Anwenderbericht Energie sparen mit System

Energieeffizient fertigen mit optimierter Temperierung


In Diskussionen über die Energieeffizienz beim Spritzgießen thermoplastischer Formteile werden Temperiergeräte häufig als Verursacher hoher spezifischer Energieverbräuche genannt. Dabei wird meist übersehen, dass diese nur die notwendige Funktion erfüllen, die Werkzeugwand auf prozessbedingt erforderlichen Temperaturen zu halten, damit qualitativ einwandfreie Formteile mit hoher Reproduzierbarkeit hergestellt werden können. Durch eine thermisch optimierte Prozessführung kann der Energieverbrauch von Temperiergeräten deutlich gesenkt werden. Eine systematische Optimierung beginnt bei der thermischen Werkzeugauslegung und umfasst neben der Vermeidung unnötiger Temperaturverluste und dem Einsatz anwendungsspezifisch ausgelegter Temperiersysteme die Reinigung und Pflege der Wärme austauschenden Flächen.

 

Spritzgießen ist ein thermisches Verfahren, bei welchem über die heiße Schmelze eine definierte Wärmemenge in einen Wärmeaustauscher, das Spritzgießwerkzeug eingebracht wird. Über Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung der Werkzeugoberfläche geht ein gewisser Anteil an die Umgebung verloren, der gegebenenfalls durch die externe Zufuhr von Wärme ausgeglichen werden muss, um das zur Herstellung qualitativ hochwertiger Formteile benötigte Temperaturniveau an der Formnestoberfläche sicher zu stellen. Die Höhe der erforderlichen Temperatur hängt dabei von der verarbeiteten Formmasse und den Qualitätsansprüchen an das Formteil ab, die Wärmemenge zusätzlich vom Schussgewicht. Die in die Kavität eingespritzte Formmasse wird innerhalb eines Zyklus auf Entformungstemperatur abgekühlt und als fertiges Formteil mit einer enthaltenen Restwärme entformt. Die im Rahmen der Energiebilanz für Heizen und Kühlen benötigten Energiemengen liefern in der Heizphase der im Werkzeug installierte Heißkanal und die ans Werkzeug angeschlossenen Temperiergeräte, die in der Kühlphase auch die Wärmeabfuhr an die Rückkühlanlage übernehmen. Der damit verbundene Energieverbrauch der Temperiergeräte hängt weniger von der Bauweise der Temperiergeräte, als vielmehr von den Prozessanfor-derungen und den äußeren Einflüssen ab. Sein Anteil am Gesamtverbrauch der elektrischen Energie eines Spritzgießsystems schwankt daher erfahrungsgemäß zwischen 3 und 15%.

 

Minimierung von Wärmeverlusten senkt den Energieverbrauch

Eine erste Maßnahme zur Reduktion des Energieverbrauchs ist die Minimierung der Wärmeverluste durch Isolierung der Werkzeugoberflächen. Wissenschaftliche Untersuchungen haben gezeigt, dass die Verluste zu zwei Dritteln durch Wärmeleitung und einem Drittel durch Strahlung und Konvektion verursacht werden. Während letztere durch den Einsatz von Wärmedämmplatten nahezu vollständig eliminiert werden können, ist eine Reduktion der Verluste durch Wärmeleitung um immerhin 60% möglich. Eine gute Isolierung der Wasser führenden Komponenten des Temperiergerätes und eine Isolierung der Schlauchleitungen zwischen Gerät und Spritzgießwerk-zeug, die in der Praxis bisher nur selten anzutreffen ist, reduziert die energetischen Verluste dieser Komponenten um bis zu 28%, was einer Reduktion des Energiebedarfs von 18% gleichzusetzen ist. Alle diese Untersuchungen wurden im Temperaturbereich unter 100°C durchgeführt, was ca. 80% der Spritzgießanwendungen entspricht. Bei höheren Werkzeugtemperaturen ist mit entsprechend höheren Einsparungen zu rechnen.

