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Abschlussbericht
Projektträger: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Förderkennzeichen: 01LY0910A
Akronym: Elastomer-SG
F&E-Thema:
KMU-Innovativ - Verbundvorhaben „Klimaschutz“: Steigerung der Energieeffizienz bei der
Herstellung von Elastomerformteilen im Spritzgießprozess
Laufzeit: 01.09.2009 - 31.12.2011
Projektpartner: Vereinigung zur Förderung des Instituts für Kunststoffverarbeitung in
Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen e.V.
CAS Computerunterstützte Automatisierungssysteme GmbH & Co. KG
Freudenberg Forschungsdienste KG
MAPLAN Deutschland Maschinen u. techn. Anlagen Planungs- u.
Vertriebs GmbH
Opta GmbH Werkzeugbau
Aachen, 30. Juni 2012
Kurzzusammenfassung
Aufgrund langfristig stetig steigender Energiekosten sowie Anforderungen, die durch die
Notwendigkeit zu Ressourcenschonung und Klimaschutz entstehen, steht auch die Elastomer
verarbeitende Industrie vor der Herausforderung eine energieeffizientere Produktion zu
ermöglichen. Im Rahmen eines vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unter
dem Förderkennzeichen 01LY0910A geförderten Forschungsvorhabens sollen Möglichkeiten
aufgezeigt werden, den Energiebedarf beim Spritzgießen von Elastomerformteilen zu senken.
Dazu haben sich folgende Partner zusammengeschlossen: CAS Computerunterstützte
Automatisierungssysteme GmbH & Co. KG, Reinbek, Freudenberg Forschungsdienste
KG, Weinheim, MAPLAN Deutschland Maschinen u. techn. Anlagen Planungs- u. Vertriebs
GmbH, Murr und Opta GmbH Werkzeugbau, Bensheim, sowie das Institut für
Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen. Unter anderem die Werkzeug- und
Materialtemperierung sowie die Prozessführung und Maschinenantriebe bieten ein erhebliches
Einsparpotenzial.
Die effiziente Werkzeug- und Materialtemperierung beim Elastomerspritzgießen wurde im
Rahmen des Forschungsprojekts über innovative Prozesssteuerungs- und Heizkonzepte
realisiert. Es ist ein Verfahren entwickelt worden, welches es erlaubt, die Massetemperatur
beim Spritzgießen vor Werkzeugeintritt dynamisch zu steuern und die Start-Masse-
Temperatur kurz vor Werkzeugeintritt zu erhöhen. Das dazu entwickelte Element erwärmt
den Werkstoff dabei sowohl durch Wärmeleitung als auch dissipativ durch Scherung.
Zusätzlich sorgt es für eine thermische Homogenisierung des Werkstoffs. Für das Werkzeug
ist ein modernes, modulares Heizkonzept umgesetzt worden. Die eigentliche Werkzeugkavität
wird dabei induktiv sowie mit elektrischen Widerstandsheizungen erwärmt. Die
verschiedenen Heizelemente sind in die kavitätsgebenden Werkzeugbacken integriert und
austauschbar. So kann unmittelbar der Einfluss der Erwärmungsmethode auf den
Energieverbrauch erfasst werden. Zudem wird auf die außen angebrachten Heizplatten
verzichtet und stattdessen formnestnah temperiert. Dadurch wird die zur Fertigung
notwendige Energie gezielt dort eingebracht werden, wo sie gebraucht wird. Somit kann die
Anfahrzeit des Prozesses deutlich reduziert werden, da nur vergleichsweise geringe
Werkzeugmassen erwärmt werden müssen. Außerdem konnte das Antriebskonzept durch den
Einsatz von Konstantvolumenpumpen mit servomotorischem Antrieb optimiert und die
Pumpenaktivität und damit die Motordrehzahl an den tatsächlichen Leistungsbedarf angepasst
werden. Ein verfahrens- und materialabhängig energetisch optimiertes Verfahren wird durch
die Aufnahme der neuen Komponenten in ein Prozessoptimierungssystem ermöglicht.
Durch die Entwicklungen konnte die Energieeffizienz beim Spritzgießen von Elastomeren
deutlich gesteigert werden. Energetische Einsparungen bis zu 80 % während des
Werkzeugaufheizvorgangs und bis zu 45 % während der Fertigung sind hierdurch möglich.
INHALTSVERZEICHNIS
1 KURZDARSTELLUNG .......................................................................................................... 1
1.1 Aufgabenstellung ...................................................................................................... 1
1.2 Vorraussetzungen ..................................................................................................... 3
1.3 Planung, Ablauf und Ergebnisse ............................................................................ 4
1.4 Stand der Technik .................................................................................................... 9
1.5 Zusammenarbeit mit anderen Stellen .................................................................. 10
2 EINGEHENDE DARSTELLUNG .......................................................................................... 11
2.1 Analyse des Ist-Zustandes ..................................................................................... 11
2.2 Dynamische Vortemperierung zur Erhöhung der Start-Massetemperatur ..... 13
2.2.1 Stand der Technik ................................................................................................. 13
2.2.2 Entwicklung eines dynamischen Temperierelements........................................... 14
2.2.3 Untersuchung des dynamischen Temperierelements ........................................... 17
2.3 Energieeffizientere Elastomerspritzgießwerkzeuge ............................................ 21
2.3.1 Anforderungen an ein energieeffizientes Werkzeugkonzept................................ 21
2.3.2 Entwicklung eines effizienten, modularen Werkzeugkonzepts ........................... 21
2.3.3 Untersuchung des modularen Werkzeugkonzepts ............................................... 23
2.3.3.1 Aufheizverhalten .......................................................................................... 23
2.3.3.2 Heizstrategien und Werkzeugwechsel .......................................................... 26
2.4 Zyklusoptimierung ................................................................................................. 27
2.5 Bewertung der Formteilqualität ........................................................................... 28
2.6 Vorraussichtlicher Nutzen und Verwertbarkeit der Ergebnisse ....................... 31
2.7 Bekannt gewordener Fortschritt bei anderen Stellen ......................................... 32
2.8 Erfolgte und geplante Veröffentlichungen der Ergebnisse ................................ 32
3 LITERATUR ...................................................................................................................... 34
1 KURZDARSTELLUNG 1
1 KURZDARSTELLUNG
Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums
für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 01LY0910A gefördert. Im
Folgenden werden die Arbeiten und Ergebnisse dieses Projekts mit dem Kurznamen
„Elastomer-SG“ dargestellt. Der Projektträger Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
(DLR) unterstützte die Forschungsarbeiten.
Mitglieder des Forschungsverbunds:
Firmen: Firmensitz
CAS Computerunterstützte Automatisierungssysteme
GmbH & Co. KG Reinbek
Freudenberg Forschungsdienste KG Weinheim
MAPLAN Deutschland Maschinen u. techn. Anlagen
Planungs- u. Vertriebs GmbH Murr
Opta GmbH Werkzeugbau Bensheim
Hochschulinstitute:
Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Industrie und Handwerk
an der RWTH Aachen Aachen
1.1 Aufgabenstellung
Das Leistungsvermögen der Werkstoffgruppe der Elastomere ist bis heute durch die
konsequente Weiterentwicklung der synthetischen Kautschuke stetig weiter gesteigert worden
[Mez10]. Kautschuke werden eingesetzt, um Maschinen und Motoren zu lagern, um Kräfte zu
übertragen, um Medien zu transportieren, um drehende Wellen oder unter Druck stehende
Systeme abzudichten, um Schwingungen zu dämpfen und um Aggregate zu verbinden
[NN10]. Die materialspezifischen Vorteile der elastomeren Werkstoffe, wie die guten
Dämpfungseigenschaften, die Formstabilität bei erhöhten Temperaturen in Kombination mit
einer guten Kälteflexibilität, oftmals Halogenfreiheit sowie die Medienbeständigkeit
prädestinieren sie für Anwendungen unter anderem in der Elektronikindustrie, im
1 KURZDARSTELLUNG 2
Automobilsektor sowie in der Medizintechnik [Kle08, Kle10]. Im Jahr 2011 wurden 710.000 t
Kautschuk in Deutschland verbraucht, von denen 405.000 t (57 %) für die Reifenproduktion
und 305.000 t (43 %) für die Erzeugung von Technischen Elastomer-Erzeugnissen (TEE)
eingesetzt wurden [NN12]. Eines der wichtigsten Verfahren zur Herstellung von komplexen
TEE ist das Spritzgießen. Das Spritzgießen von Elastomeren ist ein energetisch aufwendiger
Prozess. Die Hauptenergieverbraucher sind hierbei im Bereich der Antriebe für Maschinen-
und Werkzeugbewegungen sowie der Temperierung zu finden (Bild 1.1). Im Gegensatz zur
Thermoplastverarbeitung erhalten Elastomere ihre Formstabilität nicht durch Energieentzug
durch Abkühlung, sondern durch Wärme- und damit Energieeinbringung im Schritt der
Vulkanisation.
Die Kautschuk verarbeitende Industrie in Europa wird aufgrund des Konkurrenzdrucks aus
Niedriglohnländern zur Kostenreduktion gezwungen. Die Produktionskosten beim
Spritzgießen setzen sich aus den Fixkosten, also bspw. den Anschaffungskosten für die
Spritzgießmaschine oder das Werkzeug, und den variablen Fertigungskosten, u.a. für
Rohstoffe, Löhne, Hilfsstoffe und Energie, zusammen. Aufgrund von Skaleneffekten reduziert
sich der Anteil der Fixkosten an den Stückkosten mit steigender Losgröße. Die variablen
Fertigungskosten pro Stück bleiben hingegen zunächst konstant. Diese variablen
Fertigungskosten gilt es folglich zu senken. Besonders ein effizienterer Umgang mit Energie
wird daher aus produktionstechnischer und wirtschaftlicher Sicht für die Elastomer
Bild 1.1: Hauptenergieverbraucher beim Elastomerspritzgießen
1 KURZDARSTELLUNG 3
verarbeitende Industrie aufgrund der stetig steigenden Energiepreise und des
Optimierungspotenzials immer wichtiger. Gleichzeitig motivieren andere Faktoren, wie die
Verantwortung gegenüber Umwelt und kommenden Generationen, eine etwaige
Marketingwirkung sowie gesetzliche Vorgaben zu einem sparsameren Energieverbrauch.
