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Jan 22, 2024

Kühlung von Spritzgussformen: Eine Rückkehr zum Wesentlichen

Bill Tobin | 03.11.2019 Wir lesen und hören viel über „Durchbrüche“ in unserem

Bill Tobin 03. November 2019

Wir lesen und hören viel über „Durchbrüche“ in unserer Branche: Roboter machen Bediener überflüssig; Automatische Zuführsysteme lassen die Maschine niemals austrocknen; Schicke Signalprozessoren und Wandler überwachen jede Mikrosekunde des Formprozesses. Aber sehen wir mit all diesem Spielereien mehr Gewinn und eine Kapitalrendite für das ausgegebene Geld? Nicht wirklich, denn wir waren von der Technologie geblendet und haben die Grundlagen ignoriert.

Kürzlich erhielt ich eine E-Mail von einem Mann, der gerade die Position des leitenden Technikers übernommen hatte. Er wunderte sich über den Einsatz von Kältemaschinen und deren Kosten. Er wunderte sich auch über die Qualität seiner Produkte, als im Einrichtungsplan „Turmwasser“ als Hauptkühlungsquelle für Formen und Maschinen verwendet wurde.

Das Problem mit dem Turmwasser

Kommen wir zunächst zum einfachen, aber oft übersehenen Problem: Turmwasser. Beim Bau einer Formanlage wird zunächst die Anzahl und Größe der Formmaschinen festgelegt und der Strom- und Kühlbedarf berechnet. Sie neigen dazu zu ignorieren, was passiert, wenn zusätzliche Maschinen gekauft werden, da dies durch die „Sicherheitsmargen“ der Originalkonstruktionen abgedeckt ist.

Wärmeaustausch ist notwendig, weil:

Erhitztes Maschinenöl wird direkt aus dem Turm gekühlt. Die Wärme des geschmolzenen Kunststoffs wird zunächst an den Formstahl abgegeben, an die Kühlkreisläufe und dann an den Wärmetauscher der Form (im Allgemeinen Thermolater genannt, obwohl es auch andere Anbieter gibt) und schließlich an die Verdunstungskühlkreisläufe des Turms übertragen.

Die Verdunstungskühlung beruht auf der Verdunstung von Wasser. Dies hängt von der Außentemperatur, der relativen Luftfeuchtigkeit und einer Vielzahl weiterer Variablen ab. Es ist offensichtlich, dass sich bei einer Änderung der Außenluft auch die Temperatur des Turmwassers ändert. Wenn sich die Temperatur des Turmwassers ändert, ändert sich auch die Temperatur Ihrer Form und die Abmessungen und die Qualität Ihrer Teile.

Ein weiterer Grund, das direkte Einfüllen von Turmwasser in Ihre Form zu vermeiden, ist die Bildung von Ablagerungen. Wenn Wasser durch eine Form fließt, haben Sie den perfekten Aufbau für die Elektrolyse, bei der sich die Mineralien im Wasser auf den Wasserlinien ablagern. Bereits eine Kalkablagerung von 1/64 Zoll (0,4 mm) kann die Wärmeübertragungseffizienz einer Wasserleitung selbst bei ausreichendem Durchfluss um 60 % verringern.

Wissenswertes über Wärmeverformungstemperaturen

Erster interessanter Fakt: Die ideale Auswurftemperatur für jedes Formteil liegt bei 80 % der Wärmeformbeständigkeit (HDT) des Materials. Zweiter interessanter Fakt: Wenn Sie sich die Fachliteratur ansehen, ist der HDT-Wert keines thermoplastischen Harzes so niedrig, dass der Wert von 80 % bei Raumtemperatur oder darunter liegt. Es gibt einige praktische Ausnahmen: Dünnwandige Elastomere neigen dazu, sich beim Auswerfen umzustülpen. Wenn Sie die Abmessungen nicht beeinträchtigen und das Teil vor dem Auswerfen „überkühlen“, kann es steif genug sein, um es auf herkömmliche Weise auszuwerfen.

Diese lustigen Fakten werfen eine einfache Frage auf: Wenn das richtig ist, warum brauchen wir dann Kältemaschinen? Sie verwenden einen Kühler, um einer unzureichenden Kühlung in einer Form entgegenzuwirken.

Die meisten Formen verwenden einen Thermolator, um die Formtemperatur aufrechtzuerhalten, damit das Teil möglichst effizient 80 % der HDT erreichen kann. Bedenken Sie, dass Kunststoff ein schlechter Wärmeleiter ist. Die Wärme des Kunststoffs strahlt relativ langsam in den Formstahl ein. Die Wärmeübertragungseigenschaften des Formstahls und des Wassers in den Kühlleitungen sind um ein Vielfaches schneller.

