Berechnung Wärmeeintrag

    Hallo in die Runde!

    Es ist offenbar Sommerloch, da kann ich ja mal mit einfachen Fragen nerven :winking_face:

    Ich bin gerade dabei, mein erstes TPU-Werkzeug für meine kleine Boy 22 zu konstruieren (196x196mm). Das Ganze dann mit Wechseleinsätzen. Nun möchte ich überschlägig den maximalen Wärmeeintrag ins Werkzeug berechnen, um zu schauen, welche Art der Kühlung am sinnvollsten ist.

    Ich bin nun einfach über die mittlere eingebrachte Wärmemenge herangegangen:

    maximal eingespritztes Volumen: 40 cm³, Dichte TPU: ca. 1,14 g/cm³ => Masse: ≈ 45,6 g

    Verarbeitungstemperatur laut Hersteller: 170-180°C

    Als Entformungstemperatur habe ich 90°C angesetzt => ΔT=90K. Die spezifische Wärmekapazität ist 2,0 kJ/(kg·K).

    Die Wärmemenge ist m⋅c⋅ΔT, also:

    Q = 0,0456 kg ⋅ 2000 J/(kg⋅K) ⋅ 90 K = 8208 J ≈ 8,2 kJ pro Schuss (spez. Wärme)

    Dazu kommt noch die latente Wärme, für die ich für mein TPU 35J/g gefunden habe.

    Qlat = 0,0456 kg ⋅ 35 J = 1,6 kJ

    Bei einer minimalen Zykluszeit von 20s wären das also (8,2+1,6)*3 kJ = 29,4 kJ pro Minute.

    Die abzuführende Leistung wäre dann ca. 500W (im Maximalfall - 40cm³ sind das maximale Schussvolumen).

    Ist die Überschlagsrechnung soweit richtig?

    Viele Grüße,

    Christoph

    Kurze Antwort: Nein.

    Jetzt die lange Antwort.

    Deine Berechnung hinsichtlich der Wärmemenge ist soweit korrekt, wobei noch der Wärmeeintrag durch den Druckverlust fehlt. Das sind aber nur ein paar °C mehr, die hinzu kommen und somit zu verschmerzen.
    Was viele bei der Berechnung, auch mittels der bekannten Gleichung, gerne vergessen, ist das thermische Verhalten von Kunststoffen, die von Temperatur und Druck abhängig sind. Wir streichen mal für die Erklärung die druckabhängigen Eigenschaften und nehmen nur die temperaturabhängigen Eigenschaften. Die Dichte ändert sich bei TPU über die Zeit, sowie die Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität. Und zwar sinken sie über die Zeit. Wie es sich auswirkt, wird mit der Temperaturleitfähigkeit berechnet. Da teilst du die Wärmeleitfähigkeit durch die Dichte und Wärmekapazität. Je höher der Wert, umso höher die Temperaturleitfähigkeit und die limitiert im Zweifel alle Prozesse im Werkzeug, weil die Wärme aus dem Kern transportiert werden muss.
    Jetzt müsste man noch zwischen konturnaher Temperierung und konturferner Temperierung unterscheiden, aber der Einfachheit halber nehme ich den Fall mit konturnaher Temperierung bzw. der idealen Werkzeugwandtemperatur, weil beides sehr ähnlich ist. Wenn die Schmelze eine Temperatur von 190°C hat und die Werkzeugwand konstant 30°C hat, liegt ein dT von 160°C vor zum Zeitpunkt 0 Sekunden. Jetzt kühlt die Schmelze ab und dabei verringert sich dT und damit auch der Wärmetransport. Wie der Verlauf ist, muss für jedes Material einzeln berechnet werden.
    Jetzt kommt noch die Geometrie hinzu, weil auch der Temperaturgradient eine Rolle spielt. Aus dem Grund die konturnahe Temperierung, weil ich nicht zwei Geometrien betrachten muss, sondern nur den Artikel. Ist der Artikel 2mm stark im Bereich, wird der Wärmetransport eine gewisse Wärmeleistung abführen, die mit sinkender Temperatur auch absinkt. Ist der Artikel jedoch 4mm stark, wird nur noch 1/4 der Wärmeleistung abführen können, weil der Temperaturgradient halb so groß ist und die instationären Effekte quadratisch eingehen. Heißt doppelte Wandstärke, vierfache Kühlzeit.
    Wenn also schon die Geometrie deine gewünschten 500W gar nicht erst als abgeführte Wärmeleistung bringen kann, wirst du keine großen Chancen haben die Zykluszeit zu erreichen. Auch ist die Zykluszeit nur dann von der Durchflussmenge abhängig, wenn die Durchflussmenge zu gering ist. Sobald die zugeführte Wärme aus dem Kunststoff 1:1 vom Wasser abgeführt werden kann, wird mehr Durchfluss daran nichts ändern. Der Flaschenhals bleibt bestehen.

