Besonders dickwandige Bauteile mit hochwertigen Oberflächen profitieren von der Gasinnendrucktechnik. Der Einsatz von flüssigem CO₂ kann gegenüber N₂ auch die Zykluszeit noch deutlich verkürzen. Foto: Linde

Vorsprung durch Kohlendioxid

Energieeffizienz

Neue Gasanwendungen für die Kunststoff­industrie versprechen Effizienzsteigerungen und Zykluszeitverkürzungen.

In jüngster Zeit mehren sich neue Verfahren in der Kunststoffverarbeitung, in denen das Inertgas Kohlendioxid (CO₂) zentraler Bestandteil ist, sei es beim Spritzgießen mit Gasinnendrucktechnik, beim Spot Cooling von Spritzgießwerkzeugen, beim Extrusionsschäumen und zukünftig auch beim Spritzgießschäumen.

Neue Leichtigkeit mit Gasinnendruck

Die Gasinnendrucktechnik (GID) hat sich insbesondere bei dickwandigen Bauteilen, komplexen Konturen und hochwertigen Oberflächen bewährt. Gas wird unter hohem Druck in die Kunststoffschmelze injiziert, verdrängt die Schmelze aus dem Kern des Bauteils und drückt sie an die Formwandung. Nach dem Erstarren wird das Gas aus dem Bauteil abgelassen. Ein so erzeugtes Kunststoffbauteil hat dank des Hohlraums im Kern gegenüber einem massiven Bauteil Vorteile: Rohstoffverbrauch und Produktgewicht werden deutlich reduziert. Dabei weist das Bauteil eine große Stabilität sowie höhere Maßhaltigkeit auf. Zudem entstehen keine Einfallstellen an Orten mit Materialanhäufungen.

Neue Verfahren mit CO₂-Einsatz versprechen Kunststoffverarbeitern Steigerungen in ihrer Produktivität. Foto: Linde
Neue Verfahren mit CO₂-Einsatz versprechen Kunststoffverarbeitern Steigerungen in ihrer Produktivität. Foto: Linde

Bisher kommt standardmäßig Stickstoff (N₂) als Injektionsgas zum Einsatz. Doch die erforder­lichen Kühlzeiten führen zu entsprechend langen Zykluszeiten, da der Stickstoff kaum zur Kühlung von innen beiträgt. Vor dem Hintergrund immer höherer Effizienzanforderungen gewinnt die Minimierung der Zykluszeiten jedoch zunehmend an Bedeutung.Damit wird der Einsatz von CO₂ hochinteressant: Es besitzt bei den vorherrschenden Prozessdrücken eine deutlich höhere Dichte als N₂ und eine höhere spezifische Wärmekapazität. Im Gegensatz zu Stickstoff wird Kohlendioxid in flüssiger Form in die Schmelze injiziert. Nicht zuletzt trägt die bei der Entspannung am Zyklusende entstehende Expansionskälte von CO₂ zur Kühlung des Bauteils bei. Das CO₂ wird im Gaskanal überkritisch, da es der Bauteilwand Wärme entzieht und sich damit aufheizt. Dabei ist ein hoher Ausform- und Haltedruck, der wenn möglich über 150 bar liegen sollte, wichtig, da erst dann die Dichte des CO₂ deutlich über der von Stickstoff liegt.

Die Verwendung von CO₂ erfordert jedoch eine Anpassung der Anlagentechnik für die Druckerhöhung und Druckregelung sowie modifizierte und für CO₂ optimierte Injektoren, um einen reibungs­losen Prozess mit optimalen Ergebnissen zu gewährleisten. Der Industriegasspezialist Linde und der Hochdruckspezialist Maximator haben gemeinsam eine entsprechende Lösung entwickelt: Plastinum Gas Injection Moulding with CO₂ (GIM C). Beide Unternehmen verbindet eine enge Technologiepartnerschaft im Bereich der Gasinnendrucktechnik. In der Praxis hat das System gezeigt, dass Kohlendioxid im direkten Vergleich mit Stickstoff mindestens dieselben qualitativ hochwertigen Ergebnisse erzielt – bei deutlich kürzeren Zykluszeiten von bis zu 30 %. Insbesondere bei neuen GID-Anlagen ist der Einsatz von CO₂ daher wirtschaftlich sinnvoll. Vor dem Hintergrund der Effizienzsteigerung können sich aber auch die Kosten für die Umstellung einer bestehenden GID-Spritzgießmaschine auf Kohlendioxid rasch amortisieren.

