Spritzgussmaschinen: Kühlung mit Kaltwasser

Geht es um den effizienten und kostengünstigen Betrieb von Spritzgussmaschinen, spielen viele Faktoren eine Rolle. Neben der passgenauen Konstruktion der Werkzeuge kommt es dabei auf die optimale Kühlung an. Denn diese beeinflusst die Produktqualität, die Zyklusdauer und damit auch den Herstellungspreis von Spritzgussteilen. Während überdimensionierte Anlagen zu steigenden Stromkosten und unterdimensionierte Kühlaggregate zu häufigen Ausfällen führen, ist die Spritzgussmaschinen-Kühlung mit Kaltwassersatz individuell auf die jeweiligen Bedarfswerte anpassbar.

✅ Aktualisiert am: 07.07.2024

Kaltwassersätze zum Mieten erlauben es außerdem, flexibel auf unterschiedliche Anforderungen zu reagieren und Wartungs-, Reparatur- oder Umbauarbeiten ohne längere Ausfälle in der Produktion zu überbrücken. Deutsche-Thermo erklärt, wie das funktioniert und worauf es bei der Kühlung von Spritzgussmaschinen mit Kaltwasser ankommt.

Die Themen im Überblick

Theorie und Praxis: Auf die Kühltechnik kommt es an

Damit der beschriebene Vorgang optimal ablaufen kann, sind die Spritzgussmaschinen zu kühlen. Auf diese Weise führen sie die Wärme der Produkte effektiv ab. Die Temperatur der Kunststoffteile sinkt. Sie erstarren und lassen sich anschließend aus der Maschine entnehmen. Ohne die Kühltechnik wären sehr lange Zykluszeiten nötig. Spritzgussmaschinen kämen auf geringe Stückzahlen und die Kosten der Herstellung wären immens.

Spritzgussmaschinen kühlen und Kosten senken

Senken lassen sich die Produktionskosten, indem technische Lösungen die Spritzgussmaschinen kühlen. Je schneller das funktioniert, umso kürzer sind die Zykluszeiten. Maschinen erreichen höhere Stückzahlen und die Herstellungskosten sinken. Spritzgussbetriebe beeinflussen damit Umsätze und Gewinne. Sie erzielen außerdem Wettbewerbsvorteile und sollten der Kühltechnik daher viel Beachtung schenken.

Hohe Qualität durch passgenaue Werkzeugkühlung

Die Art und Weise, in der Betriebe Spritzgussmaschinen kühlen, wirkt sich aber nicht nur auf die Kosten aus. Auch die Qualität der Bauteile selbst lässt sich mit einer optimal ausgelegten Werkzeugkühlung verbessern. Wichtig ist es dabei, Temperaturschwankungen zu verringern, um Bauteile vor Verzug zu schützen und die teils sehr engen Produktionstoleranzen einzuhalten. Auf der anderen Seite geht es darum, durch eine gleichmäßige Temperierung der Werkzeuge eine hohe Oberflächengüte zu erreichen. Beides, Herstellungstoleranzen und Oberflächenqualität, lässt sich neben der Werkzeugkonstruktion vor allem auch mit der Werkzeugkühlung im Spritzguss beeinflussen.

Produktionskosten senken: Die richtige Spritzguss-Kühlung

Hohe Stückzahlen, optimale Produktqualitäten und niedrige Herstellungskosten: Mit einer passgenau ausgelegten Kühlung von Spritzgussmaschinen und -werkzeugen erreichen Betriebe diese Ziele. Grundsätzlich sind dabei zwei Ansätze zu betrachten:

• Einmal geht es um die Verteilung der Kühlflüssigkeit am Werkzeug selbst. Denn diese beeinflusst Faktoren wie Verzug, Oberflächengüte und Zyklusdauer.
• Wichtig ist darüber hinaus die Art und Weise, in der die Kälte zur Verfügung gestellt wird. Es kommt also auch auf die optimale Auslegung der Kältemaschinen an.

In den folgenden Abschnitten zeigen wir, wie sich beide Bereiche bestmöglich gestalten lassen. Eins vornweg: Kommt bei der Spritzgussmaschinen-Kühlung ein Kaltwassersatz zum Einsatz, lassen sich die aufgeführten Ziele erreichen. Betriebe beugen Ausfällen vor und reagieren mit Mietanlagen flexibel auf unterschiedlichste Anforderungen in der Produktion.

