Grundlagen und Vorteile der Temperaturkontrolle beim Druckguss
Für die Qualität von Druckgiessteilen spielt der Wärmeabfluss aus der Schmelze eine wichtige Rolle. Eine giesstechnisch nicht optimale Formtemperatur ist sogar die grösste primäre Fehlerquelle im Prozess. Der Einsatz von Temperiergeräten sollte folglich die entscheidende erste Massnahme bei der Prozessoptimierung sein. Dieser Artikel erklärt, wie die Geräte arbeiten und welchen Nutzen sie mitbringen.
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Wärmebilanz der Druckgiessform
Während eines Zyklus wird genau die Wärmemenge aus der Form an die Umgebung abgegeben, die durch die Schmelze bis zum Entformen eingebracht wird. Die vom Wärmeträger aufgenommene Wärmemenge wird über das Temperiergerät abgeführt. Zusätzliche Wärmeabfuhr geschieht durch Strahlung, Wärmeübergang an die Luft und Wärmeleitung in die Aufspannplatten.
Aufgabe der Formtemperierung
Die Formtemperatur ist wichtig für den Wärmeabfluss aus der Schmelze, für die Formfüllung und die Erstarrung des Druckgiessteils. Verschiedene Faktoren wie Schmelzetemperatur und Füllzeit haben zudem einen Einfluss auf die Teilequalität. Die Erfahrung jedoch zeigt, dass ein sehr hoher Anteil des Ausschusses primär auf ungeeignete Formtemperaturen zurückgeht. Um das zu verhindern leistet das Temperiergerät
- Aufheizen der Form auf Betriebstemperatur
- Halten der Form auf Betriebstemperatur
Wird die Temperierung ideal eingestellt, macht sich das durch optimale Zykluszeiten, eine hohe Standzeit der Form und einer gleichmässig hohen Qualität der Druckgiessteile sprichwörtlich bezahlt.
Die Beherrschung der thermischen Vorgänge beim Druckgiessverfahren ist Voraussetzung für eine gleichmässig hohe Qualität der Teile. Stimmt die Formtemperatur nicht, macht sich das sofort an der Bauteilqualität bemerkbar. Einige typische Beispiele aus der Praxis:
Zu hohe Formtemperatur
Sind die Teile schlecht entformbar, weil sie deformiert sind oder an der Form kleben, ist vielfach eine zu hohe Formtemperatur dafür verantwortlich. Als Abhilfe wird oft mehr Trennmittel eingesprüht. Das wirft allerdings zusätzliche Probleme auf: Die Porenbildung im Gussteil verstärkt sich. Zugleich verbrennt das Trennmittel auf der Formoberfläche, sodass die Trenneigenschaften verloren gehen.
Typisch für zu hohe Formtemperaturen sind ebenfalls längere Zyklen und starker Formverschleiss. Schwindungslunker und schlechte Masshaltigkeit sorgen für unnötigen Ausschuss, was sich in schlechter Produktivität niederschlägt.
Zu tiefe Formtemperatur
Zu kalte Formwände beeinträchtigen ebenfalls die Schmierwirkung des Sprühmittels. Mehr davon einzusetzen hilft nicht, da die Substanz grundsätzlich nicht richtig von der Formoberfläche adsorbiert wird. Auch treten hier schlechte Masshaltigkeit und vor allem unvollständige Formfüllung auf. Nach Produktionsunterbrechungen ist dieser Effekt besonders stark.
Durch Wärmeschocks beim Materialeintrag verkürzt sich die Haltbarkeit der Form, was erhöhte Wartungskosten mit sich bringt. Qualitätseinbussen können zusätzlich auftreten durch vorzeitige Erstarrung der Schmelze, Schlierenbildung oder Materialüberlappung.
Abhilfe: Temperaturregelung anpassen
Solche Effekte können bei allen Legierungen auftreten. Je nach Legierung sind sie jedoch unterschiedlich ausgeprägt. Eine Temperiertechnik, die dem Prozess optimal angepasst ist, minimiert solche kostenintensiven Auswirkungen auf ein Minimum.
Ein Temperiersystem besteht aus den vier Komponenten
- Temperierkanalsystem in der Form
- Temperiergerät
- Wärmeträger
- Verbindungen Gerät-Form
Damit sie optimal miteinander arbeiten, müssen verschiedene Bedingungen erfüllt werden.
Die Form selbst benötigt eine ausreichende Temperierkanaloberfläche sowie Kanalquerschnitte, die so gross wie möglich dimensioniert werden. Das ist notwendig, um die Druckverluste in der Form niedrig zu halten. Somit genügt in der Regel eine Standardpumpe im Temperiergerät. Etwaige Mehrkosten beim Formenbau werden durch kürzere Zykluszeiten und bessere Teilequalitäten mehr als ausgeglichen.
