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GRUNDLAGEN DER KALTKANALTECHNIK www.desma.biz Soul & Solutions for Global Success

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DESMA HAnDbucH KALTKAnALTEcHnIK | EInfüHrung | 1

grunDLAgEn DErKALTKAnALTEcHnIK

www.desma.biz

Soul & Solutions for global Success

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DESMA HAnDbucH KALTKAnALTEcHnIK

grunDLAgEn DEr KALTKAnALTEcHnIK

1. Auflage, Oktober 2014 | DE

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DESMA HAnDbucH KALTKAnALTEcHnIK | VOrwOrT | 5

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1. EInfüHrung1.1 recycling-Problematik1.2 Herstellungskosten1.3 fertigungsmethode 1.3.1 flutrillen und Artikelaustrieb 1.3.2 Angussabfall

2. TEMPErATurfüHrung2.1 flüssigkeitstemperierung2.2 Durchfluss und Temperierleistung 2.3 wärmeträger2.4 Temperiergeräte

3. KALTKAnAL bAuArTEn3.1 Düsensysteme 3.1.1 untemperierte Düse 3.1.2 untemperierte Düse mit gefederter Schiebedüse 3.1.3 flüssigkeitstemperierte Düse 3.1.4 flüssigkeitstemperierte Düse mit gefederter Schiebedüse 3.1.5 Düse mit nadelverschluss3.2 Verteilerblocksysteme 3.2.1 geteilter Kaltkanalblock 3.2.2 geteilter Kaltkanalblock mit Einlegerohren 3.2.3 Teilgeschlossener Kaltkanalblock 3.2.4 geschlossener Kaltkanalblock3.3 Verschmutzungsproblematik

4. DESMA KALTKAnALTEcHnIK4.1 Standard Kaltkanal 4.1.1 Düsenbereich 4.1.2 blockbereich 4.1.3 Temperierung 4.1.4 Elektroinstallation4.2 Vario Kaltkanal4.3 flowcontrol Kaltkanal 4.3.1 crbcontrol

5. DESMA ITM-TEcHnIK5.1 untemperierte ITM-Töpfe (Hot Pot)5.2 Temperierte ITM-Töpfe (cold Pot)5.3 Zerowaste ITM

6. AuSLEgungS- unD KALKuLATIOnSHILfEn6.1 Kaltkanal-Auslegungstool „crb calc“6.2 Produktionskosten-berechnung „Article calc“

7. PrOjEKTIErungSbEISPIELE7.1 gummi-Metall-buchse7.2 formdichtring 7.3 O-ring 7.3.1 fertigung mit Heißverteiler 7.3.2 fertigung mit Kaltkanal 7.3.3 fertigung mit mittigem Kaltkanal (2 Ebenen) 7.3.4 fazit7.4 Ventildeckeldichtung7.5 weitere Anwendungsbeispiele (2-Ebenen-fertigung)

8. unSErE PrOjEKTPArTnEr

InHALTDESMA realisiert schlüsselfertige Maschinen und Anlagen sowie formen und Kaltkanäle für die Produktion anspruchsvoller gummi- und Silikonformartikel. gleichzeitig eröffnen wir den elastomerverarbeitenden unternehmen und Ihnen als Anwender auch den Zugang zu wertvollem fachwissen.

Mehr Performance, Produktivität und Profitabilität in der Elastomerverarbeitung. Die Kaltkanaltechnik als grundlage der Automatisierung macht es möglich! In diesem DESMA Handbuch erfahren Sie, wie Sie mit Kaltkanälen den Abfallanteil bis hin zur abfallfreien Produktion senken, eine flexiblere formenauslegung und kürzere Zyklus-zeiten sowie eine höhere Artikelqualität mit geringeren Ausschussraten erzielen können.