Aufgabe dieses Forschungsvorhabens ist es daher, die Energieeffizienz beim Spritzgießen von
Elastomerformteilen zu steigern. Im Rahmen des Projekts soll zunächst eine systematische
Analyse des zum Spritzgießen elastomerer Formteile benötigten Energieaufwands
durchgeführt werden. Ausgehend von diesen Ergebnissen werden maschinenseitig innovative
Verfahren zur Materialvorwärmung und Antriebs- und Steuerungstechnik implementiert
sowie ein Konzept zur konturnahen Werkzeugheizung entwickelt. Die entwickelte
Anlagentechnik wird in verfahrenstechnischen Versuchsreihen intensiv untersucht, um
Kenntnisse über den Einfluss der Entwicklungen auf die Prozesseffizienz und die Güte der
Formteile zu gewinnen.
1.2 Vorraussetzungen
Dieses Forschungsvorhaben wurde durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung
im Rahmen der Förderinitiative KMU-innovativ im Technologiefeld Ressourcen- und
Energieeffizienz im Zeitraum 01.09.2009 - 31.12.2011 gefördert. Die beteiligten
Kooperationspartner lieferten ein umfangreiches industrielles Wissen im Bereich der Prozess-,
Verfahrens- und Werkzeugtechnik. Eine wissenschaftliche Vorgehensweise sowie die
Evaluation des Prozesses und der erzielbaren Formteilqualitäten wurden durch das IKV
gewährleistet. Durch die gewählte Zusammenstellung des Forschungsverbunds wurden alle
notwendigen Vorkenntnisse zur erfolgreichen Umsetzung der im Projekt geplanten Aufgaben
erbracht.
Das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) beschäftigt sich seit mehr als 25 Jahren mit dem
Spritzgießen von Elastomeren. Beginnend mit grundlegenden Untersuchungen zur
Automatisierbarkeit der Herstellung elastomerer Formteile wurden am IKV in der Folgezeit
zunächst verstärkt Entwicklungen im Bereich der Werkzeugtechnik vorangetrieben [Bus82,
Paa83, Ben86]. Neben dem frühen Einsatz von Prozessrechnern sind in dieser Zeit auch
grundlegende, die Verarbeitung von Kautschuken im Spritzgießverfahren behandelnde
Untersuchungen durchgeführt worden [Mat85, Jah85, Sch86, Sch87, Wey88]. In der jüngeren
1 KURZDARSTELLUNG 4
Vergangenheit lagen die Forschungsschwerpunkte im Bereich des Elastomerspritzgießens
verstärkt auf der Optimierung des Prozesses, der Übertragung von Spritzgießsonderverfahren
aus der Thermoplastverarbeitung auf den Elastomerbereich sowie der Verarbeitung von
Flüssigsilikonkautschuken [Kre91, Jar94, Wal95, Bri96, Kam98, Hen00, Ron01, Cap02,
Weh02].
MAPLAN gehört zur traditionsreichen Starlinger Group, welche auf eine mehr als 170-jährige
Firmengeschichte zurückblicken kann. Der Geschäftsbereich MAPLAN-Gummispritzguss
zählt zu den bedeutendsten Spritzgießmaschinenherstellern für diese Branche weltweit und
sichert diese Position im Markt durch die permanente Weiterentwicklung von Technologien
und Verfahren [NN07].
Freudenberg Forschungsdienste (FFD) ist der F&E Dienstleister der Freudenberg-Gruppe. Sie
befasst sich, sowohl als Dienstleister für die Freudenberg Teilkonzerne als auch als deren
„Entwickler“, schon lange mit den Themen Effizienzsteigerung, Prozessoptimierung und
Auslegung von Aufbereitungs- und Verarbeitungsprozessen in der Elastomerverarbeitung
[Kau08, NN08]. Schwerpunkte der Forschungs- und Entwicklungsarbeit sind beispielsweise
die Auslegung von Prozessen und Werkzeugen. Die besondere Stärke der FFD liegt dabei in
der einmaligen Kombination aus Materialentwicklungsabteilungen,
Materialcharakterisierungslabors und Applikationsentwicklungsabteilungen, die die optimale
Abstimmung von Material, Maschine und Prozess aufeinander ermöglicht.
Die OPTA Werkzeugbau ist ein innovatives und flexibles Unternehmen, das seit seiner
Gründung 1998 als Werkzeugbauer für Kunden aus unterschiedlichen Bereichen wie der
Automobilindustrie, der Elektro- bzw. Elektronikindustrie sowie der Medizintechnik tätig ist.
Seine Produktpalette reicht von Spritzgießwerkzeugen über Vorrichtungen bis zu
Sondermaschinen.
Die Firma CAS entwickelt, produziert und vermarktet seit 1987 Prozessregelungs- und
Prozessoptimierungssysteme für die Gummi und Kunststoff verarbeitende Industrie. Auf
Basis dieser Systeme wurde in 2006 gemeinsam mit MAPLAN die erste selbstoptimierende
Kautschukspritzgießmaschine vorgestellt [MPEK06].
1.3 Planung, Ablauf und Ergebnisse
Entsprechend der Planung wurde dieses Forschungsvorhaben in sechs aufeinander
aufbauenden Projektphasen durchgeführt.
1 KURZDARSTELLUNG 5
Projektphase 1: Erfassung von Grundlagen
Zu Beginn des Forschungsvorhabens wurde das bei den Kooperationspartnern vorhandene
unterschiedliche Expertenwissen gebündelt und somit ein gleicher Kenntnisstand generiert.
Alle Partner brachten dazu ihr umfangreiches Anlagen- und Prozesswissen bezüglich des
aktuellen technischen Stands beim Spritzgießen von Elastomeren ein. Mit Hilfe der FFD
wurde aus dem Produktportfolio der Freudenberg-Gruppe als Referenzprodukt eine
Klappendichtung, die in Scheibenventilen in verfahrenstechnischen Anlagen eingesetzt wird,
festgelegt. Die Auswahl erfolgte nach folgenden Kriterien:
- Möglichst große Wanddicke, um einen großen messbaren Effekt der
Energieeinsparmaßnahmen sicherzustellen
- Kleine bis mittlere Bauteilgröße zur Reduzierung der Werkzeugkosten
- Werkzeugkonzept darf nicht zu speziell sein, um eine allgemeine Umsetzbarkeit
der neu zu entwickelnden Werkzeugkonzepte zu gewährleisten
- Produktionsbereich der Freudenberg-Gruppe soll für das Referenzprodukt eine
Spritzgießmaschine des Projektpartners MAPLAN einsetzen, um einen direkten
Vergleich der Maschinenperformance zu gewährleisten.
Die ausgewählte Dichtung wird anwendungsabhängig aus unterschiedlichen Kautschuktypen,
wie EPDM, VMQ, HNBR und FKM, hergestellt. Im Rahmen dieses Projekts wurde ein
Siliconkautschuk (VMQ) ausgewählt.
Federführend wurde durch OPTA das bestehende Werkzeugkonzept analysiert. Dieses
umfasst ein Stammwerkzeug, in welches je nach Baugröße der zu fertigenden
Klappendichtung unterschiedliche Werkzeugeinsätze eingebracht werden können. Über
bewegliche Backen wird die Werkzeugbewegung realisiert, um eine Entformung der
ringförmigen Bauteile zu ermöglichen. Die Temperierung erfolgt über fest in die Maschine
integrierte Heizplatten, welche über Wärmeleitung das gesamte Werkzeug erwärmen.
Außerdem fand eine genaue Schnittstellendefinition der durchzuführenden Arbeiten sowie der
zu entwickelnden Komponenten statt. Die dazu notwendigen Arbeitspakete wurden auf die
beteiligten Projektpartner verteilt und die Geräte beschafft. Aus der Analyse industrieller
Serienprozesse konnten durch die Kooperationspartner Einsparpotenziale offengelegt werden.
Projektphase 2: Entwicklung und Bau von Spritzgießmaschine, Spritzgießwerkzeug
und Optimierungssoftware
1 KURZDARSTELLUNG 6
Während der zweiten Projektphase wurde zunächst die Energieaufnahme einer
Spritzgießmaschine in der industriellen Serienfertigung durch das IKV und die FFD an einem
Standort der Freudenberg-Gruppe in der Serienfertigung quantifiziert. Bei der Installation der
Messgeräte in der Serienmaschine sowie der anschließenden Versuchsdurchführung unter
Serienbedingungen wurden das IKV und die FFD durch mit dem Fertigungsprozess vertrautes
Fachpersonal der Freudenberg Dichtungs- und Schwingungstechnik unterstützt. Parallel dazu
wurde mit der Entwicklung einer effizienten Prototypenanlage begonnen. Dazu wurden durch
MAPLAN Energiebilanzen für die Antriebe der Maschine und der Temperiergeräte erstellt.
Die in der Serienmaschine genutzten Antriebe mit Axialkolbenpumpe, die mit einem
Asynchronmotor angetrieben werden, wurden für die Prototypenanlage erstmals durch
MAPLAN mit einem Servomotor mit innenliegender Zahnradpumpe ersetzt. Diese neuen
Antriebe wurden analog zur Serienmaschine auf eine Spritzgießmaschine des Typs MTF
750/160 ausgelegt und beschafft. Anschließend wurden durch MAPLAN umfangreiche
Versuchsreihen gefahren und die Regelparameter optimiert. Die in der Serienfertigung
genutzten Temperiergeräte waren bezüglich der Pumpenantriebsleistung zu groß
dimensioniert. Deshalb wurde durch MAPLAN ein System entwickelt, welches die Geräte
sowohl mit der gleichen Pumpenantriebsleistung als auch mit einer weit geringeren
Pumpenantriebsleistung ausstattet und diese entsprechend den Bedürfnissen regelt. Die
Erhöhung der Start-Massetemperatur kurz vor Werkzeugeintritt wurde durch die Entwicklung
eines dynamischen Temperierelements durch die Kooperationspartner realisiert. Dazu wurden
im Verbund verschiedene Konzepte besprochen und deren Umsetzbarkeit diskutiert. CAS und
das IKV entwickelten das Konzept eines polygonalen, entlang seiner Längachse verdrehten
und verjüngten Fließkanals kurz vor Kavitätseintritt, welcher induktiv beheizt wird. Dieses
Konzept vereint mehrere Möglichkeiten der Energieeinbringung in den Kautschuk. Der
Fließkanal wurde anschließend durch die FFD simulativ abgebildet. Das sogenannte
dynamische Temperierelement sollte zunächst aus einem generativ aufgebauten
Keramikelement bestehen, auf dessen Innenoberfläche eine dünne metallische Schicht
aufgebracht werden sollte. Nach Diskussion des Konzepts durch das IKV und die FFD mit
dem Hersteller der notwendigen Induktionsspule wurde dieses Konzept zugunsten eines
generativ aufgebauten Vollmetallelements verworfen, da die metallische Mindestschichtdicke
bei einer keramischen Ausführung des dynamischen Temperierelements nicht realisiert
werden konnte. Das Element wurde anschließend durch das IKV simulativ ausgelegt. Das
Spritzgießwerkzeug wurde durch OPTA in enger Absprache mit der FFD entsprechend des
1 KURZDARSTELLUNG 7
bestehenden Werkzeugskonzepts als Stammform mit Einsätzen modular ausgelegt, so dass
verschiedene konturnahe Heizkonzepte (Induktion, Widerstandsheizungen) miteinander
verglichen werden können. Insbesondere sieht das Werkzeugkonzept eine thermische
Trennung zwischen Werkzeugstammform und kavitätsgebenden Einsätzen vor. Dies
verhindert Energieverluste durch Wärmeleitung in kalte Werkzeugbereiche. Die Isolation
wurde durch OPTA mechanisch derart stabil ausgelegt, dass eine Schädigung des
Isolationsmaterials während des Einspritzens verhindert wird und die unterschiedliche
Wärmedehnung der untemperierten Stammform und der temperierten Einsätze mit
berücksichtigt wird. Außerdem wurde oberhalb der Kavität ausreichend Einbauraum für die
Installation des dynamischen Temperierelements vorgesehen. Die Werkzeugtemperierung
wurde durch die FFD simulativ ausgelegt. Die neuen Komponenten wurden anschließend in
die Prozessoptimierungssoftware aufgenommen. Dazu entwickelte CAS die Software zur
Berechnung der Materialzustandsänderungen im dynamischen Temperierelement und im
Werkzeug aus den Vorgaben des IKV weiter. Es wurde zunächst ein Algorithmus für die
Anfahrphase während der Aufheizung des Elastomers im Temperierelement vor dem
Einspritzen sowie in die Phase am Ende der Einspritzphase für eine vorzeitige Reduizierung
der Heizleistung integriert. Für die Erprobungsphase wurde in der Software die Erfassung der
Massetemperatur des Elastomers und der Oberflächentemperatur des Temperierelements
vorgesehen. Für den Praxiseinsatz wird nur die Oberflächentemperatur genutzt.
