Temperierung von Spritzgiessformen

Bei der Herstellung von Spritzgiessteilen aus Kunststoffen hat die Formtemperatur einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität der Teile und die Zykluszeit. Somit hat die optimale Temperierung bei der Verarbeitung von Thermoplasten auch einen direkten Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit der Produktion. Dieser Artikel erklärt, wie Temperiersysteme arbeiten und welchen Nutzen sie mitbringen.

Die Qualität von Spritzgiessteilen hängt massgeblich davon ab, wie gut die thermischen Bedingungen in der Maschine beherrscht werden. Dazu zählt neben der Zylinder- und Schneckentemperatur die Wärmebilanz der Spritzgiessform. Die Formtemperierung leistet dabei zwei Aufgaben:

  • Aufheizen der Form auf Betriebstemperatur
  • Halten der Form auf Betriebstemperatur

Wärmebilanz der Spritzgiessform
Der Spritzgiessform wird zyklisch Wärme durch das eingespritzte Material zugeführt. Die Wärme wird durch Wärmeleitung im Material und im Formstahl abgeführt hin zur Oberfläche des Temperierkanals. Dort wird die Wärme durch Wärmeübergang an den zirkulierenden Wärmeträger (Wasser oder Öl) abgegeben. Das Temperiergerät führt die Wärme des Wärmeträgers ab und bringt das gekühlte Medium zurück in den Kreislauf.

Einfluss der Temperierung auf die Spritzgiessteile
Die gute Beherrschung der thermischen Vorgänge lässt sich direkt an der gleichmässig hohen Qualität der Spritzgiessteile und einer optimierten Zykluszeit ablesen. Denn die Formtemperatur beeinflusst Oberflächengüte, Schwindung, Verzug und Fliessfähigkeit des Materials. Zur Verdeutlichung einige Beispiele:

  • Einfallstellen und Lunker sind oft typisch bei zu heissen Formen
  • Glanzunterschiede treten auf, wenn die Formtemperatur zu hoch wird
  • Verzug kann auftreten bei einer ungleichmässigen Formtemperaturverteilung oder bei zu hohen Temperaturdifferenzen zwischen Material und Form
  • Freistrahlbildung kann entstehen, wenn die Formtemperatur zu niedrig ist

Die gleichmässige und angepasste Regelung der Formtemperatur verringert derartige Spritzfehler auf ein Minimum.

Ein Temperiersystem besteht aus den drei Komponenten Form, Temperiergerät und Wärmeträger. Damit sie optimal miteinander arbeiten, müssen bestimmte Bedingungen erfüllt werden.

Die Form selbst benötigt eine ausreichende Temperierkanaloberfläche und nicht zu kleine Kanalquerschnitte. Zu kleine Querschnitte führen zu einem höheren Druckabfall in der Form. Das erfordert Temperiergeräte mit teureren Pumpen, die den nötigen höheren Förderdruck aufbringen können. Hier bietet sich deutliches Einsparpotenzial. Wichtig ist zusätzlich, dass der Wärmeträger nur geringe Temperaturdifferenzen zwischen Eintritt und Austritt in die Form aufweist. Idealerweise liegt die Differenz bei maximal 3 °C.

Eine optimierte Auslegung minimiert das Auftreten einer Vielzahl von Spritzfehlern. Zugleich lassen sich kürzere Zykluszeiten und damit eine bessere Produktivität erreichen. Ein Beispiel: Mit jedem Grad Celsius Temperaturerhöhung in der Form verlängert sich die Kühlzeit im Schnitt um ca. 2 Prozent.

Beide Effekte zusammen senken spürbar die Produktionskosten.

Das Temperiergerät muss die Formtemperatur in engen Grenzen führen. Je nach Material und Bauteil sind das zwischen 5 und 20 °C. Dafür ist eine optimale Regelung nötig, verbunden mit einer gut abgestimmten und ausreichenden Heiz-, Kühl- und Pumpenleistung.

