So klappt’s mit der Werkzeugtemperierung – auch dauerhaft

Aus der Kernkompetenz „Temperiertechnik für die Kunststoffverarbeitung“ hat sich das Unternehmen E. Braun zu einem Komplettanbieter entwickelt. Das zeigte sich auch auf der Fakuma 2023. Während der Messe standen die Themen zentrale Kühlwasseraufbereitung ohne Chemie, Vermeidung von elektrochemischer Korrosion in der Serie und die Prüfung und Trocknung von Spritzgießwerkzeugen im Vordergrund.

Die Qualität des Kühlwassers zum Abführen der Prozesswärme hat entscheidenden Einfluss auf die Serienfertigung und die Effizienz von Werkzeug und Temperiertechnik. In der Regel wird der Kühlkreislauf mit Stadtwasser befüllt und nachgespeist. Die Wasserwerte unterliegen der Trinkwasserverordnung, korrosive und biologische Inhaltsstoffe sind mit Grenzwerten belegt. Einzig die Härte schwankt bundesweit und muss gesondert betrachtet werden. Angestrebt wird das Aufbereiten des Wassers ohne Zugabe von Korrosionsschutzmitteln und Bioziden. Hierzu wurde eine autarke Wasseraufbereitungsanlage entwickelt, die im Bypass zum Kühlwasser-Vorlauftank installiert wird. Die Anlage besteht aus einer Pumpe in Kombination mit einer Wasserbehandlungseinheit, einem Scheibenfilter und einer UV-Einheit, als Option sind unterschiedliche Sensoren ausstattbar.

Das Aufbereiten ergibt klares Wasser ohne Chemie und Verschmutzungen, dauerhaft stabile Wasserwerte und ist kältetechnikunabhängig. Am Beispiel eines mittelständischen Unternehmens untermauert E. Braun die Wirkung der Wasseraufbereitungstechnik mit Messdaten. Das Unternehmen fertigt mit insgesamt 26 Spritzgießmaschinen Bauteile aus PA, POM, PESU und anderen technischen Kunststoffen. Die Fertigung läuft dabei im Dreischichtbetrieb, mit Produktionspausen an den Wochenenden. Der Kühlkreislauf weist ein Gesamtvolumen von 3,5 m³ auf und wird mit einem Durchsatz von 31 m³/h durch das Kühlsystem gepumpt. Das Rückkühlen erfolgt mit einem geschlossenen Freiluftkühler. Am 25. Oktober 2019 wurde eine Wasseraufbereitungsanlage am Vorlauftank angeschlossen, die das Kühlwasser mithilfe der eigenen Pumpe mit 6 m³/h umwälzt. Mithilfe von Sensoren, die den pH-Wert, elektrische Leitfähigkeit, Temperatur und Redoxpotenzial messen, wurden die Veränderungen im Kühlwasser über einen Zeitraum von 103 Tagen dokumentiert. Der pH-Wert stabilisierte sich innerhalb dieser Zeit auf einen Wert von 8,2. Der Leitwert sank von 1.093 µS/cm auf 435 µS/cm. Ein niedrigerer Leitwert reduziert die Gefahr der elektrochemischen Korrosion. Der RH-Wert, ein Produkt aus Redoxpotenzial und pH-Wert, steigt von 20 auf 27. Je höher der RH-Wert, umso schlechter sind die Bedingungen für das Wachstum von Mikroorganismen im Kühlwasser.

Vier Laboranalysen (siehe Tabelle 1 und Bild 2) des Kühlwassers im Zeitraum vom 12.03.2019 bis 16.10.2020 bestätigen die oben genannten Werte. Zudem zeigen sie eine deutliche Reduzierung der gelösten Metall-Bestandteile wie Aluminium, Kupfer, Eisen und Zink. Der hohe Rückgang bei Molybdän entsteht durch die starke Reduzierung des anfänglich noch verwendeten molybdänhaltigen Korrosionsschutzmittels. Das aktuelle Wasser ist klar und geruchsfrei und erfüllt voll und ganz die Erwartungen des Unternehmens. Der Einsatz von Bioziden ist nicht mehr notwendig, Korrosionsschutzmittel wird nicht mehr zugesetzt.