    Wenn du also eine vernünftige Angabe der Zykluszeit haben willst, wirst du um eine Simulation nicht herum kommen.

    Herzlichen Dank für die ausführliche Antwort!

    Auch wenn ich vieles davon schon wusste (quadratischer Eingang der Wandstärke), so wird einem da doch nochmal deutlich: der wichtigste Faktor für die Zykluszeit ist die Wandstärke der Teile (von der Geometrie mal abgesehen).

    Es ging mir bei der Wärmebetrachtung auch weniger um die explizite Zykluszeit als um die grundsätzliche Art der Kühlung. Es wird in der Formplatte leider "ziemlich eng" für Kühlbohrungen und ich dachte bei meinen Wandstärken (es geht erst ab 3mm los, bis über 10mm - mit entsprechenden Kühlzeiten) daran, die Kühlung tatsächlich außen anzuschrauben. Wie Du schon ausführst, ist bei diesen Wandstärken das Kunststoffteil fast die alleinige Bremse für die Kühlung und damit Kühlzeit. Wenn das dann eh extrem langsam geschieht und der Wärmestrom gering ist, dann würden bspw. 15mm Formplattenmaterial bis zur äußeren Kante "den Braten auch nicht mehr wirklich fett machen". Das würde den Aufbau meiner Formplatte deutlich vereinfachen und ich hätte im Gegenzug bei meiner Formplatte 4x(196x66mm) Kühlfläche.

    Mit konturnaher Kühlung habe ich mich noch nicht weiter beschäftigt, weil ich das für meine geringen Stückzahlen (<10k, oft nur 5k) bisher immer als wirtschaftlich nicht darstellbar verworfen habe. Im Gegenzug vertreibe ich meine Produkte selber, kann also mit ganz anderen Spannen arbeiten, so dass selbst eine verglichen mit dem Idealfall verdoppelte Zykluszeit hier wirklich kein Drama ist. Insofern bin ich sicher ein Exot :winking_face:

    Aber konturnah ist natürlich die Krone der Kühlung, daher mal die Frage nach den Preisen für Laserschmelzen (LPBF, SLM etc.): für eine Formplatte 196x196x66mm - in welchem Bereich bewegen wir uns da (schon klar, es hängt immer von Geometrien usw. ab, aber ganz grob)?

    Bei den Wandstärken brauchst du dir nicht wirklich Gedanken um die Temperierung machen. Irgendwas ist in dem Fall besser als gar nichts.

