Warum steigt die Kühlzeit mit dem Quadrat der Wandstärke?

Bei den meisten Teilen entfällt mehr als die Hälfte der Zykluszeit auf die Kühlung. Deshalb führt der wirksamste Weg zur Zyklusverkürzung meist über das Verständnis der Kühlzeit.

Wärme verlässt das Teil durch Leitung durch die Wand

Kunststoff ist ein schlechter Wärmeleiter. Die Wärme in der Mitte des Teils erreicht die Werkzeugwand durch Wärmeleitung, und die Zeit ist grob proportional zu:

t ∝ (Wandstärke)² / Temperaturleitfähigkeit (α)

Deshalb gilt:

• Halbieren Sie die Wandstärke, sinkt die Kühlzeit auf etwa ein Viertel.
• Verdoppeln Sie die Wandstärke, steigt die Zeit auf etwa das Vierfache.

Das zeigt, warum es in der Konstruktionsphase teuer ist, die Wandstärke unnötig dick zu halten. Eine Reduzierung von 3 mm auf 2 mm verkürzt die Zeit zum Beispiel um den Faktor (3/2)² = 2,25, also etwa 56 %.

Werkzeugtemperatur und Entformungstemperatur

Die Zeit hängt von Massetemperatur, Werkzeugtemperatur und der Temperatur ab, bei der das Teil entformt werden kann. Steigt die Werkzeugtemperatur, verringert sich der Unterschied zwischen Teil und Werkzeug, und die Kühlung dauert länger. Bei teilkristallinen Werkstoffen (POM, PA, PBT usw.) verbessert eine höhere Werkzeugtemperatur jedoch Oberflächenqualität und Maßstabilität; die Wahl ist also nicht "das kälteste mögliche Werkzeug", sondern die tatsächlich benötigte Teilqualität.

Latente Kristallisationswärme

Teilkristalline Werkstoffe geben beim Erstarren zusätzlich zum Temperaturabfall weitere Wärme ab. Wird diese Wärme nicht berücksichtigt, fällt die berechnete Kühlzeit deutlich zu kurz aus. Bei einem POM-Teil mit 2 mm Wandstärke kann dieser Effekt die Zeit beispielsweise mehr als verdoppeln. Bei amorphen Werkstoffen (PC, ABS, PS) tritt dieser Effekt nicht auf.

Bestimmt der Wasserdurchfluss die Zeit?

Nein; er bestimmt den erforderlichen Durchfluss. Die Kühlzeit wird durch die Wärmeleitung durch die Wand begrenzt. Ist das Wasser nicht kalt genug oder fließt es nicht ausreichend, erwärmt sich das Werkzeug und die Zeit verlängert sich. Der richtige Ansatz:

1. Die Zeit aus der Wandstärke ermitteln.
2. Die in dieser Zeit abzuführende Wärme berechnen.
3. Den Durchfluss sicherstellen, bei dem die Ein-/Austrittstemperaturdifferenz des Wassers wenige Grad nicht überschreitet, und turbulente Strömung gewährleisten (Reynolds-Zahl über etwa 4000).

Praktische Kontrolle

• Überschreitet die Wasser-Ein-/Austrittsdifferenz wenige °C, ist der Durchfluss unzureichend oder ein Kanal verstopft (Kalk).
• Ist die Strömung im Kanal laminar, ist der Wärmeübergang schwach; Kanaldurchmesser verkleinern oder Durchfluss erhöhen.
• Messen Sie die Werkzeugoberflächentemperatur mit einem Thermometer oder Infrarotsensor; Wassertemperatur und Werkzeugoberfläche sind nicht dasselbe.

Hinweis: Die obigen Verhältnisse basieren auf einem Flachplattenmodell; Ecken, Rippen und dicke Bereiche verlängern die Zeit. Das Ergebnis sollte im Probelauf bestätigt werden.

Der Rechner berechnet die Kühlzeit aus Wandstärke, latenter Wärme und Wasserdurchfluss getrennt und zeigt, welcher Faktor limitierend ist.