Zusammenspiel von Heißkanal und Temperiergerät

Auch zwischen Heißkanal und Temperiergerät besteht ein energetischer Zusammenhang. Da beide in das thermische Management im Spritzgießwerkzeug eingreifen und dabei elektrischen Strom verbrauchen, müsste objektiv gesehen ihr Energieverbrauch immer in Summe verglichen werden. Ein schlecht isolierter Heißkanal bringt viel Verlustwärme in die Stahlmasse des Werkzeugs ein, was bei niedrigen Werkzeugtemperaturen dazu führt, dass das Temperiergerät eine größere Wärmemenge abführen muss, bei hohen Werkzeugtemperaturen aber die Heizung des Temperiergerätes entlastet und so seinen Energieverbrauch senkt. Hierzu ein Beispiel: Ein 5.000 kg schweres Werkzeug soll bei Produktionsbeginn innerhalb 2 Stunden von Umgebungstemperatur auf 120°C aufgeheizt werden, um anschließend 120 kg/h eines technischen Thermoplasts zu verarbeiten. Die installierte Heißkanalleistung beträgt 15 kW mit einem Verlustanteil von 50%. Für das Temperiersystem ergibt sich daraus rechnerisch ein Heizleis-tungsbedarf von 34 kW für die Aufheizphase und ein Kühlleistungsbedarf von 8 kW für die Produktionsphase. Durch Verbesserung der Isolierung des Heißkanals reduzieren sich dessen Verluste auf 10%, so dass er 6 kW weniger Wärmeleistung an den Werkzeugstahl abgibt. Die benötigte Heizleistung des Temperiergerätes steigt dadurch auf 40 kW, während die erforderliche Kühlleistung auf 2 kW absinkt. Wird das Werkzeug nun zusätzlich mit Isolierplatten versehen, sinkt der Heizleistungsbedarf auf 32,5 kW, wogegen der Kühlleistungsbedarf auf 9 KW ansteigt. Wird anschließend die Formmasse bei unverändertem Materialdurchsatz auf ein Polyolefin mit 40°C Werktemperatur umgestellt, ändern sich die energetischen Anforderungen grundlegend. Beim gut isolierten Heißkanal müssten zum Aufheizen nur noch 2,7 kW Heizleistung aufgebracht werden. Hingegen müsste das Temperiergerät beim schlecht isolierten Heißkanal sogar kühlen, damit die 40°C nicht überschritten werden. Es wäre völlig falsch, hieraus nun Rückschlüsse auf die Energieeffizienz des Temperiergerätes zu ziehen!

 

Defizite bei thermischer Werkzeugausführung sind Kostentreiber

Thermisch ungünstig ausführte Werkzeuge sind häufig Ursache für einen hohen Energieverbrauch der angeschlossenen Temperiergeräte. Bei der Auslegung und Fertigung der formgebenden Werkzeuge wird nicht selten zu wenig beachtet, dass ein Werkzeug neben der Formgebung auch die Funk-tion eines Wärmeaustauschers hat. Werden Temperierkanäle nicht der Geometrie des Formteils angepasst, indem sie kavitätsnah seinen Konturen folgen, so macht sich dieses Versäumnis in einer unnötig langen Zykluszeit und einer erhöhten Ausschussrate bemerkbar. Dies hat zur Folge, dass zur Herstellung der benötigten Formteilanzahl nicht nur die Temperiergeräte, sondern auch die Spritzgießmaschine und alle angeschlossenen Peripherieeinrichtungen länger betrieben werden müssen. Dadurch steigt der Energieverbrauch überproportional, und die Mehrkosten liegen meistens deutlich über denen, die eine adäquate Berücksichtigung der thermischen Anforde-rungen verursacht hätte. Im Umkehrschluss bedeutet dies aber auch, dass eine thermisch optimierte Werkzeugausführung das Potenzial für erhebliche Kosten- und damit Wettbewerbsvorteile birgt. Auch hierzu ein aktuelles Beispiel: Ein Spritzgießverarbeiter erhielt die Anfrage, ein bisher im Tiefziehverfahren gefertigtes Bauteil in technisch verbesserter 2 Komponenten-Ausführung zu einem wettbewerbsfähigen Preis anzubieten. Voraussetzung dazu war eine signifikante Verkürzung der konventionell kalkulierten Zykluszeit. Als erste Maßnahme wurde ein Temperierkonzept entwickelt, welches die volle Ausnutzung des im Werkzeug für Temperierkanäle verfügbaren Bauraums und die kavitätsnahe Anordnung der Wärmeaustauschflächen rund um die 36 Nester in jedem der 8 Werkzeugeinsätze vorsah. Zusätzlich wurde für die prozesssichere und effiziente Versorgung der einzelnen Temperierkreise eine in die Spritzgießmaschine integrierte Wassermengenregelung konzipiert. Die so erzielte Kombination aus großer Wärmeaustauschfläche und konstant hohem Wärmeübergangskoeffizienten ermöglichte schließlich die Reduktion der benötigten Kühlzeit um 25%. Die Kostenkalkulation ergab eine Amortisation der Mehrkosten über die Einsparung an Maschinenstunden bereits nach 10 Monaten. Der Spritzgießverarbeiter konnte sich so einen lukrativen Auftrag sichern.

