Produkte-Nachricht

ENGEL (Schweiz) AG
Geregelte Verhältnisse sind gefragt. Neues Temperierwasser- verteilersystem flomo erhöht Prozesssicherheit

Die Werkzeugtemperierung hat erheblichen Einfluss auf die Produktivität des Fertigungsprozesses und die Qualität der Formteile. Dennoch wurde ihr lange Zeit nicht die gebührende Aufmerksamkeit geschenkt. Mit einer Neuentwicklung hat Engel Austria vor vier Jahren einen Umdenkprozess in Gang gesetzt. Zur Fakuma 2014 vollzog Engel mit einer Weiterentwicklung den Schritt von der Prozessüberwachung zur Prozessregelung.

Engel - Temperierwasserverteiler flomo
e-flomo: Zur Fakuma 2014 erweiterte Engel seinen Temperierwasserverteiler flomo um elektrische Regelventile

Das „Flow Monitoring System“ – kurz flomo – ist ein kompaktes, manuell einstellbares Temperierwasserverteilersystem mit Druck-, Durchfluss- und Tem- peratursensorik. Die Temperierdaten werden direkt in der Steuerung der Spritzgießmaschine angezeigt, überwacht und dokumentiert, womit das System die herkömmlichen, wartungsintensiven „Wasserbatterien“ ablöst. Dass die Ingenieure der Engel Austria GmbH mit dieser Entwicklung den Nerv der Zeit getroffen haben, zeigt die Verkaufsstatistik: Seit der Markteinführung 2010 wurden mehr als 1000 Neumaschinen mit diesem System ausgerüstet.

Die Neuentwicklung Engel e-flomo besitzt zusätzlich elektrische Regelventile und ermöglicht damit die vollautomatische Einstellung der Durchflussmengen.

Unabhängig von der Betriebsart besteht ein Temperierwasserverteilersystem prinzipiell aus dem Verteiler und einer Steuerungseinheit. Um alle Parameter auf dem Display der Spritzgießmaschine ablesen und einstellen zu können, wird das System vollständig integriert – der Verteiler mechanisch und die Steuerungs- einheit softwaretechnisch. Der Temperierwasserverteiler übernimmt im Spritz- gießprozess verschiedene Aufgaben


Aufgabe 1: Temperierwasser bedarfsgerecht verteilen
Wie schon der Name verrät, besteht die erste Aufgabe des Tempe- rierwasserverteilers darin, die verfügbare Wassermenge auf die einzelnen Temperierkreise zu verteilen. Dabei lässt sich der Durchfluss in einigen Krei- sen gezielt drosseln, um für Kreise mit einem höheren Bedarf an Kühlleistung mehr Wasser zur Verfügung stellen zu können. Dies erfolgt bei den Tem- perierwasserverteilern von Engel mit manuell einstellbaren Feinregulierventilen. Ziel ist es, in allen Kreisen eine gut ausgeprägte turbulente Strömung zu erreichen. Diese Aufgabe der bedarfsgerechten Bedarf an Kühlleistung mehr Wasserverteilung erfüllen auch herkömmliche Schwebekörper-Durchflussregler – allerdings nur so lange, bis Ablagerungen und Verschmutzungen im Glas das Ablesen der Durchflussmenge unmöglich machen.

Einflussfaktoren während der Produktion:
• Zusetzen von Kupplungen und Filtern
• Druckschwankungen in der Versorgung
• Pumpenverschleiß

Einflussfaktoren beim Rüsten:
• Einsatz unterschiedlicher Temperiergeräte
• Verwendung unterschiedlicher hydraulischer Anbindungen (Schläuche,
  Kupplungen)


Aufgabe 2: Konstante Temperierparameter sicherstellen
Die Zielgrößen Oberflächentemperatur und transportierte Wärmemenge sollen idealerweise über die gesamte Produktionsdauer konstant gehalten werden. Um dies zu gewährleisten, versucht man in einer ersten Näherung, die Durch- flussmenge und die Medientemperatur konstant zu halten. Mithilfe des flomo wird die Durchflussmenge in jedem Temperierkreis gemessen, in der Maschi- nensteuerung angezeigt, überwacht und protokolliert.

Die Menge an verfügbarem Wasser kann während der Produktion schwanken, z. B. wenn sich Kanäle durch Rost oder Kalk zusetzen oder wenn Schläuche abknicken. In der Praxis werden solche Fehler oft lange nicht bemerkt – im schlimmsten Fall wird Ausschuss produziert. Schon der manuell einstellbare Wasserverteiler flomo ist dank seiner Überwachungsfunktion in der Lage, dies zu verhindern. Das neue e-flomo geht einen Schritt weiter und regelt automatisch nach. Stellt das System fest, dass die Durchflussmenge in einem der Temperierkreise sinkt, wird das dazugehörige Regelventil – im Rahmen der physikalisch vorgegebenen Grenzen – automatisch so weit geöffnet, bis der gewünschte Sollwert wieder erreicht ist.

