Entwicklung einer zyklisch modulierten, formmassen- und bauteilspezifischen Werkzeugtemperatur­regelung für die Verarbeitung duroplastischer Formmassen

Aufgrund gestiegener Materialanforderungen gewinnen duroplastische Kunst­stof­fe zunehmend an technischer Bedeutung. Sie zeichnen sich durch eine hohe Tem­pe­raturbeständigkeit, eine geringe Kriechneigung, hervorragende Ober­flä­chen­qua­li­tät sowie einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aus. Durch gestiegene Temperaturanforderungen im Motorraum steigt die Nachfrage nach duroplastischen Materialien besonders in der Automotiv-Industrie.

Weitere Vorteile im Vergleich zu Metallen (z.B. Aluminium) und technischen Thermoplasten (z.B. PA-GF50) bieten Duroplasten hin­sicht­lich einer energie- und ressourceneffiziente Herstellung und Verarbeitung. Diese ergeben sich aus den geringeren Pro­zess­tem­pe­raturen sowie den niedrigeren Prozessdrücken.

Probleme hinsichtlich der Verarbeitung duroplastischer Materialien entstehen durch Chargenschwankungen der verwendeten Form­mas­sen. Unterschiede in der Formmassenzusammensetzung (u.a. Füllstoffgehalt und Härteranteil), dem Vor­kon­di­ti­o­nie­rungs­grad sowie unterschiedliche Feuchtegehalte beeinflussen das Fließ-Härtungsverhalten und führen zu materialbedingten Pro­zess­schwan­kun­gen. Eine solche undefinierte Änderung des Fließ-Härtungsverhaltens kann mittels konventioneller Prozesstechniken nicht erfasst werden. Des Weiteren können herkömmliche Temperiersysteme nicht auf die auftretenden Schwankungen reagieren. Dies führt zu stark schwankenden Bauteilqualitäten und somit zu einem Ausschuss von bis zu 30 %.

Herkömmliche Regelsysteme zur Werkzeugtemperierung neigen auf­grund ihres trägen Werkzeugtemperatur- und Re­gel­an­sprech­ver­hal­tens zum deutlichen Überschwingen des Tem­pe­ra­tur­ver­lau­fes. Des Weiteren erfolgt die Temperierung auch in Phasen in de­nen dies aus technologischer Sicht nicht notwendig ist, z.B. wäh­rend des Bauteilauswurfes oder der Reinigung der Kavität. Daraus er­ge­ben sich ein gesteigerter energetischer Verbrauch (bis zu 10 %) und verlängerte Zykluszeiten (bis zu 15 %).

Ziel des geplanten Verbundprojektes ist daher die Entwicklung einer zyklisch modulierten, formmassen- und bauteilspezifischen Werk­zeug­tem­pe­ra­tur­regelung für die Verarbeitung duroplastischer Form­mas­sen. Zum einen kann durch eine dynamische Werk­zeug­tem­pe­rie­rung ein Überschwingen unterbunden werden und die Tem­pe­rie­rung nur dann vorgenommen werden, wenn es prozesstechnisch not­wendig ist. Somit können energetische Vorteile realisiert werden. Zum anderen kann die dynamische Tem­pe­ra­tur­re­ge­lung zum Aus­gleich materialbedingter Prozessschwankungen genutzt werden. An­hand aufgenommener Maschinendaten und implementierter Werk­zeug­sen­so­rik können rheologische Daten online erfasst und die Temperierparameter (Temperatur, Zeit) dy­na­misch angepasst wer­den. Durch die Anpassung der Werkzeugtemperierung an den je­wei­ligen Formmassenzustand können Chargenschwankungen aus­ge­gli­chen und somit hohe Ausschussquoten vermieden wer­den.

Das vorliegende Forschungsprojekt wird von den Verbundpartnern Professur Kunststoffe der TU Chemnitz und Aumo GmbH Radebeul bearbeitet. Das Vorhaben umfasst die Entwicklung einer Temperaturregelung in einem elektrisch beheizten Werkzeug ba­sie­rend auf formmassenspezifischen Prozessdaten und Sensorsignalen sowie die Aufstellung und Implementierung neuer Re­gel­al­go­rith­men. Des Weiteren werden die Materialien offline (im Anlieferungszustand) sowie online (während der Verarbeitung) sys­te­ma­tisch charakterisiert, um mögliche Zusammenhänge zwischen Materialverhalten und Prozessschwankungen bzw. der Bauteilqualität zu ermitteln.

Anhand von Spritzgießversuchen soll die Funktionsweise der entwickelten Regelalgorithmen hinsichtlich der Wirksamkeit (Form­mas­sen­un­ter­schiede, Bauteilqualität) nachgewiesen werden.

Die Kooperation der Verbundpartner ermöglicht eine fachbereichsübergreifende Zusammenarbeit. Durch das Vereinen der kunst­stoff­tech­ni­schen Kompetenzen mit dem Fachwissen im Bereich der Werkzeugsensorik und Werkzeugtemperierung können beide Einrichtungen ihre Kenntnisse in Bezug auf die Duroplastverarbeitung ausbauen und dem Industriepartner neue Absatzmärkte er­schließen.