Kühlwasser am Spritzgießwerkzeug überwachen: Durchfluss je Temperierkreis, Temperiergerät und Wärmemenge

Ein Spritzgießwerkzeug wird über seine Kühlkanäle temperiert, und jeder Kanal hängt an einem Schlauch, einem Verteiler und einem Temperiergerät. Ob in jedem dieser Kreise tatsächlich Wasser fließt, sieht man der Maschine von außen nicht an. Dieser Beitrag richtet sich an Instandhalter und Prozessingenieure in Spritzgießbetrieben und an Integratoren, die Spritzgießmaschinen mit Messtechnik ausstatten. Er beginnt beim zugesetzten Kreis, klärt Zahl und Ausführung der Messstellen, die Temperatur als Auswahlkriterium, die Prüfung des Temperiergeräts, die Wärmemenge und den Weg der Werte in die Steuerung. Die Beispiele stammen aus dokumentierten Anwendungen; in einer davon ist ein Durchflusssensor von KEYENCE im Einsatz. Füllstand im Trichter sowie Medien an Extruder und Gummilinie behandeln eigene Beiträge dieser Reihe.

Wichtige Punkte im Überblick

Ein zugesetzter Kühlkreis kühlt seine Werkzeugzone schlechter und zeigt sich meist am Prozess, an einer verlängerten Kühlzeit oder schwankenden Formteilen, lange bevor jemand den Schlauch prüft.
Eine Messstelle je Kreis ordnet einen abfallenden Wert sofort einem Kanal zu, die Summenmessung in Vor- und Rücklauf meldet nur, dass insgesamt weniger fließt, und erkennt einen langsam zusetzenden Kreis spät.
Für einen Versuchsaufbau mit Kreisen bis etwa 140 °C und isolierten Schläuchen kommt die Hochtemperaturausführung des Anklemmbaren Durchflusssensors der Modellreihe FD-H am Metallrohr in Frage.
Aus Durchfluss sowie Vor- und Rücklauftemperatur ergibt sich die Wärmemenge je Werkzeug, die in den dokumentierten Anwendungen der Überwachung und Steuerung der Kühlung dient und nicht der Verrechnung.
Über IO-Link und das Netzwerk-Kommunikationsmodul der Modellreihe NQ erreicht jeder Kreis die Steuerung als eigener Wert, sodass sich eine Abweichung einem Werkzeug und einem Kanal zuordnen lässt.

Wenn ein Kreis zusetzt: längere Kühlzeit und schwankende Formteile

Ablagerungen verengen einen Kühlkanal oder einen Schlauch nach und nach. Ein Kreis mit zu wenig Durchfluss kühlt seine Werkzeugzone schlechter, und das zeigt sich am Formteil, lange bevor jemand den Schlauch in die Hand nimmt.

In einer Spritzgießabteilung, deren Schläuche immer wieder zusetzen, gleicht der Bediener das bisher über die Kühlzeit aus und gibt eine halbe Sekunde dazu. Welcher Schlauch betroffen ist, bleibt dabei offen. Gefragt ist dort ein mobiler Prüfaufbau mit Netzteil für die Versorgung aus der Steckdose. Bei einem angenommenen Zyklus von 20 s kostet eine halbe Sekunde rechnerisch rund 2,5 Prozent Ausstoß.

Bei einem anderen Spritzgießer fehlt an Temperiergeräten neuer Technik jede Durchflusskontrolle; nötig wären zwei Messstellen je Maschine. Ein Verarbeiter verschiedener Kunststoffteile testete die Überwachung seines Kühlwassers mit stabilem Ergebnis.

Der Katalog des Anklemmbaren Durchflusssensors der Modellreihe FD-Q beschreibt genau diese Lage: Wasser zum Kühlen der Form in einer Spritzgussmaschine, dessen Durchfluss sinkt, weil ein Filter verstopft oder ein Ventil falsch steht.

Jeden Kreis oder nur Vor- und Rücklauf: wie viele Messstellen ein Werkzeug braucht

Mit einer Messstelle an jedem Kreis ist ein abfallender Wert sofort einem Kanal zugeordnet. Ein Spritzgießer wollte jeden Kanal überwachen, bei sehr vielen Kanälen je Maschine. Daraus entstand die Idee, den Durchfluss nur in der Haupt-Vor- und Rückleitung zu messen und je Kreis lediglich die Temperatur zu lesen.