Projektphase 3: Installation der Prototypenanlage
In der dritten Projektphase wurden die entwickelten Komponenten zusammengeführt und in
den Räumlichkeiten des IKV in Form einer Prototypenanlage installiert. Die
Spritzgießmaschine und die Temperierer wurden von MAPLAN in Betrieb genommen.
Nachträglich notwendig gewordene Anpassungen am Werkzeug wurden durch OPTA
vorgenommen, während CAS das Berechnungsmodul für das Temperierelement in das
Prozessoptimierungssystem übertrug dieses in die Steuerung der Spritzgießmaschine
integrierte. Für die Berechnung notwendige Mischungsdaten wurden durch die FFD zur
Verfügung gestellt und die Reaktionskinetik durch die Auswertung durch CAS von am IKV
durchgeführten Vulkameterkurven bei unterschiedlichen Temperaturen charakterisiert.
Außerdem wurde durch MAPLAN und das IKV die für die Versuchsdurchführungen
notwendige Regelungs- und Induktionsperipherie installiert. Vorversuche stellten die
Funktionsfähigkeit der Anlagentechnik sicher. Mit Abschluss der Phase 3 war ein Meilenstein
des Projekts erreicht.
1 KURZDARSTELLUNG 8
Projektphase 4: Verfahrenstechnische Untersuchungen und Weiterentwicklung der
Anlagentechnik
Nach der Installation der Prototypenanlage wurden verfahrenstechnische Untersuchungen
durch das IKV und die FFD durchgeführt und die Anlagentechnik iterativ weiterentwickelt. Es
wurde die Energieaufnahme der Gesamtmaschine sowie der einzelnen Anlagenkomponenten
ermittelt. Die Formteilqualität wurde am IKV mittels Infrarotthermografie und
Magnetresonanzspektroskopie erfasst. Die einzelnen Anlagenkomponenten wurden in dieser
Projektphase iterativ optimiert. Über einen Vergleich der erzielten Ergebnisse mit den
Referenzmessungen in der Serienfertigung wurde die entwickelte Prozesstechnik evaluiert.
An der Prototypenanlage wurden durch das IKV umfangreiche Untersuchungen durchgeführt
und diese mit den Projektpartnern diskutiert. Dabei standen insbesondere das
Aufheizverhalten und der Energieverbrauch der Werkzeugtemperierung und des dynamischen
Heizelements sowie die daraus resultierende Bauteilqualität im Vordergrund. Parallel dazu
wurde die Werkzeugtechnik durch OPTA auf die induktive Beheizung der Kontureinsätze
erweitert. Dazu musste die Werkzeugstammform modifiziert werden. MAPLAN realisierte
durch Anpassung der Prototypenmaschine die Verarbeitbarkeit der Sensordaten und stellte die
Weiterleitung dieser an das CAS Prozessoptimierungssystem sicher. Die FFD beschäftigte
sich intensiv mit der Optimierung von Heizstrategien für Elastomerspritzgießwerkzeuge. Aus
Aufheizversuchen von Werkzeugen unterschiedlicher Größe wurden Aufheiz- und
Abkühlraten bestimmt, auf andere Oberflächen-/Volumenverhältnisse übertragen und in ein
Modell der Heizstrategieoptimierung implementiert. Des Weiteren wurde durch CAS die
Prozessoptimierungssoftware derart erweitert, dass zukünftig mehrere dynamische
Temperierelemente bei vielkavitätigen Werkzeugen einzeln angesteuert und die jeweilige
Start-Massetemperatur für die jeweilige Kavität einzeln festgelegt werden kann. Somit können
unterschiedliche Heizzeiten in den Kavitäten aufgrund unterschiedlicher Temperaturen
reduziert und die Zykluszeit bei vielnestrigen Werkzeugen optimiert werden.
Projektphase 5: Ergebnisaufbereitung, -auswertung und -bewertung
Während der Ergebnisaufbereitung wurden die umfangreichen Messergebnisse durch das IKV
und die FFD gebündelt. Anschließend erfolgte eine Interpretation und Bewertung der
Kriterien hinsichtlich der Steigerung der energetischen und zeitlichen Effizienz,
Rohstoffeinsparungen, Formteilqualität und Nutzerfreundlichkeit. Daraus ergaben sich erste
1 KURZDARSTELLUNG 9
Evaluationen bezüglich der Umsetzbarkeit der entwickelten Technologien in der
Serienfertigung.
Projektphase 6: Dokumentation
Die in den Arbeitsphasen eins bis fünf gemeinsam durch die Kooperationspartner erarbeiteten
Ergebnisse und die daraus abgeleiteten Erkenntnisse werden in diesem Abschlussbericht
zusammengefasst. Die Resultate wurden darüber hinaus, wie in Kapitel 2.8 dargestellt der
Kautschuk verarbeitenden Industrie umfassend vorgestellt, so dass von einer zeitnahen
industriellen Umsetzung auszugehen ist.
1.4 Stand der Technik
Bei der Gruppe der Elastomere handelt es sich um formfeste, jedoch elastisch verformbare
polymere Werkstoffe, deren Glasübergangstemperatur sich unterhalb der Einsatztemperatur
befindet. Elastomere zeigen auch bei hohen Temperaturen bis hin zur Zersetzung keinen
Fließbereich. Sie entstehen durch die chemische Vernetzung von Kautschuk unter der
Beimischung von Zuschlagstoffen [RS06].
Die Hauptenergieverbraucher beim Spritzgießen von Elastomeren sind in der Temperierung
und den Antrieben zu finden, wobei die Temperierung ca. 70 % der Gesamtenergie benötigt.
Während der Verarbeitung erhalten Elastomere im Gegensatz zu Thermoplasten ihre
Formstabilität nicht durch Energieentzug durch Abkühlung, sondern durch Wärme- und damit
Energieeinbringung im Schritt der Vulkanisation. Die typische Massetemperaturgeschichte
beim Elastomerspritzgießen ist in Bild 1.2 dargestellt
1 KURZDARSTELLUNG 10
Die Temperaturerhöhung der Kautschukmischung erfolgt beim Elastomerspritzgießen
zunächst durch Wärmeleitung von der Wand des Spritzzylinders und durch dissipative
Schererwärmung. Zur Vermeidung von frühzeitigem Vernetzen wird die Temperatur in den
Bereichen Einzug, Materialaufbereitung und Spritzzylinder bzw. Spritzkammer in der Regel
auf 120 °C oder weniger begrenzt. Diese Temperaturgrenze gilt auch für den
Kaltkanalverteiler, falls ein solcher im Werkzeug eingesetzt wird. Im Gegensatz dazu wird mit
dem Eintritt der Kautschukmischung in das Formnest ein drastischer Temperaturanstieg auf
materialabhängige Vernetzungstemperaturen (Vulkanisationstemperaturen) im Bereich von
ca. 180 °C angestrebt [RS06]. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wird insbesondere der
in Bild 1.2 hervorgehobene Temperaturbereich maschinenseitig durch MAPLAN,
werkzeugtechnisch durch OPTA sowie verfahrenstechnisch durch CAS, FFD und IKV
betrachtet.
1.5 Zusammenarbeit mit anderen Stellen
Dieses Forschungsprojekt wurde durch die genannten Kooperationspartner durchgeführt. Es
fand, außer bei Zukaufteilen wie den Induktionsheizungen, darüber hinaus keine
Zusammenarbeit mit anderen Unternehmen oder Forschungsinstituten statt.
Bild 1.2: Massetemperaturgeschichte beim Elastomerspritzgießen [Epi07]
2 EINGEHENDE DARSTELLUNG 11
2 EINGEHENDE DARSTELLUNG
In diesem Kapitel werden die Entwicklungen vorgestellt und die erzielten Ergebnisse
diskutiert. Dies umfasst den voraussichtlichen Nutzen und die Verwertbarkeit der
Entwicklungen. Abschließend erfolgt eine Aufstellung der erfolgten und geplanten
Veröffentlichungen der Ergebnisse.
2.1 Analyse des Ist-Zustandes
Die Analyse des Ist-Zustandes erfolgt bei der Freudenberg Spezialdichtungsprodukte GmbH
& Co. KG, Reichelsheim. Zur Feststellung des tatsächlichen Energieverbrauchs in der
Serienfertigung wird der Energiebedarf der Heizplatten, der Materialheizung, der Pumpen, der
Steuerung- und Regelung und des Gesamtsystems während des Aufheizens des Werkzeugs
sowie während 22 Zyklen bei der Fertigung einer Klappendichtung erfasst (Bild 2.1). Die
Aufnahme erfolgt mit Leistungs-Analysatoren vom Typ 3169-21 der Hioki Corporation,
Nagano, Japan, die mit einem DataFlow-System der Kistler Instrumente AG, Winterthur,
Schweiz, zur Datenaufnahme gekoppelt werden.
