungen der Fertigungs- und Entwicklungszeiten, die insbesondere in den letzten zehn Jahren im Spritzgießwerkzeugbau abgefordert wurden.
Für die Fertigung hochpräziser technischer Kunststoffteile mit gleichbleibendem Qualitätsstandard sowie die Übernahme von Zykluszeitgarantien, die immer häufiger in die Werkzeugspezifikationen einbezogen werden, sind kostensparende Temperiertechniken und eine Optimierung des Wärmehaushaltes im Spritzgießwerkzeug von großer Bedeutung. Insbesondere neue Technologien bei der Fertigung von Werkzeugbauteilen helfen bei der Erfüllung der oben genannten Forderungen.
Im konventionellen thermoplastischen Spritzguss wird üblicherweise mit einer konstanten Werkzeugtemperatur gearbeitet. Der Einsatz des neuartigen Fertigungsverfahrens des Metall-Pulver-Auftrags (MPA) ermöglicht es, bewährte Temperiermethoden zu optimieren und unterschiedliche Temperierverfahren sinnvoll zu kombinieren.
Ziel des Projektes ist es, mit einem neuartigen Fertigungsverfahren effiziente und in ihrer Wirkweise energetisch optimierte Formeinsätze für die variotherme Temperierung eines Spritzgießwerkzeuges herzustellen und diese hinsichtlich ihrer Einsatzmöglichkeiten zu untersuchen. Dies beinhaltet Untersuchungen zur Dynamik des Aufheiz- und Abkühlvorganges sowie zum Energieverbrauch.
Speziell die Analysen zu den möglichen Werkstoffen für das Werkzeug und die Werkzeugeinsätze sowie die Integration von Widerstandsheizleitern soll die Eignung des Fertigungsverfahrens für die Herstellung variotherm betreibbarer Temperiereinsätze feststellen. Dazu sollen die Parameter des Fertigungsverfahrens (Morphologie, Oberflächengüten, Maßhaltigkeiten, Wärmebehandlung) und ihr Einfluss auf die Einsatzmöglichkeiten und Standfestigkeiten der Formeinsätze in einem Spritzgießwerkzeug erforscht werden. Ein wichtiges anwendungstechnisches Ziel ist die simulationstechnische Nachbildung des variothermen Spritzgießprozesses, um zukünftige Entwicklungen bereits in der Konstruktionsphase zu unterstützen.
Vorteile und Lösungen
Das MPA-Verfahren zur generativen Fertigung wird in der Industrie auch als Herstellverfahren von Werkzeugen in Kombination mit abtragenden und zerspanenden Bearbeitungsverfahren genutzt.
Für den Metallauftrag werden die Pulverpartikel mittels Trägergas auf eine sehr hohe Geschwindigkeit beschleunigt und auf die Substratoberfläche aufgeschossen. Durch diesen Vorgang entsteht ein kompaktes Bauteil.
Sind innen liegende Geometrien oder Hinterschneidungen im Bauteil gewünscht, wird ein wasserlösliches Füllmaterial zugesetzt, welches nach dem Generieren des Werkzeuges ausgewaschen werden kann.
In aufeinander folgenden Arbeitsschritten vom Pulverauftrag und mechanischer Bearbeitung (Fräsen), konnten konturnahe Geometrien für Kühl- und Heizzwecke direkt an der formgebenden Kavität in das Spritzgießwerkzeug eingebracht werden. Des Weiteren ist es möglich, Heizdrähte direkt und nahe der formgebenden Struktur eines Spritzgusswerkzeuges zu platzieren.
Das 3d-CAD-Modell des zu fertigenden Bauteils enthält die entsprechende Geometrieinformation für das MPA-Verfahren sowie für die mechanische Bearbeitung.
Für die Untersuchungen wurden mit dem neuartigen Fertigungsverfahren effiziente und in ihrer Wirkweise energetisch optimierte Formeinsätze für die variotherme Temperierung eines Spritzgießwerkzeuges hergestellt und diese hinsichtlich ihrer Einsatzmöglichkeiten untersuchen. Dies beinhaltete Analysen zur Dynamik des Aufheiz- und Abkühlvorganges sowie zum Energieverbrauch.
Speziell die Analysen zur Integration von Widerstandsheizleitern waren entscheidend für die Aussagen zur Eignung des Fertigungsverfahrens für die Herstellung variotherm betreibbarer Temperiereinsätze.
Auf dem Weg der Auslegung und Fertigung der Formeinsätze über das Metall-Pulver-Auftragsverfahren bis hin zu den praktischen Spritzgießversuchen auf der Maschine.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die Kunststoff erzeugende und verarbeitende Industrie sowie der Kunststoffmaschinenbau arbeitet in einem sehr dynamischen Marktumfeld. Darüber hinaus sorgen Themen wie Klimawandel, CO2-Ausstoß, Energieeffizienz sowie die Themen Rohstoffkosten und internationaler Wettbewerb für einen stetigen Wandel bei Produkteinsatz und bei Applikationen.