30 Prozent kürzere Zykluszeiten verspricht der Einsatz von CO₂ gegenüber N₂ in der Gasinnen­drucktechnik. Die Verwendung erfordert jedoch eine Anpassung der Anlagentechnik für die Druckerhöhung und Druckregelung.

Auf den Punkt gebracht: Spot Cooling

Ist die strategische Entscheidung für CO₂ als Gas­injektionsmedium gefallen, ergeben sich weitere technische Möglichkeiten, CO₂ im Produktionsprozess einzusetzen. So stellt die zusätzlich zur konventionellen Wasserkühlung nur in Problembereichen eingesetzte Temperierung mit flüssigem CO₂ – das sogenannte Spot Cooling − eine effektive Unterstützung der Wasserkühlung von Spritzgießformen dar. Eine entsprechende Lösung bietet Linde mit Plastinum Spot Cooling (Temp S).

Beim Spritzgießen sind eine gleichbleibend hohe Produktqualität und kurze Kühlzeiten gefordert. Ein entscheidender Faktor hierfür ist eine gleichmäßige Temperaturverteilung auf der Oberfläche der Werkzeugwand. Gewöhnlich wird die Temperatur von Formen für die thermoplastische Verarbeitung mithilfe von Wasser geregelt, das durch entsprechende Kanäle geleitet wird. Doch an Stellen, an denen der Platz für Kühlkanäle eingeschränkt ist, stößt die konventionelle Wasserkühlung an ihre Grenzen: Besonders die Kühlung von langen und dünnen Kernen sowie anderer schwer zu erreichender Bereiche erweist sich bei diesem Verfahren als problematisch. In diesen Bereichen verstopfen die dünnen Kühlkanäle sehr leicht mit Ablagerungen, was zu hohen Werkzeugwandtemperaturen führt. Die Folgen sind Schwierigkeiten beim Entformen, Oberflächenschäden oder Verformungen des Bauteils sowie lange Kühlzeiten.

Hier kann mithilfe des Spot Coolings eine signifikante Erhöhung der Effizienz beim Spritzgießen erzielt werden. Es ermöglicht – anders als die herkömmliche Wasserkühlung − die effektive Kühlung von heißen Stellen wie sehr dünnen Teilen oder Bereichen mit größeren Wandstärken. Hierbei fließt flüssiges CO₂ unter hohem Druck (circa 60 bar) durch schmale und flexible Kapillarröhrchen (Außendurchmesser ≤ 1,6 mm) bis zu der Stelle, an der die Kühlung benötigt wird. Die Expansion des CO₂ erzeugt eine Mischung aus Schnee und Gas mit einer Temperatur von –79 °C und einer hohen Kühlkapazität. Nachdem es dem heißen Stahl der Form die Hitze entzogen hat, wird das nun gasförmige CO₂ durch den Ringspalt zwischen der Bohrung und den Kapillaren abgeleitet. Um sein hohes Kühlpotenzial nutzen zu können, ist eine kontrollierte Zuführung von CO₂ notwendig. Durch das Spot Cooling reduzieren sich zum einen die Kühl- und Zykluszeiten (bis zu 50 % und mehr) deutlich. Zum anderen bewirkt die CO₂-Temperierung eine ausgeglichenere Temperaturverteilung und damit wesentliche Qualitätssteigerungen. Das Spot Cooling eignet sich für neue Formen genauso wie für die Nachrüstung bestehender Spritzgießformen.

