Urformende Verfahren benötigen eine Temperierung, um die Wärme aus dem Material abzuführen, damit es erstarrt und nutzbare Artikel produziert werden können. Hierbei werden verschiedene Techniken genutzt, die auch aus der Historie entstanden sind. Bekannt sind die klassischen gebohrten Kanäle, aber auch konturnahe Temperierung mittels SLM-Verfahren finden mehr und mehr Anwendung. Dabei gibt es noch mehr Möglichkeiten, wie mittels additiver Fertigung sich die Artikelqualität steigern lässt und zeitgleich die Betriebskosten reduziert werden.
Quelle: IB-JM
Automatisiert erstelle Leichtbaustruktur
Bild 1: Temperierverteiler der Fa. Addition GmbH, entwickelt mit dem Ingenieurbüro Juri Müller
Strömung zum Werkzeug optimieren
Erster Schritt ist es die Strömungsart zum Werkzeug zu ändern. Klassische Strömungsart, die verwendet wird, ist die turbulente Strömung. Durch Reibung geht Energie verloren, aber auch durch den unerwünschten Wärmetauschprozess im Schlauch. Bei einer Durchflussmenge von 6l/min und einer Temperaturdifferenz von 1°C zwischen Temperiergerät und Werkzeug, gehen damit direkt 420W an Heizleistung verloren, die kompensiert werden müssen. Je höher die Differenz, umso höher der Wärmeverlust.
Mit einer laminaren Strömung ergeben sich mehrere Vorteile. Die innere Reibung sinkt, was die Durchflussmenge erhöht, und ohne Durchmischung entfällt der Schlauch als Wärmetauscher. Die Temperaturdifferenz zwischen Temperiergerät und Werkzeug wird stark reduziert, wodurch sich eine weitere Energieersparnis einstellt. Das Ergebnis der Kooperation zwischen der Fa. Addition GmbH und meinem Ingenieurbüro, was mit dem Temperierverteiler realisiert wird. Die Strömung wird laminar gemacht und das bei geringstem Platzbedarf. Dank der frühen parallelen Verteilung beeinflusst kein Kreislauf den anderen, was bestehende Prozess nicht negativ beeinflusst. Somit ist auch das Poka-Yoke-System durch die natürliche Balancierung umgesetzt. Bestehende Überwachungen können weiterhin erkennen, wenn ein Kreis zu sein sollte. Praktischer Nebeneffekt. Die vorhandene Pumpe eines Temperiergeräts wird voll ausgenutzt, wodurch auch Temperiergeräte eingespart werden.
Bild 2: CFD-Simulation einer Reihenschaltung geringerer Durchflussmenge im Vergleich zur Parallelschaltung
Die Grafik vergleicht zwei CFD-Simulationen der Wasserführung in einem Temperierverteiler. Links ist ein Aufbau mit geringerem Gesamtdurchfluss von 7,7 Litern pro Minute zu sehen, rechts eine optimierte Variante mit 34,3 Litern pro Minute. Beide Darstellungen zeigen ein verzweigtes Rohrsystem, farblich nach Strömungsgeschwindigkeit eingefärbt. Der Vergleich macht vor allem den Effekt der Verteilung sichtbar: Während links weniger Wasser durch das System gelangt, erreicht die rechte Variante einen deutlich höheren Durchfluss und damit eine stärkere, gleichmäßigere Versorgung der Temperierkreisläufe. Die Grafik unterstützt die Aussage, dass eine angepasste Strömungsführung und parallele Verteilung Wärmeverluste und gegenseitige Beeinflussung der Kreisläufe reduzieren können.
Wie sieht die Versorgung aus?
Jetzt ist das Wasser im Werkzeug und das Werkzeug fungiert als gewünschter Wärmetauscher. Wie gut das Werkzeug als Wärmetauscher fungiert, entscheidet die Konstruktion.
Im ersten Schritt stellt sich die Frage, wie die Einsätze mit Wasser versorgt werden. Die Reihenschaltung von Einsätzen erhöht die Summe aller Fließwiderstände und reduziert damit den Durchfluss. Mit der Folge, dass Einsätze sich untereinander beeinflussen und sorgen so dafür, dass die Zykluszeiten steigen und die Qualität sinkt. Eine Parallelschaltung der Einsätze hat das Gegenteilige Ergebnis und macht die Einsätze voneinander unabhängig, bei mehr Durchfluss.
Bild 3a: Beispieleinsatz mit konventioneller Temperierung
Die Grafik zeigt ein CAD-Modell eines Werkzeugeinsatzes mit konventioneller Temperierung. Der massive graue Einsatzkörper enthält gerade, gebohrte Kanäle und mehrere vertikale Bohrungen, die als transparente Zylinder dargestellt sind. Grün hervorgehoben ist ein Temperierkanal, der von unten in den Einsatz führt, seitlich abknickt und anschließend senkrecht im Formbereich verläuft. Die Darstellung macht sichtbar, dass klassische Bohrungen geometrisch begrenzt sind: Sie folgen geraden Linien, benötigen zusätzlichen Bauraum und können den zu kühlenden Konturen nur eingeschränkt folgen.
Scheinbar teuer?
