Zehn Multikavitätenwerkzeuge in Vollheißkanalausführung stellen pro Jahr 375 millionen Einwegspritzen her. (Bildquelle: Ewikon)

Zehn Multikavitätenwerkzeuge in Vollheißkanalausführung stellen pro Jahr 375 Millionen Einwegspritzen her.
(Bildquelle: Ewikon)

Für einen russischen Kunststoffverarbeiter mit einer hochmodernen, automatisierten Medizintechnikfertigung, der das In- und Ausland beliefert, bauten Werkzeugbau Ruhla, Seebach, und Ewikon Heißkanalsysteme, Frankenberg, zehn Multikavitätenwerkzeuge in Vollheißkanalausführung für Einwegspritzen. Diese sollten die Produktivität und Effizienz des Verarbeiters erhöhen. Er stellt damit Einwegspritzen nach der medizintechnischen Norm DIN EN ISO 7886 her mit Volumina von 1, 2, 5, 10 und 20 ml. Insgesamt beträgt die Produktionskapazität pro Jahr 375 Mio. Spritzen. Trotz der langjährigen Erfahrung des Werkzeugbauers in der Medizintechnikbranche betrat er mit der Fertigung von Werkzeugen für Einwegspritzen Neuland. „Spritzenwerkzeuge stellen besondere Anforderungen“, erklärt Udo Köllner, technischer Leiter bei Ruhla, „neben hoher Genauigkeit in der Fertigung und optimaler Kühlung der Formeinsätze ist hier eine gleichmäßige Füllung aller Kavitäten besonders wichtig, um Kernversatz und daraus resultierende Unrundheiten durch ungleichmäßige Wandstärken beim fertigen Produkt zu vermeiden. Dies alles gilt insbesondere für zweiteilige Spritzen, wie sie mit unseren Werkzeugen gefertigt werden.“ Diese besitzen am Kolben keine zusätzliche Dichtung aus einer Weichkomponente, die durch elastisches Verformen eventuelle Fertigungsungenauigkeiten ausgleicht. „Hier genügen schon maßliche Abweichungen von 2/100 mm, um die Funktion der fertigen Spritze in Bezug auf Dichtigkeit und die erforderliche Drückkraft soweit zu beeinträchtigen, dass das Produkt als Ausschuss gilt“, führt Köllner aus. „Daher haben wir für dieses Projekt zusätzlich in eine Mess- und Prüfmaschine investiert, um diese Parameter bei den Abmusterungen hier im Hause kontrollieren zu können und gegebenenfalls nachzuarbeiten.“ Aufgrund der hohen Fertigungsstückzahlen kam nur eine direkte Anspritzung mit Vollheißkanal infrage, um die Zykluszeiten zu senken, Material einzusparen und Nacharbeiten zu vermeiden. Pro Spritzengröße baute das Unternehmen jeweils ein Werkzeug für den Spritzenkörper aus PP und den Spritzenkolben aus PE. Die Auslegung orientierte sich an den anteiligen geplanten Fertigungsstückzahlen für die jeweilige Spritzengröße. Dies bedeutet 48 Kavitäten für die vorwiegend eingesetzten 2-ml- und 5-ml-Versionen, 32 Kavitäten für die 10-ml-Version, 24 Kavitäten für die 1-ml-Version und 16 Kavitäten für die 20-ml-Version. Beide Bauteile der Spritzen werden seitlich, im 90°-Winkel zur Entformungsrichtung angespritzt. So sorgt der dadurch entstehende Abschereffekt für perfekte Oberflächen ohne Angussüberstände. Letztere sind in der Medizintechnik aus verschiedenen Gründen, zum Beispiel Verletzungsgefahr, nicht zulässig.

Das 32-fach Werkzeug für die Fertigung des Spritzenkolbens für die Spritzen mit 10 ml Volumen enthält acht Heißkanaldüsen in Reihe. (Bildquelle: Ewikon)

Das 32-fach-Werkzeug für die Fertigung des Spritzenkolbens für die Spritzen mit 10 ml Volumen enthält acht Heißkanaldüsen in Reihe. (Bildquelle: Ewikon)