Die Marktsituation auf dem Gebiet der Kunststoffverarbeitung ist durch kontinuierlich steigende Umsätze gekennzeichnet. Diese Entwicklung in der Kunststoffverarbeitung wird vor allem durch innovative Produkte in den Bereichen der Automobilindustrie, der Medizintechnik und der Elektro- und Elektronikindustrie vorangetrieben. Dabei ist zu beobachten, dass diese Innovationen in den letzten Jahren deutlich zu den Umsatzsteigerungen und zu der Wettbewerbsfähigkeit dieser Branchen beitragen und damit auch eine standortsichernde Funktion erfüllen.
Man kann davon ausgehen, dass durch die verbesserte Nutzung des Werkstoffpotenzials des Kunststoffes, wachsende Funktionsintegration und Miniaturisierung, resourcenschonende Konstruktion und Fertigung sowie der Forderung nach wirtschaftlichen Fertigungsprozessen mit flexibler Ausbringung neue Anforderungen an die Werkzeugtechnik und Temperierung entstehen. Daraus resultiert die Notwendigkeit innovative Temperierverfahren und -techniken zu entwickeln, da hier konventionelle Methoden oftmals versagen.
Betrachtet man die gesamte Prozesskette der Kunststoff-Formteilherstellung von der Erzeugung der Rohstoffe bis hin zum Bauteil, so stellt man fest, dass diese stark von thermischen Prozessen bestimmt wird. Die Werkzeugtemperierung und -kühlung haben durch die harten Bedingungen im globalen Wettbewerb einen hohen Stellenwert erhalten. Innovative, den Wettbewerbs-vorsprung sichernde Produkte in neuen Anwendungsbereichen erfordern prozessoptimierte Temperierverfahren. Ständig steigende Kosten für Energie und Rohstoffe verlangen vom Verarbeiter ein übergreifendes Energiemanagement mit optimierten Heiz- und Kühlkonzepten für seinen Gesamtbetrieb. Die Anforderungen werden immer komplexer, und wirtschaftlich vertretbare Lösungen müssen die gesamte Prozesskette von der Rohstofferzeugung bis zur Fertigung des Formteils unter Einbeziehung spezialisierter Partner abbilden.
So wird als Projektergebnis eine neue variotherme Temperiertechnik unter der Verwendung des Metall-Pulver-Auftrags als Fertigungsverfahren für den Bau von Werkzeugeinsätzen mit Heizleitern angestrebt, welches so in Spritzgießwerkzeugen noch nicht zur Anwendung kam.
Die Entwicklung des neuartigen variothermen Temperierverfahrens verfolgt vier Zielstellungen:
Optimierung des Füllprozesses der Werkzeugkavität und Verbesserung der Oberflächenqualität der Kunststoffformteile, Zykluszeitverkürzung mit vermindertem Energieeinsatz bei der variothermen Werkzeugtemperierung, Verbesserung der Festigkeitseigenschaften der Kunststoffformteile durch Beeinflussung der Morphologie bei der Spritzgussfertigung, positive Beeinflussung der Formteilqualität durch homogenere Temperaturverteilung an der Werkzeugwand und damit eine Reduktion von Verzug.
Der Einsatz und die Vermarktung der im Rahmen dieses Projektes entwickelten Fertigungstechnologie für Spritzgießwerkzeugbauteile erfolgt durch das Kunststoff-Zentrum in Leipzig (KUZ) vorrangig in Deutschland. Für den Technologietransfer werden die Projektergebnisse Herstellern von Kunststoffformteilen sowie Firmen, die sich auf den Spritzgießwerkzeugbau spezialisiert haben, sowie weiteren interessierten Firmen vorgestellt. Die Ergebnisse aus dem bearbeiteten Projekt werden auf Fachtagungen, Konferenzen, Messen und in der Aus- und Weiterbildung, insbesondere jedoch bei der Qualifizierung von Fachkräften und potenziellen Anwendern aus der Industrie zugänglich gemacht. Der Antragsteller hat bereits im Vorfeld durch intensive Gespräche mit Interessenten den Bedarf und die Notwendigkeit ermittelt.
Nach Vorstellung der Projektidee und der angestrebten Ziele, haben acht Unternehmen ein großes Interesse an den Projektergebnissen bekundet. Mit der Gründung eines Projektbegleitausschusses wurde während der Bearbeitung des Projektes der Kontakt zu den sich interessierenden Firmen intensiviert. Insbesondere Ideen und Anforderungen konnten direkt in die Projektbearbeitung einbezogen werden. Die Projektarbeit hat somit einen unmittelbaren Praxisbezug, wodurch der Technologietransfer sehr viel schneller und einfacher gestaltet werden kann.
Vor dem Technologietransfer wird eine eingehende Erprobung vorgenommen und die Übertragbarkeit auf andere Betriebe geprüft. Es erfolgt eine Vorstellung der Projektergebnisse gegenüber Werkzeugbauern, Kunststoffverarbeitern und anderen interessierenden Firmen. Weiterhin wird Präsentationsmaterial zu den Prinzipien, Vorteilen und Nutzen erarbeitet.
Die Nutzung von Messeveranstaltungen, Tagungen und Foren führt zu weiterführenden Kontakten und zur Zusammenarbeit mit interessierten Firmen.