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Temperiersysteme im Spritzgießeinsatz. Eine zunehmende digitale Vernetzung mit dem Gesamtprozess sowie eine kompakte Bauweise sind Trends der Temperiertechnik. (Bild: Engel)

Temperiergeräte werden bei nahezu jeder Spritzgießanwendung eingesetzt, sodass man von einer quasi hundertprozentigen „Marktdurchdringung“ ausgehen kann. Wenn Hersteller zu neuen Anwendungstrends befragt werden, beziehen sich ihre Antworten daher vor allem auf die Wahl des Temperiermediums. „Heute ist es möglich, die Temperierung von Spritzgießmaschinen, auf denen hochwertige Kunststoffe gespritzt werden, mit dem Wärmeträgermedium Wasser auszuführen“, betonen Regloplas, St. Gallen, Schweiz, und AIC Regloplas, Pliening. Das soll möglichst auch die Verarbeitung von Hochleistungskunststoffen, wie etwa PEEK und PPS, Mit einschließen. Diese teilkristallinen Polymere besitzen Schmelzpunkte von über 300 °C und benötigen Formtemperaturen von mehr als 200 °C, weshalb für ihre Verarbeitung bisher fast ausschließlich Geräte mit dem Temperiermedium Öl eingesetzt wurden. Insbesondere die Herstellung von medizintechnischen Produkten, etwa Implantaten, muss aber in extrem sauberen (das heißt auch absolut ölfreien) Umgebungen stattfinden. Daher definiert auch HB-Therm, St. Gallen, Schweiz, „immer höhere Vorlauftemperaturen für Wasser“ als eine der wichtigsten Forderungen von Temperiertechnik-Anwendern in der Kunststoffverarbeitung.

Trends in der Gerätetechnik

Ein klareer Trend geht zur Digitalisierung der Tempertechnik und ihrer Vernetzung mit den Produktionsprozessen. „Dieser Trend wird kontinuierlich in der modularen Vernetzung des zum Prozess erforderlichen Fertigungsverbunds fortgesetzt“, betont Wittmann Technology, Wien, Österreich. Dessen neue Serie von Temperiergeräten kann deshalb standardmäßig über OPC UA in die Spritzgießmaschine integriert und gemäß Wittmann 4.0, dem sämtliche Pheripheriegeräte einer Zelle einbindenden Router-Konzept des Unternehmens, in dem Fertigungsverbund vernetzt werden.

Verfügbarkeit, Langlebigkeit und Flexibilität im Einsatz sind weitere Kriterien, die die Hersteller bezüglich gerätetechnischer Trends benennen. „Zuverlässigkeit und Servicefreundlichkeit der Geräte gewinnen immer mehr an Bedeutung“, heißt es bei GWK Gesellschaft Wärme Kältetechnik, Meinerzhagen. Aufgrund immer besser werdender Geräte und hochwertiger Materialien böten mittlerweile mehrere Hersteller freiwillige Langzeitgarantien auf Heizungen an. Dazu zählt zum Beispiel auch HB-Therm. Darüber hinaus verfolgt das St. Galler Unternehmen das Ziel des „unkaputtbaren“ und wartungsfreien Temperiergeräts. Erreicht werden soll dies „durch den Einsatz hochwertiger Materialien und einer Gerätetechnik, die Verschleiß konsequent verhindert“. Zwar habe diese Zuverlässigkeit und Langlebigkeit ihren Preis, der sich durch die Vermeidung unwirtschaftlicher Produktionsunterbrüche aber schnell ausgleichen werde. Bei der Kernkomponte Heizung setzt HB-Therm auf eine Eigenentwicklung, die sich dadurch auszeichnet, dass die Heizelemente  ̶  ganz im Sinne der Verschleißfestigkeit  ̶  keinen direkten Kontakt zum Wärmeträger mehr aufweisen.

Regloplas bringt noch einen anderen gerätetechnischen Aspekt ins Spiel: Gefragt sind demnach „kompaktere Temperiergeräte mit hohem Durchfluss für immer grösser werdende Kunststoffteile“.

