Mit Impulskühlung die Zykluszeit verkürzen?

Transkript

1 Mit Impulskühlung die Zykluszeit verkürzen? FEM-Berechnungen zeigen keinen signifikanten Unterschied zur kontinuierlichen Temperierung Andreas Kessler und Hans-Joachim Pitz, Ludwigshafen Von einer deutlichen Verkürzung der Zykluszeit ist bereits die Rede, über die tatsächliche Wirksamkeit der Impulskühlung diskutiert die Fachwelt jedoch seit längerem kontrovers. Dieser Beitrag beleuchtet auf Basis rechnerischer Simulation (FEM) die tatsächlichen Vorgänge im Werkzeug und stellt die Impulskühlung der kontinuierlichen Temperierung gegenüber. berechnet und einander gegenübergestellt. Anforderungen und prinzipielle Unterschiede Bild 1. Temperaturverläufe im Einfahrvorgang für ein PA 6.6 mit 2 mm Formteildicke (FEM-Berechnung) bei Verwendung einer kontinuierlichen Temperierung mit 39 C Vielen Spritzgießern stellt sich die Frage, ob sie ihre Werkzeuge von kontinuierlicher Kühlung auf Impulskühlung umrüsten sollen, da in der Branche über Kühlzeiteinsparungen durch diese Technik berichtet wird. Beim Spritzgießen thermoplastischer Kunststoffe bestimmt die Auslegung des Kühlsystems maßgeblich die Kühlzeit und die Qualität der gespritzten Formteile. Das Kühlsystem muss so ausgelegt sein, dass die durch die Kunststoffschmelze in das Spritzgießwerkzeug eingebrachte Wärmemenge in möglichst kurzer Zeit abgeführt wird, ohne dass die für den jeweiligen Kunststoff geforderte Temperatur der Kavitätsoberflächen unterschritten wird. In der Regel wird dies durch einen kontinuierlichen Kühlmittelfluss mit konstanter Temperatur realisiert. Zunehmend häufiger trifft man auf Systeme, bei denen der Kühlmittelfluss pulsweise gesteuert wird, um so die Kühlung besser an den Prozess anpassen zu können und eine schnellere Wärmeabfuhr zu ermöglichen [1-4]. Anbieter und Anwender der so genannten Impulskühlung verweisen dabei auf deutliche Kühlzeitreduzierungen, die in Einzelfällen über 30 % betragen können [5]. Kritiker dieser Methode glauben jedoch nicht an eine derartig hohe Ersparnis an Kühlzeit durch die Impulstechnik und verweisen darauf, dass mit jeder Art der Kühlung/Temperierung eine deutliche Reduzierung der Zykluszeit erzielt werden kann, wenn der Kühlprozess nur einmal analysiert und optimiert wird [6]. Aus diesem Grund wurden in den hier vorgestellten Untersuchungen die Temperaturverhältnisse im Werkzeug bei herkömmlicher kontinuierlicher Temperierung und bei Impulskühlung mit der Methode der Finiten Elemente (FEM) Beim Spritzgießen thermoplastischer Kunststoffe wird die Wirtschaftlichkeit des Prozesses wesentlich durch die Temperatur der formgebenden Werkzeugoberfläche beeinflusst. Eine zu hohe Werkzeugoberflächentemperatur führt zu unnötig langen Kühlzeiten. Dagegen kann die Kühlzeit nicht beliebig durch ein Absenken der Werkzeugoberflächentemperatur reduziert werden, da zu kalte Oberflächen deutliche Qualitätsverluste am Formteil nach sich ziehen können [7, 8]. Daraus kann als Ziel für eine wirtschaftliche Prozessführung abgeleitet werden, dass die Werkzeugoberflächentemperatur genau so niedrig eingestellt werden muss, dass die erzielte Formteilqualität gerade noch ausreicht. Bei der kontinuierlichen Temperierung wird mit einem konstanten Temperiermittelstrom bei konstanter Vorlauftemperatur gearbeitet. Die Vorlauftemperatur sollte so eingestellt werden, dass die Werkzeugoberfläche zu Beginn der Zyklen immer diese Solltemperatur erreicht. Der Einfahrvorgang bis zum Erreichen stationärer Zyklen für ein PA 6.6 mit einer Formteildicke von 2 mm ist in Bild 1 dargestellt. An diesem Beispiel ist zu erkennen, dass sich nach einigen Zyklen bei einer Kühlmitteltemperatur von 39 C die für diesen Kunststoff empfohlene Werkzeugoberflächentemperatur von 60 C einstellt. 52 Carl Hanser Verlag, München Jahrg. 92 (2002) 11