Wissensvorsprung für die Planung und Anwendung. Informieren Sie sich über die aktuelle Kaltkanaltechnik und lernen die unterschiedlichen Systeme und bauarten kennen: von den bewährten Standard Kaltkanälen bis hin zur innovativen ZeroWaste ITM-Technik. Abgerundet durch Auslegungs- und Kalkulationshilfen erhalten branchen- einsteiger, Auszubildende und erfahrene fachkräfte ein vollständiges wissensspek-trum. Praxisnah, kompakt und leicht verständlich durch viele Schaubilder.

weitere unterstützung für Ihre Arbeit erhalten Sie auch mit unseren DESMA Schulungsangeboten sowie der zukunftsweisenden DESMA E-Learning Plattform: www.desma.biz

Viel Erfolg wünscht Ihnen Ihr DESMA Team!

VOrwOrT

    »Die Grundlagen der Kaltkanaltechnik und der praktische Einsatz beim Spritzgießen von Elastomeren.       Hier gibt es alles auf einen Blick.«

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11. EInfüHrung

Von den Herstellungskosten bei Elastomerprodukten gehen durchschnittlich 60 % auf den Werkstoff!

Lediglich insgesamt 40 % werden somit von Energie-, Lohn-, Maschinen- und ähnlichen Kosten verursacht. weil das Einspar-potenzial in diesen bereichen durch Automatisierungstechnik, energiesparende Antriebe etc. bereits größtenteils ausgereizt ist, wird im folgenden speziell auf das Einsparpotentzial im bereich der werkstoffkosten eingegangen.

Der Mischungspreis hängt bei Elastomeren stark vom ver- wendeten basispolymer ab. bei fluor- und Silikonkautschuk- mischungen gibt es außerdem extreme Preisunterschiede, je nachdem welche speziellen Anforderungen die Mischung erfüllen muss.

Da die geforderten Eigenschaften mit günstigeren Materialien in der regel (noch) nicht zu erreichen sind, liegt es nahe den Abfallanteil bei der Verarbeitung möglichst gering zu halten.

Thermoplastische Haupt- und nebenprodukte können, analog zu metallischen Produkten, durch Erhitzen wieder in den flüssi-gen Zustand zurückgeführt werden. Aus der Schmelze können anschließend neue Produkte hergestellt werden (recycling). Da beim Einschmelzen lediglich der physikalische Aggregats-zustand geändert wird, leidet die Materialqualität hierdurch nicht. Voraussetzung ist natürlich, dass das Material schonend aufgeschmolzen und nicht verunreinigt wird (Sortenreinheit).

Vulkanisierte Elastomere lassen sich auf diese weise leider nicht recyceln. Die chemische Vernetzung der Makromoleküle verhindert das Erweichen bzw. Aufschmelzen des Materials bei Erwärmung. Ab ca. 250 °c (abhängig von basispolymer und Einwirkzeit) wird das Elastomer thermisch zersetzt und damit unbrauchbar. Das Verhalten entspricht also eher dem von Holz.Aus diesem grund geht der Materialwert von vulkanisierten nebenprodukten (im Vergleich zu thermoplastischen) gegen

null. Eine chemische wiederaufbereitung von gummiabfällen ist zwar technisch möglich, jedoch sehr aufwändig und daher zumindest noch nicht wirtschaftlich.Häufig werden die nebenprodukte daher als Abfall entsorgt, wobei dann auch noch Entsorgungskosten anfallen. will man diese Entsorgungskosten vermeiden, verbleiben noch folgende Möglichkeiten:

Füllstoffersatzbei der Herstellung von neuen gummimischungen ist die Zugabe von bis zu ca. 5 % feinem Altgummipulver möglich. Hierdurch muss weniger füllstoff (ruß, Kreide etc.) zugekauft werden.

Werkstoff für minderbeanspruchte ArtikelDurch Zugabe eines „Klebstoffs“ ist es möglich, die gummi-partikel formstabil zu verbinden. Auf diese weise werden zum beispiel weiche bodenbeläge für Spielplätze hergestellt.

