Formenvorwärmung



Ein Temperiergerät hat bei der Formenvorwärmung die Aufgabe, die Druckgießform möglichst schnell auf die gewünschte Formtemperatur zu bringen. Die Formenvorwärmung kann bei aufgespannter Druckgießform an der Maschine erfolgen.

Heute ist es jedoch üblich die Formen in separaten Formenvorwärmstationen vorzuwärmen und im warmen Zustand zu rüsten (siehe Bilder 1 und 2). Fast der gesamte Vorwärmvorgang erfolgt also extern und nicht auf der Maschine, die Hauptnutzungszeit wird dadurch erhöht und die Produktion kann meist unmittelbar nach dem Rüstvorgang beginnen, lediglich eine kurze Zeitspanne bis zum Erreichen der Betriebstemperatur ist dann an der Maschine notwendig, bevor mit der Produktion gestartet wird.

Zur Formenvorwärmung wird die volle Heizleistung des Temperiergerätes benötigt. Während der Produktion und des Gießens reicht zum Temperieren der Druckgießform bereits ein geringer Teil der installierten Heizleistung aus.

Die zur Formenvorwärmung notwendige Heizleistung des Temperiergerätes kann nach Glg. 1 unter Berücksichtigung der Masse der Druckgießform, der notwendigen Vorwärmtemperatur und der Aufheizdauer wie folgt berechnet werden:

Glg. 1: P_H = frac{C_p_F cdot m_F cdot (T_F - T_U)}{3600 cdot t_H cdot eta}

PH Heizleistung in W
CpF Spezifische Wärmekapazität des Druckgießformwerkstoffes
(Warmarbeitsstahles) in J/(kg·K)
mF Masse der Druckgießform in kg
TF Gewünschte Formenvorwärmtemperatur in °C
TU Umgebungs(Luft-)temperatur in °C
tH Aufheizzeit in h
η Wirkungsgrad

Die Wärmeverluste während der Formenvorwärmung durch Wärmeleitung, Wärmestrahlung und Konvektion werden durch einen Wirkungsgrad in der Höhe von 0,6 bis 0,8 berücksichtigt.

Die Zeitdauer für die Formenvorwärmung wird aber nicht allein durch die installierte Heizleistung bestimmt: weitere Faktoren sind die konstruktive Gestaltung des Temperiersystems (Bilder 3 und 4) und insbesondere beeinflusst auch die Pumpenleistung die Aufheizzeit.

Die während der Formenvorwärmung in die kalte Druckgießform übertragene Wärmemenge kann bei bekanntem Volumenstrom der Pumpe des Temperiergerätes und bei Kenntnis der Ein- und Austrittstemperatur des Wärmeträgermediums nach Glg. 2 berechnet werden:

Glg. 2: Q_H = ho_W_T cdot c_p_W_T cdot m_p cdot (T_{WTVL} - T_{WTRL})

ρWT Dichte der Wärmeträgerflüssigkeit in kg/m3
cpWT Spezifische Wärmekapazität der Wärmeträgerflüssigkeit in J/(kg·K)
mp Volumenstrom der Pumpe in l/min
TWTVL Eintrittstemperatur der Wärmeträgerflüssigkeit (entspricht ~ Vorlauftemperatur)
TWTRL Austrittstemperatur der Wärmeträgerflüssigkeit (entspricht der Rücklauftemperatur)

Grundsätzlich sollte die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauftemperatur der Wärmträgerflüssigkeit gering sein, damit ein gleichmäßiges und homogenes Aufheizen der Druckgießform über die Temperierkanäle gewährleistet wird. Eine geringe Temperaturdifferenz kann durch eine hohe Pumpenleistung und damit einem hohen Volumenstrom (und hoher Strömungsgeschwindigkeit) erzielt werden. Zum Aufheizen der Druckgießform auf die gewünschte Formenvorwärmtemperatur ergibt sich in Analogie zu Glg. 1 die benötigte Wärmemenge in Joule nach Glg. 3:

Glg. 3: Q_H = frac{C_p_F cdot m_F cdot (T_F - T_U)}{eta}

Werden die Gleichungen 2 und 3 gleichgesetzt, ergibt sich daraus die Aufheizdauer bzw. Zeitdauer zum Erreichen der gewünschten Formenvorwärmtemperatur nach Glg. 4.

Glg. 4:

Berechnungsbeispiel:

Nachfolgend werden für eine Druckgießform die Aufheizdauer und Heizleistung für folgende Annahmen berechnet: Gewünschte Formenvorwärmtemperatur TF = 150 °C Masse der Druckgießform mF = 5.200 kg
Temperaturdifferenz zwischen Ein- und Austrittstemperatur der Wärmeträgerflüssigkeit
TWTVL - TWTRL = 12 K Umgebungs(Luft-)temperatur TU = 20 °C
Volumenstrom der Pumpe des Temperiergerätes mp = 60 l/min
Dichte der Wärmeträgerflüssigkeit in ρWT = 940 kg/m3
Spezifische Wärmekapazität der Wärmeträgerflüssigkeit cpWT = 2100 J/(kg·K)
Mittlere spezifische Wärmekapazität des Warmarbeitsstahles cpF = 480 J/(kg·K)
Angenommener Wirkungsgrad η = 0,7

Aufheizdauer auf 150 °C:

Notwendige Heizleistung: P_H = frac{C_p_F cdot m_F cdot (T_F - T_U)}{3600 cdot t_H cdot eta} cdot frac{1}{1000} = 23,7 kW

Als Faustformel wird angegeben:

Um 1 Tonne einer Druckgießform in 1 Stunde um 100 K zu erhitzen wird bei Öltemperiergeräten eine Heizleistung von rd. 20 kW benötigt. Druckwassergeräte benötigen dafür ca. 70 % der Heizleistung bzw. wird bei gleicher Heizleistung die Aufheizdauer um etwa 30 % reduziert.

Weiterführende Stichworte:
Formtemperierung
Wärmebilanz
Öltemperiergerät
Druckwassergerät
Temperiergerät mit Badbeheizung

Literatur:
Nogowizin B., Theorie und Praxis des Druckgusses, 2011 Fachverlag Schiele & Schön GmbH, S. 736 ff.

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