Konturnahe Werkzeugtemperierung

Motivation und Service

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Endenergieverbrauch der deutschen Industrie aufgeteilt nach Energieformen (Zahlen von 2012, bis heute nahezu unverändert), Foto: Bauteil beim Spark Plasma Sintern

In der deutschen Industrie sind aktuell fast zwei Drittel der eingesetzten Endenergie Prozesswärme – also Wärme meist bei Temperaturen über 100 °C – ein Großteil davon wird zur Temperierung von Werkzeugen für die thermische Formgebung (Um-/Urformen) verwendet. Häufig müssen dabei Werkzeuge mit großer „thermischer Masse“ zyklisch unter enormem Energieaufwand erwärmt und gekühlt werden.

Das Prinzip der konturnahen Werkzeugtemperierung reduziert die thermisch zyklierte Werkzeugmasse auf den Kontaktbereich zum ur- bzw. umgeformten Werkstück, Voraussetzung dafür ist das Vorhandensein von Heizelementen und/oder Temperierkanälen in diesem Bereich. Dies erlaubt

• eine signifikante Einsparung von Wärme beim Aufheizen des Werkzeuges,
• eine deutliche Verkürzung der Zyklenzeiten und damit eine Kostensenkung sowie
• die Optimierung des Temperaturfeldes an der Werkstückoberfläche (variotherme Temperierung) für ein Höchstmaß an Fertigungsqualität.

Wir bieten Ihnen in diesem Zusammenhang

• die energetische Analyse von Temperierprozessen bzw. die Entwicklung innovativer Temperierkonzepte,
• die Durchführung wärmetechnischer Simulationen für die Prozessoptimierung bzw. Prozessgestaltung,
• die enge Kopplung mit werkstoffwissenschaftlichem und fertigungstechnischem Knowhow.  

Wärmetechnisches Design

Wärmetechnische Auslegung von Spritzgießwerkzeugen mit Hilfe numerischer Simulationsmethoden
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Wärmetechnische Auslegung von Spritzgießwerkzeugen mit Hilfe numerischer Simulationsmethoden

Die konturnahe bzw. variotherme Temperierung von Werkzeugen für die thermische Formgebung, z. B. bei Spritzgieß- bzw. Schäumprozessen, erfordert zunächst eine detaillierte wärme- und strömungstechnische Auslegung. Dazu stehen im Geschäftsfeld eigene Berechnungsalgorithmen ebenso wie kommerzielle Software (COMSOL Multiphysics®) zur Verfügung.

Für die Auswahl geeigneter Werkstoffe, das Design von Temperierkanälen mit ein- oder zweiphasiger Strömung oder die Optimierung der Lage von Heizelementen werden Stoff- und Transportgrößen benötigt, die im wärmetechnischen Labor bestimmt werden können, dazu zählen

• die Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität von Werkstoffen,
• Wärmeübergangskoeffizienten bei Strömung in Kanälen, beim Durchströmen poröser Strukturen oder beim Verdampfen,
• Druckverlustbeiwerte in Kanalströmungen oder bei der Strömung durch zellulare Werkstoffe.

Die Berechnung zeitlich und örtlich variabler 3D-Temperaturfelder bildet die Grundlage für ein optimales Werkzeugdesign. 

Werkstoffe und Fertigungsverfahren

Materialien und Fertigungstechnologien aus dem Portfolio des Fraunhofer IFAM Dresden
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Materialien und Fertigungstechnologien aus dem Portfolio des Fraunhofer IFAM Dresden

Innovative und energieeffiziente Werkzeugtemperierkonzepte lassen sich nur mit entsprechenden Werkstoffen und Fertigungsverfahren umsetzen, hier bietet das Fraunhofer IFAM Dresden vielfältige Kompetenzen aus einer Hand. Dazu gehören u. a.

• zellulare metallische Werkstoffe zur Senkung der thermischen Masse von Werkzeugen bei optimaler Temperierbarkeit und Festigkeit (z. B. Hohlkugel-, Faser- oder Metallschaumstrukturen),
• additive Fertigungsverfahren zur kosteneffizienten Herstellung frei konturierbarer Werkzeugstrukturen wie das Elektronenstrahlschmelzen (EBM) oder der metallische 3D-Siebdruck.

Während mittels EBM ganze Werkzeuge oder Teile davon gefertigt werden können ist der Siebdruck als ein Verfahren zur Herstellung ausgewählter Spezialteile z. B. für die Vermeidung von Hotspots zu verstehen.

Ergänzendes Knowhow

Neben der konturnahen und damit energiesparenden Temperierung als Primärmaßnahme können Hochleistungs-Wärmespeicher zur effizienten Nutzung von Abwärme eingesetzt werden. Durch die Möglichkeit der maßgeschneiderten Leistung kann das Speicherdesign optimal an die Zyklenzeiten des Temperierprozesses angepasst werden.