Trends in der Verfahrenstechnik

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Temperiersysteme verschiedener Hersteller. (Bilder:  HB-Therm, GWK, Wittmann, Engel))

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Mehrere Anbieter rücken die variotherme Temperierung in den Fokus ihrer verfahrenstechnischen Trendschau. Beim herkömmlichen Spritzgießen wird die Schmelze gegen die gekühlte Werkzeugwand gespritzt, was zu einer schnellen Erstarrung von außen nach innen führt. Insbesondere bei langen Fließwegen und der Fertigung von dünnwandigen Formteilen oder filigranen Oberflächenstrukturen besteht hier die Gefahr unvollständiger Formfüllung oder mangelhafter Oberflächenabformung. „Die Lösung liegt in der variothermen Werkzeugtemperierung“, schreibt Wittmann. Dabei wird die Werkzeugwand vor dem Einspritzen auf eine Temperatur zwischen Glasübergangs- und Schmelzetemperatur des verwendeten Kunststoffs erwärmt. Erst nach dem Füllen der Kavität beginnt die Kühlung.  „Die variotherme Temperierung ist nach wie vor ein Hauptthema zur Erreichung höchster Teilequalität bei gleichzeitig optimierter Zykluszeit“, betont auch HB-Therm. „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.“

Wittmann Technology räumt ein, dass sich das variotherme Verfahren im Spannungsfeld zwischen Qualitätssteigerung und Wirtschaftlichkeit  ̶ in der Regel sind komplexere Werkzeuge sowie ein höherer apparativer Aufwand und Energieverbrauch erforderlich  ̶  bewegt. Gefragt sind deshalb applikationsgerechte Lösungen, die beide Kriterien optimieren, wie etwa die Variotherm Ventilstationen des österreichischen Unternehmens. Bei HB-Therm bildet eine Umschalteinheit zusammen mit zwei Standard-Temperiergeräten eine variotherme Anlage nach dem Fluid-Fluid-Verfahren. Sie verbindet abwechselnd das heiße und das kalte Gerät mit dem gleichen Temperierkreis. Durch die Verwendung von zwei Standard-Temperiergeräten lassen sich bei dieser Lösung laut HB-Therm Anlagenbeschaffungskosten sparen, zudem können die Geräte flexibel für andere Temperieraufgaben eingesetzt werden.

Schnelle Werkzeugwechsel und möglichst lange Wartungsintervalle stehen auf der Wunschliste vieler Spritzgießfertiger. Wie Temperiersysteme dazu beitragen können, schildert Engel: Der um eine Funktion erweiterte elektronische Temperierwasserverteiler des Unternehmens erlaubt das automatisierte, sequentielle Ausblasen der Verteilerkreise im Werkzeug. So werde „sichergestellt, dass Wasser und gegebenenfalls in den Temperierkanälen vorhandener Schmutz vor der Entnahme des Werkzeugs beziehungsweise  Werkzeugeinsatzes vollständig entfernt werden“. Beim Einbau der Werkzeuge wiederum gewährleistet die neue Funktion gemäß Engel eine optimale Entlüftung der Temperierkanäle. Ggegenüber dem manuellen Vorgehen spare dieser automatisierte Prozess nicht nur Zeit, sondern reduziere auch das Risiko, dass nicht alle Kanäle gleichmäßig mit Druckluft durchströmt werden und Restwasser in den Kanälen verbleibt.

Einen weiteren verfahrenstechnischen Trend spricht Regloplas an: „Komplexe Spritzgußwerkzeuge erfordern eine exakte Steuerung der Heizkreise, wozu meist eine entsprechende Anzahl Temperiergeräte eingesetzt wird“, merkt das Unternehmen an. Weil die vielen Geräte Platz und komplexe Schlauchführungen erfordern, böten Mehrfachverteiler mit Durchflussregelung oder Impulskühlung hier eine energieeffiziente, platz- und kostensparende Lösung.

Trends in der Regelungstechnik

In puncto Regelungstechnik sieht E. Braun, Kammerstein, einen Trend zur vermehrten Datenerfassung für die Unterstützung bei Servicetätigkeiten und der präventiven Wartung. Seico Heizungen, Langenhagen, verweist in diesem Themenumfeld auf die Vorteile einer standardisierten SPS zur Sicherstellung der weltweiten Verfügbarkeit von Ersatzteilen und der prozessübergreifenden Regelung.

