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20.07.2018

Materialstress bei Kraftstofftanks vorbeugen

Schnellere Aushärtung und verkürzte Kühlzeit mit Geräte-Kombination

Bei der Produktion von Kraftstofftanks für die Automobilbranche kommt heutzutage meist das Coextrusionsverfahren zum Einsatz, um mehrere Schichten in einem Durchgang zu erzeugen: Ein schlauchförmiger Vorformling aus aufgeschmolzenen Polymeren – PE-HD-Neuware, PE-HD-Regranulat, eine innere und äußere Bindeschicht, das Ethylen-Vinylalkohol-Copolymer (EVAL) und wieder PE-HD-Neuware – wird in eine Blasform übergeben und durch Innendruck den Formkonturen angepasst.

Um den Tank auszuhärten, wurde er bisher mittels Kaltwasser in der Kavität der Werkzeugform gekühlt. Dieser Prozessschritt ist jedoch teuer und langwierig, da eine niedrige Kaltwassertemperatur dazu führt, dass sich Wasser auf der Formoberfläche kondensiert, was wiederum eine schwankende Produktqualität und einen erhöhten Ausschuss zur Folge hatte. Die EVAL-Schicht im Tank wird zudem durch die anhaltende Hitzeeinwirkung geschädigt und somit ihre Funktionsfähigkeit eingeschränkt.

Hier setzt das System Mould Area Protection (MAP) der FarragTech GmbH, Wolfurt, an: Durch die Zuführung von trockener Luft wird das „Schwitzen“ der Werkzeugform verhindert. Zur weiteren Erhöhung des Outputs eignet sich das Internal Air Cooling System (IACS): Der Tank wird dabei zusätzlich zur herkömmlichen Kühlung innenseitig mit -35 °C kalter Luft gespült, wodurch die Wärme im Kunststoff laut Hersteller gleichzeitig von innen und außen abtransportiert und Materialstress vorgebeugt wird.

  • Die Schwierigkeit bei der Herstellung von Benzintanks liegt hauptsächlich im Temperaturgefälle zwischen der mittels Kaltwasser abgekühlten Außenseite und der noch warmen Innenseite des Produkts, was bisher oft zu erheblichem Materialstress führte – vor allem, da die großvolumigen Tanks komplex geformt sind und so verschiedene Wandstärken im Bereich zwischen 1,35 und 3,80 mm aufweisen (© Bettina F / pixelio.de)

    Die Schwierigkeit bei der Herstellung von Benzintanks liegt hauptsächlich im Temperaturgefälle zwischen der mittels Kaltwasser abgekühlten Außenseite und der noch warmen Innenseite des Produkts, was bisher oft zu erheblichem Materialstress führte – vor allem, da die großvolumigen Tanks komplex geformt sind und so verschiedene Wandstärken im Bereich zwischen 1,35 und 3,80 mm aufweisen (© Bettina F / pixelio.de)

  • Um einer Beschädigung des Materials bereits bei der Herstellung vorzubeugen, fiel die Wahl auf eine sogenannte interne Druckluftkühlung (IACS) mit integriertem Druckluftkühlgerät, dem Blow Air Chiller (BAC) (© FarragTech)

    Um einer Beschädigung des Materials bereits bei der Herstellung vorzubeugen, fiel die Wahl auf eine sogenannte interne Druckluftkühlung (IACS) mit integriertem Druckluftkühlgerät, dem Blow Air Chiller (BAC) (© FarragTech)

  • Dabei wurden modular konstruierbare Blasdorne sowie passende Blasventilblöcke mitausgeliefert. Der BAC stellt für Blasanwendungen Lufttemperaturen bis zu -35°C zur Verfügung (© FarragTech)

    Dabei wurden modular konstruierbare Blasdorne sowie passende Blasventilblöcke mitausgeliefert. Der BAC stellt für Blasanwendungen Lufttemperaturen bis zu -35°C zur Verfügung (© FarragTech)

  • Für den Einsatz der MAP-Systeme kommen einfache (Umgebungs-)Lufttrockner zum Einsatz. Das System funktioniert, indem der Formenbereich der Maschine von der Umgebungsluft getrennt und direkt durch den MAP mit gefilterter, trockener Luft versorgt wird. … (© FarragTech)

    Für den Einsatz der MAP-Systeme kommen einfache (Umgebungs-)Lufttrockner zum Einsatz. Das System funktioniert, indem der Formenbereich der Maschine von der Umgebungsluft getrennt und direkt durch den MAP mit gefilterter, trockener Luft versorgt wird. … (© FarragTech)

