Ausgangssituation

Ausgangssituation

Kunststoffverarbeitende Prozesse wie z. B. das Spritzgießen benötigen stabile und homogene Werkzeugtemperaturverteilungen, um eine hohe Prozessstabilität und -wirtschaftlichkeit zu erreichen. Wichtige Formteileigenschaften wie die mechanische Festigkeit, die Oberflächengüte und die Maßhaltigkeit werden durch die Qualität der Werkzeugtemperierung bestimmt. Die Wirtschaftlichkeit eines Spritzgießprozesses wird u. a. bestimmt durch seine Zykluszeit. Diese ist u. a. abhängig von der Temperierzeit. Ein guter Wärmeaustausch zwischen dem eingespritzten Material und dem Werkzeug sowie eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der Werkzeugwandung zwischen den Produktionszyklen sind Voraussetzungen für eine kurze Zykluszeit, eine hohe Bauteilqualität und Wirtschaftlichkeit.

Für die Bestimmung der notwendigen Temperierzeit ist jeweils die höchste am Formteil vorliegende qualitäts- und prozessrelevante Temperatur anzusetzen. In der Praxis liegt selten ein über das gesamte Formteil gleichmäßig verteiltes Temperaturprofil vor. Die Ursache dafür liegt in der Regel in der Vorgehensweise bei der Auslegung und konstruktiven Gestaltung eines Werkzeugs, bei der thermodynamische Gesichtspunkte eine untergeordnete Rolle spielen. Aus einfachen Bohrungen und gefrästen Nuten bestehende Temperierkanäle erfüllen die Anforderungen an eine Werkzeugtemperierung nur bedingt. Das Resultat sind in den meisten Fällen lange Temperierzeiten, evtl. unzureichende Teilequalität sowie eine uneffiziente Energienutzung. Die Temperierung mittels konventioneller Temperierkanäle ist aufgrund ihrer einfachen Herstellung jedoch industriell etabliert.

Die Integration frei gestaltbarer Geometrien und konturnaher Temperierkanalpositionen wird durch neue Werkstoffe und Herstellungsverfahren der Werkzeuge, wie z. B. die Nutzung von Laseranwendungen (z. B. Controlled Metal Build Up - CMB), die Sandwich-Bauweise eines Werkzeugs aus Blechen (z. B. Laminated Object Manufacturing - LOM) oder der Alchemy-Technologie der Fa. Hermle, unterstützt. CMB ist ein generatives Verfahren, um räumliche Strukturen durch Laserauftragsschweißen von pulverförmigen Ausgangsstoffen und anschließendes Hochgeschwindigkeitsfräsen herzustellen. Dieses generative Schichtbauverfahren ermöglicht beliebige dreidimensionale Geometrien. LOM ist eine Methode zur Werkzeugherstellung, bei der bis zu 60.000 Blechschichten zu einem einbaufertigen Werkzeug mittels spezieller Kleber verbunden werden. Die Alchemy-Technologie ist ebenfalls ein generatives Verfahren, bei der Metallpulver mittels eines Wasserstrahls auf eine Oberfläche aufgebracht wird und dort eine homogene Verbindung eingeht. Dieses Verfahren wird auch als Mikroschmieden bezeichnet, da das Metallpulver mit hoher Geschwindigkeit aufgetragen wird und sich unter hohem Druck verfestigt.

Durch die Anwendung der geschilderten innovativen Herstellungsverfahren für Werkzeuge besteht die Möglichkeit, Temperierkanäle konturnah zu positionieren und somit die Formqualität zu erhöhen und die Zykluszeit zu reduzieren. Die Entscheidung zur Positionierung der Temperierkanäle erfolgt heutzutage häufig manuell durch erfahrene Mitarbeiter, da eine automatisierte Methode zur Identifikation eines geeigneten Kanalverlaufs fehlt. Aufgrund der beschriebenen Auswirkungen der Temperierkanalpositionen auf die Temperierwirkung soll im Rahmen dieses Vorhabens eine Methode zur automatisierten Temperierkanalpositionierung auf Basis von Algorithmen der Künstlichen Intelligenz unter Berücksichtigung thermodynamischer Gesichtspunkte erarbeitet werden. Sie soll exemplarisch für Spritzgießwerkzeuge im Kunststoffbereich entwickelt werden. Durch die Ergebnisse des Vorhabens werden Unternehmen in die Lage versetzt, konturnahe Temperierkanäle zu planen und umzusetzen. Generative Herstellungsverfahren für Spritzgießwerkzeuge werden serientauglich.