VDWF im Dialog 1/2012

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Asymmetrische Kühlung – ein versteckter
Kostentreiber in Spritzgießwerkzeugen
von Prof. Dr.­Ing Rüdiger Haas und Tobias Knipping M. Sc., Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft
Wärmeleit­ und Wärmetransportfähigkeiten
unterschiedlicher Materialien [W/m∙ K ]
Stahl (S235) 53
Stahl (1.2379) 16
Aluminium 236
Kupfer 375
Isobar Standard vertikal 680
Isobar Standard horizontal 470
Isobar Alkohol vertikal 455
Isobar Alkohol horizontal 340
Heatpipe horizontal 315
Heatpipe vertikal 1020
Kältemittelkühlung 3043
Kunststoffe bilden weltweit eine der
wichtigsten Werkstoffgruppen. Volumetrisch
betrachtet wird jährlich
ebenso viel Kunststoff wie Stahl verarbeitet.
Der größte Anteil der verbauten
Teile aus Kunststoffe wird
mittels Spritzgießen hergestellt. Bei
der zeitlichen Betrachtung des Spritzgießprozesses
zeigt sich, dass die
Gesamtzykluszeit im Wesentlichen
durch die Kühlzeit bestimmt wird.
Die vereinfachte Kühlzeitgleichung
t k=c k ∙ x 2 eignet sich gut, um den Zusammenhang
zwischen Kühlzeit und Schichtdicke
des Bauteils zu ver anschaulichen.
Hierbei sind t k die gesuchte Kühlzeit, x
die Wandstärke des Bauteils und c k der
Kehrwert der Temperatur leitfähigkeit des
Werkzeugstahls (üblicherweise 2 – 3 s/
mm 2) [vgl. Menges, G./Michaeli, W./Mohren,
P.: Spritzgießwerkzeuge. Auslegung,
Bau, Anwendung; Hanser Verlag, 2007].
Die Gleichung gilt jedoch nur bei geometrisch
einfachen Bauteilen, die vollständig
mit einer beidseitigen Kühlung
in allen Bauteilbereichen ausgestattet
werden können. Sobald die vollständige
Kühlung nicht realisiert werden kann,
spricht man von einer asymmetrischen
Kühlung.
Es gibt vielseitige Ursachen, die zu einer
asymmetrischen Kühlung im Spritzgießwerkzeug
führen können. Zu den Wichtigsten
zählen
– unterschiedliche Schichtdicken zwischen
Werkstück und Kühlkanal,
– verschiedene Kanalquerschnitte und
dadurch unterschiedliche Kühlmittelvolumenströme
und
– unterschiedliche Wärmeleit­ und Wärmetransportfähigkeiten
der eingesetzten
Materialien.
Liegt einer dieser Fälle vor, dann muss
die Bauteildicke in der Gleichung t k=c k ∙ x 2
durch eine korrigierte Formteildicke
er setzt werden. Diese berechnet sich über
x’=2x /(q 2 / q 1 +1) mit q 2