Bild 2.1: Energiebedarf pro Zyklus in der Serienfertigung
2 EINGEHENDE DARSTELLUNG 12
Klappendichtungen dienen der Absperrung von Rohrleitungen, wie sie z. B. in der
Lebensmittel- und Getränkeindustrie vorkommen. Dieses Bauteil wird aufgrund seiner hohen
Wandstärke und der damit einhergehenden langen Vulkanisationszeit für die Untersuchungen
ausgewählt. Das angeschaffte Messsystem zur Erfassung der Energieaufnahme erlaubt die
Aufzeichnung von bis zu sechs dreiphasigen Stromkreisen parallel. Die Energieaufnahme der
in der Maschine integrierten Steuerungs- und Regelungselemente wird als Differenz zwischen
der Gesamtaufnahme und der Summe der vermessenen Einzelverbraucher rechnerisch
ermittelt. In der Serienfertigung erfolgt die Beheizung des 2-Kavitäten-Werkzeugs auf 180 °C
über die maschinenseitig angebrachten Heizplatten. Dadurch ergeben sich Aufheizzeiten von
ca. 1,5 h bei einem Energiebedarf für das Aufheizen von ca. 15 kWh. Für einen laufenden
Zyklus ergab sich ein Energiebedarf von ca. 0,5 kWh. Davon entfallen 44,37 % auf die
Heizplatten, 26,67 % auf die Antriebe, 21,19 % auf die Materialheizung sowie 7,77 % auf die
Steuerung und Regelung. Die Temperierung von Material und Werkzeug ist daher derzeit für
über 65 % des Energiebedarfs verantwortlich.
Die Analyse der Serienfertigung ergibt darüber hinaus folgende Nachteile der derzeit
eingesetzten Werkzeugtechnik, die im Rahmen des Forschungsprojekts adressiert werden
sollten:
- Die großen aufzuheizenden Stahlvolumen des Werkzeugs resultieren in langen
Aufheizzeiten und somit einem hohen energetischen Aufwand bis zum ersten Schuss.
- Die konventionell beheizten Werkzeuge leiten die eingebrachte Energie nicht
fokussiert in das Formteil ein, sondern strahlen sehr viel Wärme in die Umgebung ab.
- Durch die Wärmeabstrahlung in die Umgebung ist oftmals eine aktive oder passive
Kühlung der Produktionsstätten für ein erträgliches Arbeitsklima erforderlich.
- Gerade bei Mehrkavitäten-Werkzeugen führt eine ungleiche Wärmeverteilung
zwischen den Kavitäten zu unterschiedlichen Vernetzungsgraden und damit zu
Bauteilqualitäten, deren Angleichung durch eine Verlängerung der
Vulkanisationsphase erreicht wird.
- Schnelle Werkzeugwechsel werden durch die hohen Temperaturen der Form
erschwert.
- Aufgrund der niedrigen Aufheizraten wird die Werkzeugbeheizung auch in
Produktionspausen durchgehend betrieben.
2 EINGEHENDE DARSTELLUNG 13
- Durch das als Kaltkanal ausgelegte Angusssystem ist keine Erhöhung der Start-
Massetemperatur während der Einspritzphase ohne Gefahr einer vorzeitiger
Vernetzung möglich.
2.2 Dynamische Vortemperierung zur Erhöhung der Start-Massetemperatur
Zunächst soll das entwickelte System zur Erhöhung der Start-Massetemperatur vorgestellt
werden. Aufbauend darauf werden wesentliche Ergebnisse diskutiert.
2.2.1 Stand der Technik
Die Heizphase legt beim Spritzgießen von Elastomeren die Zykluszeit und den Energiebedarf
fest, da Elastomere im Allgemeinen schlechte Wärmeleiter sind. Darüber hinaus sind
Formteile aus Elastomeren oftmals dickwandig. Mit einer gezielten Materialvorwärmung kurz
vor Werkzeugeintritt wird das Ziel verfolgt, die Start-Massetemperatur der
Kautschukmischung anzuheben und deren Inkubationszeit zu senken. Gleichzeitig muss ein
vorzeitiges Vernetzen vor Werkzeugeintritt zur Sicherstellung einer einwandfreien
Bauteilqualität vermieden werden. Bereits anvernetzte Partikel können Fehlstellen im
Formteil erzeugen. In der Thermoplast- und Elastomerverarbeitung erfolgt die Temperierung
des Spritzmaterials kurz vor Kavitätseintritt meist, um den später zu entformenden Anguss
möglichst klein zu halten. In der Thermoplastverarbeitung werden zur Vermeidung von
vorzeitigem Erstarren der Formmasse Heisskanäle mit entsprechenden Düsen eingesetzt. Bei
der Elastomerverarbeitung werden analog zur Vermeidung von frühzeitiger Vernetzung vor
der eigentlichen Kavität Kaltkanalsysteme eingesetzt. Die verfügbaren Kalt- oder
Heißkanalsysteme sind derzeit nicht in der Lage eine dynamische Temperierung zu
realisieren. Sie erhöhen die Massetemperatur oder halten sie konstant. Elektrische
Widerstandsheizungen haben zudem ein vergleichsweise träges Ansprechverhalten. In
jüngerer Zeit wurden für die Elastomerverarbeitung Systeme entwickelt, die zur Erhöhung der
Start-Massetemperatur über fest stehende oder verstellbare Scherelemente oder Scherspalte
verfügen. Der Einsatz von Scherelementen sowohl zur Homogenisierung als auch zur
Erwärmung eines plastischen Materials birgt gerade bei scherempfindlichen
Ausgangsmaterialien Schwierigkeiten wie Entmischungserscheinungen und erzeugt hohe
Druckverluste.
2 EINGEHENDE DARSTELLUNG 14
2.2.2 Entwicklung eines dynamischen Temperierelements
Zur dynamischen Führung der Elastomertemperatur wurde das in Bild 2.2 schematisch
dargestellte Temperierelement durch die Projektteilnehmer gemeinsam neu entwickelt.
Es erlaubt eine hochdynamische Temperaturführung der Formmasse kurz vor
Werkzeugeintritt. Es bildet dazu das Verbindungselement zwischen Schneckenvorraum und
der eigentlichen Werkzeugkavität und ersetzt somit einen klassischen Kaltkanal bzw. einen zu
entformenden Anguss (Bild 2.3).
Bild 2.2: Schematische Ansicht des dynamischen Temperierelements
Bild 2.3: Lage des dynamischen Temperierelements
2 EINGEHENDE DARSTELLUNG 15
Nach der Reaktionsgeschwindigkeits-Temperatur-Regel bewirkt eine geringe Erhöhung der
Start-Massetemperatur eine deutliche Reduzierung der notwendigen Heizzeit im Werkzeug.
Die Energie sollte dem Werkstoff dabei grundsätzlich über Wärmeleitung, Dissipation oder
Hochfrequenzanregung zugeführt werden. Eine Materialvorwärmung über Wärmestrahlung
oder Konvektion ist im Fall der hier vorliegenden geschlossenen Systeme schwierig zu
realisieren. Eine Energieeinbringung mittels Wärmeleitung erlaubt die Erwärmung von
fließendem und ruhendem Material und ist einfach implementierbar. Nachteilig ist der große
Temperaturgradient im Material von außen nach innen aufgrund der im Allgemeinen geringen
Wärmeleitfähigkeit von Elastomeren und der daraus resultierenden Begrenzung der
Wandtemperaturen nach oben durch Anvernetzung oder thermische Materialschädigung. Über
Dissipation in einem Scherspalt kann ein homogener Temperaturanstieg in der Formmasse
erzielt werden. Gleichzeitig besteht die Gefahr der Materialschädigung durch zu hohe
Scherung. Gerade bei hochgefüllten Elastomermischungen können zudem Entmischungen
auftreten. In der Extrusion von Elastomeren wurden Systeme zur Mikrowellenvernetzung
eingeführt, die eine sehr schnelle Erwärmung des Werkstoffs ermöglichen. Diese zeigen
jedoch eine starke Materialabhängigkeit und können aufgrund ihrer Bauart derzeit nicht in ein
Spritzgießwerkzeug integriert werden.
Die Beheizung des neu entwickelten dynamischen Heizelements erfolgt induktiv. Dazu
verfügt das Heizelement über Anschlussmöglichkeiten für einen Multifrequenzgenerator und
und ein Temperiergerät. Der eigentliche Fließkanal besitzt einen polygonalen Querschnitt, ist
entlang seiner Fließachse verdreht und verjüngt sich in Richtung des Materialaustritts. Durch
seine Form und die induktive Beheizung kombiniert der Temperierkanal Wärmeleitung im
Kautschuk mit dissipativer Erwärmung durch Scherung sowie Wärmeeinbringung bei
gefüllten Materialien durch elektromagnetische Effekte. Außerdem soll die Wärme effektiv
durch die entstehende Querströmung verteilt und dadurch die Temperatur im Material
homogenisiert werden.
Dem dynamischen Temperierkanal wird nur während der Einspritzphase frisches Material aus
der Spritzgießmaschine zugeführt. Außerhalb dieses Zeitfensters, während des
Werkzeugschließens, des Vulkanisierens sowie des Werkzeugöffnens und der Entnahme des
Formteils, muss ein Anvernetzen des Werkstoffs im Kanal verhindert werden. Bild 2.4 zeigt
die dazu notwenige Temperaturführung im Temperierkanal.
2 EINGEHENDE DARSTELLUNG 16
Die aktive Energiezufuhr durch induktive Erwärmung der Temperierkanalwand wird bereits
vor Beginn der Einspritzphase gestartet und vor Beginn der Vernetzungsphase beendet.
Wärme wird über ein geeignetes integriertes Wasserkühlsystem, wenn benötigt, dem
Temperierelement entzogen. Der Temperaturverlauf des Werkstoffs wird dadurch so geregelt,
dass das Material außerhalb der Einspritzphase nicht zu stark erwärmt wird. Die
Temperaturführung wird durch das Prozessoptimierungssystem des Projektpartners CAS
gesteuert. Durch die Entwicklung von Algorithmen zur Einstellung der Heizleistung des
Heizelements kann eine optimale Formteilqualität sichergestellt werden.
Die Kühlkanäle, der Strukturkörper und die Massekanalgeometrie des dynamischen
Temperierelements wurden wie beispielhaft in Bild 2.5 dargestellt durch thermische,
mechanische und fluidtechnische Simulationen ausgelegt.
Bild 2.4: Temperaturführung im dynamischen Heizelement
2 EINGEHENDE DARSTELLUNG 17
Dabei soll die Minimierung der Wanddicke zu einer hohe Dynamik des Systems durch kleine
zu temperierende Massen führen. Gleichzeit muss aber die mechanische Funktionsfähigkeit
des Systems bei bis zu 2200 bar Einspritzdruck sichergestellt werden. Die Kanalgeometrie
soll Totwassergebiete vermeiden und Gebiete hohen Drucks mit einer guten Mischwirkung
erzeugen.
