Neuer Ansatz spart Energie bei Kunststoffproduktion
Kunststoffprodukte wie Autoteile, Werkzeuge oder Verpackungen werden häufig mit Spritzgussverfahren hergestellt. Der Prozess ist jedoch äußerst energieintensiv. Um die Produktion von Formteilen nachhaltiger zu gestalten, haben Forschende neue Ansätze für ein energieeffizientes Temperiersystem erprobt – mit Erfolg.
Eine nachhaltige Temperiertechnik könnte schon bald zur Energieeinsparung bei der Produktion von Kunststoff beitragen.
Foto: Panthermedia.net/Marco Beric
Ob Computerteile, Folienverpackungen, Handyhüllen, Medizingeräte oder Spielzeug – für die Herstellung all dieser Produkte kommt meist das sogenannte Spritzgussverfahren zum Einsatz. Mit dieser Produktionsmethode ist es möglich, verschiedenste Formteile in großer Stückzahl kostengünstig zu fertigen. Dabei werden vorrangig Kunststoffe verarbeitet. Diese lassen sich in Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere unterteilen. Am häufigsten vertreten ist jedoch das Thermoplast-Spritzgießen, dem somit die größte wirtschaftliche Bedeutung zukommt.
Wie gelingt Energieeffizienz bei Fertigungsunternehmen?
Bei dem Verfahren wird zunächst Kunststoff-Granulat soweit erhitzt, bis es sich verflüssigt. Anschließend spritzt man die Kunststoffschmelze mit hohem Druck in eine Gussform innerhalb eines Werkzeugs. Darin kühlt der flüssige Kunststoff ab, erhärtet und erhält so die gewünschte Form. Nach Öffnen des Werkzeugs ist das Kunststoffteil fertig uns kann entnommen werden. Aufgrund seiner Präzision und vielseitigen Möglichkeiten ist das Spritzgussverfahren bei der Herstellung von Kunststoffteilen weit verbreitet. Das Problem: Es ist äußerst energieintensiv. In dem Forschungsprojekt „OptiTemp – Optimierung des Wärmeübergangs in Temperatursystemen zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit“ haben Forschende der Technischen Hochschule (TH) Köln jetzt untersucht, wie sich bei dem Verfahren Energie einsparen lässt. Im Mittelpunkt stand das Temperiersystem.
Spritzgussverfahren erfordert viel Energie
Der Anspruch der Kunststoffindustrie, komplexe Formteile möglichst kostengünstig und gleichzeitig ressourcenschonend zu fertigen, stellt die Hersteller vor eine große Herausforderung. Zwar konnte der Energieverbrauch beim Spritzgussverfahren in den vergangenen Jahren bereits durch effektivere hydraulische oder elektrische Antriebe der Maschinen reduziert werden, doch gibt es noch Luft nach oben.
„Verbesserungspotential besteht noch beim Temperiersystem, das ein konstantes Temperaturniveau sicherstellen soll, damit die Spritzgussteile gleichmäßig abkühlen und der Prozess stabil ist. Ein optimierter Wärmeübergang zwischen Kunststoff und Werkzeug ist ein großer Hebel für Energieeinsparungen“, sagt Projektleiter Denis Anders vom Institut für Allgemeinen Maschinenbau der TH Köln.
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Zwei Ansätze für eine energieeffiziente Produktion
Zur Werkzeugtemperierung beim Spritzgießen wird häufig kaltes Wasser als Kühlmedium durch das Werkzeug geleitet. Um das Temperiersystem energieeffizienter zu machen, haben die Forschenden zwei Ansätze untersucht: Der erste Ansatz bestand im Einbau von statischen Mischern im Kühlkanal. Dabei verwirbeln spiralförmige Bauteile aus Metall oder Draht das Wasser, um so die Werkzeugkühlung zu beschleunigen und damit Energie einzusparen. Durch die erhöhte Wasserturbulenz vergrößert sich außerdem die Kontaktfläche zwischen Kühlwasser und Innenwand und bedingt so zusätzlich eine bessere Temperaturanpassung.
Der zweite Ansatz bezog sich auf die Auswirkungen der pulsierenden Strömung. Das Forschungsteam experimentierte dabei mit der Strömungsgeschwindigkeit und -richtung des Kühlwassers. Durch gezielte Strömungsänderungen versuchten die Forschenden Kalkablagerungen zu verringern und damit die Effizienz zu erhöhen. Bei diesem Ansatz gelangte das Team jedoch zu keinen auswertbaren Ergebnissen.
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Statischer Mischer im Kühlkanal spart bis zu 25 Prozent Energie
Um herauszufinden, ob und welcher Ansatz zielführend ist, haben die Forschenden der TH Köln die Wirksamkeit der statischen Mischer im Labor auf den Prüfstand gestellt. Untersucht wurden dabei die strömungsmechanischen Zielparameter, das Mischverhalten und induzierte Druckverluste.Das Ergebnis: Mit dem Einsatz von statischen Mischern lassen sich tatsächlich bis zu 25 Prozent Energie einsparen. Die genaue Einsparquote hänge dabei von der Einstellung des Kühlsystems, dem Werkstoff des Spritzgießwerkzeugs und der Durchflussrate des Kühlmediums ab.
Doch ein Haken bleibt: Die verbesserte Wärmeübertragung geht gleichzeitig mit einem erhöhten Druckverlust einher. „Dieser entsteht durch den Einbau der statischen Mischer in den Kühlleitungen. Um die Strömung im Temperierkanal anzutreiben, sind stärkere Pumpen erforderlich, die wiederum mehr Energie verbrauchen. Da kein optimales Ergebnis für beide Ziele gleichzeitig erreicht werden kann, muss der Effizienzgewinn beim Wärmeübergang die höheren Energiekosten übersteigen“, erklärt Anders.
Die Anpassungsfähigkeit sowie die Vielzahl an eingesetzten Werkstoffen machen das Spritzgussverfahren für die Industrie beinahe unverzichtbar. Doch können moderne Maschinen in Verbindung mit einer nachhaltigen Temperiertechnik durchaus zu einer energieeffizienteren Produktion von Kunststoffteilen im Spritzverfahren beitragen. Die neuen Ergebnisse des Forschungsprojekts „OptiTemp“ leisten dazu einen wichtigen Beitrag.
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