Für Veränderungen der Durchflussmenge kommen verschiedene Ursachen in Frage. Vor allem bei langsamen Änderungen, wie sie beispielsweise durch das allmähliche Zusetzen von Filtern oder durch den zunehmenden Verschleiß von Pumpen verursacht werden, spielt der geregelte Wasserverteiler seine Stärken aus. Die Temperierverhältnisse im Werkzeug werden über den gesamten Produktionszeitraum konstant gehalten. Dafür muss der Spritzgießer keine Überwachungsgrenzen definieren, da das System selbsttätig Alarm schlägt, wenn die benötigten Durchflussmengen nicht mehr erreicht werden können.

Neben der Durchflussmenge gilt es auch die Medientemperatur konstant zu halten. Hierfür ist prinzipiell das Temperier- oder Kühlgerät verantwortlich. Da es auf dem Weg zum Werkzeug jedoch zu Leistungsverlusten kommen kann, führen Engel flomo und Engel e-flomo eine Eingangskontrolle der Wassertemperatur durch. Der Temperatursensor befindet sich direkt am Geräteeingang. Auf diese Weise sind die beiden relevanten Größen – Durchflussmenge und Temperatur – jederzeit unter Kontrolle und nicht dem Zufall überlassen.

Engel - Temperierwasserverteiler flomo Bild 1
Bild 1. Die zum Erreichen der optimalen Reynolds-Zahl Re = 20 000 erforderliche Durchflussmenge ergibt sich aus der Vorlauftemperatur und dem Bohrungs- durchmesser d


Aufgabe 3: Schnelles und prozesssicheres Rüsten
Beim Werkzeugrüsten unterstützt das ältere System (flomo) den Spritzgießer, die richtigen Temperierparameter einzustellen, selbst wenn die Schlauchlängen, Kupplungsarten oder Temperiergeräte von Produktionslos zu Produktionslos variieren. Hierfür sind die bei der Prozessoptimierung für die einzelnen Temperierkreise ermittelten Soll-Durchflusswerte in der Maschinensteuerung hinterlegt und im dem jeweiligen Werkzeug zugeordneten Teiledatensatz ge- speichert.

Das neue System (e-flomo) stellt die hinterlegten Parameter automatisch ein, was nicht nur den Bedienkomfort und die Prozesssicherheit erhöht, sondern auch Zeit spart.


Was soll eigentlich geregelt werden?
Grundsätzlich kann das neue Gerät eine ganze Reihe von Parametern regeln, z. B. die Werkzeugtemperatur und die Durchflussmenge, die Rücklauftemperatur oder die Temperaturdifferenz des Temperiermediums zwischen Werkzeugein- und -ausgang. Allerdings sind nicht alle Regelgrößen gleichermaßen für die Pro- zessregelung geeignet. Erst die richtige Wahl entscheidet über die Robustheit und Wirtschaftlichkeit des Fertigungsprozesses.

Unabhängig von der gewählten Regelgröße ist die Stellgröße am Tempe- rierwasserverteiler immer die Durchflussmenge. Sie wird in jedem Temperier- kreis so angepasst, dass die gewünschte Regelgröße erreicht wird. Die Durchflussmenge ist maßgeblich für den Wärmeaustausch zwischen Tempe- riermedium und Werkzeug verantwortlich. Abhängig vom Durchfluss stellen sich im eingeschwungenen Prozess die Rücklauftemperatur, die Temperaturdifferenz und die Werkzeugtemperatur ein.

Die Wärmeübertragung zwischen Werkzeug und Temperiermedium ist umso besser, je turbulenter die Strömung ausgeprägt ist. Es hat sich gezeigt, dass eine Reynolds-Zahl von Re = 20 000 anzustreben ist.  Die Reynolds-Zahl Re cha- rakterisiert das Turbulenzverhalten. Sie errechnet sich aus:

         4• ρ • V
Re = ----------------
        60• π • η • d

ρ: Dichte des Temperiermediums [kg/m3]
V˙: Durchfluss [l/min]
d: Durchmesser der Temperierbohrung [mm]
η: dynamische Viskosität des Temperiermediums [Pas]

Mit dieser Gleichung lässt sich unter Kenntnis der Viskosität des Wassers und des Bohrungsdurchmessers die erforderliche Durchflussmenge berechnen. Größere Durchflussmengen verbessern den Wärmeübergang nicht nennenswert, gerin- gere Durchflussmengen jedoch verschlechtern ihn und führen zu weniger ro- busten Betriebspunkten. Damit können kleine Durchflussänderungen große Temperaturänderungen im Werkzeug zur Folge haben.