Die Summenmessung meldet, dass im Werkzeug insgesamt weniger fließt. Welcher Kreis es ist, muss dann die Temperatur zeigen. Ein langsam zusetzender Kreis fällt im Summenwert spät auf: Sinkt er bei zwölf gleichen Kreisen von 5 auf 3 l/min, fehlen rechnerisch nur gut 3 Prozent des Gesamtdurchflusses.

Ein Hersteller von Kunststoffverpackungen hat den Anklemmbaren Durchflusssensor der Modellreihe FD-H an einer Wasserleitung mit Erfolg getestet. In einem anderen Betrieb kommt die Modellreihe FD-H an zwei neuen Spritzgießmaschinen als zusätzliche Durchflusskontrolle für acht Leitungen in Frage.

Schlauch oder Metallrohr: welche Ausführung zum Kreis passt

Die Modellreihe FD-H misst an Metall- und Hartkunststoffrohren. Für weiche Kunststoffrohre und Schläuche gibt es eine Schlauchausführung, die bis 100 °C arbeitet. An der Maschine kommen beide Fälle vor, oft am selben Werkzeug.

Ein Hersteller von Gummidichtungen hat beides geprüft, an einem 27-mm-Schlauch mit der Schlauchausführung und an einem 40-mm-Stahlrohr mit dem Standardmodell. Gefragt waren Durchfluss und Temperatur als Ausgänge. Beide Versuche fielen positiv aus. Am selben Werkzeug lassen sich Schlauch und Rohr damit mit zwei Ausführungen derselben Modellreihe überwachen.

An der Werkzeugkühlung eines Herstellers von Kunststoffdeckeln ist ein Durchflusssensor der Modellreihe FD-H von KEYENCE im Einsatz.

Ein Werkzeug- und Teilehersteller will an mehreren Anlagen PVC-Schläuche von rund 19 mm ohne Metallgeflecht überwachen, dafür ist die Schlauchausführung gedacht. Laut Katalog sind für sie auch geflochtene Schläuche zulässig; eine Oberfläche aus Metallgewebe verringert laut Anleitung aber die Kontaktfläche. Ob ein Schlauch mit Metallgeflecht geeignet ist, bleibt deshalb am konkreten Schlauch zu prüfen.

Bis 80 °C Rücklauf, bis 140 °C im Kreis: Temperatur als Auswahlkriterium

Die Grenzwerte der Modellreihe FD-H beziehen sich auf die Rohroberfläche. Das Standardmodell arbeitet bis 85 °C und hat einen integrierten Temperatursensor. Die Hochtemperaturausführung reicht bis 180 °C und bis 1 1/4 Zoll; zwischen 140 und 180 °C wird ihre Anzeige abgesetzt montiert.

Ein Rücklauf von etwa 80 °C am Schlauch liegt rechnerisch innerhalb der 100 °C der Schlauchausführung. In einer dokumentierten Anwendung mit Schläuchen am Rücklauf ist deshalb die Schlauchausführung vorgesehen.

Anders bei einem Versuchsaufbau zur Werkzeugkühlung, in dem Kreise bis etwa 140 °C vorkommen, an Leitungen von 24 bis 25 mm. Weil die Schläuche dort isoliert sind, soll am Metallrohr gemessen werden. Rechnerisch liegen 140 °C deutlich über den 85 °C des Standardmodells, deshalb kommt die Hochtemperaturausführung in Frage. Ab 140 °C braucht sie laut Katalog zusätzlich eine Hochtemperaturkontaktplatte. Am Aufbau ist bereits Messtechnik vorhanden.

Das Temperiergerät prüfen: Prüfstation bei Stillstand und Reinigung der Kühlkanäle

Nicht nur das Werkzeug, auch das Temperiergerät selbst lässt sich prüfen. In einer dokumentierten Anwendung geht es um eine Station, an die Temperiergeräte bei Stillstand angeschlossen werden: Metallleitung von 18 mm, rund 80 °C und etwa 15 l/min, rechnerisch 0,9 m³/h. Mit 80 °C bleibt die Messung knapp unter den 85 °C des Standardmodells.

Ein Betrieb will an Spritzgießmaschinen über den Durchfluss belegen, dass eine Reinigungsanlage die Verschmutzungen aus den Rohren entfernt hat; gewünscht ist eine abnehmbare Anzeige. Vor und nach der Reinigung gemessen, zeigt der Durchfluss je Kreis, was die Reinigung bewirkt hat.

