Kühlzeit um 60 Prozent reduzieren

Beim Herstellen von Kraftstofftanks für die Automobilbranche kommt heutzutage meist das Multi-Layer- oder Coextrusions-Verfahren Coex zum Einsatz. Hierbei wird ein schlauchförmiger Vorformling aus aufgeschmolzenen Polymeren in eine Blasform übergeben und durch Innendruck den Formkonturen angepasst. Die Schichten des Vorformlings bestehen aus HDPE Neuware, HDPE Regranulat, eine innere und äußere Bindeschicht, Ethylen-Vinylalkohol-Copolymer (EVOH) und wieder HDPE Neuware. Um den Tank auszuhärten, wurde er bisher nur mittels Kaltwasser in der Kavität der Werkzeugform gekühlt. Der Prozessschritt war jedoch äußerst kosten- sowie zeitintensiv, da eine niedrige Kaltwassertemperatur zur Bildung von Kondensationswasser auf der Formoberfläche führte. Dies verursachte eine schwankende Produktqualität und hatte einen erhöhten Ausschuss zur Folge. Die Schicht aus EVOH im Tank wurde zudem durch die anhaltende Hitzeeinwirkung geschädigt und somit die Funktionsfähigkeit eingeschränkt. An diesem Punkt setzt das Mould Area Protection (MAP)-System der Farragtech, Wolfurt, Österreich, an. Durch die Zuführung von trockener Luft wird das Schwitzen der Form verhindert. Zur weiteren Erhöhung der Ausbringung eignet sich das Internal Air Cooling System (IACS), ebenfalls von Farragtech. Hierbei wird zusätzlich zur herkömmlichen Kühlung der Tank innseitig mit -35 °C kalter Luft gespült, wodurch die Wärme im Kunststoff gleichzeitig von innen und außen abtransportiert und Materialstress vorgebeugt wird. Damit kann bei der Produktion Zeit und Geld gespart werden.

Kühlzeit entscheidend

„Das Kühlen des Kunststoffprodukts stellt sowohl einen kritischen als auch langwierigen Teilprozesse beim Extrusionsblasverfahren dar“, erklärt Aaron Farrag, Geschäftsführer von Farragtech. „Speziell bei der Herstellung von mehrlagigen Produkten wie modernen Kraftstofftanks kann hier viel Zeit eingespart und die Schicht aus EVOH vor Beschädigungen durch Hitzeeinwirkung geschützt werden.“ Schwierigkeiten können dabei aufgrund des Temperaturgefälles zwischen der mittels Kaltwasser abgekühlten Außenseite und der noch warmen Innenseite des Produkts auftreten. Diese Temperaturunterschiede führten bisher oftmals zu großem Materialstress vor allem, da die großvolumigen Tanks komplex geformt sind und so verschiedene Wandstärken im Bereich zwischen 1,35 und 3,80 mm aufweisen. Bis vor Kurzem wurde dem mittels Intervallblasen entgegengewirkt. Doch dieser Prozess war wenig effektiv. Die Resultate waren in der Regel eine schwankende Produktqualität sowie das Nichtbestehen der anschließend durchgeführten Dichtheits-, Belastungs- sowie Fallprüfungen. Aufgrund der verhältnismäßig hohen Ausschussrate stiegen die Kosten der Produktion.

„Um das zu verhindern, war der Produzent dazu übergegangen, die Temperatur des Kaltwassers noch ein weiteres Mal abzusenken. Dies hatte allerdings neben einer verschlechterten Produktqualität auch eine Erhöhung der Energiekosten zur Folge“, führt Farrag weiter aus. Stattdessen wurde zusätzlich zur Werkzeugkühlung mit 6 °C kaltem Wasser eine Kühlung der Innenseiten des Tanks mit Druckluft empfohlen. Die Wahl fiel auf die interne Formenkühlung IACS mit integriertem Blow Air Chiller (BAC). Modular konstruierbare Blasdorne sowie passende Blasventilblöcke wurden mitausgeliefert. Der BAC stellt für Blasanwendungen Lufttemperaturen von bis zu -35 °C zur Verfügung.

Produktivitätssteigerung durch Kühlung von innen und außen

Verkürzte Zykluszeit bei der Herstellung von Kraftstofftanks, durch eine gleichzeitige Innen- und Außenkühlung. (Bildquelle: Farragtech)

Den BAC gibt es in insgesamt fünf verschiedenen Baugrößen, wobei die Auslegung immer im Zusammenhang mit dem Luftdurchsatz für die spezifische Anwendung steht. Im direkten Vergleich zu einer Kühlung mittels Stauluft lässt sich mit dem BAC eine Produktivitätssteigerung von 25 bis 200 Prozent erzielen. Zu diesem Zweck wird die Druckluft auf einen Taupunkt von kleiner als -40 °C gebracht und dann im integrierten Wärmetauscher gekühlt. Damit sichergestellt ist, dass das Gerät nahezu wartungsfrei arbeitet, sind eine zuvor definierte, gute Druckluftqualität mit einem Drucktaupunkt von 5 °C bei 7 bar sowie einem Restölgehalt von maximal 0,01 mg/m³ unbedingt erforderlich. In vielen Blasfabriken gilt dies derzeit bereits als Standard.