Engel Austria, Schwertberg, Österreich, verweist auf sein intelligentes Assistenzsystem, das „den Temperierprozess dynamisch und selbstständig anpasst“ und so „die Prozessbedingungen konstant“ hält. Dabei werden wahlweise die Durchflussmengen oder die Temperaturdifferenzen in allen Einzelkreisen aktiv ausgeregelt. „Im klassischen Temperierprozess ist der Durchfluss statisch“, erklärt Engel, „ändert sich in einem Temperierkanal etwas, zieht das Änderungen in den anderen Kanälen nach sich und es kommt zu einer ungleichmäßigen Wasser- und Temperaturverteilung.“ Das dynamische System dagegen regele jeden Verteilerkreis einzeln, sodass auch bei Schwankungen im System die thermischen Verhältnisse im Werkzeug konstant blieben.

Ein besonderes Gewicht auf die flexible Austauschbarkeit der Geräte, legt HB-Therm Bei der Ermittlung von Messwerten ergeben sich immer Ungenauigkeiten, denn auch hochgenaue Fühler und Sensoren haben ihre Toleranzen. Bei Temperaturfühlern liegen diese bei +/- 3 °C und bei Drucksensoren bei +/- 0,4 bar“, merkt das St. Galler Unternehmen an. Im Extremfall könne dies dazu führen, dass sich durch den Austausch eines Temperiergeräts die Prozesstemperatur um bis zu 6 °C verändert und dies gegebenenfalls unentdeckt bleibt. Um diese Abweichungen zu eliminieren, werden die Temperiergeräte von HB-Therm ab Werk kalibriert ausgeliefert und können im Betrieb mit einer Prüfvorrichtung nachkalibriert werden.

Laut GWK liegen benutzerfreundliche und intuitive Bedieneinheiten im Trend. „Von Smartphone-Apps gewohnte Darstellungen und Abläufe prägen zunehmend das Bild moderner Gerätebedienungen“, führt das Unternehmen dazu aus und ergänzt: „Inbetriebnahmen mittels Remote Zugriff auf die Steuerung werden in Zeiten von Reisebeschränkungen, insbesondere bei komplexen Temperiersystemen, immer wichtiger.“

Wittmann Technology legt einen Schwerpunkt auf Prozesssicherheit  und Flexibilität und verweist in diesem Zusammenhang auf eine entsprechende Option für seine Temperiergeräte. Sie beinhaltet eine drehzahlgeregelte Pumpe, die dem Anwender laut dem Hersteller Möglichkeiten bietet, den Spritzgießprozess noch differenzierter zu gestalten. Dabei wird eine „präzise Temperaturregelung (Abweichung +/- 0,2 °C) im Werkzeugvorlauf sowie eine permanent parallel dazu laufende Systemdruckregelung in Abhängigkeit von der Vorlauftemperatur“ vorgenommen, was einen kavitationsfreien Betrieb der Pumpe gewährleistet. Die Drehzahl, der Pumpendruck oder die Differenztemperatur lassen sich wahlweise als Regelgrößen vorgeben.

Trends bei der Energieeffizienz

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Der vollautomatische Mediumverteiler ermöglicht die parallele Verteilung der Gesamtdurchflussmenge auf die einzelnen Temperierkanäle. (Bild: Wittmann)

Drehzahlgeregelte Pumpen sind eine oft genannte Option, insbesondere auch, wenn es um das Thema Energieeffizienz geht. Dabei sind aber regeltechnische Zusammenhänge zu bedenken. So lässt sich durch Verändern der Drehzahl der Arbeitsdruck der Pumpe und damit der Stromverbrauch senken. Dies führe aber auch zur Verringerung der Durchflussmenge und somit zu einer höheren Differenztemperatur und zur Störung des thermischen Gleichgewichts, gibt Wittmann zu bedenken. Um einen verringerten Pumpenarbeitsdruck bei gleichbleibender Gesamtdurchflussmenge zu gewährleisten, bietet der österreichische Maschinenbauer einen vollautomatischen Mediumverteiler an, der eine parallele Verteilung der Gesamtdurchflussmenge auf die einzelnen Temperierkanäle ermöglicht.

