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Das Integrieren von Folge-Arbeitsschritten in den Spritzgieß-Prozess gewinnt in der Medizintechnik zunehmend an Bedeutung. Eine anspruchsvolle Anwendung, die von Werkzeug- und Systemtechnik-Hersteller Zahoransky, Todtnau-Geschwend, Maschinenhersteller Engel, Schwertberg, Österreich, und Heißkanalhersteller Ewikon, Frankenberg, realisiert wurde, ermöglicht das Fertigen von Einwegspritzen inklusive Nadeln in einem Arbeitsgang. Das Verfahren eignet sich besonders bei der Herstellung vorbefüllter Einwegspritzen. Jedoch erfordert die neue Technik eine spezielle Nadelverschluss-Heißkanallösung. Zur Demonstration wurde ein 4-fach Pilotwerkzeug konstruiert, das Volumen der Spritze beträgt 2,12 cm3, das Schussgewicht 1,8 Gramm.

Durch Vollheißkanal-Lösungen ersetzt

Bei der Herstellung von Spritzenkörpern wurden in den letzten Jahren Kalt- oder Teil-Heißkanal-Werkzeuge zunehmend durch fortschrittliche Vollheißkanal-Lösungen ersetzt, die vielfältige Vorteile, wie reduzierte Zykluszeiten und Materialeinsparung bieten. Aus diesen Gründen kam bei Zahoransky für das neue Verfahren nur ein Anspritzen mit Vollheißkanal in Frage. Werkzeugtechnisch war allerdings ein Umdenken erforderlich, denn in der Regel erfolgt das Anspritzen seitlich auf den Zylinder. Dabei ist das Bauteil, respektive die Formkontur, in der heißkanalseitigen Hälfte des Werkzeugs entlang der Heißkanal-Düse platziert. Da aber das Einlegen der Nadeln auf der fahrenden Seite des Werkzeugs erfolgt, wurde der Spritzenkörper um 180° gedreht. Die in der Trennebene liegende Griffplatte zeigt nun in Richtung der Heißkanalseite. Die Kontur für den kompletten Spritzenzylinder ist in einer beim Öffnungsvorgang abhebenden Werkzeugplatte auf der fahrenden Seite integriert.

Damit ist sichergestellt, dass bei offenem Werkzeug genügend Raum zur Verfügung steht, um dem Linearroboter das Einstecken der Nadeln zu ermöglichen. Auf der Heißkanalseite sind Formeinsätze positioniert, die die gekühlten Innenkerne sowie die Anspritzgeometrie beinhalten. Eine Abstreiferplatte umschließt die Formeinsätze und entformt synchron mit der Entnahmebewegung des Handlingsystems die fertigen Bauteile. Bei der Anordnung des Bauteils in der Form ist es allerdings – bedingt durch die Werkzeugtrennung auf Höhe der Griffplatte – nicht möglich, seitlich auf den Spritzenzylinder anzuspritzen. Auch ein Anspritzen auf die Seitenkante der Griffplatte wurde als ungünstig verworfen, da wegen der geringen Höhe in diesem Bereich ein sauberes Abscheren nicht sicher gestellt ist und ein Angussüberstand zurückbleiben könnte. Daher entschied man sich für eine Nadelverschluss-Anbindung in Entformungsrichtung auf der Griffplatten-Rückseite.

eben dem Erzielen einer hochwertigen Anschnittkosmetik ist damit der Anspritzpunkt in einem Bereich positioniert, in dem absolut keine Verletzungsgefahr durch versehentlichen Kontakt gegeben ist. Allerdings sind – bedingt durch die Kühlkerne und den Abstreifer-Mechanismus – die räumlichen Verhältnisse für ein Anspritzen in diesem Bereich beengt. Der Einsatz eines herkömmlichen Nadelverschluss-Systems schied damit aus, denn selbst mit einer sehr schlanken konventionellen Düse wäre der Anspritzpunkt nicht erreichbar gewesen, ohne in Konflikt mit der Kernkühlung zu geraten. Mit dem HPS III-MH Nadelverschluss-System konnte Ewikon die passende Technologie für das neue Verfahren zur Verfügung stellen. Mit seitlicher Schmelze-Zuführung und in Entformungsrichtung positioniertem Anschnitt ermöglicht das Konzept kompakte Nadelverschluss-Anbindungen in schwer zugänglichen Bereichen.

Das Zentrum des Systems bildet ein linearer Düsenkörper. Dieser ist auf den Längsseiten mit je zwei seitlichen Schmelzeabgängen mit Wärmeleitelementen versehen, die in den Anschnittbereich im Formeinsatz hineinragen. Die Fließkanäle innerhalb der Düse sind vollbalanciert und strömungsoptimiert ausgeführt. Toträume, in denen Schmelze stagnieren kann, sind nicht vorhanden. Die Dichtung zwischen Düse und Formeinsatz erfolgt direkt am Anschnitt, ohne dass ein Schmelzesumpf rund um den Düsenkörper entsteht.

Nadeldichtungen als Besonderheit

Eine Besonderheit stellen die Nadeldichtungen dar, welche die am Düsenkörper vorbeitauchenden Nadeln berührungslos durch ringförmige Öffnungen in den Wärmeleitelementen hindurch bis in den Anschnitt führen. Da sie nicht in heißen Bereichen des Heißkanal-Systems, sondern anschnittnah im gekühlten Formeinsatz montiert sind, sind Leckagen im Dichtungsbereich. Generell stehen die Nadeln mit keiner Heißkanal-Komponente in direktem Kontakt und haben nur über eine kurze Distanz Kontakt mit der Schmelze.

Neben der bereits erwähnten Dichtigkeit wird das System dadurch auch besonders verschleißarm. Das Öffnen und Schließen der Nadeln erfolgt synchron über ein Hubplatten-System, welches über eine Schrägflächenmechanik pneumatisch betätigt wird. Gefertigt wird in einer automatisierten Fertigungszelle. Diese besteht aus der NFS-Einheit (Needle-Feeding-System) von Zahoransky, kombiniert mit einer vollelektrischen Engel e-motion Spritzgießmaschine in Reinraum-Ausführung mit 100 Tonnen Schließkraft. Die NFS-Einheit vereinzelt in dieser Anwendung 4 Nadeln und führt diese mit einem Linearhandling direkt dem Spritzgießwerkzeug zu. Die fertigen Teile entnimmt ein Engel easix Mehrachs-Industrieroboter, der mit einem speziell für diese Anwendung entwickelten Zahoransky-Greiferkopf bestückt ist. Die Entnahme erfolgt parallel zum Einsetzen eines neuen Satzes Nadeln.

Dadurch erreicht die Anlage besonders kurze Zykluszeiten und die Spritzen können positioniert weiter verarbeitet werden. Das Heißkanal-Konzept kann auch in zukünftigen hochfachigen Produktionswerkzeugen umgesetzt werden, da die Düsen kompakt in Reihen angeordnet werden können. Hier ist von Vorteil, dass ein Teil der Verteilung im Düsenkörper integriert ist. Beispielsweise muss für ein 32-fach Werkzeug mit 4 Kavitätenreihen nur ein relativ einfacher 8-fach Verteiler vorgesehen werden, was sowohl die Verweilzeit des Kunststoffs im Heißkanal deutlich reduziert als auch den Werkzeugaufbau vereinfacht. Zur nochmaligen Effizienzsteigerung können in der Fertigungszelle weitere Folgestationen integriert werden, vom Befüllen bis hin zum Verpacken der einsatzfertigen Spritzen.

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Henning Becker