Das Temperiergerät muss die Formtemperatur durch eine optimale Regelung in engen Grenzen führen. Dazu müssen Heiz-, Kühl- und Pumpenleistung auf die jeweiligen Anforderungen abgestimmt werden.
Der Wärmeträger soll gute Wärmeübertragungseigenschaften aufweisen, um in kurzer Zeit grosse Wärmemengen abführen zu können. Bevorzugt ist der Betrieb mit Wasser, da es im Vergleich mit Öl einen deutlich besseren Wärmeübergang sicherstellt. Bei Arbeiten mit Öl spielt die grosszügige Dimensionierung der Temperierkanäle eine wichtige Rolle, um den Faktor auszugleichen.
Die Verbindungsleitungen zwischen Gerät und Form brauchen den richtigen Querschnitt und eine gute Wärmeisolation. Der Querschnitt der Zuleitungen sollte dem Anschluss für Vor- und Rücklauf entsprechen. Sonst kommt es zum Druckabfall und die Zuleitung schafft nicht die Mengen Wärmeträger, die in der Form tatsächlich benötigt werden. Damit würde man unnötig Produktivität und Teilequalität senken.
Beim der Wahl des Temperiergerätes legen folgende Kriterien das Leistungsprofil des Temperiersystems fest:
| Angabe | Zweck |
| verarbeitetes Material | Formtemperatur |
| Formtemperatur | Wärmeträger (Wasser / Öl) |
| Formgewicht & Aufheizzeit | Heizleistung |
| verarbeitete Menge pro Zeiteinheit | Kühlleistung |
| Temperaturgefälle über der Form | Fördermenge |
| Druck- und Durchflussverhältnisse in der Form | Förderdruck der Pumpe |
Das Temperiersystem hält die Vorwärmtemperatur der Form während der Produktion konstant und begrenzt zugleich die maximale Oberflächentemperatur. Es sorgt dafür, dass das Differenzband dieser beiden Temperaturen während der Produktion nicht nach oben oder unten driftet. Dafür stehen drei Regelungsarten zur Verfügung:
- Regelung der Mediumstemperatur
Diese Methode wird am häufigsten eingesetzt. Die Regelgenauigkeit ist in vielen Fällen ausreichend. - Regelung der Formtemperatur
Dazu wird ein Temperaturfühler eingebaut. Die Methode ist notwendig, wenn die Formtemperatur in besonders engen Grenzen geführt werden muss und ein vollautomatischer Betrieb verlangt wird. - Kaskadenregelung
Diese Methode kombiniert die beschriebenen Regelungsarten und verbessert die Temperaturführung in der Form nochmals.
Richtig ausgelegte Temperiergeräte bieten zahlreiche Vorteile für die Produktion. Gezielt eingesetzt, helfen sie auf verschiedenen Ebenen, den Produktionsprozesses wirtschaftlich zu führen.
Erhöhte Formlebensdauer
Eine gleichmässige Wärmeverteilung sorgt für erheblich längere Formstandzeiten. Spannungsrisse durch örtliche Überhitzung werden vermieden; auch Kerne überhitzen nicht. Wartungsintervalle verlängern sich, sodass Wartungskosten und Ausfallzeiten auf ein Minimum gesenkt werden.
Niedrigere Produktionskosten
Hinzu kommen kürzere Aufheizzeiten sowie ein geringer Trennmittelverbrauch. Beim Einsatz von Wärmeträgeröl gibt es kein Verkalken und Korrodieren der Temperierkanäle.
Höhere Produktivität
Schnelles und gezieltes Aufheizen vor Produktionsbeginn sorgt für kurze Vorbereitungszeiten und kleinstmöglichen Ausschuss beim Anfahren. Nach Unterbrechungen läuft der Prozess schnell wieder stabil, da die Form warm gehalten wird. Eine automatische Temperaturregelung sorgt bei Bedarf für einen vollautomatischen Betrieb und macht die Regelung unabhängig von der Erfahrung des Bedienpersonals.
Höhere Qualität
Richtig eingesetzt gewährleisten Temperiergeräte qualitativ hochwertige Giessteile. Konstante und hohe Masshaltigkeit sind ebenso Standard wie die reduzierte Schwindungsrisse und eine saubere Oberfläche der Giessstücke. Temperiergeräte sparen also deutlich Kosten durch geringeren Ausschuss, weniger Unterhalts- und weniger Reparaturkosten.