Jetzt stellt sich die Frage, wie die Einsätze selbst temperiert werden. Klassisch gebohrt oder konturnahe temperiert? Klassisch gebohrt ist teilweise günstiger. Die Abstände zum Kunststoff sind unterschiedlich, wodurch verschiedene Abkühlgradienten vorliegen. Folge ist zum einen eine erhöhte Zykluszeit und zum anderen Qualitätsschwankungen. Werden teilkristalline Kunststoffe nicht schnell genug abgekühlt, wachsen die Kristalle weiter und der Kunststoff schrumpft stärker als erwartet. Somit sind einige Korrekturschleifen garantiert und die verursachen ebenfalls Kosten, die gerne vergessen werden.
Gedruckte Einsätze sind häufig deswegen teuer, weil sie unbewusst teuer gemacht werden. So sollen Einsätze mit konturnaher Temperierung gegen Einsätze mit konventioneller Temperierung getauscht werden können oder umgekehrt. Weil aber für die konventionell temperierten Einsätze Normalien benötigt werden, steigt der Platzbedarf an.
Bild 3b: Einsatz mit konturnaher Temperierung und deutlich reduziertem Volumen
Die Grafik zeigt einen Werkzeugeinsatz mit konturnaher Temperierung. Im Unterschied zur konventionellen Variante verlaufen die Kühlkanäle nicht als einfache gerade Bohrungen, sondern als viele farblich getrennte Schleifen dicht entlang des Formbereichs. Die Kanäle führen parallel und mehrfach um die zentrale Kontur herum, wodurch die Wärme gezielter und gleichmäßiger abgeführt werden kann. Die transparente Darstellung des Einsatzkörpers macht sichtbar, wie eng die additiv gefertigten Kanäle im Inneren an die Bauteilgeometrie angepasst sind. Die Abbildung steht für eine kompaktere, effizientere Temperierung, die Zykluszeit und Qualität verbessern soll, aber zugleich eine andere Konstruktionslogik als gebohrte Kanäle erfordert.
Eine konturnahe Temperierung braucht keine Normalien und ist somit von Natur aus platzsparend, was die Kosten senkt. Werden Vor- und Rücklauf am Rand der Einsätze gesetzt, sinken die Kosten für die Bohroperationen in der Einsatzplatte. Links rein, um die Auswerfer oder Düse herum gedruckt, und rechts wieder raus. Teure Tieflochbohroperationen mit vielen Stopfen in der Einsatzplatte sind somit obsolet.
Bild 3c: Einsatz mit automatisiert erstellter Leichtbaustruktur
Dank Automatisierung im CAD-Bereich, ist es auch möglich das zu druckende Volumen weiter zu reduzieren. Was nicht gedruckt werden muss, verursacht keine Kosten. Material wird da entnommen, was keine Belastung hat. Ohne händische Arbeit und schnell. Die Kosten sinken somit weiter.
Die Masse macht’s.
Hinzu kommen Skaleneffekte. Ein Werkzeugbau will Geld verdienen und legt sich teilweise unnötig Fesseln an. Die Kernkompetenz soll so weit wie möglich genutzt werden, stellt aber finanziell und zeitlich selten den idealen Fall dar. Es passiert häufig, dass nur ein Einsatz gedruckt wird, während die restlichen Einsätze konventionell gefertigt werden. Je mehr Einsätze jedoch zeitgleich gedruckt werden, sinken die Kosten pro Einsatz. So passiert es nicht selten, dass der Druck von mehreren Einsätzen am Ende günstiger ist als nur einen Einsatz zu drucken und den Rest konventionell zu fertigen. Je nach Artikelgeometrie kann das Werkzeug nochmal kleiner ausfallen, was die Kosten weiter reduziert. Bei einem besseren Prozess.
Was folgt noch?
Was kann konturnahe Temperierung noch? Den Abkühlgradienten anpassen, soweit die Geometrie es erlaubt. Schwindung&Verzug sind mit konturnaher Temperierung deutlich leichter zu handhaben, aber wenn der Abkühlgradient am Fließwegende größer ist als am Anspritzpunkt, wird die Nachdruckphase deutlich optimiert, was sich positiv auf den Verzug auswirkt. Weniger Korrekturschleifen und somit können mehr Werkzeuge in der gleichen Zeit gebaut werden.
Was ist mit dem Wasser, was nun aus dem Werkzeug kommt? Da wird aktuell auch an einer Lösung gearbeitet, wie sich die Wassertemperatur und die Durchflussmenge messen lassen und was mit den Daten dann gemacht wird. Ziel ist die vorausschauende Wartung, was die Produktionskosten weiter senkt.
Über den Autor:
M. Sc. Juri Müller
Inhaber Ingenieurbüro Juri Müller, Lüdenscheid, Deutschland
Tätig seit mehr als 10 Jahren im Bereich der Simulation und konturnahen Temperierung. Aktueller Schwerpunkt ist die Automatisierung von verschiedenen CAE-Bereichen, wie die Konstruktion von konturnaher Temperierung, Schadensanalyse von Werkzeugeinsätzen durch mechanische und thermische Spannungen mittels Simulation, Datenaufbereitung für AM-Anwendungen und energiesparsame Werkzeuge.