Der Temperierkreislauf des Werkzeugs wird in der Regel mit Wasser aus dem zentralen Kühlkreislauf befüllt. Die elektrochemische Korrosion im Werkzeug hängt wesentlich von der anwenderspezifischen Situation ab: Handelt es sich um direkte oder indirekte Temperiergeräte, um Dauerläufer oder kleine Losgrößen? Welche Werkzeugstähle sind im Einsatz? Entsprechend können die Temperiergeräte von E. Braun modular für unterschiedliche Zielstellungen ausgestattet werden. Im Fokus stehen dabei die elektrochemische Korrosion bei unterschiedlichen Werkzeugstählen durch eine gezielte Sauerstoffreduzierung zu verhindern, einen kontinuierlichen Wassertausch im Temperierkreislauf in der Serie zu gewährleisten, Schmutzpartikel aus dem Temperiersystem während dem Betrieb zu separieren und eine Entleerung mit Strömungsumkehr und Pulsung beim Abrüsten.

Bei wasserseitig bedingten Korrosionsvorgängen handelt es sich vorwiegend um elektrochemische Prozesse. Folgende Faktoren üben einen entscheidenden Einfluss aus:

• pH-Wert
• Menge gelöster Ionen, vor allem Chloride und Sulfate sowie Metallionen (Leitfähigkeit)
• organische und anorganische Feststoffanteile
• Gehalt an gelösten Gasen, wie O₂ und CO₂

Der letzte Punkt, gelöste Gase, wurde in einem Kooperationsprojekt mit der HTWG – Hochschule Konstanz Technik, Wirtschaft und Gestaltung betrachtet. Dabei wurde untersucht, wie die elektrochemische Korrosion bei unterschiedlichen Werkzeugstählen beeinflusst werden kann, siehe Bild 4. Eine elektrochemische Flächenkorrosion in Werkzeugtemperiersystemen kann verhindert werden. Anwenderspezifisch sind die verwendeten Werkzeugstähle, die eingesetzte Temperiertechnik, die Losgrößen, die Werkzeugtemperaturen und der Verschmutzungsgrad direkt im Temperiersystem zu berücksichtigen.

Korrosion gibt es nicht nur während der Serienfertigung, sondern auch bei der Lagerung der Werkzeuge – entscheidend ist das verbleibende Wasser im Temperiersystem. Das mobile Werkzeug-Prüfgerät (Bild 5) mit den Ausstattungsvarianten Werkzeug- und Prüfdatenhistorie, Durchflussmengen und Dichtigkeitsprüfung, Pulsspülungen mit Strömungsumkehr und Schnittstelle zum zentralen Leitsystem lässt sich zusätzlich mit einer Trocknungstechnik ausstatten. Versuche mit der Trocknungstechnik ergaben gute Ergebnisse, zu berücksichtigen sind jedoch ungünstige Strömungsbedingungen im Temperierkanalsystem. Zudem sollte eine Trocknung individuell nach den Arbeits- und Fertigungsprozessen ausgerichtet werden. Ist beispielsweise eine Trocknung nach dem Abrüsten zu integrieren oder innerhalb einer Werkzeugprüfung, vor der Werkzeuglagerung? Es lässt sich also festhalten, dass für eine dauerhafte Funktion der Werkzeugtemperierung verschiedene Faktoren ausschlaggebend sind. Diese wären:

• Kühlkreislauf – stabile Kühlwasserqualität und geringe Verschmutzung
• Werkzeugtemperierung – keine elektrochemische Korrosion in der Serie
• Werkzeuglagerung – geprüfte und getrocknete Werkzeuge einlagern

Quelle: E. Braun