Auch Engel beschreibt eine Möglichkeit, wie Temperiergeräte automatisch die Pumpendrehzahl an  den tatsächlichen Bedarf anpassen  und somit zur Effiziensteigerung beitragen. Hierzu ermittelt der elektronische Temperierwasserverteiler des Unternehmens kontinuierkich Messwerte und stellt sie den Temperiergeräten zur Verfügung, die durch das bereits erwähnte Assistenzsystem über OPC UA in die Steuerung der Spritzgießmaschinen integriert sind.

Energieeffizienz bleibt für alle Hersteller ein eminent wichtiges Thema, allein schon deshalb, weil rund 40 % der für die Produktion eines Kunststoffteils aufgewendeten Energiemenge in die Temperierung fließt. Der bestehende Trend zu höherer Effizienz bei Heizungen und Pumpen verstärke sich noch, stellt GWK fest. Nicht zuletzt auch durch die vermehrte Nutzung von Fördermitteln könnten sich Investitionen in nachhaltige Technologien für den Anwender zum Teil in weniger als zwei Jahren amortisieren, hebt das Unternehmen hervor. Und HB-Therm rät: „Um eine nachhaltige Energieeffizienz im Betrieb von Temperiergeräten zu erreichen, muss zunächst die Dimensionierung der Gerätepumpe stimmen“. Neben dem Einsatz drehzahlgeregelter Pumpen können HB-Therm zufolge auch externe Durchflussmesser den Energieverbrauch reduzieren. „Durch die Zusammenfassung mehrerer Temperierkreise mit gleichem Temperaturniveau“, nennt das Unternehmen eine weitere Möglichkeit, „können Einzelgeräte effektiv substituiert und an anderer Stelle eingesetzt werden.“ Eine Parallelschaltung verschiedener Temperierkreise, betont auch Wittmann Technology, erlaube eine Senkung des Arbeitsdrucks, um den erforderlichen Volumensstrom zu erzeugen, womit eine Redimensionierung der Pumpe möglich werde.

„Der Einsatz von Frequenzumformern mit energieeffizienten IE4 Motoren erlaubt es, in Kombination mit Mehrfachverteilern hocheffiziente Temperierlösungen zu erarbeiten“, merkt zudem Regloplas an und ergänzt: „Gepaart mit Durchfluss-, Delta-T- oder Druckregelungen kann so ein Arbeitspunkt im Produktionsprozess ermittelt werden, der sehr große Energieeinsparungen ermöglicht.“ In puncto Überwachung weist Wittmann Technology auf seine neue parallele Mehrkreis-Durchfluss-Überwachungseinheit hin, die eine wartungsfreie Durchflussmessung für Wasser als Temperiermedium und die Arbeit mit möglichst geringem Pumpendruck erlaube.

Nicht zu unterschätzende Effizienzfaktoren sind laut HB-Therm zudem optimal aufbereitete Wärmeträger und stets saubere Temperierkanäle. Oft werde auch viel mehr Wärmeträger temperiert als eigentlich notwendig, weshalb gemäß HB-Therm tanklose Geräte die wirtschaftlichere Alternative sind.

Trends bei der Reinraumfähigkeit

„In Zeiten der Covid-19-Pandemie werden häufiger Temperiergeräte mit Reinraumtauglichkeit nach den ISO Klassen 7, oder sogar 6 gefordert“, stellt GWK fest. Bei einigen Geräteserien am Markt würden diese Forderungen bereits mit Serienausführungen erfüllt. Für den Einsatz im Reinraum prädestiniert sind die bereits erwähnten (ölfreien) Geräte mit dem Temperiermedium Wasser. HB-Therm zum Beispiel bietet Wasser-Temperiergeräte mit der Zusatzausrüstung „Reinraumpaket“ an. Dieses umfasst, neben dem standardmäßigen geschlossenen Temperierkreis, faserfreie Isolationen, abriebfeste PUR-Laufrollen sowie eine Hochglanzlackierung Emissionen und damit die Partikelkontamination unter den erforderlichen Grenzwerten gehalten.

ist Chefredakteur Plastverarbeiter. ralf.mayer@huethig.de

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