Der Wärmeträger soll unter anderem gute Wärmeübertragungseigenschaften aufweisen, um in kurzer Zeit grosse Wärmemengen abführen zu können.

Wasserkühlung ist wirtschaftlich
Kurz gesagt gilt: Da Wasser bessere Wärmeübertragungseigenschaften hat als Öl, sollten solche Temperierungen bevorzugt werden. Sofern keine besonderen Gründe dagegen sprechen, ist das bei Formtemperaturen bis 90 °C möglich. Zwischen 90 und 250 °C können Druckwassergeräte eingesetzt werden. Bei Temperaturen über 90 bzw. 250 °C kommt Öl als Wämeträger zum Einsatz.

Beim der Wahl des Temperiergerätes für das Spritzgiessen legen folgende Kriterien das Leistungsprofil des Temperiersystems fest:

AngabeZweck
verarbeitetes Material Formtemperatur
Formgewicht & Aufheizzeit Wärmeträger
verarbeitete Menge pro Zeiteinheit Kühlleistung
Termperaturgefälle über der Form  Fördermenge
Druck- und Durchflussverhältnisse in der Form Förderdruck der Pumpe

 

Was leistet das Temperiergerät?
Die Temperaturen in der Form sind örtlich verschieden. Zudem ändern sie sich periodisch mit dem Spritzzyklus. Für die Qualität des Spritzgiessteils ist es sehr wichtig, dass gerade das Niveau der sich periodisch ändernden Temperatur über der gesamten Kavität gleich bleibt.

Das Temperiergerät sorgt während der Produktion dafür, dass die minimale und die maximale Formwandtemperatur konstant eingehalten werden. Ausserdem kontrolliert das Temperiersystem, dass dieses Temperaturband nicht nach oben oder unten abdriftet. Dafür stehen drei Regelungsarten zur Verfügung:

  1. Regelung der Mediumstemperatur
    Diese Methode wird am häufigsten eingesetzt. Die Regelgenauigkeit ist in vielen Fällen ausreichend.
  2. Regelung der Formtemperatur
    Dazu wird ein Temperaturfühler eingebaut. Die Methode ist notwendig, wenn die Konstanz der Formtemperatur in besonders engen Grenzen geführt werden muss.
  3. Kaskadenregelung
    Diese Methode kombiniert die beschriebenen Regelungsarten und verbessert die Temperaturführung in der Form nochmals.

Wer Temperiergeräte richtig einsetzt, schöpft die Vorteile der Technik aus und arbeitet wirtschaftlich in allen Phasen des Produktionsprozesses:

  • Bei Produktionsbeginn ist die Form bereits auf Produktionstemperatur. Das reduziert den Ausschuss beim Anfahren.
  • Während der Produktion senkt die richtige Temperierung Ausschuss, der sonst beispielsweise durch Verzug, Lunker, Schlieren oder schlechtes Formfüllverhalten auftreten würde.
  • Nach Produktionsunterbrechungen ist der reguläre Produktionsrhythmus schneller wieder erreicht.

Insgesamt profitiert der Verarbeiter von einer höheren Qualität der Spritzgiessteile. Erzielt werden bessere Oberflächen und spannungsarme Teile, die in engen Toleranzen produziert werden können. Auf diese Weise minimierter Ausschuss senkt Aufarbeitungs-, Abfall- und Materialkosten.

Temperiergeräte arbeiten mit einem geschlossenen Wasserkreislauf statt mit Frischwasser. Probleme mit Verkalkung oder Verkeimung werden auf ein Minimum gesenkt — das hält Unterhalts- und Reparaturkosten in Schach. Darüber hinaus sorgt ein balanciertes Temperaturprofil in der Form für einen geringeren Formverschleiss.

Alle Faktoren zusammen genommen ermöglichen in der Praxis eine deutliche Kostenersparnis bei gleichzeitig hochwertigen Bauteilen.