  • … Dadurch wird eine ständige Verwendung von Kaltwasser bis zu einer Temperatur von 6 °C ermöglicht, ohne dass sich eine Kondensation auf der Formoberfläche bildet (© FarragTech)

    … Dadurch wird eine ständige Verwendung von Kaltwasser bis zu einer Temperatur von 6 °C ermöglicht, ohne dass sich eine Kondensation auf der Formoberfläche bildet (© FarragTech)

  • Über einen Filter wird Umgebungsluft angesaugt und in zwei Schritten gekühlt: zunächst über einen wassergekühlten Wärmetauscher, danach im Wärmetauscher des integrierten Kältekreislaufs (© FarragTech)

    Über einen Filter wird Umgebungsluft angesaugt und in zwei Schritten gekühlt: zunächst über einen wassergekühlten Wärmetauscher, danach im Wärmetauscher des integrierten Kältekreislaufs (© FarragTech)

  • Temperaturunterschiede führten bisher oftmals zu erheblichem Materialstress – vor allem, da die großvolumigen Tanks komplex geformt sind (© FarragTech GmbH)

    Temperaturunterschiede führten bisher oftmals zu erheblichem Materialstress – vor allem, da die großvolumigen Tanks komplex geformt sind (© FarragTech GmbH)

  • „Für diese Art der Kunststoffverarbeitung im Automotive-Bereich eignet sich eine Kombination aus IACS- und des MAP-Systems besonders gut, da bei optimaler Abstimmung der beiden Mechanismen die Kühlzeit um bis zu 60 Prozent verkürzt werden kann“, erklärt Aaron Farrag, stellvertretender Geschäftsführer der FarragTech GmbH (© FarragTech)

    „Für diese Art der Kunststoffverarbeitung im Automotive-Bereich eignet sich eine Kombination aus IACS- und des MAP-Systems besonders gut, da bei optimaler Abstimmung der beiden Mechanismen die Kühlzeit um bis zu 60 Prozent verkürzt werden kann“, erklärt Aaron Farrag, stellvertretender Geschäftsführer der FarragTech GmbH (© FarragTech)

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Temperaturgefälle zwischen Innen- und Außenseite

„Das Kühlen des Kunststoffprodukts stellt sowohl einen der kritischsten als auch der langwierigsten Teilprozesse beim Extrusionsblasverfahren dar“, erklärt Aaron Farrag, stellvertretender Geschäftsführer der FarragTech GmbH. „Speziell bei der Herstellung von mehrlagigen Produkten wie modernen Kraftstofftanks kann hier viel Zeit eingespart und die EVAL-Schicht vor Beschädigungen durch Hitzeeinwirkung geschützt werden.“ Schwierigkeiten können dabei aufgrund des Temperaturgefälles zwischen der mittels Kaltwasser abgekühlten Außenseite und der noch warmen Innenseite des Produkts auftreten.

Diese Temperaturunterschiede führen oftmals zu erheblichem Materialstress – vor allem in großvolumigen, komplex geformten Tanks, die sehr unterschiedliche Wandstärken zwischen 1,35 und 3,80 mm aufweisen. Bis vor kurzem wurde dem mittels Intervallblasen entgegengewirkt. Doch dieser Prozess war nach Unternehmensangaben wenig effektiv, so dass die Produktqualität schwankte und die Produkte Dichtheits-, Belastungs- sowie Fallprüfungen nicht bestanden. Die verhältnismäßig hohe Ausschussrate verteuerte die Produktion, so dass der FarragTech-Kunde dazu überging, die Temperatur des Kaltwassers noch mehr zu senken. Die Folge waren eine noch schlechtere Produktqualität und höhere noch Energiekosten.

Bessere Ergebnisse lieferte – zusätzlich zur Wärmeabsenkung mit 6 °C kaltem Wasser – eine Kühlung der Innenseiten mittels Druckluft vorzunehmen, wobei die interne Formenkühlung IACS mit integriertem Blow Air Chiller (BAC) zum Einsatz kam, der für Blasanwendungen Lufttemperaturen bis zu -35 °C zur Verfügung stellt. Modular konstruierbare Blasdorne sowie passende Blasventilblöcke wurden mit ausgeliefert.

