Nur eine kleine Auswahl von Temperiergeräten aus der digitalen Marktübersicht (Bild: DWK / Wittmann)
Ein wesentliches Einsatzgebiet für Temperiergeräte ist die Kunststoff verarbeitende Industrie und hier insbesondere das Spritzgießen. „Zur Herstellung qualitativ konstant hochwertiger Teile sind kontrollierte Werkzeugtemperaturen zwingend erforderlich“, merkt HB-Therm an. Single Temperiertechnik hält es daher für notwendig, „den Kunden möglichst früh und tief in seinem Prozess abzuholen, um gezielt auf seine Bedürfnisse einzugehen oder spezifische Lösungen anzubieten.“ „In den letzten Jahren sind“, wie HB-Therm weiter ausführt, „die Anforderungen an die Temperiergeräte gestiegen. Gefordert sind immer höhere Vorlauftemperaturen für Wasser (derzeit etwa 180 °C), schnellste Aufheiz- und Abkühlzeiten und eine vollautomatische Prozess-Überwachung mit Datenaufzeichnung. Auch wirkt der Aspekt der Energieeffizienz zunehmend in die Beschaffungsentscheidung mit ein.“
Hohe thermische Belastungen, denen die Temperiergeräte je nach Anwendung ausgesetzt sind, und das stetige Aufheizen und Abkühlen bei hohen Temperaturen und Drücken wirken sich auf die Lebensdauer der Geräte aus. Für wartungsfreie, langlebige und zuverlässige Geräte, die Produktionsunterbrechungen vermeiden, hat diese Firma daher Anforderungen formuliert, wie das Verwenden „tankloser Systeme mit kleinem Umlaufvolumen, die für schnellste Aufheiz- und Abkühlzeiten sorgen und den Bedarf an Heiz- und Kühlenergie verringern“, die Realisierung „verkalkungsarmer und druckschlagfreier Kühlung mit Kühler-Bypass und Proportionalventiltechnik, die Verdampfung und Druckschläge verhindern“, das Vermeiden des direkten Kontakts der Heizelemente mit dem Wärmeträger, was nach Erfahrungen zu einer bis zu zehnmal längeren Lebensdauer dieser Elemente beiträgt, die Realisierung geschlossener Systeme ohne Sauerstoffkontakt, da „Sauerstoff im Wasser bei hohen Temperaturen aggressiv wirkt und dadurch Werkzeuge, Dichtungen und dergleichen zerfrisst und zudem die Wirksamkeit von Zusätzen abbaut“, die Verwendung dichtungsloser Edelstahlpumpen, die „weitgehend die verschleißanfälligeren Varianten mit Gleitringdichtungen verdrängen“ und sich zudem in der Ausführung IE2 „gegenüber älteren Modellen durch einen verbesserten Wirkungsgrad auszeichnen“, eine „geregelte Drucküberlagerung, die den Betriebszustand der Pumpe optimiert und kavitationsbedingten Verschleiß verhindert.“
Bei Hochtemperaturanwendungen in Kombination mit kleinen Kühlkanal-Querschnitten im Werkzeug kommen nach einem von Braun mitgeteilten Trend spezielle Systeme zur Wasseraufbereitung zum Einsatz. Ein weiterer Trend ist laut dieser Firma, dass die „Geräte Instandhaltungs- und Wartungsintervalle zum Teil über Sensoren erfassen und melden.“ Dies kann den von Single angesprochenen „unzähligen Möglichkeiten“ zugeordnet werden, die „aktuelle Steuer- und Regeleinheiten bieten, Rüstzeiten zu verringern und so den Kundennutzen drastisch zu erhöhen.“
Die variotherme Flüssigkeitstemperierung für Spritzgieß- und Presswerkzeuge ist weiterhin ein aktueller Trend. Dieses Wechseltemperierkonzept ermöglicht eine Steigerung der Formteilqualität und lässt auch das Senken der Zykluszeit zu. Die mögliche „flexible Prozessgestaltung mit beliebiger zeitlicher Ansteuerung mehrerer Ventilmodule pro Temperiergerät“, wie Single ausführt, „sowie frei wählbare maximale oder minimale Temperaturen pro Werkzeugzone“ ermöglichen auch ein Optimieren des Energiehaushalts im Temperatur-Wechselprozess. Der Einsatz dieser Technologie wurde zwischenzeitlich auf Herstellprozesse für Composite-Bauteile erweitert. Weitere Verbesserungen wurden bei der verfahrenstechnischen Optimierung des Schaumspritzgießens, bei der Produktivität von 2K- und 3K-Drehwerkzeugen und bei Prozessen an Vertikalmaschinen erzielt.