Welche Durchflussmenge ist ideal?
Um die erforderliche Durchflussmenge zu ermitteln, kommt es einerseits auf die Reynolds-Zahl und andererseits auf die zulässige Temperaturdifferenz an. De- mentsprechend kann der Spritzgießer den Prozess in zwei Schritten optimieren.

Zunächst wird die zum Erreichen einer Reynolds-Zahl von 20000 erforderliche Durchflussmenge ermittelt (Bild 1). Wird beispielsweise Wasser mit einer Vorlauftemperatur von 60°C durch eine Bohrung mit einem Durchmesser von 10 mm geleitet, so ist für einen optimalen Wärmeaustausch ein Durchfluss von 4,5 l/min zu empfehlen.

Nach dem Einstellen der ermittelten Durchflussmenge wird in einem zweiten Schritt bei laufender Produktion an der Maschinensteuerung die Tempera- turdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf abgelesen. Die Temperaturerhöhung soll beim Standardspritzgießen nicht größer als 3 bis 5 K sein. Beim Prä- zisionsspritzgießen sollte sie zwischen 1 und 3 K liegen. Anhand der resul- tierenden Formteilqualität lässt sich ermitteln, welcher Wert für den jeweiligen Einzelfall am günstigsten ist. Sollte die Temperaturdifferenz die zulässigen Werte überschreiten, wird der Durchfluss sukzessive so weit erhöht, bis der gewünschte Wert erreicht ist.

Engel - Temperierwasserverteiler flomo Bild 2
Bild 2. Durch seine kompakte Bauweise kann das Verteilersystem direkt an die Aufspannplatte montiert werden. Die Schläuche bleiben damit kurz und Druck- verluste werden minimiert


Fazit
Der Trend zur lückenlosen Prozessüberwachung erfasst nun auch die Werk- zeugtemperierung. Bisher gebräuchliche Wasserbatterien werden deshalb zunehmend von modernen Temperierwasserverteilersystemen abgelöst. Während manuell einstellbare Geräteausführungen die Möglichkeit zur Überwachung bieten, können geregelte Verteiler zudem die Durchflussmengen über den gesamten Produktionszeitraum konstant halten. Darüber hinaus stellen die werkzeugnah zu montierenden Systeme (Bild 2) beim Produktionsstart die gewünschten Mengen automatisch ein und erlauben so kürzere Rüstzeiten.


Vorteile auf einen Blick
Die Vorteile moderner Temperierwasserverteilersysteme verbessern die Pro- duktivität und erleichtern die Qualitätssicherung:

  • geringer Wartungsaufwand: keine Algenbildung, da kein Licht eintritt, und kein Reinigungsaufwand;
  • werkzeugnahe Montage: kurze Schlauchwege und nur geringe Druckverluste;
  • geringere Druckverluste: Halbierung der Druckverluste gegenüber herkömmlichen Kühlwasserbatterien, daher höhere Durchflüsse möglich;
  • Visualisierung: Anzeige wichtiger Temperierparameter direkt an der Maschinensteuerung;
  • Überwachung wichtiger Temperierparameter: Sollwerte können mit Toleranzen versehen und überwacht werden, bei Überschreitung Alarm;
  • lückenlose Prozessdokumentation: Speicherung der Messwerte im Prozessdatenprotokoll.


Gegenüber manuell einstellbaren haben geregelte Systeme zusätzliche Vorteile:

  • Validierte Temperierparameter werden durch die aktive Regelung konstant
    gehalten und Schwankungen ausgeregelt.
  • Das Einlesen eines validierten Temperierprogramms aus dem Teiledatensatz
    bannt die Gefahr, einzelne Temperierkreise zu vergessen oder zu verwechseln.
  • Das automatische Einregeln von Sollwerten beschleunigt den Produktionsstart.
  • Die Freigabe/Absperrung gesamter Temperierkreise über die Maschinensteuerung erhöht den Bedienkomfort.


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Die Niederlassung ENGEL (Schweiz) AG wurde am 1. April 1991 als 100-pro- zentige Tochtergesellschaft gegründet. Vor dieser Zeit wurden die Interessen der Firma ENGEL in der Schweiz  während 17 Jahren von einer freien Vertretung wahrgenommen. Im Jahr 1994 erfolgte dann der Umzug in die eigenen Räum- lichkeiten an der Hungerbüelstrasse 17 in Frauenfeld. Von hier aus werden Sie durch das dynamische Schweizer ENGEL-Team in allen Verkaufs- sowie Service- belangen kompetent beraten und bedient.

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