Durch die geometrischen Anforderungen an das dynamische Temperierelement ist eine
konventionelle Fertigung über spanende Verfahren nicht möglich. Daher wird auf das direkte
Metall-Lasersinter-Verfahren zurückgegriffen. Dieses Verfahren erlaubt durch das lokale
Aufschmelzen von feinem, pulverförmigen Metall durch einen CO2-Laser den schichtweisen
Aufbau des Temperierelements. Dadurch ist die Fertigung von internen Hohlräumen und
Hinterschnitten möglich. Das von der bkl-lasertechnik, Coburg, generativ erzeugte Bauteil
kann nachbearbeitet werden und ist aus 1.2709, einem martensitaushärtenden Werkzeugstahl
mit hohen mechanischen Kennwerten.
2.2.3 Untersuchung des dynamischen Temperierelements
Die eigentliche Induktionsspule aus Kupfer wird während des Betriebs von einem
Multifrequenzgenerator MFG 15 des Herstellers eldec Schwenk Induction GmbH,
Dornstetten, versorgt. Der Generator hat eine maximale Ausgangsleistung von 15 kW. Die
Spule muss während des Betriebs aktiv gekühlt werden, um ein Überhitzen zu verhindern.
Dadurch ergibt sich das in Bild 2.6 dargestellte Oberflächentemperaturprofil des dynamischen
Temperierelements.
Bild 2.5: Mechanische Auslegung des dynamischen Temperierelements
2 EINGEHENDE DARSTELLUNG 18
Deutlich erkennbar sind die großen Temperaturunterschiede zwischen induktiv beheiztem
Temperierelement und gekühlter Induktionsspule.
Das Aufheizverhalten des dynamischen Temperierkanals hängt von der der Generatorleistung
ab. Diese ist aufgrund Spulenauslegung auf 60 % des Maximalwerts beschränkt. Bild 2.7 zeigt
das Aufheiz- und Abkühlverhalten des Systems in Abhängigkeit von der Generatorleistung.
Deutlich wird die hohe thermische Dynamik gerade bei hoher Ausgangsleistung, die die für
den Einsatz notwendige Temperaturführung ermöglicht und dabei insbesondere ein
Anvernetzen im Kanal während der Formteilvulkanisation im Werkzeug verhindert. Die
Erfassung der Temperatur erfolgte über Thermografieaufnahmen im Mittelpunkt der
Oberfläche des Elements.
Bild 2.6: Oberflächentemperaturprofil des dynamischen Temperierelements
2 EINGEHENDE DARSTELLUNG 19
Die Spritzmasse durchströmt das Temperierelement aus dem Maschinenpott mit einer
Temperatur von 50 °C, das Temperierelement ist auf 60 °C wassertemperiert. Die
Massetemperatur am Austritt aus dem Temperierelement wird in diesen Messreihenmittels
Infrarotkamera erfasst. In Bild 2.8 ist die Masseaustrittstemperatur in Abhängigkeit der
Generatorleistung dargestellt. Bei hohen Generatorleistungen ist eine Erhöhung der
Massetemperatur auf über 80 °C zu messen. Der Temperierkanal ist entlang des Fließwegs um
180 ° verdreht, der Fließkanal weist zudem einen polygonalen Querschnitt auf. Dadurch
befindet sich die Spritzmasse während des Austritts in einer Rotation. D
er ortsfeste Messpunkt erfasst die Erhebungen und Vertiefungen des Massestrangs. In diesen
liegen lokal unterschiedliche Reflektionsgrade vor, welche die periodischen Schwankungen
der gemessenen Massetemperaturen während der Einspritzphase erklären.
Bild 2.7: Aufheiz- und Abkühlvorgang in Abhängigkeit von der Generatorleistung
2 EINGEHENDE DARSTELLUNG 20
Die dargestellten Erhöhungen der Start-Massetemperatur stellen sich bei 30 s Aufhheizzeit
des Temperierkanals während der Vulkanisationsphase im Werkzeug ein. Der dazu nötige
energetische Aufwand ist in Bild 2.9 dargestellt. Mit steigender Generatorleistung und damit
erhöhtem Energieaufwand steigen die maximale und mittlere Temperatur der Spritzmasse.
Der dazu nötige Energieaufwand liegt im zweistelligen Wh-Bereich.
Bild 2.8: Massetemperatur am Austritt in Abhängigkeit von der Generatorleistung
Bild 2.9: Abhängigkeit der Start-Massetemperatur am Austritt des Temperierelements vom
Energiebedarf bei 30 s Aufheizzeit des Temperierelements
2 EINGEHENDE DARSTELLUNG 21
2.3 Energieeffizientere Elastomerspritzgießwerkzeuge
Die Formgebung findet in der Kavität des Spritzgießwerkzeugs statt. Heutige
Werkzeugkonzepte weisen oftmals die bereits in Kapitel 2.1 dargestellten Nachteile auf. In
der Elastomerverarbeitung ist bislang kein systematisch verfolgtes Vorgehen bekannt, die
Werkzeugtechnik bezüglich ihrer Energieeffizienz zu optimieren. Meist ist eine Beheizung
des gesamten Werkzeugs durch maschinenseitig oder werkzeugseitig integrierte elektrische
Heizplatten oder Heizpatronen vorgesehen. Daher sollte im Rahmen dieses
Forschungsvorhabens ein deutlich energieeffizienteres Werkzeugkonzept entwickelt werden.
Dieses wird im Folgenden vorgestellt und evaluiert.
2.3.1 Anforderungen an ein energieeffizientes Werkzeugkonzept
An ein modernes und effizientes Werkzeugkonzept werden durch die Projektteilnehmer
mehrere Anforderungen gestellt:
- Der Aufheiz- und Abkühlvorgang muss schnelle Werkzeugwechsel und kurze
Anfahrzeiten erlauben.
- Die Temperierung muss regelbar, reproduzierbar und über die Kavitätsoberfläche
homogen erfolgen.
- Wärmeverluste in die Umgebung sollten möglichst vermieden werden.
- Das Konzept muss eine hohe mechanische Belastungsfähigkeit aufweisen und den
Anforderungen des Serieneinsatzes genügen.
2.3.2 Entwicklung eines effizienten, modularen Werkzeugkonzepts
Um einen Vergleich mit dem in Kapitel 2.1 untersuchten Serienprozess durchführen zu
können, wurde das Serienwerkzeugkonzept durch die FFD und OPTA zu dem in Bild 2.10
dargestellten Stammwerkzeugkonzept mit kavitätsgebenden Formeinsätzen modifiziert.
2 EINGEHENDE DARSTELLUNG 22
Das Werkzeugkonzept sieht insbesondere die thermische Trennung von Einsatz und
Stammform sowie die konturnahe Beheizung des Einsatzes vor. Aus der
Thermoplastverarbeitung sind Werkzeugkonzepte zur gezielten und konturnahen
Temperierung des Formnests bekannt. Die Kavitätsoberfläche wird dabei kurzfristig beheizt,
um bspw. Fließwege zu verlängern, präzise Oberflächen abformen zu können oder Bindenähte
zu vermeiden. Dabei wird meist eine zweistufige Temperaturführung genutzt. Die
Temperierkanäle werden je nach eingesetzter Technik beispielsweise zunächst mit einem
Temperierfluid mit hoher Temperatur und anschließend mit einem Fluid mit niedrigerer
Temperatur durchströmt [Gri08]. Die Beheizung des Werkzeugs kann auch über
Infrarotstrahlung, Induktion oder Sonderverfahren wie Laser- und Mikrowellenstrahlung
erfolgen [Kla10]. Im Gegensatz zur Thermoplastverarbeitung bietet sich beim
Elastomerspritzgießen die durchgehende konturnahe Beheizung der Werkzeugkavität an. Ein
Abkühlen der Kavität ist im Gegensatz zur Thermoplastverarbeitung für die Formstabilität des
Formteils nicht notwendig. Bei der Elastomerverarbeitung können ebenfalls, hier mit dem Ziel
der Maximierung der Energieeffizienz, unterschiedliche Heizkonzepte eingesetzt werden. Die
modulare Bauweise des Werkzeugs erlaubt den Austausch der formgebenden Einsätze und die
Evaluation unterschiedlicher Heizkonzepte, insbesondere von formbaren elektrischen
Widerstandsheizelementen und induktiver Beheizung.
Formbare elektrische Heizelemente sind vergleichsweise kostengünstig, einfach ohne
zusätzliches Equipment zu implementieren und in verschiedenen Leistungsstufen zu
erwerben. Induktion als Heizkonzept bietet demgegenüber den Vorteil von hohen
Aufheizraten und Energiedichten, fordert aber den Einsatz zusätzlicher Hardware und ist
derzeit noch nicht Stand der Technik. Theoretisch möglich wäre der Einsatz von keramischen
Bild 2.10: Modulares Werkzeugkonzept
2 EINGEHENDE DARSTELLUNG 23
Heizelementen. Diese haben ebenfalls eine hohe Aufheizrate und Energiedichte, sind aber
derzeit nur bei einfachen, flächigen Geometrien einsetzbar und somit für die gleichmäßige
konturnahe Beheizung runder Geometrien nicht nutzbar.
2.3.3 Untersuchung des modularen Werkzeugkonzepts
Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wurde die induktive Beheizung sowie die
Temperierung über formbare elektrische Widerstandsheizelemente am IKV und bei den FFD
untersucht, wobei insbesondere letztere aus Sicherheits- und Kostengründen Vorteile
gegenüber einer induktiven Beheizung bieten. Beide Heizkonzepte sind wie in Bild Bild 2.10
dargestellt in das Werkzeug integriert. Keramikheizer können aufgrund der runden Geometrie
der untersuchten Klappendichtung im Rahmen dieses Forschungsvorhabens nicht untersucht
werden.
2.3.3.1 Aufheizverhalten
Das zeitliche Aufheizverhalten der Werkzeugkavität unterscheidet sich deutlich in
Abhängigkeit des eingesetzten Heizkonzepts. In Bild 2.11 ist dies für das konventionelle,
serienmäßige Heizkonzept, für die konturnahe Beheizung des Formnests über formbare,
elektrische Widerstandsheizelemente und für die induktive Werkzeugheizung dargestellt,
wobei die Temperaturerfassung bei den Widerstandsheizungen über Thermoelemente und bei
der Induktionsheizung über Thermografieaufnahmen erfolgt.