Spritzgusswerkzeuge kühlen: Kurze Zyklen, hohe Qualitäten

Wie im vorherigen Abschnitt beschrieben, spielt die Kälteversorgung der Spritzgusswerkzeuge eine wichtige Rolle. Entscheidend ist dabei in erster Linie nicht der Ursprung, sondern vielmehr die Verteilung der Kälte über kleine Kanäle am Werkzeug selbst. Wichtig sind dabei folgende Punkte:

Kühlkanäle im Werkzeug richtig auslegen und anordnen

Lage und Dimension der Kühlkanäle wirken sich direkt auf die Oberflächentemperaturen am Spritzgusswerkzeug aus. Sind die Abstände der Kanäle zu groß, lässt sich weniger Wärme abführen. Zu tiefe Kanäle ergeben eine große Differenz zur Kühlflüssigkeit – ein größerer Abstand zwischen den Kanälen verstärkt das und sorgt damit für eine geringere Effizienz und Güte. Die optimale Konfiguration hängt hierbei vom jeweiligen Werkzeug ab und lässt sich beispielsweise mit einer Simulation finden. Diese zeigt auch, dass die Verteilung der Kühlflüssigkeit in Seriellen (ein Flüssigkeitsstrang) Kanälen günstiger ist als in parallel angeordneten, welche über einen gemeinsamen Verteiler und einen gemeinsamen Sammler verfügen. Am besten sind die Ergebnisse bei der sogenannten konturnahen Kühlung, bei der die Kanäle der dreidimensionalen Gussform folgen.

Gut wärmeleitende und stabile Materialien auswählen

Neben der Anordnung der Kühlkanäle kommt es bei der Konstruktion und dem Bau von Werkzeugen auch auf geeignete Materialien an. Üblich sind beispielsweise Kupfer oder Aluminium. Beide leiten Wärme sehr gut. Während das teurere Kupfer lange hält, unterliegt das günstigere Aluminium hingegen eher Alterungserscheinungen. Für die Kühlung kleiner Konturen lassen sich die feinen Kanäle dabei in den Kern des Werkzeugs pressen. Sie nehmen Wärme direkt auf und führen diese zuverlässig ab.

Optimale Steuerung der Spritzgussmaschinen-Kühlung

Strömt die Kühlflüssigkeit laminar, also gleichförmig durch die Kühlkanäle, nimmt sie thermische Energie in Form von Wärmeleitung auf. Das funktioniert zuverlässig, ist aber längst nicht optimal. Bessere Ergebnisse und eine höhere Kühlleistung erzielen Betriebe bei der Spritzguss-Kühlung, wenn die Kühlflüssigkeit turbulent durch die Kanäle strömt. Auf diese Weise lässt sich auch die Konvektion nutzen und die Kühlleistung steigt stark an. Optimale Werte ergeben sich bei einer Reynolds-Zahl von 10.000 – darüber hinaus nimmt die Leistung nur noch wenig zu.

Um einen solchen Turbulenzgrad zu erreichen, kommt es auf einen passenden Kühlmittelstrom und einen günstigen Kühlmitteldruck an. Beide Werte hängen von der Dimension der Kühlkanäle ab und sind daher individuell zu bestimmen. Wichtig ist es allerdings, die Technik zum Kühlen der Spritzgussmaschinen dementsprechend auszulegen.

Einheitliche Protokolle bei Inbetriebnahme und Wartung

Halten sich Konstrukteure bei der Entwicklung von Spritzgusswerkzeugen an die genannten Tipps zur Kühlung, sorgen sie zumindest theoretisch für einen effizienten Betrieb. In der Praxis kommt es darüber hinaus auch auf einheitliche Protokolle an. Dabei geht es insbesondere um das Einspannen und Inbetriebnehmen der Spritzgusswerkzeuge. Gehen Angestellte hier immer unterschiedlich vor, kann das zu Einbußen in der Leistung, längeren Zyklen und höheren Kosten führen. Wichtig ist es darüber hinaus, die Kühlflüssigkeit in regelmäßigen Abständen zu kontrollieren. Sind Rückstände oder Verschmutzungen im Medium, hilft häufig nur der Austausch.

Energieeffiziente Kälteanlagen für Spritzgussmaschinen

Geht es um niedrige Energie- und Herstellungskosten, spielt auch die Art und die Auslegung der Kältetechnik selbst eine wichtige Rolle. Denn diese benötigt in aller Regel viel Strom, um die überschüssige Wärme der Spritzgusswerkzeuge zuverlässig aufnehmen und nach außen abführen zu können.