Das schwache Glied in diesem Wärmeübertragungssystem aus Kunststoff, Metall und Wasser ist die Durchflussrate des Wassers. Wenn Wasser gleichmäßig wie ein sanfter Bach fließt, fließt es in Schichten: Dies wird als laminare Strömung bezeichnet. Die Schicht, die mit etwas in Kontakt steht – den Wänden der Wasserlinie oder dem Grund des Baches – wird sehr langsam fließen. Das Wasser an der Spitze des Baches oder in der Mitte der Wasserlinie muss nur an sich selbst vorbeigleiten und muss schneller fließen. Bei laminarer Strömung erfolgt die Wärmeübertragung sehr langsam, da diese stationäre Schicht erwärmt werden muss, bevor die fließenden Schichten sie aufnehmen und aus der Form verlassen können.

Der laminare Strömungseffekt hört auf, wenn die Strömung zunimmt. Es hört auf, in Schichten zu fließen, und beginnt über sich selbst zu stürzen. Dies wird als turbulente Strömung bezeichnet. Da das Wasser in einer Wasserlinie über sich selbst strömt, nimmt es Wärme direkt vom Formstahl auf. Turbulente Strömungen werden mit einer sehr komplexen dimensionslosen Zahl, der Reynolds-Zahl, gemessen, die das Strömungsvolumen, die Größe des Strömungskanals, die Wärme des Wassers und die Viskosität des Wassers verwendet. Anstatt das Kalkül durchzugehen, gilt als Faustregel: 1 Gallone pro Minute (GPM) pro Kreislauf führt in normalen Formsituationen immer zu einer turbulenten Strömung.

Bild: Adobe Stock

Durchflussmesser können Sie günstig erwerben. Schließen Sie sie an und sehen Sie, was Sie haben. Die Ergebnisse könnten Sie überraschen. Hier sind einige Beispiele.

Alter: Thermolatoren und Kühler nutzen sich wie alles andere mit der Zeit ab. Ein Thermolator ist nicht etwas, an dem wir normalerweise Wartungsarbeiten durchführen. Überprüfen Sie zunächst den Ausgangsdruck Ihres Thermolators gemäß der Bedienungsanleitung. In vielen Fällen sind die Pumpen alt, müde und nicht in der Lage, ausreichend Druck zu erzeugen, um die erforderliche Fördermenge von 1 GPM pro Kreislauf zu pumpen. Reparieren, ersetzen oder entsorgen Sie abgenutzte Geräte.

Leitungswiderstand: Machen wir ein Gedankenexperiment: Sie möchten Ihren Vorder- und Hintergarten gleichzeitig bewässern. Sie haben nur einen Wasserhahn vor Ihrem Haus. Mit einem T-Anschluss schließen Sie einen 15-Fuß-Schlauch für den Vorgarten und einen 75-Fuß-Schlauch an, der um Ihr Haus herum und in den Hinterhof führt. An jedem Schlauch werden zwei identische Sprinkler angebracht. Wenn Sie das Wasser einschalten, denken Sie, dass in jeden Garten die gleiche Menge fließt, aber Sie bemerken, dass der Sprinkler im Vorgarten mehr als 25 Fuß in die Luft schießt, während der Sprinkler im Hinterhof nur 1,5 Meter in die Höhe schießt. Sie fragen sich, warum – die gleiche Druckquelle sollte den gleichen Durchfluss haben. Sie haben die Energie vergessen, die nötig ist, um das Wasser durch den längeren Schlauch zu drücken. Wasser wird immer den Weg des geringsten Widerstands wählen. 20-Fuß-Leitungen vom Thermolator bis zur Gussform erfordern eine härtere Arbeit der Einheit und machen Ihr Versorgungsunternehmen nur reicher.

Anschlüsse

Abbildung 1: In der besten aller Welten verfügt jeder Hohlraum über eine individuelle Kühlung mit einem Kreislauf, der zum Hauptmaschinenverteiler führt. Alle Drücke und Flüsse sind gleich.

Die Abbildungen 2 und 3 zeigen vier miteinander verbundene Hohlräume. Der Widerstand jedes Leitblechs erhöht sich beim nächsten, was die Strömung erheblich behindert. Abbildung 2 zeigt eine externe Schleife; Abbildung 3 zeigt eine interne Schleife.