Das Konzept erlaubt durch die Integration einer konturnahen Widerstandsheizung und den
Verzicht auf eine Beheizung des kompletten Werkzeugs über die maschinenseitig
angebrachten Heizplatten eine deutliche Verkürzung der Aufheizzeit um bis zu 89 % bis zum
ersten Schuss. Diese Aufheizzeit bis auf eine Kavitätstemperatur von 180 °C kann durch den
Einsatz einer bereits diskutierten konturnahen induktiven Werkzeugheizung weiter reduziert
werden, so dass die induktive Beheizung eine Zeitersparnis von 97 % gegenüber dem
konventionellen Werkzeugkonzept aufweist und von ca. 70 % gegenüber einer konturnahen
Beheizung über formbare Widerstandsheizelemente.
2 EINGEHENDE DARSTELLUNG 24
Mit dieser Zeitersparnis einher geht die in Bild 2.12 für das konventionelle Werkzeugkonzept
sowie für das Werkzeug mit konturnaher elektrischer Widerstandsheizung dargestellte
Energieeinsparung beim Aufheizen.
Aufgrund der deutlich geringeren zu erwärmenden Massen in Kombination mit der Isolation
der Formeinsätze von der Werkzeugstammform wird die Energie zielgerichtet eingebracht
Bild 2.11: Vergleich des Aufheizvorgangs
Bild 2.12: Energetischer Vergleich eines Aufheizzyklus von konventioneller und energetisch
optimierter Werkzeugbeheizung
2 EINGEHENDE DARSTELLUNG 25
und Wärmeverluste in die Umgebung werden minimiert. Das optimierte Werkzeug erlaubt
daher eine deutliche Reduzierung des Energiebedarfs des Werkzeugaufheizvorgangs im
Vergleich zum konventionell aufgebauten Serienwerkzeug um bis zu 80 %.
Eine induktive Werkzeugbeheizung ist insbesondere bei hoch dynamischen Prozessen von
Interesse. Durch diese Art der Beheizung können sehr hohe Aufheizraten realisiert werden.
Diese sind Bild 2.13 in Abhängigkeit der Generatorleistung dargestellt.
Die Temperaturaufnahme erfolgt dabei mittels Infrarotaufnahme der Werkzeugkavität. Bei
maximaler Generatorleistung von 15 kW kann durch die konturnahe Auslegung der
Induktionsspule in den Formeinsätzen ein Aufheizen auf 180 °C Kavitätstemperatur im
zweistelligen Sekundenbereich realisiert werden. Auch aus energetischer Sicht stellt es sich
als sinnvoll heraus, den Aufheizvorgang mit möglichst hoher Leistung zu betreiben (Bild
2.14). So kann zusätzlich zur Reduktion der Aufheizzeit um 92 % bei 15 kW Aufheizleistung
im Vergleich zu 3 kW Aufheizleistung der dafür notwendige Energiebedarf um 80 % gesenkt
werden. Die induktive Werkzeugbeheizung zeigt das größte Energieeinsparpotenzial im
Vergleich zur konventionellen Beheizung. Allerdings ist bei integrierter induktiver
Werkzeugbeheizung, wie sie in diesem Forschungsvorhaben realisiert wurde, insbesondere
bei den in der Elastomerverarbeitung häufig anzutreffenden Vertikalmaschinen mit manueller
Entnahme auf eine erhöhte Sicherung des Maschinenbedieners zu achten. Wird wie bei dem
in Kapitel 2.2 beschriebenen dynamischen Temperierelement die Induktionsspule sicher
Bild 2.13: Induktiver Aufheizvorgang und Abkühlen in Abhängigkeit von der Generatorleistung
2 EINGEHENDE DARSTELLUNG 26
isoliert außerhalb der Reichweite des Nutzers betrieben, stellen die hohen Spannungen eine
deutlich geringere Gefahr dar als bei einer kontinuierlich, auch während der
Entformungsphase arbeitenden, geregelten Induktionsheizung in Reichweite des Bedieners.
2.3.3.2 Heizstrategien und Werkzeugwechsel
Einher mit der deutlichen Aufheizzeitverkürzung geht eine Reduzierung der Kühlphase
aufgrund der geringen zu temperierenden Massen. Dieses hochdynamische Verhalten kann
bereits in Kapitel 2.3.3.1 durchgeführten Untersuchungen beobachtet werden. Dadurch lassen
sich auch Heizstrategien optimieren und Werkzeugwechsel effizienter durchführen.
Betrachtet sei der beispielhafte Fall einer dreistündigen Produktionsunterbrechung, bei der in
der Praxis heutzutage die Werkzeugheizung im Allgemeinen durchgehend betrieben wird.
Durch die Realisierung sehr hoher Aufheizraten kann das Werkzeug in der optimierten
Bauweise auch bei ausgeschalteter Heizung zum Ende der Produktionspause sehr schnell
wieder in einen betriebsbereiten Zustand überführt werden. Der dafür notwendige
Energiebedarf ist während der Heizphase kurzfristig zwar relativ hoch, diese ist jedoch
zeitlich eng begrenzt. So kann, wie Bild 2.15 zeigt, kumuliert über der Betriebsdauer im
Vergleich zu einer durchlaufenden Heizung 60 % (ca. 9 kWh) Energie eingespart werden. Die
Bild 2.14: Zeit- und Energieverbrauch in Abhängigkeit der Generatorleistung für induktives
Aufheizen bis 180 °C Kavitätstemperatur
2 EINGEHENDE DARSTELLUNG 27
Höhe der Ersparnis ist dabei von der Unterbrechungszeit und der Absenktemperatur abhängig.
Das Werkzeugkonzept ist außerdem besonders für häufige Werkzeugwechsel aufgrund von
kleinen Serien beziehungsweise bei häufigen Formreinigungsvorgängen sinnvoll. Dabei
erlauben die Modularität und die hohen Aufheiz- und Abkühlraten der Formeinsätze die
Fertigung unterschiedlicher Formteilgeometrien oder den Austausch gleicher Formeinsätze
untereinander zur Reinigung.
2.4 Zyklusoptimierung
Unabhängig von Aufheizverhalten und Heizstrategie ist gerade für den Serieneinsatz die
Energieaufnahme pro Spritzgießzyklus entscheidend. Diese ist in Bild 2.16 dargestellt und
kann mit dem entwickelten Werkzeugkonzept, den optimierten Antrieben sowie mit dem
Prozessoptimierungssystem im Vergleich zum Referenzsystem um bis 45 % gesenkt werden.
Antriebsseitig werden in der Prototypenmaschine erstmalig Konstantvolumenpumpen mit
servomotorischem Antrieb durch MAPLAN eingesetzt. Dadurch kann die Pumpenaktivität
und damit die Motordrehzahl an den tatsächlichen Leistungsbedarf angepasst werden. Gerade
beim Elastomerspritzgießen ergeben sich durch die Pausen der hydraulischen Verbraucher
während der Vulkanisation und der Entformung deutliche Energieeinsparnisse. Ein ähnlicher
Effekt kann durch die ebenfalls durch MAPLAN umgesetzte bedarfsgerechte Regelung des
Förderstroms der Temperiergeräte erzielt werden [Eis11].
Bild 2.15: Verringerung des Energiebedarfs durch Optimierung der Heizstrategie
2 EINGEHENDE DARSTELLUNG 28
Das Prozessoptimierungssystem bildet alle Stationen des Elastomerspritzgießprozesses ab und
berechnet daraus die höchstmögliche Start-Massetemperatur sowie die minimale Heizzeit.
Durch dieses Vorgehen können Sicherheitszuschläge minimiert werden [Eis11].
Bei der Werkzeugtemperierung ist die fokussierte Energieeinbringung in Kombination mit der
Isolation der Formeinsätze zielführend. Durch die Modifikation des Werkzeugkonzepts
konnte die Idee eines „kalten Werkzeugs“ realisiert werden. Dieses bietet neben dem
geringeren Energieverbrauch auch Vorteile in der Handhabbarkeit der Stammform, da diese
auch nach mehreren Stunden Dauerlauf noch nicht zu heiß ist, so dass sie immer noch berührt
werden kann. Außerdem konnte das Temperaturgefälle zwischen den einzelnen Kavitäten
gesenkt werden. Dies führt zu einer Verkürzung der eigentlichen Heizzeit, da sich diese bei
mehreren Kavitäten immer nach der mit der niedrigsten Temperatur richten muss, um eine
Untervulkanisation zu vermeiden [Mas11]. Auf das Temperaturgefälle wird im Folgenden
näher eingegangen.
2.5 Bewertung der Formteilqualität
Über die Bewertung der Formteilqualität wird auf die Güte der entwickelten Komponenten
rückgeschlossen. Dabei muss insbesondere eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der
Kavität sichergestellt werden, damit der Prozess bei geringstmöglicher Zykluszeit ohne die
Gefahr lokaler Untervulkanisation bei kälteren Kavitätsteilen durchgeführt werden kann. Die
Bild 2.16: Optimierung der pro Zyklus benötigten Energie beispielhaft dargestellt für formbare
Heizelemente
2 EINGEHENDE DARSTELLUNG 29
Temperaturverteilung auf den Oberflächen wird im Rahmen dieses Forschungsvorhabens
mittels Infrarotthermografie durch das IKV und die FFD erfasst. Dies hat den Vorteil, dass im
Gegensatz zu lokal begrenzten Temperatursensoren die tatsächliche Oberflächentemperatur
großflächig erfasst werden kann. Aufgrund der Einbausituation ist die direkte Messung der
Werkzeugkavitätstemperatur mittels Infrarotthermografie während der Fertigung nicht
möglich. Daher werden die Formteile unmittelbar nach Entformung sowie im weiteren
Abkühlverlauf jeweils nach 20 s vermessen. Den qualitativen Temperaturverlauf bei Aufsicht
und Seitenansicht sowie die jeweils ausgewerteten Messlinien zeigt Bild 2.17.
Bild 2.18 zeigt die Auswertung der Thermografieaufnahmen exemplarisch für eine Aufsicht
sowie eine Seitenansicht. Dabei wird in beiden Ansichten die erzielbare Homogenität der
Temperaturverteilung deutlich. Das entwickelte Werkzeugkonzept ermöglicht somit eine
äußerst gleichmäßige Kavitätstemperierung.
