Heiße Sachen

Isolierung – Heizelemente von Spritzgussmaschinen müssen elektrisch isoliert werden. Entsprechend dem jeweiligen Einsatzgebiet eignen sich dazu unterschiedliche Werkstoffe am besten.

17. Oktober 2008

Eine zentrale Komponente von Spritzgussmaschinen sind die Heizelemente, die die optimale Temperatur des geschmolzenen Kunststoffs gewährleisten. Maßgeblich für die Wahl eines geeigneten Heizelementes sind unter anderem die Geometrie des zu produzierenden Teiles, die Verarbeitungstemperatur und die geforderte Aufheizzeit. Die Art des Heizelements wiederum bestimmt, welches Material für die elektrische Isolierung benutzt werden kann. Besonders wichtig ist die Wahl des richtigen Heizelementes vor allem beim Einsatz unter hohen Temperaturen.

Die wichtigsten industrieüblichen Isolationswerkstoffe sind Glimmer, Keramik und körnige Minerale. Der Begriff Glimmer umfasst eine Reihe von Schichtsilikaten, die sich an zahlreichen Stellen der Erde finden, etwa in Indien, im südlichen Afrika, in Russland und auf dem amerikanischen Kontinent. Glimmer ist ein sehr gleichmäßiger dünner Schichtstoff, der nur sehr wenig Wärme leitet, speziell rechtwinklig zu seiner Strukturebene. Zudem ist Glimmer nicht brennbar, wirkt flammhemmend und raucht nicht. Daneben ist dieser Werkstoff biegeelastisch, abrieb- und druckfest sowie resistent gegen Chemikalien und Wasser. Obwohl manche Glimmersorten Temperaturen über 1.000 Grad Celsius aushalten, sollten bei Anwendungen in Heizelementen jedoch 600 °C nicht überschritten werden, weil sonst der Binder geschwächt wird und die Isolierfestigkeit des Glimmers nachlässt. Je nach Anwendungsgebiet empfiehlt sich die Wahl zwischen dem mechanisch robusten kaliumhaltigen Muskovit und dem magnesiumhaltigen Phlogopit, das bei höheren Temperaturen eingesetzt werden kann.

Als Isolationsmaterial dient Glimmer zum Beispiel in elektrischen Heizbändern oder flächenförmigen Heizelementen, die in Haushaltsgeräten wie Toastern oder Mikrowellengeräten verwendet werden. Das typische Glimmerheizband ist etwa fünf Millimeter stark und kann mit Löchern oder Ausschnitten versehen sein. Durch die vielseitigen Auslegungsmöglichkeiten eignen sich Heizbänder für viele Anwendungen und Märkte. Der größte Nachteil des Glimmerheizbandes ist jedoch seine geringe zulässige Maximaltemperatur am Außenmantel von 480 Grad Celsius.

Keramik für mehr Hitze

Für höhere Temperaturen eignen sich das Keramikmaterial Steatit, das hauptsächlich aus Aluminiumoxid, Quarz und Magnesiumoxid besteht und bei 1.270 Grad Celsius gebrannt wird. Die Keramik kann leicht in verschiedene Formen gesintert oder maschinell bearbeitet werden. Keramische Gliederheizbänder erlauben Temperaturen bis 760 Grad Celsius. Ein Nachteil dieses Werkstoffes als elektrischer Isolator ist die große Wärmespeicherung im Inneren des Heizelementes, was die Temperaturregelung schwierig gestaltet und bei der Herstellung von Kunststoffteilen zu erhöhtem Ausschuss führen kann.

Noch höhere Temperaturen ermöglichen Heizelemente mit einer mineralischen Isolierschicht aus körnigem Magnesiumoxid (MgO) zwischen dem Widerstandselement und dem Außenmantel des Heizelements. In vielen Heizelementen wird das Magnesiumoxid zu einer dünnen Schicht verdichtet, das eine ausgezeichnete Wärmeübertragung mit hoher elektrischer Isolierung kombiniert. Magnesiumoxid kann bis zu Temperaturen von 1.090 Grad Celsius erfolgreich eingesetzt werden, die allerdings in Heizelementen normalerweise nicht erreicht werden, da die Heizleiter aus Nickel-Chrom auf eine Arbeitstemperatur von 870 °C begrenzt sind. In der Regel sollte die Temperatur eines mineralisolierten Heizelementes deshalb 760 °C nicht übersteigen.

Eine solche mineralische Isolation verwendet der US-amerikanische Heizelementehersteller Watlow zum Beispiel in seinen nur vier Millimeter dicken Heizelementen, den sogenannten MI-Bändern. Die verdichtete Isolationsschicht ermöglicht kurze Aufheiz- und Abkühlzeiten und bietet eine höhere Leistungsdichte, um das zu beheizende Teil schneller zu aufzuheizen. Das mineralisolierte Heizband mit seiner kleinen Masse reagiert schnell auf Änderungen der Temperatur und verbessert damit die Regelgüte. Das schnelle Aufheizen bei minimalem Überschwingen der eingeregelten Temperatur verkürzt die Aufheiz- und Zykluszeiten.

Fakten

Der US-amerikanische Heizelementehersteller Watlow ist Spezialist für Systeme und Lösungen zum Erzeugen, Messen, Regeln und Steuern von elektrischen Heizprozessen.

Watlow produziert eine Vielzahl von Heizern in unterschiedlichen Formen.

Der Einsatz verschiedener Isolationswerkstoffe ermöglicht zahlreiche Einsatzgebiete.

Erschienen in Ausgabe: 07/2008