Zuschlagsstoff im BauwesenMit Altgummipulver anstelle von Sand (oder Ähnlichem) kön-nen in einigen fällen spezielle, gewünschte Eigenschaften erreicht werden.

Zunächst müssen die Abfälle jedoch mechanisch zerkleinert werden. Die Partikelgröße hängt von der späteren Verwendung ab.

BASISPolyMEr (KAuTScHuKTyP) KurZZEIcHEn KoSTEn Pro Kg

naturkautschuk nr ca. 2,50 Eur

Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk EPDM ca. 3,50 Eur

nitril-butadien-Kautschuk nbr ca. 3,50 Eur

butyl-Kautschuk IIr ca. 4,00 Eur

fluor-Kautschuk fPM ca. 25,00 – 1.500,00 Eur

Silikon-Kautschuk VMQ ca. 5,00 – 500,00 Eur

1.1 rEcyclIng-ProBlEMATIK 1.2 HErSTEllungSKoSTEn

Thermoplast Elastomer, vulkanisiert

nebenprodukt (Abfall)

nebenprodukt (Abfall)

ProduktProdukt

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Der wertvolle rohstoff sollte möglichst effizient verarbeitet werden. Andererseits gilt es, die Investitionskosten für neue Produktionsanlagen so gering wie möglich zu halten, um eine zeitnahe Amortisation zu erreichen.

Vergleicht man bei bestandsanlagen das Verhältnis zwischen eingesetztem Material und verkaufsfähigen Produkten, so klafft hier oft eine große Lücke.Selbst wenn der vorhandene Ausschussanteil als „nicht mehr optimierbar“ angenommen wird, so verbleibt noch immer ein Einsparpotenzial von ca. 12 % der Herstellungskosten durch die vulkanisierten nebenprodukte wie Anguss, flutrillen und Austrieb (20 % der Werkstoffkosten entsprechen ca. 12 % der Herstellungskosten).

1.3 FErTIgungSMETHoDE unD ABFAllAnTEIl

BEISPIEl EInEr DurcHScHnITTlIcHEn ForMTEIlProDuKTIon: (Spritzgießverfahren ohne Kaltkanaltechnik)

Eingesetztes Material: 1.000 kgnebenprodukte (Austrieb, Anguss etc.): -200 kgAusschussanteil: -50 kgVerkaufsfähige Artikel: 750 kg

" Abfallanteil insgesamt 25 %!

Mittels ITM-Verfahren (Injection Transfer Moulding) ist es schon seit längerer Zeit möglich, einwandfreie Artikel praktisch ohne Austriebsabfall herzustellen. Durch geeignete Maschinen- und werkzeugtechnik gelingt dies mittlerweile auch schon bei vielen im Spritzgießverfahren (Injection Moulding) hergestell-ten Artikeln – beispielsweise in der Dichtungsproduktion. Ob im spezifischen fall noch Einsparungspotential ausgeschöpft werden kann, hängt stark vom jeweiligen Artikel ab. So ist dies beispielsweise bei großen, komplizierten geometrien mit Einle-geteilen, wenn überhaupt, nur durch sehr hohe Investitionen zu erreichen. Die rentabilität ist hierdurch oft fraglich. Es muss also immer der Einzelfall geprüft werden, da es keine universell passende Methode zur Austriebsvermeidung gibt.

Im bereich „reduzierung des Angussabfalls“ liegt in der regel das größte Einsparpotenzial. Dies gilt praktisch unabhängig von der spezifischen Artikelgeometrie. Eine exakte Vergleichs-kalkulation zur Auswahl des fertigungskonzepts ist daher dringend zu empfehlen.

1.3.1 fLuTrILLEn unD ArTIKELAuSTrIEb

1.3.2 AnguSSAbfALL

IM mit Heißverteiler

AngussabfallInvestitionskosten

~17 %Gering

~10 %Mittel

~3 %Mittel

0 %Hoch

0 %Hoch

50 – 500 %Gering

50 – 500 %Gering

ICM ITM mitHot Pot

ITM mitCold Pot

ITM mit Direkt-anspritzung

(ZeroWaste©- ITM)

IM mit StandardKaltkanal

IM mit Direktanspritzung(FlowControl KK)

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Art?Preis?BesondereEigenschaften?

