Suchten in der Vergangenheit die Hersteller im Bereich der technischen Features nach so genannten Alleinstellungsmerkmalen, so rückte in den letzten Jahren das Design und somit die Oberfläche von Kunststoffteilen immer stärker in den Focus. Dabei verschiebt der Wunsch nach neuen Gestaltungsmöglichkeiten von Kunststoffformteilen die Grenzen des technisch Machbaren immer weiter. Zu diesem Zweck müssen neue oder bestehende Fertigungsverfahren entwickelt bzw. verbessert werden, die in vielen Fällen neue Werkzeugtechnologien für die Herstellung von Spritzgussformteilen erfordern.

Um auf eine kontinuierliche hohe Werkzeugwandtemperatur zu verzichten, kann auf das Variotherm Verfahren zurückgegriffen werden. Hierbei werden zwei von einander unabhängige konstant temperierte Kreisläufe oder eine Kombination zwischen elektrischer Beheizung und Temperierung eingesetzt. Beide Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass die Kavität durch einen Kreislauf bis zum Zeitpunkt des Einspritzprozesses erwärmt wird und danach durch den zweiten Kreislauf auf die Entformungstemperatur des Kunststoffes abgekühlt wird. Vorteilhaft gegenüber der konstant hohen Werkzeugwandtemperatur ist, dass zum Zeitpunkt des Einspritzprozesses die Kavität bis auf die Schmelzetemperatur erwärmt werden kann. Nachteilig wirken sich die langen Aufheiz- und Abkühlzeiten des Werkzeuges aus.

Induktive Erwärmung von Spritzgießwerkzeugen
Was bedeutet induktive Erwärmung?

Bild 1: Im Spritzgießwerkzeug integrierter Induktor (Prinzipdarstellung)

Wird eine Spule (Induktor) von hochfrequenten Strom durchflossen, so erzeugt dieser in einem elektrischen Leiter ein magnetisches Wechselfeld. Innerhalb des elektrischen Leiters werden Wirbelströme induziert, die im Bereich der Skintiefe (Eindringtiefe der Wirbelströme) eine Erwärmung hervorrufen. Die Skintiefe ist von der Frequenz abhängig und kann daher gezielt beeinflusst werden. Weiterhin findet durch die induktive Erwärmung eine kontaktlose Temperaturerhöhung im Leiter statt. Praktische Anwendungen findet die induktive Erwärmung u. a. im Bereich des Induktionshärtens oder bei Kochfeldern.

Sinnvolle Anwendungen für die Spritzgießverarbeitung können überall da gesehen werden, wo aufgrund der Bauteilgeometrie oder aufgrund von Qualitätsanforderungen an die Oberfläche hohe Werkzeugwandtemperaturen erforderlich sind. Stellvertretend können die Dünnwandtechnik, die Herstellung von Mikrobauteilen und Mikrostrukturen sowie auch "konventionelle" Formteile, an die hohe Anforderungen hinsichtlich der Oberflächenqualität gestellt werden, genannt werden. Beispiele finden sich u. a. bei der Vermeidung von sichtbaren Bindenähten, Erzeugung von matten Glanzeindrücken an strukturierten Oberflächen oder bei der Herstellung von optischen Bauteilen, wie beispielsweise Linsen.

Bild 2: Darstellung des Temperaturverlaufs an verschiedenen Messstellen.

In Bezug auf den Einsatz dieser Technologie bei Spritzgießwerkzeugen können verschiedene Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Temperiersystemen gesehen werden:

• Im Gegensatz zu konventionellen Temperiersystemen muss die Wärme nicht durch Leitung übertragen werden, sondern kann kontaktlos in der Werkzeugoberfläche übertragen werden.
• Die induktive Erwärmung von Spritzgießwerkzeugen bietet die Möglichkeit in sehr kurzer Zeit (siehe Bild 2, Kurve 1) hohe Werkzeugwandtemperaturen zu erzeugen.
• Die Wärme kann sehr lokal eingebracht werden. Angrenzende Bereiche erfahren nur eine geringfügige Erwärmung. Siehe auch Bild 2, Kurven 2 und 3.
• Je nach Lage des Induktors im bzw. am Werkzeug kann die benötigte Werkzeugwandtemperatur oberflächennah erzeugt werden (Skineffekt). Dies bietet den Vorteil das wesentlich geringere Wärmemengen in das Werkzeug eingebracht werden. Bei fluidbasierten Temperiersystemen muss die Wärme aus dem Inneren des Werkzeuges in Richtung der Werkzeugwand transportiert werden. Hierdurch werden zwangsläufig größere Werkzeugmassen ungewollt miterwärmt.
• Zykluszeitverlängerungen können gering oder im günstigen Fall neutral gehalten werden, weil die eingebrachte Wärme aufgrund der in Pkt. 3 beschriebenen Effekte, schnell wieder abgeführt werden kann. Siehe auch Bild 2, Kurve 1.

Neben den aufgeführten Vorteilen können allerdings auch nachfolgend aufgeführte Punkte als kritisch angesehen werden, die die Herausforderungen bei der praktischen Umsetzung dieser Technik erkennen lassen:

• Bei schlechter Betriebsanordnung können auch andere Werkzeugbereiche ungewollt erwärmt werden.
• Aufgrund der stattfindenden Eigenerwärmung der Induktoren, müssen diese in fast allen Anwendungen durch Wasser gekühlt werden.

