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Was haben Spritzgießwerkzeuge mit Schweizer Käse gemeinsam? Auf die Löcher kommt es an!

In Spritzgießwerkzeugen muss die entstehende Wärme beim Abkühlen der Kunststoffschmelze abgeführt werden. Hierzu ist ein komplexes Netzwerk an Kühlbohrungen erforderlich, welches das Werkzeug wie einen Käse durchlöchert. FEM- und CFD-Simulationen bieten perfekte Einblicke zur optimalen Auslegung relevanter Spritzgießwerkzeuge.

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Warum die Wärme oft schnell und gleichmäßig weg muss

In Spritzgießwerkzeugen muss die entstehende Wärme beim Abkühlen der Kunststoffschmelze abgeführt werden. Hierzu ist ein komplexes Netzwerk an Kühlbohrungen erforderlich, welches das Werkzeug wie einen Käse durchlöchert. FEM- und CFD-Simulationen bieten perfekte Einblicke zur optimalen Auslegung relevanter Spritzgießwerkzeuge.

Im Gegensatz zum Käse muss das Spritzgießwerkzeug das Kühlwasser halten, während ein Käse nur gut schmecken muss. Das Kühlwasser muss die Wärme aus dem gesamten Bauteil möglichst schnell und gleichförmig abführen, da es sonst zu einem größeren Verzug im Werkstück oder zu langen Zykluszeiten kommt. Die erforderlichen Kühlbohrungen sind daher stark von der Geometrie des Spritzgießwerkzeugs abhängig.

Gekrümmte Kanäle wären von Vorteil, da dadurch geringere Druckverluste entstehen.

Nun sind aber Bohrer, die um die Ecke bohren oder einen schönen Bogen machen, noch nicht erfunden und so müssen gerade Bohrungen zueinander finden und an den Enden durch Stopfen verschlossen werden.

Hier bietet der 3D-Druck neue, konstruktive Möglichkeiten. Die Kühlbohrungen zur Ableitung der Wärme können hier von beliebiger Geometrie und untereinander vernetzt sein. Die raue Oberfläche muss zwar auch hier im Kontaktbereich zum Spritzgießwerkzeug nachgearbeitet werden, in den Kühlkanälen schadet sie aber nicht. Ein perfektes Spielfeld für die FEM- und CFD-Simulation. Leider dürfen wir relevante Projekte, an denen wir aktuell arbeiten, nicht zeigen. Aber das Prinzip kann an einem vergleichbaren Beispiel aufgezeigt werden.

Der hier dargestellte Demonstrator wird als 3D-Druck-Bauteil mit Luft durchströmt und dient eigentlich dazu, Späne bei der Fertigung vom Werkstück abzustreifen.

Die Fragestellung ist eine etwas andere wie beim Spritzgießwerkzeug und der Wärmeableitung: Wie bekommt man über den Umfang der Düse einen gleichen Massenstrom hin? Dies läuft eher auf ein Gleichverteilungsproblem hinaus, welches sich ebenfalls mit CFD ideal berechnen und optimieren lässt.

Konzentrieren wir uns im Folgenden aber auf die Ableitung der Wärme: Angenommen, im Ring entsteht gleichmäßig Wärme, wie wirkt sich eine Durchströmung mit Kühlwasser auf die Temperatur im Bauteil aus?

Deutlich sieht man, dass an der Zufuhrstelle des Kühlwassers die Temperatur geringer ist als am gegenüberliegenden Ende.

Wie groß der Effekt ist, hängt natürlich von den Randbedingungen und der Geometrie ab.

Alle relevanten Effekte lassen sich genauso wie beim Spritzgießwerkzeug im Simulationsmodell genau beschreiben, auch die Aufteilung des Volumenstroms auf die einzelnen Kanäle, die abhängig vom Druckverlust ist.

So sind die Volumenströme des aus den Bohrungen austretenden Wassers sehr unterschiedlich, obwohl es nur zwei Bohrungsdurchmesser gibt.

Durch die Aufheiz- und Abkühlungszyklen treten Spannungsamplituden im Werkzeug auf, welche die Lebensdauer beeinflussen. Man spricht hier auch von Thermoschock. Auch dies lässt sich mit Hilfe von Simulationen berechnen und mit den Anforderungen vergleichen.

Erkennt man die physikalischen Ursachen eines Problems, kann man gezielt gegensteuern, d.h. das Bauteil optimieren.

Wenn auch Sie die Anforderungen haben, Bauteile möglichst homogen zu kühlen, beraten wir Sie sehr gerne unverbindlich.

Ihr Stefan Merkle

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