Auf die Kühlung kommt es an

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Fluidsteuerung – Bei Spritzgussmaschinen ermöglicht moderne Ventil-und Steuerungstechnik eine Regelung der Werkzeugtemperatur. Das Ergebnis sind bessere Produktqualität und kürzere Taktzeiten.

15. April 2009

Anwender von Spritzgießmaschinen stellen immer höhere Anforderungen an die Qualität der Formteile: Das Ziel sind verzugs- und spannungsfreie Werkstücke mit hoher Formgenauigkeit und makelloser Oberfläche. Zudem soll der Spritzgießprozess natürlich besonders effizient sein.

Entscheidend für diese drei Herausforderungen ist eine ausgefeilte Kühlung der Spritzgießwerkzeuge, schließlich macht der Abkühlvorgang rund 70 Prozent der Zykluszeit aus. Bei der variothermen Temperaturkontrolle wird das Werkzeug bis zum Zeitpunkt des Einspritzens annähernd auf Massetemperatur erhitzt und nach dem Einspritzen rasch abgekühlt, um eine schnelle Erstarrung der Masse zu erreichen. Das Ergebnis sind Kunststoffteile mit hochglänzenden, makellosen Oberflächen ohne Verformungen oder Fließbilder.

Erreichen lässt sich diese rasche Abkühlung durch eine Flüssigkühlung mit zwei Kühlkreisläufen mit Wasser bzw. Dampf und Öl. Die Regelung dieser dynamischen Prozesse ist dabei umso feiner, je mehr unabhängig gesteuerte Kühlkanäle durch das Werkzeug führen und je näher diese Kanäle an der Kavität geführt werden. Die entscheidenden Steuergrößen sind die Temperatur und der Durchfluss des zurücklaufenden Wassers, die für jeden Kühlkanal separat erfasst werden müssen. Für jeden Kanal sind deshalb mindestens je ein Ventil und ein Temperatursensor erforderlich. Als Sensoren dienen in der Regel Thermoelemente oder Widerstandsthermometer, die die Temperatur des Werkzeugs oder des rückfließenden Kühlmittels erfassen und an einen Controller melden, der den Kühlmittelfluss der einzelnen Kanäle steuert und abwechselnd Dampf oder Heißwasser zum Aufheizen oder Wasser zum Abkühlen in die Kanäle leitet.

Feinste Regelbarkeit

Maßgeblich für die Realisierung mehrerer parallel arbeitender Temperaturregelkreise war die Entwicklung von Magnet-Proportionalventilen mit einer reibungsfreien Lagerung des Magnetkerns durch speziell ausgelegte Formfedern. Dieser Aufbau verhindert mögliche Stick-Slip-Effekte und gewährleistet so eine Ansprechempfindlichkeit von lediglich 0,1 Prozent vom Endwert, eine kleine Umkehrspanne und eine hervorragende Regelgüte. Die Messspanne der neuen Magnetproportionalventile von 1:100 erlaubt das Ausregeln kleinster Temperaturschwankungen durch sehr präzise Ventilhubkorrekturen.

Schnelle Korrektur

Entscheidend für eine hohe Dynamik der Temperaturführung ist zudem die Kenntnis des Durchflusses und der Vorlauftemperatur. Moderne Sensoren erkennen deshalb Durchflussänderungen innerhalb von 100 bis 300 Millisekunden. Regelventile korrigieren den Durchfluss innerhalb von 0,3 bis 1 Sekunde. Besonders gut eignen sich hierfür Flügelradsensoren aufgrund ihrer geringen Baugröße und hervorragenden Dynamik. Bei Leitungsdurchmessern mit einer Nennweite ab sechs Millimetern kommen darüber hinaus auch magnetisch-induktive Sensoren zum Einsatz.

Wichtige Parameter bei der Wahl der Ventile sind die Durchflussmenge und der Verschmutzungsgrad des Kühlwassers. Bei hohen Durchflussmengen und stark verschmutztem Wasser empfehlen sich direkt wirkende Ventile. Bis 180 Grad Celsius eignen sich am besten pneumatisch betätigte Ventile in Auf/Zu- oder Regelventil-Ausführung. Bei geringen Durchflussmengen, sehr sauberem Kühlwasser und Wassertemperaturen bis 90 Grad Celsius dagegen sind vorgesteuerte elektromagnetische Ventile ideal. Sie bieten trotz einer kleinen Drosselbohrung Nennweiten bis 20 Millimeter. Die neueste Generation der Auf/Zu-Ventiltechnik kommt sogar ohne Bohrung in der Membran aus und reagiert daher robuster auf Verunreinigungen im Kühlwasser.

Für die mehrkanalige Temperierung, bei der abhängig von der Beschaffenheit des jeweiligen Werkstücks unterschiedlich stark gekühlt werden muss, besitzen pneumatische Regelventile Vorteile, deren Hub sich dynamisch auf jeden beliebigen Wert zwischen 0 und 100 Prozent einstellen lässt. Die Einstellung eines bestimmten Ventilhubs erfordert zusätzliche Ansteuerungselektronik. Bei Magnetproportionalventilen wird dies durch eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung, bei herkömmlichen Prozessventilen durch einen sogenannten Positioner erreicht, der den Kolben des Prozessventils mithilfe einer integrierten Ventilpositionsmessung auf einen bestimmten Hub einstellt. Die übliche Durchflussregelstrecke besteht aus einem Durchflusssensor nach dem Flügelrad- oder Ultraschallprinzip, einem Proportionalventil und einem Durchflussregler mit kaskadierender Temperaturmessung, der mit allen möglichen Ventiltypen kombinierbar ist.

Flexibler Regler

Eine entscheidende Rolle in diesem System spielt der Regler: Er muss in der Lage sein, unterschiedliche Sensorsignale wie Temperatur, Druck oder Durchfluss zu verarbeiten und zudem sowohl pneumatische als auch elektrische Stellsysteme ansteuern können. Alle diese Eigenschaften bietet der Universalregler eCONTROL, den der Fluidtechnikspezialist Bürkert Fluid Control Systems aus Ingelfingen speziell für Kühlsystemanwendungen entwickelt hat. Das Gerät erfasst alle üblichen Sensorsignale und eignet sich zur Regelung von Temperatur, Druck und Durchfluss. Es steuert Auf/Zu- und Proportional-Magnetventile sowie elektromotorische und Prozess-Regelventile. Der Prozess-Sollwert kann über ein Strom-Normsignal oder über die Tastatur vorgegeben werden.

Die Set-Up-Funktion für Durchfluss-, Temperatur- oder Druckregelung erleichtert die Inbetriebnahme für jede Anwendung. Die dezentrale Regelung gewährleistet, dass Sensor, Ventil und Regler aufeinander abgestimmt sind, entlastet die zentrale Maschinensteuerung von sekundären Regelaufgaben und vereinfacht zudem die Nachrüstung bestehender Anlagen.

Dr. Egon Hüfner, Bürkert/bt

Fakten

- Die Bürkert Fluid Control Systems GmbH in Ingelfingen ist spezialisiert auf Produkte zum Messen, Steuern und Regeln fluidischer Medien.

- Beim Spritzguss z.B. ermöglichen die Ventile und Steuerungen durch variable Werkzeugtemperierung verzugs- und spannungsfreie Bauteile ohne Bindenähte mit hochglänzenden Oberflächen bei deutlich verkürzter Zykluszeit.

Erschienen in Ausgabe: 02/2009