Von großer Bedeutung sind dabei vor allem folgende Punkte:

Kaltwasserssysteme zur Spritzguss-Kühlung optimal auslegen

Einen großen Einfluss auf die Energieeffizienz und die Zuverlässigkeit der Technik hat die Auslegung. Nur dann, wenn die Kühlleistung optimal zum individuellen Prozess passt, erzielen Betriebe auch die gewünschten Ergebnisse. Ist die Kühlleistung zu groß, entstehen hingegen unnötige Mehrkosten. Bei einer zu knappen Leistung arbeitet die Spritzguss-Kühlung immer am Limit. Sie hat keine Reserven und fällt eher einmal aus.

Während die Dimensionierung bei konstanten Betriebsbedingungen vergleichsweise unproblematisch ist, stellt sie bei wechselnden Anlagenbedingungen eine große Herausforderung dar. Ähnlich verhält es sich, wenn wechselweise Kleinserien und Großaufträge zu fertigen sind – auch hier schwankt die benötigte Kühlleistung von Auftrag zu Auftrag. Um dem gerecht zu werden, lassen sich Kaltwasserlösungen modular aufbauen. Kurzfristige Leistungsspitzen decken Betriebe darüber hinaus auch mit einem Kaltwassersatz zum Mieten. Dieser lässt sich einfach an die bestehende Verteilung anschließen und innerhalb kürzester Zeit in Betrieb nehmen.

Freie Kühlung funktioniert ohne energiehungrige Prozesse

Effizient ist es außerdem, bei der Spritzguss-Kühlung auf Anlagen mit freier Kühlfunktion zu setzen. Lassen es die Außentemperaturen zu, führen diese Wärme ganz oder teilweise ohne Kältekreislauf und energiehungrige Verdichter nach draußen ab. Viele Anlagen schalten automatisch zwischen freier und maschineller Kühlung der Spritzgussmaschinen um und sparen dadurch hohe Kosten ein. Ein weiterer Vorteil: Sinkt der Stromverbrauch, stößt die Spritzguss-Kühlung indirekt auch weniger CO2 aus. Die Technik sorgt im Betrieb für eine deutlich höhere Energieeffizienz und schont ganz nebenbei sogar das Klima.

Verdichter und Ventilatoren mit effizienten Motoren nutzen

Bei der Auswahl und Konstruktion von Kältemaschinen für Kaltwasser kommt es ebenfalls auf die Effizienz an. Eine große Rolle spielen dabei Verdichter und Ventilatoren, welche mit drehzahlgeregelten Hocheffizienzmotoren arbeiten sollten.

Rückgewinnung von Wärme zum Beheizen der Werkzeuge

Abhängig von der Art und Weise der Kühlung kann es erforderlich sein, Spritzgusswerkzeuge vor dem Befüllen zu erhitzen. Kunststoffe kühlen sich dadurch nicht schlagartig ab und erhalten eine höhere Güte. Realisieren lässt sich das beispielsweise mit Kaltwasserlösungen und Mehrleitersystemen bei der Kühlung von Spritzgussmaschinen. Spezielle Ventile lassen dabei abwechselnd heiße und kalte Medien durch die Werkzeuge strömen, um diese zu erhitzen oder herunter zu kühlen.

In puncto Energieeffizienz gibt es dabei große Einsparpotenziale. So sinkt der Energiebedarf immens, wenn Wärmerückgewinner einen großen Teil der abzuführenden Wärme aus dem Prozess auf das Medium zum Erhitzen der Werkstücke übertragen. Ohne Wärmerückgewinnung wäre die überschüssige Energie aufwendig abzuführen, bevor Anlagenteile das Heizmedium mit unnötig hohem Energiebedarf auf Temperatur bringen müssten.

Besonders flexibel: Spritzguss kühlen mit Kaltwasser

Wer alle vorgenannten Punkte beachtet, bekommt eine Spritzguss-Kühlung mit hoher Effizienz. Die Technik ermöglicht kurze Zykluszeiten, hohe Taktraten und letztlich auch Wettbewerbsvorteile und/oder höhere Gewinne. Zutreffend ist das jedoch nur im stationären Betrieb vor Ort. Müssen Unternehmen mit höheren Taktraten auf Großanfragen reagieren, Wartungsarbeiten überbrücken oder dauerhaft Kapazitäten ausbauen, profitieren sie mit einem Kaltwassersatz zum Mieten von maximaler Flexibilität.