Art?Dimension?Einlegeteile?

Amortisations-dauer?

CM, TM, IM, ITMAngusssystem?Nestanzahl?Auslegung? " Artikelqualität

" Herstellungskosten" Verkaufspreis

Mischung? Artikel? Produktionsmenge?

Fertigungskonzept

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22. TEMPErATurfüHrung

Sinn und Zweck der Kaltkanaltechnik ist es, durch Kühlen möglichst großer bereiche des Angussverteilers das Vulkani-sieren des darin befindlichen werkstoffs während der Heizzeit zu verhindern. nach Ablauf der Heizzeit muss dieses Material deshalb nicht mit den Artikeln entfernt werden, sondern kann beim nächsten Schuss für neue Artikel genutzt werden.

Leider ist es mit Standardtechnik nicht möglich, den Anguss-verteiler bis hin zum formnest zu kühlen – die kalte Düsen-spitze würde sonst das formnest zu stark auskühlen. Eine wesentlich längere Heizzeit bzw. eine schlecht vulkanisierte Stelle am Artikel wären die folge. Aus diesem grund ist es beim Standard Kaltkanal erforderlich, immer noch etwas vul-kanisierten Anguss entstehen zu lassen. Meist wird dieser Abstand zum formnest für eine unterverteilung von einer KK-Düse auf mehrere formnester genutzt. Ein 12-Düsen-Kaltkanal kann so beispielsweise 48 formnester versorgen.

Trotzdem ist es äußerst wichtig, einen möglichst „scharfen“ Temperaturübergang vom kühlen zum heißen bereich zu reali-sieren. Die übergangsstrecke darf nur wenige Millimeter lang sein, damit die Trennung zwischen „frischem“ und vulkanisier-tem Material möglichst klar definiert ist. So kann verhindert werden, dass anvulkanisiertes Material aus der Düse beim nächsten Schuss in die formnester gespült wird (Altgummi-verschleppung).

Hierzu ist eine sehr leistungsfähige Kühlung der Düse, eine möglichst gute Isolation zwischen Düse und form sowie eine leistungsfähige beheizung der form erforderlich.

180 °C

180

°C

80 °C

135

°C

80 °C

KK-Isolierplatte Spritzgießform

KK-Verteilerblock KK-Heizplatte

KK-Verteilerblock

„frisches“ Elastomer

VulkanisierterUnterverteiler

Produkte

AbrissstelleTemperaturübergang180°C

80°C

Ein Temperiersystem besteht aus umwälzpumpe, fühler, Hei-zung, Kühler, den Verbindungsleitungen und dem zu temperie-renden bauteil (Kaltkanal). bei DESMA erfolgt die beheizung bzw. die Kühlung des Temperiermediums zentral im sogenann-ten Temperiergerät. Die umwälzpumpe sorgt dafür, dass die Temperierflüssigkeit ständig zwischen Temperiergerät und Kaltkanal zirkuliert. Die Temperatur des wärmeträgers und des Verbrauchers gleichen sich dabei an.

Der Vorteil im Vergleich zu einer direkten beheizung (bzw. Kühlung) ist die sehr gleichmäßige Temperaturverteilung im temperierten bauteil. Im gegensatz hierzu wirkt ein direkt montiertes Heiz- oder Kühlelement immer nur punktuell. wegen des geringen Platzbedarfs der Temperierkanäle ist es außerdem möglich, sehr filigrane bauteile (z. b. Kaltkanal-düsen) effektiv zu temperieren.