    Ich beschäftige mich aktuell intensiv mit dem Thema, weil ich ein Entwicklungsprojekte habe, wo die gedruckten Einsätze entweder ähnlich teuer sind wie konventionelle Einsätze oder günstiger. In deinem Fall ist die Annahme, dass eine solide gedruckte Platte notwendig wäre. Ist sie nicht. Man kann viel Material rausnehmen, was die Kosten senkt, aber nicht zulasten der Stabilität. Oder man nimmt nur den relevanten Bereich. Die Platte so zu drucken mit Leichtbau, liegt bei grob 7.000€. Aktuell habe ich eine Anfrage, wo mehrere Einsätze in dieser Größenordnung gedruckt werden sollen. Da reden wir von knapp 1.200€ pro Einsatz. Das Rohmaterial für die konventionellen Einsätze alleine liegt schon bei 400€, weil sie deutlich größer sein müssen.

    Ok, vielen Dank für die Erläuterungen.

    Bei den Preisen lohnt sich das natürlich hier nicht, wenn ich mit jedem Einsatz nur wenige tausend Stück herstelle. Ich kann meine Einsätze allerdings auch komplett auf meinem CNC-Drehautomaten fertigen. Da sprechen wir dann von maximal 30€ Kosten pro Einsatz.

    Aber hast Du mich jetzt auf die Idee gebracht, dass man ja die Einsätze selbst mit Kühlung versehen könnte. Da ich von der Düsenseite her dort tatsächlich Zugang habe, wäre das in der Tat eine ernsthafte Option mit entsprechenden einfachen Steckanschlüssen.

    Irgendwo hatte ich mal Festo-Pneumatikverbinder für die Kühlkreisläufe an Werkzeugen gesehen. Ist das üblich, wenn die Temperaturen nicht zu hoch gehen? Ich meine mich dunkel an max. 60°C für diese Leitungen erinnern zu können. Denn: preiswert wäre solch eine Lösung. Zumal bei mir alles ohne Bewegung an der Düsenseite (entweder seitlich wie beschrieben oder eben von hinten direkt in den Einsätzen) stättfände.

    Wenn du wüsstest, was ich manchmal Kunden an pragmatischen Lösungen empfehle. Klar kannst du die Nutzen, auch wenn sie nicht dafür vorgesehen sind. Wenn es aber nur für 1.000 Teile ist und es anderweitig nicht gebraucht wird, nutzen. Ich nutze ja auch für Durchflussprüfung die Durchflussanzeiger aus dem PC-Bereich. Nicht vorgesehen, Dicht bis 3bar und 80°C. Reicht also für viele Fälle.

    Ja, das glaube ich sofort. Da wäre ich echt mal gerne Mäuschen, denn mich interessieren genau diese pragmatischen Lösungen :smiling_face:

    Du hast Recht - letztendlich gilt: erfüllt etwas die gestellte Aufgabe oder nicht. Und ich sehe im Moment nichts, was gegen Pneumatikkomponenten spräche (die ja auch ausdrücklich für Flüssigkeiten freigegeben sind). Und bei meinem doch geringen Wärmestrom und dem geringen Druckabfall in den seitlichen Platten werden die nicht auch nicht übermäßig belastet. Mein kleines Selbstbautemperiergerät ist auch bald fertiggestellt und kommuniziert schon brav mit der Boy (HB Therm Protokoll).

    Werkzeugbau ist schon eine spannende Sache - vor allem weil es nie langweilig wird: jedes Teil ist anders und fast jedes Werkzeug ein Unikat. Ich bin immer wieder begeistert von den Lösungen für die auftretenden Probleme.

    Die sind kundenspezifisch und damit geheim.

    Wichtig ist, dass man einfach mal macht. Mit simplen Mitteln erstmal prüfen, ob das Konzept aufgeht. Geht es auf, kann man mehr Geld&Energie reinstecken, um es zu optimieren.

    Quote from 1u21

    Die sind kundenspezifisch und damit geheim

    Das habe ich mir gedacht.

    Quote from 1u21

    Wichtig ist, dass man einfach mal macht. Mit simplen Mitteln erstmal prüfen, ob das Konzept aufgeht. Geht es auf, kann man mehr Geld&Energie reinstecken, um es zu optimieren.

    Einer der wichtigsten Sätze für Unternehmer 🙂

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