Die Abbildungen 4 und 5 zeigen eine Leiterschleife. Sie können in eine Produktivitätsfalle tappen, wenn sie nicht gut konzipiert ist (eine der Hauptausreden für den Einsatz einer Kältemaschine). Beide Abbildungen vermitteln die Illusion, dass ein Kreislauf nur zwei Hohlräume kühlt. Abbildung 4 zeigt den „Ein“ und „Aus“ am unteren Ende der Leiter. Das ist wie unser Gedankenexperiment. Der Großteil der Strömung kühlt die Hohlräume, die dem Einlass am nächsten liegen. Es wird immer weniger, je weiter man sich vom Ein- und Auslass entfernt. Abbildung 5 zeigt den Einlass unten und den Auslass oben. Während an der Unterseite der Leiter ein hoher Einlassdruck herrscht, herrscht am Auslass auch ein hoher Widerstand, wodurch die Strömung ausgeglichen wird.

Viele Formen werden mit kurzen und langen Schaltkreisen gebaut. Schauen Sie sich die Formenkonstruktionen an und legen Sie die Kreisläufe fest, die in Schleifen ausgeführt werden können, und was nicht dazu führen sollte, dass alle Kreisläufe annähernd die gleiche Durchflussmenge erreichen.

Wie dokumentieren wir Wasserleitungsanschlüsse? Ich habe Fotos (bei mehr als acht Schaltkreisen schwer zu erkennen), Skizzen (schwer zu lesen) und Beschreibungen (manchmal schwer zu machen) gesehen. Die beste Lösung besteht darin, die Wegbeschreibung, die Sie von Ihrem GPS erhalten, der schriftlichen Wegbeschreibung zu entnehmen.

In Abbildung 6 sehen Sie, dass Stromkreis Nr. 1 fünf Schleifen hat, während Stromkreis Nr. 4 ohne Schleifen durchgehend ist. Es ist erstaunlich, wie Techniker glauben, sie könnten sich diese „Wasserlinienkarten“ einprägen. Sie können es nicht.

Ein weiterer „Flow-Killer“ ist so offensichtlich, dass es traurig ist. Wenn Sie mehr als 15 Maschinen haben, besteht eine Chance von mehr als 80 %, dass Sie mindestens einen abgeklemmten Stromkreis finden. Sie haben zwei Stromkreise mit einem zu kurzen Schlauchstück zusammengeschlungen, dabei stark geknickt und eingeklemmt.

Follow-up – Vermeidung häufiger Fehler

Halten Sie beim Aufhängen einer Form eine Aufbauanleitung bereit und beauftragen Sie jemanden:

Wasserliniendurchmesser

Als mir klar wurde, wie albern das klingt, habe ich große Formen gesehen, die mit Wasserleitungen mit einem Durchmesser von ¼ Zoll gekühlt wurden. Die Physik der Reynolds-Zahl und der gesunde Menschenverstand zeigen Ihnen, dass eine Wasserlinie mit kleinem Durchmesser und einem komplexen Weg oder einer mit mehreren einschränkenden Fontänen oder Blasen einen extrem hohen Druck erfordert, um einen Durchfluss von 1 GPM zu erreichen. Eine gute Formgestaltung zeigt Ihnen auch, dass eine Kühlleitung nur innerhalb von drei Durchmessern ihrer Außenwand effizient kühlen kann.

Wenn Sie sich zum Thema Kühlung einer Form nur an eines erinnern können, dann stecken Sie den Mississippi durch die Form. Die Temperatur lässt sich leicht regulieren, aber der Durchfluss bestimmt die Temperatur der Form.

Abschluss

Spritzgießen soll sowohl Spaß machen als auch langweilig sein. Der Spaßfaktor besteht darin, den Prozess zu planen, um alles ins Gleichgewicht zu bringen. All dieser Aufwand sollte erfolgen, wenn Sie die Form zum ersten Mal ausführen/qualifizieren. Wenn Sie Ihre Hausaufgaben richtig gemacht haben, ist es langweilig, sich zurückzulehnen und zuzusehen, wie die Gewinne hereinströmen.

Epilog

Am Ende einiger E-Mails testete und kratzte mein Mann ein paar abgenutzte Thermolatoren. Er ließ den Ingenieur die Prozessblätter und Wasserliniendiagramme klar umschreiben. Er und seine Crew gingen ständig auf die Jagd und fanden eingeklemmte Wasserleitungen.

Die Ergebnisse:

Mit anderen Worten: mehr Gewinn für weniger Arbeit.

Über den Autor

Bill Tobin verfügt über mehr als 30 Jahre praktische Erfahrung im Spritzguss. Über seine Firma WJT Associates schreibt er Artikel, hält Vorträge und unterrichtet Seminare, um Menschen dabei zu helfen, ihre Gewinne und Produktivität zu steigern. Er kann unter [email protected] kontaktiert werden.

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