Wärmemenge je Werkzeug: Durchfluss und Temperaturdifferenz als Prozessgröße

Aus Durchfluss sowie Vor- und Rücklauftemperatur ergibt sich die Wärme, die das Kühlwasser aus dem Werkzeug trägt. Rechnerisch führen 10 l/min Wasser bei 5 K Temperaturdifferenz rund 3,5 kW ab.

In einem Betrieb soll die Wärmeeinbringung je Spritzgießmaschine als Steuergröße für die Kühlung dienen, gemessen mit der Schlauchausführung und je zwei Temperaturfühlern für Vor- und Rücklauf. Laut Katalog berechnet die Modellreihe FD-H zusammen mit zwei Temperatursensoren die zu- oder abgeführte Wärmemenge ohne weitere Rechner. Ein Spritzgießer für Kosmetikverpackungen will die Wärmemenge an Schläuchen von 3/8 bis 1/2 Zoll ebenfalls erfassen.

Gemeint ist in beiden Fällen Überwachung. Die Anleitung der Modellreihe FD-Q schließt eine Verwendung als geeichtes Messgerät aus, und keine der Anwendungen zielt auf eine Verrechnung.

Viele Kreise an die Steuerung: IO-Link und Netzwerk-Kommunikationsmodul

Mit der Zahl der Kreise wird die Verdrahtung zur eigentlichen Aufgabe. An einer neuen Spritzgießmaschine soll der Wasserdurchfluss im Werkzeug an einigen Dutzend Stellen mit Sensoren der Modellreihe FD-H überwacht werden. Angebunden werden sie über IO-Link an das Netzwerk-Kommunikationsmodul der Modellreihe NQ, das als IO-Link-Master mit 4 oder 8 Ports ausgeführt ist; die Einbindung übernimmt ein externer Integrator.

Auch im Betrieb, der die Wärmeeinbringung erfasst, kommt die Modellreihe NQ für zwei Maschinen in Frage. Über ein solches Modul erreicht jeder Kreis die Steuerung oder ein übergeordnetes System als eigener Wert, und eine Abweichung lässt sich einem Werkzeug und einem Kanal zuordnen.

Häufige Fragen

F Woran zeigt sich ein zugesetzter Kühlkreis, bevor jemand den Schlauch prüft?

Meist am Prozess: Die Kühlzeit wird verlängert oder die Formteile schwanken. In einer dokumentierten Anwendung gab der Bediener eine halbe Sekunde Kühlzeit dazu, ohne zu wissen, welcher Schlauch betroffen war. Ein Durchflusswert je Kreis macht diese Ursache sichtbar.

F Lässt sich der Durchfluss an einem isolierten Kühlschlauch messen?

Der Sensor sitzt außen auf Rohr oder Schlauch. Für einen dokumentierten Versuchsaufbau ist der Messpunkt deshalb am Metallrohr vorgesehen, weil die Schläuche isoliert sind. Bei Temperaturen über 85 °C ist dort die Hochtemperaturausführung der Modellreihe FD-H vorgesehen.

F Kann man ein Temperiergerät prüfen, ohne ein Werkzeug anzuschließen?

Eine dokumentierte Anwendung beschreibt eine Prüfstation, an die Temperiergeräte bei Stillstand angeschlossen werden. Gemessen werden soll an einer Metallleitung bei rund 80 °C und etwa 15 l/min. Das liegt knapp unter der Grenze des Standardmodells von 85 °C.

F Welche Durchflüsse kommen an Werkzeugkreisen vor?

Einen Wert nennt in den dokumentierten Anwendungen nur die Prüfstation für Temperiergeräte, rund 15 l/min. Die Leitungen reichen von Schläuchen mit 3/8 bis 1/2 Zoll bis zu einem Stahlrohr von 40 mm, Schläuche und Metallrohre kommen nebeneinander vor. Die Ausführung des Sensors richtet sich nach Leitung und Temperatur.

F Wie gelangen Dutzende Durchflusswerte in die Steuerung?

In einem dokumentierten Fall sollen die Sensoren der Modellreihe FD-H über IO-Link an das Netzwerk-Kommunikationsmodul der Modellreihe NQ angebunden werden. So kommt jeder Kreis als eigener Wert in Steuerung oder Leitsystem. An einer neuen Maschine ist eine solche Anbindung für einige Dutzend Messstellen vorgesehen.

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