Schaumstoffisolierte Kaltluftleitungen sorgen dafür, dass die Lufttemperatur auf dem Weg vom BAC-Gerät zu den Blaswerkzeugen niedrig gehalten werden kann, die Leitungen nicht vereisen oder Kondenswasser in die Produktionshalle tropft. Die Steuerung der BAC-Geräte erfolgt über das eigens entwickelte FIT (Farrag Intelligent Terminal). Mithilfe des IACS-Systems konnte auf diese Weise Materialstress effizient vermieden und eine insgesamt höhere Qualität der produzierten Kunststoffteile erzielt werden.

Kombination mit Schwitzwasserschutz für optimale Ergebnisse

Ein unerwünschter Nebeneffekt der Formkühlung mit Kaltwasser, dessen Temperatur unter dem Taupunkt der Umgebungsluft liegt, war die Bildung von Kondenswasser an der Formoberfläche. Dies hat sowohl das Produkt als auch die Form negativ beeinflusst. Zudem erhöht sich in vielen Fällen die Kristallisationsrate im Kunststoff, sodass die Produktqualität erheblich leidet. Um das zu verhindern, wurde versucht, die Produktionshallen entsprechend zu klimatisieren. Auch diese Maßnahme stellte jedoch keine ausreichend Lösung für das Problem dar, da durch die gestiegenen Betriebskosten der Gewinn deutlich geschmälert wurde. Eine Alternative, die Formoberfläche frei von Kondenswasser zu halten, war der Einsatz von Entfeuchtungssystemen, welche dafür sorgen, dass mittels Adsorptionstrockner Trockenluft erzeugt wird. Auf diese Weise wird ein äußerst niedriger Taupunkt erzielt, was aber mit hohem Wartungs- und Energieaufwand verbunden ist, denn das Molekularsieb muss regelmäßig gewechselt werden. Der komplizierte Aufbau des Systems verursacht im Falle eines Defekts höhere Kosten; für die Regeneration des Molekularsiebs ist ein zusätzlicher Energieaufwand nötig, weshalb auch dies nicht in Betracht kam. Die Lösung war in diesem Fall ein MAP-System, das sowohl beim Blasformen als auch bei Spritzgussprozessen mit niedrigen Formtemperaturen Schutz vor Kondensatbildung auf der Formoberfläche ermöglicht und auf diese Weise zusätzlich zu einer konstanten Produktqualität beiträgt.

Prinzipdarstellung zur Entfeuchtung der Werkzeugform. Das System ermöglicht ganzjährig eine schwitzwasserfreie Produktion. (Bildquelle: Farragtech)

Die MAP-Systeme arbeiten mit einfachen (Umgebungs-)Lufttrockner. Der Werkzeugbereich der Maschine wird von der Umgebungsluft getrennt und direkt durch den MAP mit gefilterter, trockener Luft versorgt. Dadurch wird eine ständige Verwendung von Kaltwasser bis zu einer Temperatur von 6 °C ermöglicht, ohne dass sich Kondensat auf der Formoberfläche bildet. Über einen Filter wird Umgebungsluft angesaugt und in zwei Schritten gekühlt. Zunächst über einen wassergekühlten Wärmetauscher, danach im Wärmetauscher des integrierten Kältekreislaufs, in dem die Luft auf circa 3 °C temperiert wird. Die angesaugte Umgebungsluft wird mit dem gleichen Kaltwasser gekühlt, wie die Form. Das entstehende Kondenswasser sammelt sich in einer Wanne und wird über eine Pumpe aus dem Gerät gefördert. Dank der abgeschotteten Maschinenumgebung ist nun auch im Sommer bei höherer Luftfeuchte ein reibungsloser Arbeitsalltag möglich.

„Für diese Art der Plastverarbeitung sowie für weitere Blasformprodukte eignet sich eine Kombination aus IACS- und MAP-System besonders gut, da bei optimaler Abstimmung der beiden Mechanismen die Kühlzeit um bis zu 60 Prozent verkürzt werden kann“, so Farrag. „Gerade bei dickwandigen Formen lässt sich zudem eine Produktionssteigerung von bis zu 200 Prozent erzielen.“

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Farragtech, Wolfurt

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Fakuma

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