Prinzipiell stehen für die induktive Erwärmung von Spritzgießwerkzeugen drei verschiedene Möglichkeiten der Induktoranordnung zur Verfügung. Hier können folgende technologische Prinzipien genannt werden:

• Verwendung eines externen Induktors
• Integration des Induktors im Spritzgießwerkzeug in dem zu erwärmenden Werkzeugbereich
• Integration des Induktors im Spritzgießwerkzeug gegenüberliegend des zu erwärmenden Werkzeugbereiches

Bild 3: Unterschiedliche Erodierstrukturen nach VDI 3400 Bild 4: Hochglanzpolitur

Erst genannte Variante bietet die größtmöglichsten Freiheitsgrade, da werkzeugtechnische Gegebenheiten eine untergeordnete Rolle spielen. Das Spritzgießwerkzeug muss nicht, wie im Gegensatz zu den Varianten 2 und 3, konstruktiv angepasst werden, da der Induktor z. B. mittels eines Handlinggerätes in das geöffnete Werkzeug vor den zu erwärmenden Bereich positioniert werden kann. Nachteilig kann sich allerdings auswirken, dass eine starke " Überwärmung" erforderlich ist, damit die benötigte Werkzeugwandtemperatur zum Zeitpunkt des Formbildungsvorganges vorliegt. Es können negative Folgen hinsichtlich der Zykluszeit und Formteilqualität entstehen. Die Variante 2 und 3 stellt hinsichtlich der Integration des Induktors in das Spritzgießwerkzeug eine ungleich größere Herausforderung dar. Es muss konstruktiv sicher gestellt werden, dass zum Einen der Induktor mitsamt der notwendigen Anschlussleitungen (Strom und Wasser) in das Werkzeug integriert werden kann und zum Anderen die Erwärmung des gewünschten Werkzeugbereiches durch den Induktor durch geeignete Maßnahmen gezielt erfolgt, um ein Erwärmen unerwünschter Bereiche zu vermeiden.

Innerhalb des Entwicklungsprojektes "Induktive Erwärmung von Spritzgießwerkzeugen" wurde am Kunststoff-Institut Lüdenscheid gemeinsam mit der Firma Hüttinger Elektronik GmbH + Co. KG die serientaugliche Umsetzung der induktiven Werkzeugerwärmung erfolgreich umgesetzt. In diesem Projekt wurde die induktive Beheizungstechnik praktisch erprobt und umgesetzt, sowohl um Werkzeugoberflächen vollflächig, als auch partiell zu erwärmen. Hierzu wurde ein Versuchswerkzeug mit einem integrierten Induktor gebaut. Die Bilder 3 und 4 zeigen Musterteile mit unterschiedlichen Oberflächen, die während des Formbildungsprozesses induktiv erwärmt wurden. Deutlich ist die Wirkung des kurzzeitigen Wärmeeintrages in Bezug auf die Oberfläche zu erkennen. Bild 4 zeigt ein Teil aus einem galvanisierbarem ABS. Es sind keine sichtbaren Bindenahtkerben hinter den Durchbrüchen zu erkennen. In Bild 3 ist ein deutlich matteres Erscheinungsbild der Strukturen in den erwärmten Zonen zu erkennen. Die äußeren, nicht erwärmten Bereiche, erscheinen dagegen glänzender. Die induktive Erwärmung und die damit verbesserte Oberflächengüte der Teile wurde ohne Zykluszeitverlängerung erreicht.

Im Rahmen des Abschlusstreffens konnten die 20 teilnehmenden Firmen nach zweijähriger Laufzeit ein positives Fazit ziehen. Bereits vor Laufzeitende haben einige Projektpartner damit begonnen haben, diese Variante der variothermen Werkzeugerwärmung in Vorserien- oder Versuchswerkzeugen umzusetzen.

Praktische Umsetzung

Bild 5: Blende Bild 6: ohne Induktion Bild 7: mit Induktion

Bild 5 zeigt eine Blende, bei der aufgrund der Durchbrüche sowie der notwendigen Mehrfachanbindung eine Vielzahl von Bindenähten entstehen, die bei der Hochglanzpolitur als Fließmarkierungen in Form von Kerben zu erkennen sind (siehe Bildausschnitt in Abb. 6).

Mittels induktiver Werkzeugerwärmung sowie einer entsprechend angepassten Temperierung kann das Bauteil ohne sichtbare Bindenahtkerben (siehe Bildausschnitt in Abb. 7) gefertigt werden. Die erreichten Zykluszeiten liegen sehr nahe an dem Standardprozess.

Resümee und Ausblick

Die induktive Erwärmung von Spritzgießwerkzeugen bietet die Möglichkeit in sehr kurzer Zeit hohe Werkzeugwandtemperaturen zu erzeugen. Insgesamt betrachtet kann die induktive Erwärmung von Spritzgießwerkzeugen einen guten Kompromiss zwischen qualitativen und wirtschaftlichen Aspekten bieten. Anwendungsgebiete sind grundsätzlich überall dort zu sehen, wo durch hohe Werkzeugwandtemperaturen eine Verbesserung der Formteilqualität oder des Fertigungsprozesses zu erwarten ist.

• Vermeidung von Oberflächenfehlern
  • Bindenähte
• Verbesserung der Abformungsgenauigkeit
• Mattere Oberflächen bei Strukturen
• Abformung von Mikrostrukturen
• Optische Bauteile (z. B. Linsen)
• Einfachere Herstellung von:
• dünnwandigen und
• Mikrospritzgießteilen
• Reduzierung von oberflächennahen Spannungen
• Dünnere Galvanoschichten, kürzere Badzeiten