Bild 2.17:Infrarotthermografie am Formteil
2 EINGEHENDE DARSTELLUNG 30
Die Formteilevaluierung mittels Magnetresonanzspektroskopie liefert keine eindeutigen
Ergebnisse. Die Messauflösung des Systems sowie die Temperaturabhängigkeit der
Messungen erlauben keine Detektion bereits anvernetzter Partikel oder Fehlstellen. Das
System eignet sich jedoch zur weiteren Optimierung der Prozessführung. Die Prozessführung
kann dabei zur Minimierung der Heizphase sowie der tatsächlich benötigten
Werkzeugkavitätstemperatur genutzt werden. Aus Unwissenheit über die benötigte Heizzeit
wird diese in der betrieblichen Praxis oftmals länger als benötigt angesetzt, um eine
Untervulkanisation des Formteils verhindern zu können. Gleichzeitig erfolgt die Festlegung
der Werkzeugtemperatur vielfach einer subjektiven Bewertung, wobei zu hohe Temperaturen
zu direkten energetischen Nachteilen und zu niedrige Werkzeugtemperaturen zu einer
Verlängerung der Heizzeit führen. Heizzeitrechner und Prozessoptimierungssysteme erlauben
eine von Formteil- und Rohstoffparametern abhängige Prozessregelung die allerdings auf
einer physikalischen Modellierung und oftmals nicht auf einer Messung des Ist-Zustands des
Vernetzungsvorgangs beruht. Eine tatsächliche zerstörungsfreie Bestimmung und Kontrolle
des Vernetzungsgrads ist mit den verfügbaren Analysemethoden bislang nicht möglich.
Durch die im Rahmen des Forschungsvorhabens eingesetzte Magnetresonanzspektroskopie
wird die transversale Relaxationszeit des Kautschuks gemessen. Diese liefert eine Information
zur Vernetzungsdichte [GKB05]. In Bild 2.19 ist der heizzeitabhängige Vulkanisationsgrad in
3,5 mm Bauteiltiefe bei konstanter Werkzeugtemperatur dargestellt. Der Vulkanisationsgrad
Bild 2.18: Bewertung der Temperaturhomogenität
2 EINGEHENDE DARSTELLUNG 31
ist dabei auf das Intervall des höchsten und niedrigsten Werts der Messung qualitativ skaliert
dargestellt. Erwartungsgemäß steigt der Vulkanisationsgrad in Abhängigkeit der Heizzeit
zunächst bis zu einem quasi stationären Plateau. Dieser Verlauf kann mithilfe eines
Polynomes dritter Ordnung beschrieben werden. Mit Hilfe einer linearen Regression ergibt
sich anschließend die optimierte Heizzeit des Bauteils in der untersuchten Bauteiltiefe.
Bild 2.19: Heizzeitabhängiger Vulkanisationsgradverlauf bei 200 °C in 3,5 mm Bauteiltiefe
Zielführend ist die Untersuchung der Bauteilmitte im dickwandigsten Bereich, da die geringe
Wärmeleitfähigkeit hier die Heizzeit bestimmt. Aus der Erfassung des zeitlichen
Vulkanisationsgradverlaufs für verschiedene Werkzeugtemperaturen in Kombination mit der
benötigten Energieaufwendung lässt sich ein für das jeweilige Formteil charakteristisches
dreidimensionales Kennlinienfeld erzeugen, mit dem ein Elastomerspritzgießprozess
qualitativ und energetisch optimal geführt werden kann.
2.6 Vorraussichtlicher Nutzen und Verwertbarkeit der Ergebnisse
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde eine Möglichkeit zur Steigerung der Start-
massetemperatur sowie zur effizienten konturnahen Werkzeugtemperierung beim
Elastomerspritzgießen entwickelt. Durch die Nutzung dieser Entwicklungen kann die
Zykluszeit sowie der Energiebedarf für die Fertigung komplexer elastomerer Formteile bei
2 EINGEHENDE DARSTELLUNG 32
gleichbleibend hoher Formteilqualität reduziert werden. Die Entwicklungen können zudem
Rüstvorgänge verkürzen. Weiterentwickelte Antriebe sowie die Modellierung des Verfahrens
in der Prozessoptimierungssoftware führen zu weiteren Einsparungen. Die in diesem
Vorhaben erzielten Erkenntnisse sind unmittelbar in der Industrie anwendbar und liefern dort
ökonomischen und ökologischen Nutzen bei vergleichsweise geringen Investitionen. Die
Verwertbarkeit der Ergebnisse wird daher als sehr hoch eingeschätzt.
2.7 Bekannt gewordener Fortschritt bei anderen Stellen
Die Erhöhung der Start-Massetemperatur zum Zweck der Zykluszeitverkürzung bei
dickwandigen Bauteilen wird von der Firma LWB Steinl GmbH & Co. KG, Altdorf, durch ein
Drosselelement vor dem Spritzzylinder im sogenannten Adaptive Cure Control System
realisiert. In dem mit einem anpassbaren Querschnitt ausgestatteten Drosselelement wird
Druckenergie in Wärme umgewandelt. Dieses System kann jedoch Grenzen bei der
Verarbeitung von scher- und wärmeempfindlichen Gummimischungen sowie bei
Angusssystemen mit hohem Druckbedarf haben [HSGD11].
Das IsoWe-Werkzeugkonzept der Konstruktionsbüro Hein GmbH, Neustadt, sieht isolierte
Formeinsätze vor. Anstatt das gesamte Werkzeug zu temperieren, werden ausschließlich die
durch eine Isolationsschicht getrennten Einsätze temperiert. Der Schwerpunkt dieses
Konzeptes liegt auf der thermischen Isolation und lässt bewusst die Wahl der
Temperiermethode offen. Diese kann individuell gestaltet werden [Hei10].
2.8 Erfolgte und geplante Veröffentlichungen der Ergebnisse
Die gewonnenen Erkenntnisse dieses Forschungsvorhabens wurden wie folgt veröffentlicht:
MICHAELI, W.; MASBERG, U.; BEHMENBURG, C.; OPDENWINKEL, K.: Effiziente Werkzeug- und
Materialtemperierung beim Elastomerspritzgießen. Umdruck zur IKV-Fachtagung:
Siliconkautschuke – Ein besonderes Material für besondere Anwendungen. Aachen, 2010
MICHAELI, W.; MASBERG, U.; BEHMENBURG, C.: Ansätze zum energieeffizienteren
Elastomerspritzgießen. Tagungsumdruck zum Kautschuk Herbst Kolloquium. Hannover, 2010
2 EINGEHENDE DARSTELLUNG 33
MICHAELI, W.; MASBERG, U.; BEHMENBURG, C.: Effiziente Werkzeug- und
Materialtemperierung beim Elastomerspritzgießen. Umdruck zur SKZ-Fachtagung:
Spritzgießen von Elastomeren. Würzburg, 2010
MICHAELI, W.; MASBERG, U.; BEHMENBURG, C.: Material- und Werkzeugtemperierung –
Energieeffizienz beim Elastomerspritzgießen. Poster zur WZL-Fachtagung:
Ressourceneffiziente Produktionstechnik. Aachen, 2011
MICHAELI, W.; BEHMENBURG, C.; RASCHE, S.: Energieeffizienz in der Kunststoff- und
Kautschukverarbeitung. Hannover Messe: Suppliers Convention. Hannover, 2011
MICHAELI, W.; MASBERG, U.; HOPMANN, C.; BEHMENBURG, C.: Verbesserte Werkzeug- und
Materialtemperierung für ein effizienteres Elastomerspritzgießen. Tagungsumdruck zur DKG-
Fachtagung: Green Rubber. Fulda, 2011
HOPMANN, C.; BEHMENBURG, C.: Energieeffiziente Werkzeug- und Materialtemperierung
beim Elastomerspritzgießen. Umdruck zur SKZ-Fachtagung: Kosten reduzieren durch
Energieeffizienz in der Kunststoffverarbeitung. Würzburg, 2011
HOPMANN, C.; BEHMENBURG, C.; BEHM, H.; DERING, J.P.: Elastomertechnik: Neue Ansätze
für die Aufbereitung und Spritzgießverarbeitung. Umdruck zum IKV-Kolloquium: Integrative
Kunststofftechnik. Aachen, 2012
MICHAELI, W.; HOPMANN, C.; MASBERG, U.; BEHMENBURG, C.; HOFFMANN, W.-M.: Über ein
energieeffizienteres Elastomerspritzgießen. GAK – Gummi, Fasern, Kunststoffe 64 (2011) 5,
S. 277-280
HOPMANN, C.; MICHAELI, W.; MASBERG, U.; BEHMENBURG, C.; HOFFMANN, W.-M.: Effiziente
Werkzeugtemperierung beim Elastomerspritzgießen. In: Berger, K.-F.; Kiefer, S.:
Dichtungstechnik Jahrbuch 2012. Mannheim: Isgatec GmbH, 2011
Eine weitere Veröffentlichung der Ergebnisse wird im Dichtungstechnik Jahrbuch 2013,
Mannheim, Isgatec GmbH, 2012, stattfinden.
Die gewonnen Erkenntnisse dieses Forschungsvorhabens gehen außerdem in die
Richtlinienarbeit der VDI-Gesellschaft für Produktion und Logistik im Fachausschuss 208:
Ressourceneffizienz ein.