2 Bild 2. Temperaturverläufe im Einfahrvorgang für ein PA 6.6 mit 2 mm Formteildicke (FEM-Berechnung) bei Verwendung einer Impulskühlung mit einer Kühlwassertemperatur von 23 C Bei der Impulskühlung wird die Werkzeugtemperatur an einer Stelle im Werkzeug gemessen und bei einem deutlichen Anstieg (Einspritzvorgang) ein Ventil geöffnet, so dass kaltes Kühlwasser durch das Werkzeug strömt. Hat die Werkzeugwandtemperatur einen bestimmten Wert erreicht, schließt das Ventil, und das Wasser verbleibt in den Kanälen im Stillstand, bis der nächste Impuls ausgelöst wird [5]. In Bild 2 ist der Einfahrprozess des Werkzeugs bei Verwendung der Impulskühlung dargestellt. Es ist zu sehen, dass in diesem Beispiel (PA 6.6 mit 2 mm Formteildicke) drei Zyklen benötigt werden, um das Werkzeug auf Betriebstemperatur zu bringen. Dann setzen die Kühlimpulse ein, so dass die gewünschte Werkzeugoberflächentemperatur von 60 C am Zyklusbeginn erreicht wird. Schon zwei Impulse später stellt sich ein stationärer Zyklus ein. Die Idee hinter der Impulskühlung ist die starke Abkühlung der heißen Schmelze im ersten Teil des Zyklus mit kälterem Wasser und die reduzierte Kühlung durch Wasserstillstand im späteren Teil des Zyklus. So soll eine Unterkühlung des Werkzeugs vermieden werden. Das Experiment am Computer Formteildicke Abstand Temperierkanal/Werkzeugoberfläche Temperierkanaldurchmesser Werkzeugtiefe Abstand Mittelpunkt der Temperierkanäle Bei einem exakten Vergleich der kontinuierlichen Kühlung mit der Impulskühlung müssen die zeitlichen Temperaturverläufe im Formteil einander gegenübergestellt werden. Experimentell ermittelte Zykluszeiten können nur einen subjektiven Test darstellen, da die Kriterien zur Bestimmung der Entformungszeit kaum messbar sind. Werden die Versuche hingegen rechnerisch simuliert, stehen die Temperatur-Zeit-Verläufe im Formteil für den Vergleich zur Verfügung. Als Entformungskriterium kann so das Erreichen einer Entformungstemperatur in der Formteilmitte verwendet werden. Für die FEM-Berechnung wurde unter Ausnutzung der Symmetrien ein repräsentativer Werkzeugabschnitt eines plattenförmigen Bauteils modelliert (Bild 3). Die Berechnung des Abkühlvorgangs erfolgte unter folgenden Annahmen: V Als Anfangsbedingung pro Zyklus ist die Kunststoffmassetemperatur konstant. V Unendlich guter konvektiver Wärmeübergang α für das strömende Kühlmedium: Dies ergibt einen geringen Kühlzeitvorteil für die Impulskühlung. s = 1 mm, 2 mm und 4 mm δ = 16,5 mm d = 9 mm l = 50 mm 2b = 18 mm Tabelle 1. Für die Berechnung des Abkühlvorgangs verwendete Abmessungen V Während der Nebenzeit kühlt die Werkzeugoberfläche nach der Entformung an der Luft ab. V Berechnungen wurden über mehrere Zyklen durchgeführt, bis sich ein stationärer Zyklus einstellt. V Der Wärmeaustausch mit der Aufspannplatte (untere Kante in Bild 3) blieb unberücksichtigt, da hier eine sehr gute Isolierung vorausgesetzt wurde. Für die Berechnung wurden die in Tabelle 1 aufgeführten Abmessungen verwendet (vgl. Bild 3). Die für die Berechnung benötigten Werkstoffkennwerte sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Die Wärmeleitfähigkeit und die spezifische Wärmekapazität sind in der Praxis temperaturabhängige Größen, werden in der Berechnung aber als konstant angenommen. Die mit der FEM berechneten Kühlzeiten können daher nicht genau auf die Bild 3. Modell des Spritzgießwerkzeuges und Detailabbildung des FE-Netzes (s: Formteildicke, δ: Abstand Temperierkanal/Werkzeugoberfläche, d: Temperierkanaldurchmesser, l: Werkzeugtiefe, 2b: Abstand Mittelpunkt der Kühlkanäle Realität übertragen werden. Für eine vergleichende Betrachtung ist der entstehende Fehler jedoch unerheblich. Auf die Oberflächentemperaturen kommt es an Der Vergleich der beiden Kühlverfahren muss bei gleichen Bauteilqualitäten stattfinden. Es müssen also bei beiden Verfahren gleiche Werkzeugoberflächentemperaturen am Zyklusende (= Zyklusanfang) vorliegen. Dies ist nur möglich, wenn zuvor die Betriebsparameter bestimmt werden. Für die kontinuierliche Kühlung wurden die notwendigen Vorlauftemperaturen er- Jahrg. 92 (2002) 11 53

