KMU-innovativ Implementierung der Heatpipe-Temperierung in die Rheologie-Simulation von Kunststoff-Spritzgussteilen (SimHeaP)

Problemstellung
Beim Spritzgießen von Kunststoffteilen müssen diese vor dem Öffnen des Spritzgießwerkzeugs abgekühlt werden. Dabei ist eine homogene Kühlung qualitätsentscheidend: Sie ermöglicht kürzere Zykluszeiten, weniger Ausschuss und einen niedrigeren Energieverbrauch. Derzeit werden Spritzgießwerkzeuge zur Kühlung von Wasser durchströmt. Allerdings werden damit thermisch kritische Bereiche oftmals nicht erreicht und daher nicht ausreichend gekühlt. Für eine homogenere und damit effizientere Kühlung können ergänzend sogenannte Heatpipes eingesetzt werden. Heatpipes bestehen aus einem hermetisch abgeschlossenen Raum im Werkzeug, welcher mit einer Kapillarstruktur versehen ist. Innen befindet sich ein Fluid, in der Regel Wasser, das unter Unterdruck steht. Es wechselt bereits bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen den Aggregatzustand und bewirkt so eine Kühlung des Werkzeugs. Wegen der komplexen Thermodynamik ist es jedoch sehr aufwändig, Spritzgießwerkzeuge mit Heatpipes auszulegen. Deshalb werden sie in der Praxis kaum eingesetzt und das hohe Energie- und Kosteneinsparungspotenzial wird nicht genutzt.

Zielsetzung
Ziel des KMU-innovativ Forschungsprojekts SimHeaP ist, die etablierte Simulationssoftware CADMOULD, die Kunststoffingenieure beim Design von Kunststoff-Spritzgussbauteilen, werkzeugen und -prozessen unterstützt, um Funktionalitäten zur Auslegung von Heatpipes zu erweitern. So kann der Aufwand für die Planung von Werkzeugen mit Heatpipe-Kühlung sowohl im Hinblick auf das erforderliche technische Hintergrundwissen als auch auf den Zeitaufwand deutlich zu reduziert werden.

Vorgehensweise
Kern der Entwicklung ist eine digitale Referenz-Heatpipe, die direkt in die Spritzgieß-Simulationssoftware integriert wird. Zur Erstellung einer Heatpipe-Bibliothek für die Software werden Leistungsströme von realen Heatpipes vermessen. So können Kennfelder für den Wärmetransport in Abhängigkeit der Heatpipe-Geometrien und der anliegenden Temperaturen bestimmt werden. Für den Systemvergleich zwischen konventioneller Temperierung und Heatpipes ist eine Bauteilgeometrie mit thermisch kritischen Bereichen zu erarbeiten. Für diese Bauteilgeometrie wird ein modulares Spritzgießwerkeug, dass über eine konventionelle sowie eine Heatpipe-Temperierung verfügt, entworfen und gefertigt. Die Genauigkeit der Simulationen sowie die Leistungsfähigkeit der Heatpipe-Temperierung im Vergleich zu einem konventionell gebauten Werkzeug wird anhand des Testwerkzeugs validiert.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Bei erfolgreicher Umsetzung ist das Auslegen von Heatpipes für Werkzeugkonstrukteure innerhalb der Spritzgieß-Simulationssoftware auf einfache Weise möglich. Zur Verbreitung der Heatpipe-Technologie ist geplant, neben der Software Ingenieurdienstleistungen im Bereich der Konstruktion und des Baus von Heatpipe-Werkzeugen anzubieten. Weiterhin können Heatpipes über Partnerfirmen als Normalie, also als standardisierte Bauelemente, angeboten werden. Eine Übertragung der Technologie in weitere Bereiche, wie Aluminium- und Magnesiumdruckguss, ist angedacht. Insgesamt trägt das Projekt dazu bei, Zeit, Energie und Kosten beim Spritzgießen von Kunststoffen zu sparen und damit die deutsche Spritzgießindustrie nachhaltiger und wettbewerbsfähiger zu machen.

• Hochschule Bielefeld – University of Applied Sciences and Arts (HSBI)
• Richter Werkzeugbau GmbH
• SIMCON kunststofftechnische Software GmbH