Effektive Kühlung heißer Stellen im Spritzgießwerk- zeug: Durch Kapillarröhrchen (Außen­durchmesser ≤ 1,6 mm) fließt flüssiges CO₂ unter hohem Druck (circa 60 bar) zu dem Hot Spot, an dem die Kühlung benötigt wird. Grafik: Linde
Effektive Kühlung heißer
Stellen im Spritzgießwerk-
zeug: Durch Kapillarröhrchen (Außen­durchmesser ≤ 1,6 mm) fließt flüssiges CO₂ unter hohem Druck (circa 60 bar) zu dem Hot Spot, an dem die Kühlung benötigt wird. Grafik: Linde
Extrusionsschäumen mit Kohlendioxid

Mittels Extrusionsschäumen hergestellte Produkte zeichnen sich durch Eigenschaften wie ein geringes Gewicht, hervorragende Wärme- und Schalldämpfung, geringe Wasserdurchlässigkeit und reduzierte Wasserdampfdurchlässigkeit aus. Sie finden Anwendung in der Verpackungs-, Automobil-, Elektronik- und Bauindustrie. Beim Schäumen von Kunststoffen stellt CO₂ bei zahlreichen Anwendungen eine Alternative zu konventionellen Treibmitteln dar. Das Inertgas ist kostengünstig, sparsam im Verbrauch und ungiftig − und im Gegensatz zu herkömmlichen Treibmitteln nicht brennbar.

Flüssiges CO₂ ist bei allen Vorteilen jedoch ein sehr spezielles Treibmittel, das sich stark von anderen flüssigen Treibmitteln unterscheidet. In der Regel wird es nahe am kritischen Punkt im Siedezustand gelagert, neigt zum Verdampfen und ist relativ kompressibel, was die Dosierung erschwert. Eine interessante Möglichkeit, Qualität und Wirtschaftlichkeit zu verbinden, bietet Linde mit der Dosiereinheit DSD 400, die speziell beim Extrusionsschäumen einen konstanten Massestrom gewährleistet. So bleibt die Schaumstruktur des Produkts gleich.

Die DSD 400 ist mit einem für den Einsatz von CO₂ adaptierten Hochleistungskompressor, einem Massendurchflussmessgerät und einem Regelventil ausgestattet, selbst höhere Druckschwankungen im Extruder werden mit dieser Technik ausgeglichen; die Umgebungstemperatur hat keinen Einfluss auf das Ergebnis. Anders als herkömmliche Dosiereinheiten erfordert die DSD 400 zudem keine vorherige Kühlung des flüssigen CO₂ und ist damit einfach und zuverlässig in der Handhabung. Die Do­sier­ein­heit ist Bestandteil des Plastinum Extrusion Foaming (Foam E)-Konzepts von Linde, das auch den CO₂-Niederdrucktank sowie die Druckerhöhungsanlage Presus C umfasst, die der DSD 400 blasenfreies, flüssiges CO₂ konstant zur Verfügung stellt. Linde bietet somit Extrusionsschäumern eine Komplettlösung aus einer Hand.

Ausblick
Gasunterstützte Herstellungsverfahren wie die Gasinnendrucktechnik, das Schäumen und Spot Cooling eröffnen dem Verarbeiter erhebliche Effizienzsteigerungen. Der Industriegasspezialist Linde bietet nicht nur Lösungen an, mit denen sich das Potenzial des Inertgases ausschöpfen lässt; das Unternehmen arbeitet auch intensiv an weiteren Lösungen. Aktuell ist in Kooperation mit der KIMW Anwendungstechnik GmbH, Lüdenscheid, ein neuartiges physikalisches Schäumverfahren in der Entwicklung, bei dem das Granulat vor dem Spritzgießen unter Druck mit CO₂ beladen wird. So lassen sich erhebliche Material- und Gewichtseinsparungen erzielen.

Jörg Hilker, Linde

Aufmacherbild: Linde