3 Massetemperatur ϑ M Werkzeugoberflächentemperatur ϑ W Entformungstemperatur ϑ E mittelt, um für das betrachtete Beispiel die Werkzeugoberflächentemperatur von 60 C zu Beginn des Zyklus zu erreichen. In Bild 4 sind beispielhaft für ein ABS-Teil der Dicke 1 mm die Temperaturverläufe für folgende zwei Fälle dargestellt: 1. Die Vorlauftemperatur ist identisch mit der Soll-Werkzeugoberflächentemperatur (rot). 2. Die Werkzeugoberflächentemperatur wurde so gewählt, dass an jedem Zyklusbeginn die Soll-Werkzeugoberflächentemperatur (60 C) erreicht wird. Die richtige Werkzeugoberflächentemperatur erfordert eine Absenkung der Vorlauftemperatur auf 46,5 C, liefert aber gleichzeitig eine wesentliche Verkürzung der Zykluszeit. An dieser Darstellung erkennt man: Bei Verwendung der empfohlenen Werkzeugoberflächentemperaturen als Vorlauftemperaturen ergeben sich unnötig lange Kühlzeiten. Bild 5 stellt den Einfluss von Produkten und Wanddicken auf die Werkzeugoberflächentemperatur bei Zyklusbeginn für konstante Vorlauftemperaturen dar. Erwartungsgemäß konvergieren beide Temperaturen mit zunehmender Wanddicke. Die optimierte Variante der Impulskühlung ergibt sich, wenn die beiden Parameter Impulsdauer und Kühlmitteltemperatur so gewählt werden, dass sich die kürzeste Kühlzeit einstellt. Der Vergleich der Temperaturverläufe in Bild 6 zeigt, dass es nahezu unerheblich ist, ob ein kurzer kalter Impuls oder ein längerer etwas wärmerer Impuls verwendet wird. Der Wärmetransport durch den Werkzeugstahl ist zu träge, um wesentliche Unterschiede sichtbar werden zu lassen. Dies gibt schon den ersten Hinweis auf das spätere Ergebnis. PA 6.6 ABS Werkzeugstahl Wasser (nur für Impulskühlung benötigt) Dichte ρ [g/cm 3 ] 1,154 1,056 7,9 1 Spez. Wärmekapazität c [J/(kg K)] Wärmeleitfähigkeit λ [W/(m K)] Tabelle 2. Werkstoffkennwerte für die FEM-Berechnung ,23 0, ,598 Kaum Vorteile für die Impulskühlung Eine Gegenüberstellung der optimierten Impulskühlung und der optimierten kontinuierlichen Kühlung für einen Zyklus im eingefahrenen Zustand ist in Bild 7 beispielhaft für ein ABS-Teil mit 2 mm Formteildicke dargestellt. Für die Impulskühlung wurde eine Vorlauftemperatur von 37 C bei einer Impulslänge von 1 s verwendet. Obwohl bei der Impulskühlung am Zyklusbeginn deutlich kälteres Wasser durch den Kühlkanal fließt, ist im Vergleich zur kontinuierlichen Kühlung zunächst kein Unterschied in der Werkzeugoberflächentemperatur festzustellen (Bild 7). Durch die Trägheit des Stahls bezüglich des Wärmetransports tritt in diesem Beispiel die erwartete Abkühlung der Werkzeugoberfläche erst mit einer zeitlichen Verzögerung von ca. 3 s auf. Ab diesem Zeitpunkt liegt die Werkzeugoberflächentemperatur bei Impulskühlung etwas unterhalb der bei kontinuierlicher Kühlung. So ergibt sich für die Impulskühlung eine etwas geringere mittlere Werkzeugoberflächentemperatur, was im Resultat zu einer leichten Kühlzeitverkürzung t k führt. Bei Betrachtung der Verzögerungszeit, mit der ein Unterschied in der Werkzeugoberflächentemperatur erkennbar wird, ist auch klar, dass bei sehr dünnen Bauteilen mit extrem kurzen Kühlzeiten kein Einsparungspotenzial vorliegt. Entsprechend sind die Ergebnisse der weite- Bild 4. Vergleich der Temperaturverläufe eines Zyklus im eingefahrenen Zustand zwischen nicht optimierter und optimierter kontinuierlicher Temperierung von ABS mit 1 mm Formteildicke Bild 5. Werkzeugoberflächentemperatur am Zyklusbeginn bei Verwendung der empfohlenen Werkzeugoberflächentemperatur als Vorlauftemperatur 54 Jahrg. 92 (2002) 11

