Konturnahe Kühlung

Keep cool mit KI

Konturnahe Temperierkanäle automatisiert auslegen
Füllstudie des Testbauteils mit dem nach Vorschlägen der Software gebauten Werkzeuge.
Hochwertige Teile mit gleichbleibender Qualität zu geringeren Kosten liefern ist eine Forderung an die Spritzgießtechniker. Unterstützung dafür soll eine neuartige Software zur automatischen und konturnahen Temperierkanalauslegung mit Künstlicher Intelligenz liefern, die das Institut für Integrierte Produktion Hannover mit mehreren Unternehmen zusammen entwickelt.

Eine stabile und homogene Temperaturverteilung im Werkzeug sichert bei Spritzgießprozessen hohe Prozessstabilität und -wirtschaftlichkeit. Wichtige Formteileigenschaften wie mechanische Festigkeit, Oberflächengüte und Maßhaltigkeit beeinflusst die Werkzeugtemperierung. Ein guter Wärmeaustausch zwischen eingespritztem Material und Werkzeug sowie die gleichmäßige Temperaturverteilung an der Werkzeugwandung sind Voraussetzungen für kurze Zykluszeit, hohe Bauteilqualität und somit für verbesserte Wirtschaftlichkeit.

In der Praxis liegt selten eine über dem gesamten Formteil gleichmäßige Temperaturverteilung vor. Die notwendige Kühlzeit wird jeweils von der höchsten am Formteil vorliegenden qualitäts- und prozessrelevanten Temperatur diktiert. Ursachen der heterogenen Temperaturverteilung liegen in der Auslegung und konstruktiven Gestaltung der Werkzeuge. Durch gebohrte Temperierkanäle (konventionelle Kühlung) ist nur bedingt eine homogene Temperierung erreichbar. Dies kann zur Verlängerung der Zykluszeit und einer unzureichenden Teilequalität führen. Die Temperierung mit konventionellen Temperierkanälen ist aufgrund ihrer einfachen Herstellbarkeit jedoch weit verbreitet. Neuartige generative Fertigungsverfahren bieten die Möglichkeiten konturangepasste Temperierkanäle in Werkzeugen zu realisieren. Sie haben den Vorteil, dass sie, im Vergleich zu konventionell hergestellten Kanälen, eine bessere Temperaturverteilung erzeugen können.

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Die Auslegung der Temperierkanäle erledigen üblicherweise erfahrene Mitarbeiter weitgehend manuell, da eine automatisierte Methode zur Identifikation eines geeigneten Kanalverlaufs bislang fehlt. Im Rahmen eines Forschungsprojekts wurde eine Methode zur automatisierten Temperierkanalauslegung auf Basis von Algorithmen der Künstlichen Intelligenz entwickelt. Die Methode wird exemplarisch für Spritzgießwerkzeuge im Kunststoffbereich eingesetzt. Die neue Software versetzt Unternehmen in die Lage, konturnahe Temperierkanäle zu konstruieren, ohne auf langjähriges Erfahrungswissen zurückgreifen zu müssen.

Wissensabbildung – modellieren statt simulieren

Die Methode zur automatisierten Temperierkanalauslegung soll das Wissen und die Entscheidungen der Werkzeugkonstrukteure abbilden, um die Temperierkanäle bedarfsgerecht auszulegen. Zur Modellierung dieses Wissen wird ein lernfähiges KI-System genutzt, das aus einem Künstlich Neuronalem Netz (KNN) und einer Evolutionsstrategie besteht. Auf die Kombination von KNN und Evolutionsstrategie kann der Anwender durch Integration von Regeln (zum Beispiel: Ein Temperierkanal darf nicht dort verlaufen, wo eine Schraube platziert werden soll) Einfluss nehmen. Im Rahmen der entwickelten Methode erlernt das KI-System Zusammenhänge zwischen Parametern von Bauteilgeometrien (beispielsweise Dicke, Abstände, Flächeninformationen) und Prozessparametern (zum Beispiel Vorlauftemperatur, Volumenstrom, Kühlmedium) aus Beispieldaten und vorgegebenen Regeln. Die Festlegung der für das Training des KNN relevanten Parameter wurde in enger Zusammenarbeit mit den beteiligten Unternehmen durchgeführt. Es wurde darauf geachtet, die Bauteilgeometrie und die Einflüsse der Temperierung mit Hilfe der Parameter vollständig abzubilden. Die Temperierung vorher definierter Punkte auf der Bauteiloberfläche sind als Zielparameter des KNN-Trainings festgelegt. Hierzu wurden Beispielgeometrien und zugehörige Werkzeugkonstruktionen angefertigt und deren Temperierverhalten mit Hilfe der Simulationssoftware Cadmould abgebildet. Schlussendlich wurde ein Modell erzeugt, dass die Vorhersage der Werkzeugwandtemperatur ausgehend von unterschiedlichen Temperiersystemvariationen erlaubt. Die Ergebnisse des Modells sind die Bewertungsgrundlage für die Evolutionsstrategie, die abschließend für die Auslegung und geometrischen Variation der neuen Temperiersysteme verantwortlich ist.

Konstruktionszeit verkürzen – schneller zum Ziel

Das trainierte KI-System soll bei der Konstruktion neuer Spritzgießwerkzeuge zur Unterstützung der Auslegung der Temperierkanäle genutzt werden. Dafür gibt das KI-System einen geeigneten Verlauf des Temperierkanals und die damit zu erreichende Temperierleistung für die betrachtete Werkzeugkonstruktion vor. Die ausgegebenen Parameter und Konstruktionsvorschläge für das Temperiersystem exportiert der Konstrukteur in die CAD<nonbreaking-hyphen>Konstruktion. Somit kann jeder Konstrukteur schnell und einfach einen endkonturnahen Temperierkanal auslegen. Ziel ist, die bisherige iterative manuelle Auslegung und anschließende Simulation so zu unterstützen, dass nur noch eine abschließende Simulation zur Überprüfung des Temperierverhaltens durchgeführt werden muss. Durch die automatische Ausgabe eines gut ausgelegten konturnahen Temperiersystems durch die Software wird Zeit, die heutzutage für die erfahrungs- beziehungsweise versuchsbasierte iterative Auslegung des Systems aufgewandt wird, eingespart. Dies führt zu erheblichen Kosteneinsparungen für die Unternehmen. Kürzere Zykluszeit gepaart mit gleichbleibender oder besserer Qualität der Bauteile stellen unter anderem die Wettbewerbsfähigkeit des Unternehmens sicher.

Validierung – probieren geht über studieren

Die Methode wurde in eine Software umgesetzt und befindet sich zurzeit in Praxisversuchen. Dazu werden Werkzeugkonstruktionen in die Software eingeladen und entsprechende Temperierkanäle berechnet. Ein so konstruiertes Werkzeug wurde hergestellt und im Versuch dessen Temperaturverhalten untersucht. Die ersten Füllstudien und Wärmebildaufnahmen lieferten erfolgversprechende Ergebnisse. Die Praxisversuche und Softwareanpassungen sollen noch bis Anfang 2012 weitergeführt und anschließend die Software zur Marktreife weiterentwickelt werden.

Der Beitrag basiert auf einem Manuskript der Autoren Peer Faßnacht, Judith Kerkeling und Dr. Rouven Nickel, IPH – Institut für Integrierte Produktion Hannover

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