2.1 FlüSSIgKEITSTEMPErIErung

Kühlwasser

1 2

Gerät 1: Temperaturzone SchneckenzylinderGerät 2: Temperaturzone Spritzzylinder und Düse

Temperiergeräte

Temperierflüssigkeit

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Im Temperiergerät sind umwälzpumpe, Heizung/Kühlung sowie der Temperaturfühler gemeinsam untergebracht. Der Temperaturfühler befindet sich meist im rücklauf des Tempe-riergeräts, kann aber auch direkt am Verbraucher installiert werden, sofern die Platzverhältnisse dies zulassen. Zum Abkühlen des Temperiermediums wird über ein Ventil kalte

flüssigkeit (meist wasserbasis, ~20 °c) aus einem separaten Kühlkreislauf durch einen wärmetauscher geleitet. Der wärmeträger bzw. der Verbraucher kann hierdurch abge-kühlt werden. Zum Erhöhen der Temperatur wird das Ventil geschlossen und ein elektrisches Heizregister (ähnlich einem Tauchsieder) aktiviert.

Ein ausreichend großer Durchfluss ist bei der flüssigkeits- temperierung von entscheidender bedeutung. nur so kann eine turbulente Strömung und damit ein guter wärmeüber-gang erreicht werden (reynoldszahl > 2.300).

bestimmt wird der Durchfluss vor allem von der montierten Pumpe und dem Druckverlust des angeschlossenen Verbrau-chers. Dieser Druckverlust wird wiederum beeinflusst von der Viskosität des wärmeträgers sowie vom Querschnitt und der Länge der fließwege. Die Anschlussleitungen sollte daher immer einen möglichst großen Querschnitt aufweisen und möglichst kurz sein. Schnellkupplungen sind meist große „Druckfresser“.

bei zu geringem Durchfluss (z. b. Verschmutzung, geknickter Schlauch) wird die Temperaturregelung sehr ungenau und die Aufheiz- und Abkühlzeiten verlängern sich stark. Außerdem steigt hierdurch die gefahr der überhitzung erheblich. Öl-basierende Medien können dabei thermisch zerstört werden, wodurch sich ihre farbe stark verdunkelt. Die anschließende Verklumpung kann dann rasch das gesamte System verstop-fen. wärmetauscher, Verbindungsleitungen und Ähnliches las-sen sich dann oft nicht mehr reinigen und müssen komplett erneuert werden. Der Durchfluss sollte daher regelmäßig geprüft werden. Ist dieser zu gering, muss schnellstmöglich die ursache gefunden und beseitigt werden!

Die Kühlleistung wird zu 100 % von der Kühlwasserversorgung bestimmt. Ein ausreichender wasserzufluss muss daher jeder-zeit sichergestellt sein (auch wenn alle Maschinen gleichzeitig kühlen). Außerdem soll die Kühlwassertemperatur ganzjährig konstant sein (20 °c +/− 3 K).

Frischwasser-notkühlungbei Stromausfall leitet diese funktion automatisch kühlendes frischwasser (~20 °c) über einen bypass direkt durch den Kaltkanal. Der überdruck in der frischwasserleitung (~3 bar) sorgt dann für ausreichend Durchfluss. Somit kann, trotz Aus-fall der elektrischen Pumpe, das Anvulkanisieren der Mischung im Kaltkanal sicher verhindert werden.

45 °C40 °C

20 °C

24 °C

wärmetauscher (Kühler)Heizregister

Pumpenkennlinie

Durchfluss/Volumenstrom

Dru

ck

Rey

nold

szah

l (R

e)

Betriebspunkt

DruckverlustTemperierung Re

230 V 33 °C

40 °C

2.2 DurcHFluSS unD TEMPErIErlEISTung

15 30 45 60 75 900

20

60

100

140

Temperier-medium

°CKühlflüssigkeit20 °C – 15 l/min

kW

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Temperierflüssigkeit auf Ölbasis (Temperieröl)

Temperierflüssigkeit auf Wasserbasis

2.3 WärMETrägEr

VorTEIlE nAcHTEIlE

Temperaturen bis ca. 300 °c möglich. Schwächere Kühl-/Heizleistung.