4 der Werkzeugoberfläche von 16,5 auf 6,5 mm reduziert, ergibt sich eine bessere Dynamik des Kühlsystems. Dies wirkt sich positiv auf die Impulskühlung aus, so dass Zeiteinsparungen gegenüber der optimierten kontinuierlichen Temperierung von bis zu 3 % ermittelt wurden. Das Resümee Bild 6. Optimierung der Impulskühlung: Vergleich zwischen kurzem Impuls mit niedriger Temperatur und langem Impuls mit hoher Temperatur ren Berechnungen. Für die beiden untersuchten Materialien und die verschiedenen Formteildicken wurden Kühlzeitreduzierungen von maximal 1,4 % berechnet. Für die mit 1 mm sehr dünnen Formteile wurde überhaupt keine Kühlzeiteinsparung ermittelt. Stichprobenweise wurde untersucht, wie sich eine Verschiebung des Impulses auf der Zeitachse nach vorne und nach hinten auf das Ergebnis auswirkt. Dabei konnte kein signifikanter Einfluss auf die Kühlzeit festgestellt werden. Wird der Abstand der Kühlkanäle von Unter Berücksichtigung der zeitabhängigen Wärmetransportvorgänge im Kunststoff und im Werkzeug konnte rechnerisch kein signifikanter Unterschied in den Kühlzeiten kontinuierlich und impulsweise gekühlter Werkzeuge festgestellt werden. Die Temperaturverläufe an der Werkzeugoberfläche und im Kunststoffteil sind bei beiden Verfahren fast gleich. Der rechnerisch bestimmte Kühlzeitvorteil für die Impulskühlung lag in jedem Fall unter 3 %, teilweise sogar weit darunter. Der Spritzgießer sollte daher zunächst sein vorhandenes Kühlsystem auf die korrekte Werkzeugoberflächen- Jahrg. 92 (2002) 11 55

5 Bild 7. Vergleich der Temperaturverläufe eines Zyklus im eingefahrenen Zustand zwischen Impulskühlung und kontinuierlicher Temperierung von ABS mit 2 mm Formteildicke temperatur hin optimieren, bevor er umrüstet. Wer sich dennoch für die Impulskühlung entscheidet, sollte dies wegen möglicher verfahrenstechnischer Vorteile tun. Eine signifikante Verkürzung der Kühlzeit ist nicht zu erwarten. Literatur 1 Bösche, U., Gipp, O.: Impulskühlung Ein Bericht aus der Praxis, Seminarunterlagen Zykluszeit Kühlzeit, Süddeutsches Kunststoffzentrum, , S. J/1-J/16 2 Kotzab, W.: Auf den Spritzgießzyklus abgestimmt, Plastverarbeiter 52 (2001) 2, S N.N.: Impulse für die Werkzeugtemperierung, Kunststoffberater 11 (2000), S Philipp, H.: Ohne Umwege: Impulskühlung, Kunststoffberater 11 (2000), S N.N.: Optimierte Zykluszeiten durch zyklische Impulskühlung, Informationsschrift der Wieder GmbH International, Schweinfurt, Gries, H.: Kühlen oder temperieren, Kunststoffberater 11 (2000), S Friel, P.: Einfluss der Werkzeugtemperierung auf die Eigenschaften thermoplastischer Spritzgussteile, in: Handbuch der Temperaturregelung mittels flüssiger Medien Regloplas AG, Paul Gordbach, 1986, S Wübken, G.: Einfluss der Verarbeitungsbedingungen auf die innere Struktur thermoplastischer Spritzgussteile unter besonderer Berücksichtigung der Abkühlverhältnisse, Technisch-wissenschaftlicher Bericht des Instituts für Kunststoffverarbeitung an der RWTH Aachen, 1974 Die Autoren dieses Beitrags Dr. Andreas Kessler, geb. 1967, ist seit 1999 als Projektleiter bei der BASF AG, Ludwigshafen, in der Abteilung Engineering Plastics Europe, Application tätig. Kontakt: andreas.kessler@basf-ag.de Dr. Hans-Joachim Pitz, geb. 1957, ist seit 1988 für die BASF tätig. Er ist für den CAE- Service verantwortlich. 56 Jahrg. 92 (2002) 11