Temporäre Kühlwasser Rückkühler oder Chiller zum Mieten kommen in verschiedenen Bereichen und Fällen zum Einsatz. Die folgende Übersicht zeigt typische Beispiele:

In all diesen Bereichen sind mobile Kaltwasserlösungen in verschiedensten Ausführungen erhältlich. Die Anlagen sind kurzfristig verfügbar und meist innerhalb weniger Stunden in Betrieb zu nehmen.

Anschlüsse für Kühlwasser und Strom sowie Stellplätze einplanen

Geht es um die Installation von Spritzgussanlagen, lohnt es sich, die mobilen Kaltwasseranlagen von vornherein einzuplanen, um Ausfälle und Produktionsspitzen flexibel abfedern zu können. Wichtig ist es dabei, entsprechende Wasser- sowie Stromanschlüsse vorzusehen. Betriebe können Notfallpläne mit Anbietern der Mietgeräte besprechen und den Aufstellort der temporären Kaltwassersysteme sowie eine entsprechende Zufahrt freihalten.

FAQ: Die wichtigsten Fragen und Antworten zur Kühlung

Warum kommt es bei Spritzgussmaschinen auf die Kühlung an?

Eine effektive Kühlung sorgt für qualitativ hochwertige Produkte. Sie verkürzt die Zykluszeiten und ermöglicht höhere Stückzahlen. Gut funktionierende Kälteanlagen sorgen damit für höhere Erträge und Vorteile im Wettbewerb. Da die Kälteanlagen selbst viel Energie verbrauchen, sparen Betriebe mit effizienten und passgenau ausgelegten Geräten viel Geld.

Wie lässt sich das Produktionsergebnis konstruktiv verbessern?

In puncto Konstruktion kommt es unter anderem auf die Dimension sowie die Lage der Kühlkanäle im Werkzeug an. Die Kühlflüssigkeit muss diese optimalerweise turbulent durchströmen und Wärme durch geeignete Materialien effektiv aufnehmen können. Wichtig ist es darüber hinaus, einheitliche Inbetriebnahme-, Wartungs- und Reinigungsprozedere sicherzustellen.

Wie ist ein energieeffizienter und günstiger Betrieb der Kälteanlagen möglich?

Die Kälteanlage selbst sollte, wenn möglich, auf die freie Kühlung setzen, um nicht mehr Strom als nötig über den Verdichter zu verbrauchen. Sie sollte passgenau ausgelegt und wenn möglich auch mit einem Wärmerückgewinner ausgestattet sein. Letzterer überträgt die sonst unter hohem Energieaufwand abzuführende Wärme auf andere Systeme – etwa zur Beheizung der Werkstücke oder zur Gebäudebeheizung.

Welchen Vorteil bieten mobile Kaltwassersysteme bei der Spritzguss-Kühlung?

Mobile Kaltwasserlösungen überbrücken Ausfälle infolge von Wartungs-, Reparatur- oder Umbauarbeiten. Sie kühlen auch dann, wenn die konventionelle Anlage defekt ist und ermöglichen es, die Kühlleistung vorübergehend zu erhöhen. Auch der temporäre Betrieb von Spritzgussmaschinen in Laboren oder auf Messen (Demonstrationsanlagen) ist mit Kaltwassersätzen zum Mieten möglich.

Worauf ist zu achten, wenn der Einsatz der mobilen Kühltechnik vorgesehen ist?

Wichtig ist es, den Einsatz der Kaltwasser technisch und logistisch einzuplanen. Dementsprechend sind bereits bei der Errichtung der Anlage Wasser- und Stromanschlüsse sowie ein geeigneter Stellplatz vorzusehen. Es ist außerdem darauf zu achten, dass Letzterer mit einem LKW befahrbar ist, um die mobilen Kaltwasserlösung im Bedarfsfall schnell anliefern zu können.

Autor: Johannes Partz

Johannes ist hier Geschäftsführer. In der Energiebranche ist er seit 2013. Er war in verschiedenen Positionen in Technik und Vertrieb bei Energieversorgern tätig. Seine technische Expertise hat er aus den 3 Jahren als Geschäftsführer bei der Hampel GmbH - einem Gebäudetechnik Unternehmen mit Fokus auf Heizungstechnik, Sanitär, Lüftung und Klima.