Kunststoffspritzguss: Forschungsprojekt zur Intensivierung der Wärmeübertragung in Temperiersystemen

Um dem stetig voranschreitenden Klimawandel zu begegnen, rücken Wissenschaftler*innen Themen wie Energieeffizienz und nachhaltigen Einsatz beschränkter Ressourcen verstärkt in den Fokus ihrer Untersuchungen. Ein aktuelles Beispiel ist das Forschungsprojekt „OptiTemp – Optimierung des Wärmeübergangs in Temperierungssystemen zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit“ am Campus Gummersbach der TH Köln.  Prof. Dr. Denis Anders, Prof. Dr. Simone Lake und Prof. Dr. Christina Werner greifen damit ein wesentliches Entwicklungsthema in der Spritzgießtechnologie auf. Das Projekt wird im Rahmen der Förderlinie FHprofUnt über drei Jahre vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit einer Gesamtsumme von 600.000 € gefördert. Ende Oktober fand mit allen am Projekt beteiligten Akteuren ein Kickoff-Meeting statt (siehe Foto).

Zum Hintergrund: Im Spritzgießprozess wird das Spritzgießwerkzeug auf eine Temperatur unterhalb der Erstarrungstemperatur des in die Kavität eingebrachten Kunststoffs temperiert, um ein formstabiles Bauteil zu erhalten. Dafür strömt eine Temperierflüssigkeit (meistens Wasser) mit einer gewählten Temperatur durch Temperierkanäle. Die Energieeffizienz der Werkzeugtemperierung ist dabei im Wesentlichen durch den Wärmeübergang im beschränkt. Mit einem verbesserten Wärmeübergang im Temperierkanal des Spritzgießwerkzeugs lässt sich Energie einsparen, vor allem bei der Rückkühlung des Temperierfluids. Alternativ zur Optimierung des Energiebedarfs der gesamten Temperiertechnik lässt sich der Wärmeübergang intensivieren, um die Kühlzeit und somit die Zykluszeit zu verkürzen. Damit wird der spezifischen Energiebedarf (Energiebedarf pro kg verarbeitetem Kunststoff) eines Spritzgießzyklus reduziert, der gesamte Fertigungsprozess gestaltet sich dadurch wirtschaftlicher. Ein weiteres Einsatzgebiet ist die dynamische Temperierung von Spritzgießwerkzeugen. Bei diesem Verfahren werden die Temperierkanäle wechselweise mit heißem Temperierfluid (damit erzielt man eine hohe Oberflächenqualität) und kaltem Temperierfluid (führt zur Erstarrung des Kunststoffs) durchströmt. Mit einem höheren Wärmeübergangskoeffizienten ändert sich die Werkzeugtemperatur schneller, es kühlt schneller ab. Alle drei Einsatzgebiete verbessern die Wirtschaftlichkeit des Prozesses deutlich.

Darüber hinaus ergibt sich ein Forschungsbedarf im Hinblick auf Strategien, um das Verbesserungspotenzial auch dauerhaft in der Praxis einsetzen zu können, z.B. durch die Reduktion von Ablagerungen im Temperierkanal. Um dieses Thema ganzheitlich bearbeiten zu können, wurde bewusst ein breit aufgestelltes Konsortium gebildet. Industrielle Kooperationspartner des Projekts sind die STRIKO Verfahrenstechnik GmbH aus Wiehl (Verfahrenstechnische Komponenten für optimierte Wärmeübertragung), die Jokey Holding GmbH & Co. KG aus Wipperfürth (Anwendung von Spritzgießverfahren für die Herstellung komplexer Bauteile) und die Simcon kunststofftechnische Software aus Würselen bei Aachen (Softwarelösungen für die Spritzgießsimulation).