Homogenes Temperaturprofil durch segmentierte Temperierung

Auf Grund der konstruktiven Gestaltung der Formteile mit unterschiedlichen Wanddicken, Durchbrüchen und lokalen Materialanhäufungen liegt selten ein über das gesamte Formteil homogenes Temperaturprofil vor. Die in der Praxis erreichbare Kühlzeit wird häufig von punktuell auftretenden Temperaturspitzen, sogenannten „Hot Spots“ bestimmt. Diese liegen meist in schwierig temperierbaren Werkzeugbereichen wie langen, dünnen Kernen, Schiebern und Auswerfern sowie im Bereich des Angusssystems. Es bedarf besonderer temperiertechnischer Maßnahmen, damit solche kritischen Zonen nicht zyklus-, qualitäts- und kostenbestimmend werden. Ein segmentiertes Temperierkonzept ist die Voraussetzung dafür, unnötig hohe Kosten zu vermeiden. Ein solches Konzept beinhaltet in der Regel eine konventionelle Temperierung des Werkzeugaufbaus, individuelle Temperiereinsätze für die kritischen Bereiche und ein Temperiersystem mit mehreren unabhängigen Temperiereinheiten, gegebenenfalls auch Sonderverfahren bei grenzwertigen Anforderungen, die mit standardisierten Lösungen nicht erfüllt werden können. Bei einer neuen Anwendung bilden die rheologische und die thermische Berechnung die Grundlage für die Auswahl des technisch und kommerziell am besten geeigneten Lösungsansatzes. Bei einer laufenden Anwendung liefert die Thermografie mit einer Infrarotkamera wertvolle Informationen über die Problemzonen und in Verbindung mit dem Werkzeugdatensatz auch Ansätze zur Optimierung, wenn man in der Lage ist, die Ergebnisse ganzheitlich, also unter Beachtung der vielfältigen Einflussparameter zu beurteilen. Lohnenswert ist die Analyse auf jeden Fall, denn erfahrungsgemäß bewirkt eine Erhöhung der Oberflächentemperatur um 1K eine Verlän-gerung der Kühlzeit um 2%. In der Praxis sind Temperaturerhöhungen an Kernen und Schiebern um 40 bis 60K keine Seltenheit. Da bei technischen Formteilen der Anteil der Kühlzeit in der Regel zwei Drittel der Gesamtzykluszeit ausmacht, bedeutet eine um 50K erhöhte Temperaturspitze in einem kritischen Formteilbereich eine Verlängerung der Zykluszeit um nahezu 70%. Bei einer mit 6.000 Produktionsstunden im Jahr ausgelasteten Spritz-gießmaschine und einem Maschinenstundensatz von 30 EUR/h wäre die Belegung einer zweiten Produktionseinheit mit über 120.000 EUR Zusatz-kosten erforderlich. Dies setzt allerdings voraus, dass ein weiteres Spritz-gießwerkzeug und die zusätzlich benötigte Maschine inklusive Peripherie zur Verfügung stehen. Optimierungsmaßnahmen bei der Werkzeugtemperierung schlagen in der Regel mit deutlich niedrigeren Kosten zu Buche und entlasten gleichzeitig die Energiebilanz des Unternehmens.