Bei dem Konzept werden oberflächennah angeordnete Kühlkanäle wechselweise von warmen und kalten Medien durchströmt. „Mithilfe von Werkzeugeinsätzen an Problemzonen oder auch in kompletten kleineren Werkzeugen lassen sich Temperaturwechsel von über 100 °C Temperaturdifferenz realisieren.“ Auch HB-Therm sieht in der „variothermen Temperierung nach wie vor ein Hauptthema zum Erreichen höchster Teilequalität bei gleichzeitig optimierter Zykluszeit. Durch eine hohe Temperatur beim Einspritzen und kalte Temperaturen während der Kühlphase lassen sich Bindenähte zuverlässig verhindern, auch feinste Strukturen konturtreu abformen, eine optimale Oberflächengüte erreichen sowie Einfallstellen reduzieren.“ Variotherme Anlagen, die nach dem Fluid-Fluid-Verfahren arbeiten, lassen sich mittels einer Umschalt-Einheit zusammen mit zwei Standard-Temperiergeräten realisieren. Mit der Verwendung von zwei Standard-Temperiergeräten ergeben sich nach HB-Therm Vorteile wie das Einsparen von „Kosten bei der Anlagenbeschaffung“ und „dass die Geräte flexibel auch für andere Temperieraufgaben eingesetzt werden können.“ Für diese bilden Umschalt-Einheit und Temperiergeräte ein geschlossenes System, das das Werkzeug durch „Vermeidung von Sauerstoffkontakt, Dampf, Kalk und Korrosion umfassend schützt.“ Die Ermittlung der Prozessparameter, wie Solltemperaturen, Verzögerungs- und Schaltzeiten, ist für eine variotherm arbeitende Anlage allerdings äußerst schwierig und benötigt unterstützende Assistenzsysteme in der Steuerung, wobei sich Datenaufzeichnung und Auswertung mittels Excel als hilfreich erweisen.
Neben der aktiven Wechseltemperierung, wie sie vorstehend beschrieben ist, berichtet Single von einer zyklussynchronen Temperierung oder auch passiven Wechseltemperierung, die nach wie vor Treiber am Markt ist. Voraussetzung für die optimale Effizienz und Wirtschaftlichkeit der zyklussynchronen Temperierung sind Werkzeuge mit günstigen Wärmeleit-Eigenschaften, einem guten Wärmeübergang zur Kavität, konturnahen Kühlkanälen sowie einer geringen zu temperierenden Masse. Um diese Masse zu begrenzen, werden häufig nur kleine Einsätze temperiert. Sie können beispielsweise mithilfe generativer Fertigungsverfahren so aufgebaut werden, dass die in ihnen enthaltenen Kühlkanäle der Oberflächenkontur folgen und nah an der zu kühlenden Werkzeugwand liegen.“ Bei der passiven Wechseltemperierung wird das Erhöhen der Werkzeugwand-Temperatur beim Zyklusbeginn überwiegend durch die eingespritzte Masse selbst bewirkt. Da das Temperiermedium die Werkzeugwand-Temperatur nicht auf die gewünschte Höhe bringen muss, kann seine Temperatur tiefer als die eines Mediums bei Standardtemperierung sein. Dies bewirkt kürzere Zykluszeiten.
Zur wirtschaftlichen Betrachtung betont Single, „dass bei der passiven Wechseltemperierung konstruktive Änderungen am Werkzeug keine notwendige Voraussetzung sind, um Verbesserungen zu erzielen. Die Erfolge einer passiven Wechseltemperierung lassen sich mit relativ geringem Aufwand ermitteln. Eine erfolgreiche aktive Wechseltemperierung hingegen erfordert meist die Adaption des Werkzeugs sowie eine höhere Investition in ein aktives Wechseltemperiersystem, so dass die wirtschaftlichen Aspekte einer aktiven Strategie wesentlich genauer zu betrachten sind. Zusätzlich zur energieeffizienten Nutzung ergibt sich im Idealfall auch eine qualitative Verbesserung des Endproduktes. Gravierender Vorteil ist, dass sich die Energieeffizienz nicht nur auf die Temperatur auswirkt, sondern auf den gesamten Produktionsprozess beim Betreiber.“
Für eine nachhaltige Energieeffizienz von Temperiergeräten muss laut HB-Therm „zunächst die Dimensionierung der Gerätepumpe, als stetiger Verbraucher, stimmen. Große Schritte in Richtung Energieeinsparung können auch durch den Einsatz externer Durchflussmesser gesetzt werden. Durch die Zusammenfassung mehrerer Temperierkreise mit gleichem Temperaturniveau können Einzelgeräte effektiv substituiert und an anderer Stelle eingesetzt werden. Neben Einrichtzeiten lassen sich so auch Kosten einsparen. Zusätzlich werden durch einen optimal aufbereiteten Wärmeträger energetische Einsparmöglichkeiten durch längere Standzeiten, einen geringeren Energieverbrauch bei der Temperierung sowie saubere Temperierkreisläufe ohne Korrosion und Ablagerungen nutzbar. Für einen verringerten Energiebedarf gilt nun, dass „richtig dimensionierte Temperiergeräte Energie sparen, saubere Temperierkanäle den Wärmeübergang optimieren, parallele Werkzeugtemperierung die Zykluszeit verkürzt, kurze, isolierte Schlauchleitungen mit großem Durchmesser Abstrahlungs- und Druckverluste minimieren und tanklose Geräte wirtschaftlicher sind.“