Langer, unproblematischer betrieb der Temperierung gewährleistet. Zähflüssiger als wasser (große Kanalquerschnitte erforderlich).

Schmierung der Pumpe und Ventile. Enthaltene Additive oft schädlich.

greift metallische Oberflächen nicht an. —

Keine Probleme mit bakterienbildung/fäulnis. —

VorTEIlE nAcHTEIlE

beste Kühl-/ Heizleistung. Spezielle behandlung erforderlich (gegen Korrosion, Kalk, bakterienbildung).

gute fließfähigkeit. Ohne spezielle Temperiergeräte nur maximal 95 °c möglich.

Leckagen verdunsten größtenteils. Mit speziellen Druckwassergeräten maximal etwa 140 °c (Gefahr durch Systemdruck).

Empfehlung: Aufgrund des hohen Leistungsbedarfs (speziell in den engen Temperierkanälen der KK-Düsen) sind wasser-basierende Temperiermedien für den Kaltkanalbereich zu empfehlen.Ölbasierende Medien eignen sich hingegen gut zur Temperierung der Spritzeinheit.

geräte mit offenem Temperierkreis (drucklos)Der Temperierkreislauf ist hier vom Kühlkreislauf völlig getrennt. Da keine gefahr der Vermischung besteht, kann ein wasser- oder ölbasierendes Medium als wärmeträger eingesetzt wer-den. wegen des drucklosen Kreislaufs ist die maximale Tempe-ratur bei wasserbasierenden Medien auf ca. 90 °c begrenzt.Diese geräte werden deshalb bevorzugt zur Temperierung der Spritzeinheit eingesetzt (mit Öl).

Bedienung:1. nachfüllöffnung (für Temperiermedium)2. Kontrolllampe „niveau“3. Angabe des temperierten bauteils4. Typenschild mit Leistungsangaben5. Verbindung „Steuerstromkreis“6. Verbindung „Laststromkreis“7. übertemperaturschalter8. Tank-überlauföffnung9. Ablassschraube (für Temperiermedium)10. Kühlflüssigkeit Eingang (Vorlauf)11. Kühlflüssigkeit Ausgang (rücklauf)12. Temperiermedium Ausgang (Vorlauf)13. Temperiermedium Eingang (rücklauf)

2.4 TEMPErIErgEräTE

M

1. Eingang Temperiermedium (Rücklauf)2. Ausgang Temperiermedium (Vorlauf)3. Eingang Kühlflüssigkeit (Rücklauf)4. Ausgang Kühlflüssigkeit (Vorlauf)5. Nachfüllöffnung (für Temperiermedium)6. Kühler (Wärmetauscher)7. Kühlventil (elektr.)8. Heizregister9. Umwälzpumpe10. Niveauschalter

91

3

4

2

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8

7

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1

2

3

8

° 7

°

5

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6

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8. DIESES PrOjEKT wurDE VOn DEn fOLgEnDEn fIrMEn unTErSTüTZT

Spritzgießmaschinen von DESMA sind weltweit im Einsatz.

Rund6.000

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54 | PrOjEKTPArTnEr | DESMA HAnDbucH KALTKAnALTEcHnIK DESMA HAnDbucH KALTKAnALTEcHnIK | PrOjEKTPArTnEr | 55

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Autor:© Klöckner DESMA Elastomertechnik gmbHwww.desma.biz

Herausgeber:© Klöckner DESMA Elastomertechnik gmbHwww.desma.biz | Schutzgebühr 20 Eur1. Auflage, Oktober 2014, fridingen, 1.000 Exemplare | DE

Alle rechte vorbehalten, insbesondere das recht auf Ver-vielfältigung und Verbreitung sowie übersetzung. Kein Teil dieser Publikation darf in irgendeiner form ohne schriftliche genehmigung des Herausgebers und der Autoren reprodu-ziert werden oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden.

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