 

Unnötig hohe Druckverluste vermeiden

Sind die Werkzeuge thermisch optimiert, besteht die nächste Aufgabe darin, die einzelnen Temperierkanäle optimal mit Temperiermedium der richtigen Temperatur und Menge zu versorgen. Optimal bedeutet in diesem Zusam-menhang, dass weder zu wenig noch zu viel des Guten getan wird. Das Ziel besteht nicht darin, soviel wie möglich zu temperieren, sondern nur so viel wie nötig. Selbst erfahrene Einrichter vertreten häufig noch die Meinung, dass bei Temperaturproblemen erst einmal Wasserdruck und Wassermenge erhöht werden müssen. Über die Wasserverteilung im Verbraucher macht man sich die wenigsten Gedanken, obwohl in den meisten Fällen darin die Ursache der zu langen Kühlzeiten und der Qualitätsprobleme am Formteil zu suchen ist. Sträflich vernachlässigt werden auch die unnötig hohen Energiekosten, die durch die wenig sinnvolle Installation leistungsstärkerer Tempe-riergeräte mit größeren Pumpen verursacht würden. Der Schlüssel zum Erfolg liegt in der Vermeidung von Druckverlusten, indem die Schlauchlängen zum Spritzgießwerkzeug ausreichend groß dimensioniert und so kurz wie möglich gestaltet werden. Drosselstellen durch zusätzliche Absperrschieber, abgeknickte Schläuche und zwischengeschaltete Durchflussverteiler sollten vermieden werden. Die Temperiereinheiten sollten möglichst nah am Werkzeug installiert und von Zuleitungen mit großen Querschnitten versorgt werden. Speziell für die Mehrkreistemperierung konzipierte Temperiersysteme sind in dieser Hinsicht hydraulisch optimiert und haben einen geringeren Energiebedarf als die entsprechende Anzahl von Einzelgeräten. Benötigt der Prozess nur wenig unterschiedliche Temperaturen, sind zentrale Temperiergeräte mit nachgeschalteten Wassermengen-Regelsystemen zu bevorzugen, die an oder nahe der Aufspannplatten der Spritzgießmaschine montiert werden. Hierbei ist zu beachten, dass die Wassermenge pro Temperierkreis nicht nur manuell eingestellt und überwacht, sondern vom System bei auftretenden Veränderungen automatisch nachgeregelt werden kann. Mit den heutigen Möglichkeiten innovativer Werkzeugtemperierung kann in vielen Fällen eine deutliche Leistungssteigerung bei gleichzeitig erheblicher Energiekostensenkung durch Reduktion der Wassermenge und Anhebung der Wassertemperatur realisiert werden.

Dynamische Entwicklung bei dynamischen Verfahren

Konventionelle Temperierverfahren sind seit nahezu 50 Jahren im Einsatz. Sie arbeiten innerhalb eines Zyklus immer mit einer konstanten Medientemperatur, die lediglich über eine kontinuierliche oder diskontinuierliche Mengenregelung Temperaturveränderungen innerhalb enger Grenzen realisieren kann. Dynamische Werkzeugtemperierungen sind Temperierverfahren mit zyklisch variabler Temperaturführung, die auch unter den Begriffen „Zyklische Tem-perierung“ und „Variotherme Temperierung“ seit ca. 40 Jahren bekannt sind, deren Einsatz aber erst seit wenigen Jahren eine dynamische Entwicklung erfährt. Die Ursachen dafür liegen in den wachsenden Qualitätsanforderungen der Verbraucher, dem Einsatz von Kunststoffen in neuen Anwendungen und der rasanten Weiterentwicklung des Stands der Technik bei den am Markt verfügbaren Lösungen. Die Grundlage aller angebotenen Technologien beruht auf der Erkenntnis, dass hohe Werkzeugwandtemperaturen die Werkzeugfüllung und die Abbildung der Werkzeugwand deutlich verbessern. Um die Sichtbarkeit von Bindenähten, Glanzunterschiede und andere Oberflächenfehler zu vermeiden, wird im Gegensatz zu den konventionellen Verfahren bei den dynamischen Temperierungen die Werkzeugwand über eine Heizung vor und während der Füllphase auf ein hohes Temperaturniveau temperiert und nach erfolgter Füllung der Kavität zyklusabhängig auf Kühlung mit niedrigerer Temperatur umgeschaltet. Für Heizen und Kühlen stehen inzwischen mannigfaltige Lösungen zur Verfügung, die sich in Bezug auf die zu Grunde liegende Technologie, den Anwendungsbereich, die Investitions- und Betriebskosten sowie die erzielbaren Heiz- und Kühlraten voneinander unterscheiden. Wichtig ist die vollständige Verknüpfung der Heizungs- und Kühlungsregelung in einem System. Das jeweilige Ziel ist immer, die Werkzeugwandtemperatur zum Zyklusbeginn in möglichst kurzer Zeit in den Bereich der Glasübergangstemperatur bei amorphen Kunststoffen bzw. der Kristallitbildungstemperatur bei teilkristallinen Formmassen anzuheben, um nach Füllung der Kavität durch Temperaturabsenkung so schnell wie möglich die Entformungstemperatur des Kunststoffteiles zu erreichen, allerdings ohne innere Spannungen im Formteil einzufrieren.