3 LITERATUR 34
3 LITERATUR
[Ben86] BENFER, W.: Rechnergestützte Auslegung von Spritzgießwerkzeugen für
Elastomere. RWTH Aachen, Dissertation, 1986
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Komponenten-Spritzgießbauteilen. RWTH Aachen, Dissertation, 1996 - ISBN:
3860735675
[Bus82] BUSCHHAUS, F.: Automatisierung beim Spritzgießen von Duroplasten und
Elastomeren. RWTH Aachen, Dissertation, 1982
[Cap02] CAPELLMANN, R.: Beiträge zur Materialcharakterisierung von Elastomeren und
zur Simulation des Spritzgießens. RWTH Aachen, Dissertation, 2002
[Eis11] EISENHUBER, R.: Ressourcenschonender Elastomerspritzguss. In: Berger, K.-F.;
Kiefer, S.: Dichtungstechnik Jahrbuch 2012. Mannheim: Isgatec GmbH, 2011
[Epi07] EPING, U.: Eine neue Maschinen- und Verfahrenstechnik zur Zykluszeit-
reduzierung beim Spritzgießen von dickwandigen Elastomerformteilen. RWTH
Aachen, Dissertation, 2007
[GKB05] GOGA, N. O., KREMER, K., BLÜMICH, B.: Die „NMR-Mouse“. GAK Gummi,
Fasern, Kunststoffe 58 (2005) 2, S. 104-108
[Gri08] GRIES, H.: Dynamische Formnesttemperierung für perfekte Hochglanz-
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[HSGD11] HÄRTEL, V.; SVARICEK, F.; GOGOLIN, J.; DEGENBECK, H.: Schneller Vulkanisieren
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superhydrophober Oberflächen im Spritzgießverfahren. RWTH Aachen,
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[Kle10] KLEIN, B.: Elastische Vielfalt. Kunststoffe 100 (2010) 9, S. 123-125
[Kre91] KRETSCHMAR, G.: Prozessoptimierung beim Elastomerspritzgießen mittels
statistischer Modellbildung. RWTH Aachen, Dissertation, 1991
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Berichtsblatt
1. ISBN oder ISSN
2. Berichtsart (Schlussbericht oder Veröffentlichung)
Schlussbericht
3. Titel
Steigerung der Energieeffizienz bei der Herstellung von Elastomerformteilen im Spritzgießprozess
4. Autor(en) [Name(n), Vorname(n)]
Hopmann, Christian
Masberg, Ullrich
Behmenburg, Clemens
Hoffmann, Wolf-Martin
Schmidtke, Horst
Potthoff, Axel
Stein, Holger
5. Abschlussdatum des Vorhabens
Dezember 2011
6. Veröffentlichungsdatum
7. Form der Publikation
8. Durchführende Institution(en) (Name, Adresse)
Vereinigung zur Förderung des Instituts für Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen e.V., Pontstr. 55, 52062 Aachen
CAS Computerunterstützte Automatisierungssysteme GmbH & Co. KG
Freudenberg Forschungsdienste KG, Borsigstr. 29, 21465 Reinbek
MAPLAN Deutschland Maschinen u. techn. Anlagen Planungs- u. Vertriebs GmbH, Gottlieb-Daimler-Str. 66, 71711 Murr
Opta GmbH Werkzeugbau, Lindberghstr. 3, 64625 Bensheim
9. Ber. Nr. Durchführende Institution
020355
10. Förderkennzeichen
01LY0910A
11. Seitenzahl
39
12. Fördernde Institution (Name, Adresse)
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) 53170 Bonn
13. Literaturangaben
35
14. Tabellen
0
15. Abbildungen
21
16. Zusätzliche Angaben
17. Vorgelegt bei (Titel, Ort, Datum)
IKV-Fachtagung: Siliconkautschuke – Ein besonderes Material für besondere Anwendungen, Aachen, 2010 Kautschuk Herbst Kolloquium, Hannover, 2010 SKZ-Fachtagung: Spritzgießen von Elastomeren, Würzburg, 2010 WZL-Fachtagung: Ressourceneffiziente Produktionstechnik, Aachen, 2011 Hannover Messe: Suppliers Convention, Hannover, 2011 DKG-Fachtagung: Green Rubber, Fulda, 2011 SKZ-Fachtagung: Kosten reduzieren durch Energieeffizienz in der Kunststoffverarbeitung, Würzburg, 2011 IKV-Kolloquium: Integrative Kunststofftechnik, Aachen, 2012 GAK – Gummi, Fasern, Kunststoffe 64 (2011) 5, S. 277-280 Dichtungstechnik Jahrbuch 2012. Mannheim: Isgatec GmbH, 2011 Dichtungstechnik Jahrbuch 2013. Mannheim: Isgatec GmbH, 2012
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18. Kurzfassung
Aufgrund langfristig stetig steigender Energiekosten sowie Anforderungen, die durch die Notwendigkeit zu Ressourcenschonung und Klimaschutz entstehen, steht auch die Elastomer verarbeitende Industrie vor der Herausforderung eine energieeffizientere Produktion zu ermöglichen. Im Rahmen eines vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 01LY0910A geförderten Forschungsvorhabens sollen Möglichkeiten aufgezeigt werden, den Energiebedarf beim Spritzgießen von Elastomerformteilen zu senken. Dazu haben sich folgende Partner zusammengeschlossen: CAS Computerunterstützte Automatisierungssysteme GmbH & Co. KG, Reinbek, Freudenberg Forschungsdienste KG, Weinheim, MAPLAN Deutschland Maschinen u. techn. Anlagen Planungs- u. Vertriebs GmbH, Murr und Opta GmbH Werkzeugbau, Bensheim, sowie das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen. Unter anderem die Werkzeug- und Materialtemperierung sowie die Prozessführung und Maschinenantriebe bieten ein erhebliches Einsparpotenzial. Die effiziente Werkzeug- und Materialtemperierung beim Elastomerspritzgießen wurde im Rahmen des Forschungsprojekts über innovative Prozesssteuerungs- und Heizkonzepte realisiert. Es ist ein Verfahren entwickelt worden, welches es erlaubt, die Massetemperatur beim Spritzgießen vor Werkzeugeintritt dynamisch zu steuern und die Start-Masse-Temperatur kurz vor Werkzeugeintritt zu erhöhen. Das dazu entwickelte Element erwärmt den Werkstoff dabei sowohl durch Wärmeleitung als auch dissipativ durch Scherung. Zusätzlich sorgt es für eine thermische Homogenisierung des Werkstoffs. Für das Werkzeug ist ein modernes, modulares Heizkonzept umgesetzt worden. Die eigentliche Werkzeugkavität wird dabei induktiv sowie mit elektrischen Widerstandsheizungen erwärmt. Die verschiedenen Heizelemente sind in die kavitätsgebenden Werkzeugbacken integriert und austauschbar. So kann unmittelbar der Einfluss der Erwärmungsmethode auf den Energieverbrauch erfasst werden. Zudem wird auf die außen angebrachten Heizplatten verzichtet und stattdessen formnestnah temperiert. Dadurch wird die zur Fertigung notwendige Energie gezielt dort eingebracht werden, wo sie gebraucht wird. Somit kann die Anfahrzeit des Prozesses deutlich reduziert werden, da nur vergleichsweise geringe Werkzeugmassen erwärmt werden müssen. Außerdem konnte das Antriebskonzept durch den Einsatz von Konstantvolumenpumpen mit servomotorischem Antrieb optimiert und die Pumpenaktivität und damit die Motordrehzahl an den tatsächlichen Leistungsbedarf angepasst werden. Ein verfahrens- und materialabhängig energetisch optimiertes Verfahren wird durch die Aufnahme der neuen Komponenten in ein Prozessoptimierungssystem ermöglicht. Durch die Entwicklungen konnte die Energieeffizienz beim Spritzgießen von Elastomeren deutlich gesteigert werden. Energetische Einsparungen bis zu 80 % während des Werkzeugaufheizvorgangs und bis zu 45 % während der Fertigung sind hierdurch möglich.
19. Schlagwörter
Elastomere, Spritzgießen, Energieeffizienz, Werkzeugkonzept, Aufheizverhalten, Heizstrategie, Zyklusoptimierung, Start-Massetemperatur, Temperierelement, Antriebe, Prozessoptimierung
20. Verlag
21. Preis
BMBF-Vordr. 3832/03.07_2
Document Control Sheet
1. ISBN or ISSN
2. type of document (e.g. report, publication)
report
3. title
Increasing the energy efficiency in the production of injection molded rubber parts
4. author(s) (family name, first name(s))
Hopmann, Christian
Masberg, Ullrich
Behmenburg, Clemens
Hoffmann, Wolf-Martin
Schmidtke, Horst
Potthoff, Axel
Stein, Holger
5. end of project
December 2011
6. publication date
7. form of publication
Conference proceedings
8. performing organization(s) (name, address)
Vereinigung zur Förderung des Instituts für Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen e.V., Pontstr. 55, 52062 Aachen
CAS Computerunterstützte Automatisierungssysteme GmbH & Co. KG
Freudenberg Forschungsdienste KG, Borsigstr. 29, 21465 Reinbek
MAPLAN Deutschland Maschinen u. techn. Anlagen Planungs- u. Vertriebs GmbH, Gottlieb-Daimler-Stra. 66, 71711 Murr
Opta GmbH Werkzeugbau, Lindberghstr. 3, 64625 Bensheim
9. originator’s report no.
020355
10. reference no.
01LY0910A
11. no. of pages
39
12. sponsoring agency (name, address)
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) 53170 Bonn
13. no. of references
35
14. no. of tables
0
15. no. of figures
21
16. supplementary notes
17. presented at (title, place, date)
IKV-Fachtagung: Siliconkautschuke – Ein besonderes Material für besondere Anwendungen, Aachen, 2010 Kautschuk Herbst Kolloquium, Hannover, 2010 SKZ-Fachtagung: Spritzgießen von Elastomeren, Würzburg, 2010 WZL-Fachtagung: Ressourceneffiziente Produktionstechnik, Aachen, 2011 Hannover Messe: Suppliers Convention, Hannover, 2011 DKG-Fachtagung: Green Rubber, Fulda, 2011 SKZ-Fachtagung: Kosten reduzieren durch Energieeffizienz in der Kunststoffverarbeitung, Würzburg, 2011 IKV-Kolloquium: Integrative Kunststofftechnik, Aachen, 2012 GAK – Gummi, Fasern, Kunststoffe 64 (2011) 5, S. 277-280 Dichtungstechnik Jahrbuch 2012. Mannheim: Isgatec GmbH, 2011 Dichtungstechnik Jahrbuch 2013. Mannheim: Isgatec GmbH, 2012
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18. abstract
Due to increasing energy costs and long term needs arising from the need to conserve resources and the climate, the elastomer manufacturing industry faces the challenge of an energy-efficient production. As part of a research project, funded by the German Federal Ministry for Education and Research, opportunities to reduce the energy demand during the injection molding of rubber are identified. For this purpose the following partners have joined: CAS Computerunterstützte Automatisierungssysteme GmbH & Co. KG, Reinbek, Freudenberg Forschungsdienste KG, Weinheim, MAPLAN Deutschland Maschinen u. techn. Anlagen Planungs- u. Vertriebs GmbH, Murr, Opta GmbH Werkzeugbau, Bensheim, and the Institut of Plastics Processing (IKV) at RWTH Aachen University. Especially the mold and material temperature control, the process control and the machine drives show significant savings potential. The efficient mold and material temperature control was realized within the research project on innovative process control and heating concepts. A method has been developed, which allows dynamically controlling the melt temperature and thereby increasing it shortly before the melt enters the mold. The mold has been modified to a modular heating concept. The actual mold cavity is heated inductively or by electric resistance heaters. The heating elements are integrated into interchangeable mold parts. The influence of the heating method on the energy consumption is measured and evaluated. In addition, by eliminating the need for external heating panels, the energy which is necessary for crosslinking is introduced focused where it is needed. Thus, the start-up time for the process can be significantly reduced, since only relatively small masses of the mold have to be heated. Furthermore, the drives of the injection molding machine were optimized to the use of constant-volume pumps with servo drives. The pump activity and thus the motor speed can be adjusted to the actual requirements. The process- and material-dependent energy optimized method is made possible by the inclusion of all new components in the process optimization system. Because of the new developments, the energy efficiency of the injection molding of rubber could be increased significantly. Energy safings of up to 80 % during the heating-up and up to 45 % during the manufacturing process are possible.
19. keywords
Elastomers, injection molding, energy efficiency, mold design, heat-up, heating strategy, cycle optimization, start-melt temperature, tempering, drives, process optimization
20. publisher
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