Spritzguss: Werkzeugtemperierung energieeffizienter gestalten

Beim Spritzgießen wird Kunststoffgranulat geschmolzen und in eine Gussform innerhalb eines Werkzeugs gebracht. Darin kühlt die Kunststoffschmelze ab und erhält die gewünschte Form. „Spritzgießen ist mit einem hohen Energieverbrauch verbunden. Dieser konnte in den vergangenen Jahren durch effektivere hydraulische oder elektrische Antriebe beim Einspritzen reduziert werden. Verbesserungspotential besteht noch beim Temperiersystem, das ein konstantes Temperaturniveau sicherstellen soll, damit die Spritzgussteile gleichmäßig abkühlen und der Prozess stabil ist. Ein optimierter Wärmeübergang zwischen Kunststoff und Werkzeug ist ein großer Hebel für Energieeinsparungen“, betont Projektleiter Prof. Dr. Denis Anders vom Institut für Allgemeinen Maschinenbau der TH Köln.

Im Forschungsvorhaben wurden zwei Techniken untersucht, welche das Temperiersystem energieeffizienter machen sollen. Der erste Ansatz sieht vor, statische Mischer im Kühlkanal einzusetzen – spiralförmige Bauteile aus Metall oder Draht, die das als Kühlflüssigkeit verwendete Wasser verwirbeln, um die Turbulenz zu erhöhen und dadurch die Werkzeugkühlung zu beschleunigen. Zugleich vergrößert sich die Kontaktfläche zwischen der Kühlflüssigkeit und der Innenwand, wodurch die Temperatur ebenfalls besser und vor allem schneller angepasst werden kann.

Beim zweiten Ansatz wurden die Auswirkungen einer pulsierenden Strömung untersucht. Dabei variierten die Wissenschaftler*innen sowohl die Strömungsgeschwindigkeit als auch die Strömungsrichtung des Wassers, zum Beispiel durch den Einsatz einer speziell entwickelten Pulsationspumpe, um Ablagerungen im Kanal – in Form von Kalk oder organischen Ablagerungen – zu verringern. Das theoretisch sinnvolle Vorgehen konnte dem Projektteam zufolge experimentell jedoch noch nicht abschließend validiert werden.

Verbesserter Wärmeübergang versus höherer Druckverlust

Um die Wirksamkeit der statischen Mischer im Kühlkanal zu evaluieren, entstand im Labor für Strömungslehre am Campus Gummersbach ein Prüfstand. Dort wurden strömungsmechanische Zielparameter wie das Mischverhalten und induzierte Druckverluste untersucht.

Im Ergebnis habe man mithilfe der statischen Mischer Energieeinsparungen von bis zu 25 Prozent erzielen können, so Anders. Die ermittelten Werte variierten je nach Konfiguration des Kühlsystems, des Werkstoffs des Spritzgießwerkzeugs sowie der Durchflussrate des Kühlmediums. „Zudem ist ein Zielkonflikt zu berücksichtigen: Eine verbesserte Wärmeübertragung geht aus energetischer Sicht mit einem erhöhten Druckverlust einher. Dieser entsteht durch den Einbau der statischen Mischer in den Kühlleitungen. Um die Strömung im Temperierkanal anzutreiben, sind stärkere Pumpen erforderlich, die wiederum mehr Energie verbrauchen. Da kein optimales Ergebnis für beide Ziele gleichzeitig erreicht werden kann, muss der Effizienzgewinn beim Wärmeübergang die höheren Energiekosten übersteigen“, erklärt der Projektleiter. Auf Basis der Ergebnisse der Versuchsstände wurde ein Simulationsmodell für die Konfiguration von Spritzgießwerkzeugen erstellt.

Über das Projekt

Das Forschungsprojekt „OptiTemp – Optimierung des Wärmeübergangs in Temperierungssystemen zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit“ wurde unter der Leitung von Prof. Dr. Denis Anders von der Fakultät für Informatik und Ingenieurwissenschaften der TH Köln durchgeführt. Zudem arbeiteten Prof. Dr. Simone Lake und Prof. Dr. Christina Werner von der gleichen Fakultät an dem Vorhaben mit. Industrielle Kooperationspartner waren die STRIKO Verfahrenstechnik GmbH (Verfahrenstechnische Komponenten für optimierte Wärmeübertragung), die Jokey Holding GmbH & Co. KG (Anwendung von Spritzgießverfahren für die Herstellung komplexer Bauteile) und die Simcon kunststofftechnische Software GmbH (Softwarelösungen für die Spritzgießsimulation). Das Projekt wurde im Rahmen der Förderlinie FHprofUnt vom Bundesministerium für Bildung und Forschung über drei Jahre gefördert.