 

Segmentierte Temperierung mit keramischen Hochleistungsheizungen

Während fluidbasierte Lösungen im Wesentlichen für die ganzheitliche Temperierung von Oberflächen mit qualitativ hochwertigen Eigenschaften eingesetzt werden, eignen sich im Werkzeug integrierte keramische Hochleistungsheizungen besonders gut für die lokale Temperierung abgegrenzter, definierter Werkzeugsegmente. Mit ihnen lässt sich zuverlässig, schnell und energieeffizient die Sichtbarkeit von Bindenähten vermeiden. Elektrisch leitende Keramiken haben den Vorteil einer hohen, punktgenau und zeitlich genau dosierbaren Leistungsdichte. Innovative Fertigungsmethoden ermöglichen die Kombination wärmeleitender und wärmeisolierender Schichten. Die kavitätsnahe Kühlung sorgt nach der Werkzeugfüllung für eine gleichmäßige und schnelle Abkühlung des Formteilbereiches. Die Kombination der beiden Verfahren in einem System ermöglicht eine wirtschaftliche und energieeffiziente Werkzeugtemperierung mit hoher Temperaturdynamik.

 

Das wasserfreie Werkzeug

Die jüngste Entwicklung bei der dynamischen Werkzeugtemperierung verzichtet ganz auf den Einsatz von Wasser als Heiz- oder Kühlmedium und ist somit besonders interessant für den Einsatz unter Reinraumbedingungen. In dem in den letzten Jahren entwickelten Verfahren wird CO2 als Wärme-trägermedium eingesetzt. Auf einen entsprechenden Druck komprimiert und mittels eines keramischen Turboerhitzers werkzeugnah erhitzt, hat das im Gegensatz zu Wasser und Heißdampf auch bei hohen Temperaturen unkritische, nicht zu Ablagerungen und Korrosion neigende Medium so gute Wärmeübertragungseigenschaften, dass es für eine dynamische Werkzeug-temperierung hervorragend geeignet ist. Der konkurrenzlos hohe Tempera-turgradient zwischen heißem und kaltem Medium verspricht kürzest mögliche Zykluszeiten. Auch die positiven Umweltaspekte sind nicht zu vernachlässigen. Das zur Anwendung kommende CO2 ist ein Extrakt aus Nebenprodukten chemischer Prozesse, welches für die dynamische Temperierung veredelt und wiederverwendet wird. Inzwischen ist das Verfahren bei der Herstellung von Mikro-Präzisionsteilen und optischen Anwendungen erfolgreich erprobt und zur Serienreife entwickelt worden.

 

Fazit

Temperierung und Kühlung haben einen hohen Einfluss auf die Formteilqualität und die Wirtschaftlichkeit der Produktion. Richtige, auf die Verarbeitungsprozesse abgestimmte Gesamtsysteme tragen dazu bei, hochwertige Produkte mit hoher Reproduzierbarkeit innerhalb kontrollierter Prozessfenster mit niedrigst möglichen Energiekosten herzustellen. Bei allen Megatrends innerhalb der Kunststoff verarbeitenden Industrie – sei es beim Leichtbau, bei alternativen Antriebskonzepten, umweltverträglichen Energien und optischen Anwendungen – hängt der wirtschaftliche Erfolg in hohem Maße von der Entwicklung produktionssicherer und energieeffizienter Lösungen für die Werkzeugtemperierung ab. Intelligente, hochdynamische Konzepte für die zyklische Formnesttemperierung im Verbund mit energieoptimierten Kühlsystemen betrieben, werden hierbei eine Schlüsselrolle spielen. Wer im globalen Wettbewerb eine führende Position einnehmen will, muss sich also zwangsläufig mit thermischen Fragestellungen befassen.

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