Extrusion 8-2020

luft der Wärmeentzug über Kontakt des Kühlstempels mit der Folie ( Bild 1 ). Durch den Einsatz des Kühlstempels ergibt sich eine inhomogene Tem- peraturverteilung, die bei richtiger Auslegung zu einer verbesser- ten Wanddickenverteilung der Formteile nach der Ausformung führt. Diese „lokale Kühlung“ ist in Bild 1 schematisch darge- stellt. Auslegung der Temperaturprofilierung und Kühlstempel Der Fokus bei der Auslegung der Kühlstempel liegt auf einer Anpassung der lokalen Verstreckwiderstände des Materials in kritischen Bereichen (Dick- bzw. Dünnstellen) des Formteils. Wird von einem rotationssymmetrischen Becherformteil ausge- gangen, so muss der Bereich des Halbzeugs weniger stark ver- streckt werden, der nach der Umformung in einer Dünnstelle resultiert. Aufgrund des dadurch induzierten höheren Ver- streckwiderstands wird die Verstreckung durch die Formluft in die Bereiche höherer Folientemperatur verlagert. Dieses Prinzip ist schematisch in Bild 2 gezeigt. Dargestellt ist der Verstreckgrad anhand einer Linie auf einem rotationssymmetrischen Becherformteil von der Mitte des Be- cherbodens bis hin zur Becheröffnung. Deutlich ist der starke Anstieg des Verstreckgrads im Übergangsbereich vom Boden zur Wand zu erkennen. Die starke Verstreckung resultiert in ei- ner geringen Wanddicke in diesem Bereich des Formteils. Von der Dünnstelle in diesem Übergangsbereich nimmt der Ver- streckgrade stetig bis zur Becheröffnung ab ( λ = 1, unverstreck- te Folie). Aus der Betrachtung des Verstreckgrads folgt daher für eine möglichst homogene Wanddickenverteilung, dass die Tem- peratur in den jeweiligen Bereichen des Halbzeugs invers ange- passt werden muss. Eine hohe Verstreckung bedarf einer gerin- geren und eine niedrige Verstreckung einer hohen Halbzeug- temperatur. Neben der Geometrie des Kühlstempels haben weitere Fakto- ren einen Einfluss auf die resultierenden Temperaturprofile. Ne- ben der Kontaktbedingung, die den Wärmeübergangskoeffi- zienten zwischen Halbzeug und Stempel beeinflusst, ergeben die Änderungen von Foliendicke und -temperatur, die Kühl- stempeltemperatur sowie die Kontaktzeit ver- schiedene geometrisch ausgeprägte Tempe- raturprofile. Da alle genannten Faktoren Einflüsse auf die resultierende Wanddickenverteilung aufwei- sen und die Effekte vielfältig sind, soll der Fo- kus auf den Einfluss der Kühlstempelgeome- trie bei möglichst geringer Zykluszeit gelegt 33 Extrusion 8/2020 Bild 2: Auslegung des Temperatur- profils in Abhängigkeit des lokalen Verstreckgrads nach [Mar18] werden. Auf Basis der resultierenden Temperaturprofile werden fortführend die Wanddickenverteilungen der jeweiligen Form- teile betrachtet. Versuchsumgebung und -durchführung Das Formteil zur Erprobung der lokalen aktiven Kühlung stellt eine Bechergeometrie dar. Die Kavität und somit das Formteil weist einen Öffnungsdurchmesser von 60 mm, eine Tiefe von 40 mm und eine Entformungsschräge von 4° auf. Die Umfor- mungen werden auf einer Einstationenformanlage mit ausgela- gerter Heizstation Kiefel KD 20/25 der Kiefel GmbH, Freilassing, verarbeitet. Die eingesetzte Folie aus Polystyrol (PS) der W.u.H. Fernholz GmbH & Co. KG, Meinerzhagen, weist eine Aus- gangsdicke von 0,8 mm auf. Auf eine Verzögerungszeit zum Zuschalten der Formluft wird verzichtet, um eine Verlängerung der Zykluszeit zu vermeiden sowie zu prüfen, ob eine solche kurze Kontaktzeit zwischen Kühlstempel und Folie bereits zur Erzeugung eines Temperaturprofils ausreichend ist. Die Umfor- mung mittels Formluft beginnt somit direkt, nachdem der Un- tertisch hochgefahren und die Folie zwischen Blaskasten und Werkzeug eingeklemmt ist. Das sofortige Zuschalten der Form- luft entspricht im Folgenden einer Verzögerungszeit von 0 s. Die weiteren Prozesseinstellungen zur Erprobung der aktiven Kühlung sind in Tabelle 1 dokumentiert. Die verwendeten Stempel weisen im Kontaktbereich der Folie einen Durchmesser von 35, 40 und 45 mm auf. Die Durchmes- serauswahl von 40 mm für die Untersuchungen erfolgt in An- lehnung an Martens, um die dort resultierenden Temperatur- profilierung mittels Masken zur Beeinflussung der Wanddicken- verteilung auch mit der aktiven Kühlung darstellen zu können [Mar18]. Da jedoch aufgrund des Kontakts im Vergleich zu der Maskenprofilierung stärker ausgeprägte Temperaturprofile und gradienten zu erwarten sind, wurden zwei zusätzliche Durch- messer von 35 und 45 mm gewählt. Zur Kühlung der Stempel wurde Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) eingesetzt. Die Stempel sind hohl ausgeführt und weisen eine Aussparung mit einer Tiefe Tabelle 1: Eingesetzte Stempelgeometrien und Prozessparameter Parameter Einheit Parameterhöhe Stempeldurchmesser [mm] 35, 40, 45 Stempeltemperatur [°C] 20, 10, 0 Folientemperatur [°C] 120 Überstand des Kühlstempels [mm] 0, 4, 8 über Blaskasten Verzögerungszeit [s] 0 der Formluft Druck der Formluft [bar] 5 Dauer Formluft [s] 3