Deutliche Produktivitätssteigerung durch Kühlung von innen und außen

Den Blow Air Chiller gibt es in insgesamt fünf verschiedenen Baugrößen, wobei die Auslegung immer mit dem Luftdurchsatz für die spezifische Anwendung im Zusammenhang steht. Im direkten Vergleich zu einer Kühlung mittels Stauluft lässt sich mit dem BAC laut Hersteller eine Produktivitätssteigerung von 25–200 % erzielen. Zu diesem Zweck wird die Druckluft auf einen Taupunkt von unter -40 °C gebracht und dann im integrierten Wärmetauscher gekühlt. Damit sichergestellt ist, dass das Gerät nahezu wartungsfrei arbeitet, ist eine zuvor definierte, gute Druckluftqualität mit einem Drucktaupunkt von 5 °C bei 7 bar sowie einem Restölgehalt von maximal 0,01 mg/m³ erforderlich. In vielen Blasfabriken gilt dies derzeit bereits als Standard, so der Hersteller.

Schaumstoffisolierte Kaltluftleitungen sollen dafür sorgen, dass die Lufttemperatur auf dem Weg vom BAC-Gerät zu den Blaswerkzeugen niedrig gehalten werden kann und nicht vereist, beziehungsweise das Kondenswasser nicht in die Produktionshalle tropft. Die Steuerung der BAC-Geräte erfolgt über das von FarragTech entwickelte Farrag Intelligent Terminal (FIT). Nach eigenen Angaben ließ sich mithilfe des IACS-Systems Materialstress effizient vermeiden und eine insgesamt höhere Qualität der produzierten Kunststoffteile erzielen.

Kombination mit „Schwitzwasserschutz“

Ein unerwünschter Nebeneffekt der Formkühlung mit Kaltwasser, dessen Temperatur unter dem Taupunkt der Umgebungsluft liegt, war die Bildung von Kondenswasser an der Form, was sowohl das Produkt als auch die Form negativ beeinflusst. Zudem erhöht sich in vielen Fällen die Kristallisationsrate im Kunststoff, wodurch die Produktqualität leidet. Um das zu verhindern, wurde versucht, die Produktionshallen entsprechend zu klimatisieren – jedoch stellte das keine ausreichende Lösung für dieses Problem dar, zumal der Gewinn durch die gestiegenen Betriebskosten deutlich sank.

Eine Alternative, die Formoberfläche frei von Kondenswasser zu halten, war der Einsatz von Entfeuchtungssystemen, die dafür sorgen, dass mittels Adsorptionstrockner Trockenluft erzeugt werden kann. Auf diese Weise soll ein äußerst niedriger Taupunkt erzielt werden, was jedoch wiederum mit hohem Wartungs- und Energieaufwand verbunden ist, da das Molekularsieb laut FarragTech regelmäßig gewechselt werden muss. Der komplizierte Aufbau des Systems verursacht im Falle eines Defekts deutlich höhere Kosten; für die Regeneration des Molekularsiebs ist ein zusätzlicher Energieaufwand nötig, weshalb auch dies nicht in Betracht kam.

Abhilfe schaffte hier das MAP-System: Sowohl beim Blasformen als auch bei Spritzgießprozessen mit Kaltformen gewährleistet es laut Hersteller Schutz vor Kondensatbildung auf der Formoberfläche und trägt auf diese Weise zusätzlich zur Produktqualität bei.

MAP versorgt Formenbereich der Maschine

Für die MAP-Systeme kommen einfache (Umgebungs-)Lufttrockner zum Einsatz. Das System funktioniert, indem der Formenbereich der Maschine von der Umgebungsluft getrennt und direkt durch das MAP-System mit gefilterter, trockener Luft versorgt wird. Dadurch wird nach Angaben von FarragTech eine ständige Verwendung von Kaltwasser bis zu einer Temperatur von 6 °C ermöglicht, ohne dass Feuchtigkeit auf der Formoberfläche kondensiert.

Über einen Filter wird Umgebungsluft angesaugt und in zwei Schritten gekühlt: zunächst über einen wassergekühlten Wärmetauscher, danach im Wärmetauscher des integrierten Kältekreislaufs. In diesem wird die Luft auf circa 3 °C gekühlt. Zur Vorkühlung der angesaugten Umgebungsluft wird dabei Kaltwasser verwendet, das auch der Formenkühlung dient. Die Feuchtigkeit, die in Folge der Kondensation ausgeschieden wird, sammelt sich in einer Wanne und wird über eine Pumpe aus dem Gerät gefördert.

Mit der abgeschotteten Maschinenumgebung soll nun auch im Sommer bei höherer Luftfeuchte ein störungsfreier Arbeitsalltag möglich sein: Häufig musste das Kaltwasser wieder erwärmt werden, um eine störungsfreie Produktion zu gewährleisten – dadurch dauerte der Produktionsablauf länger. (ys)

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FarragTech GmbH

Dammstr. 61
AT 6922 WOLFURT
Tel.: +43 5574 83800-0
Fax: +43 5574 83800-11

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