Heißkanalsystem mit Seitenanspritzung

Bei der Wahl der Heißkanallösung baute der Werkzeugbauer auf die langjährige, gute Zusammenarbeit mit Ewikon hinsichtlich der Seitenanspritzung. „Bei einem Projekt dieser Größenordnung, das zudem noch einen engen zeitlichen Rahmen hat, müssen wir uns auf unseren Lieferanten verlassen können statt Experimente im technischen Bereich zu wagen“, führt Köllner aus, „wir reden immerhin von Gesamtwerkzeugkosten von über 2,5 Mio. EUR, mehr als 500.000 EUR davon entfallen auf die Heißkanaltechnik. Unsere Erfahrungen mit Seitenanspritzungslösungen von Ewikon waren bisher durchweg positiv.“ Das Unternehmen lieferte daher die Heißkanaltechnik für alle Werkzeuge, bestehend aus der jeweiligen Heißen Seite und dem passenden Touch-Screen-Regelsystem. Je nach Artikel kommen dabei verschiedene Varianten der HPS-III-MH-Seitenanspritzungsdüsen zum Einsatz. Die Spritzenkörper sind in Entformungsrichtung im Werkzeug positioniert und kreisförmig um radiale Düsen herum platzsparend angeordnet. Abhängig von der Baugröße spritzt eine Düse vier oder acht Spritzenkörper direkt an. Die Wärmeleitspitzen sind um 60° abgewinkelt. Darum liegt der Anspritzpunkt nah an der Trennebene und damit am Lager des Innenkerns, um den Kernversatz zu verringern. In den Werkzeugen für die Spritzenkolben liegen die Bauteile senkrecht zur Entformungsrichtung in der Trennebene. Eine Schiebermechanik vermeidet eine Trennung auf der Kolbenplatte und eliminiert damit das Risiko von Gratbildung in diesem für die Dichtigkeit der Spritze ausschlaggebenden Bereich. Hier kommen Lineardüsen zum Einsatz, um die Kolben in Reihe anordnen zu können und damit die Schieber möglichst einfach und kostensparend zu integrieren. Angespritzt wird auf der Griffplatte des Kolbens. In allen Werkzeugen sorgt die vollbalancierte HPS-III-T-Verteilertechnik mit strömungsoptimierten Umlenkelementen für eine gleichmäßige Schmelzeverteilung auf die Heißkanaldüsen. In Verbindung mit der ebenfalls balancierten Kanalführung innerhalb der Düsen stellt das das gleichmäßige Füllen der Kavitäten sicher.

Blick in die Werkzeug-Endmontage bei Ruhla. Im Vordergrund ist das Werkzeug für die 10-ml-Spritzenkörper zu sehen. (Bildquelle: Ewikon)

Blick in die Werkzeug-Endmontage bei Ruhla. Im Vordergrund ist das Werkzeug für die 10-ml-Spritzenkörper zu sehen. (Bildquelle: Ewikon)

In jeder Phase des Projekts arbeiteten der Werkzeugbauer und der Heißkanalhersteller eng mit dem Verarbeiter zusammen. Mit Moldflow-Füllanalysen für jede Baugröße überprüften sie, ob das Produktdesign tatsächlich fertigungsgerecht ist und optimierten es im Bedarfsfall. Wichtige Punkte waren hierbei die Wandstärken der Spritzenkörper sowie das Design der Spritzenkolben, bei denen Einschnürungen im hinteren Bereich zusätzlich Material einsparen. Um wichtige Maße innerhalb des Werkzeugs zu verbessern, fertigte Ruhla außerdem zum Projektstart 8-fach Vorserienwerkzeuge für Körper und Kolben der Baugrößen 1 ml und 5 ml. Die damit gewonnenen Erkenntnisse flossen in die Konstruktion der Serienwerkzeuge ein, sodass der Zeitaufwand für diese Phase erheblich sank.

Die Heiße Seite des 24-fach-Werkzeugs für die Spritzenkörper mit 1 ml Volumen hat radiale Heißkanaldüsen, die auch bei eingebautem Werkzeug leicht zugänglich sind. (Bildquelle: Ewikon)

Die Heiße Seite des 24-fach-Werkzeugs für die Spritzenkörper mit 1 ml Volumen hat radiale Heißkanaldüsen, die auch bei eingebautem Werkzeug leicht zugänglich sind. (Bildquelle: Ewikon)

Wartungsfreundlich durch leicht zugängliche Düsen

Allen Werkzeugen gemeinsam ist ein kompaktes, modulares und wartungsfreundliches Design. „Unsere Formeinsätze sind im Bedarfsfall leicht zu tauschen“, erläutert Köllner. „Und der Rest der Werkzeuge wurde ebenfalls auf Servicefreundlichkeit hin ausgelegt. So können beim Seitenanspritzungskonzept die Wärmeleitspitzen der Heißkanaldüsen bei geöffnetem Werkzeug auf der Maschine ausgetauscht werden.“ Falls doch einmal Wartungsbedarf an den Düsen selbst besteht, befinden sich diese inklusive Verkabelung leicht zugänglich in einer eigenen Werkzeugplatte. So lässt sich die gesamte Düseneinheit sauber von der Verteilerplatte trennen. Die kompakte Auslegung von Werkzeug und Heißkanalsystem mit platzsparend angeordneten Artikeln spielt deswegen eine so wichtige Rolle, weil in der Fertigung vollelektrische Maschinen zum Einsatz kommen, deren Baugröße das mögliche Werkzeuggewicht begrenzt. Bei den größeren Werkzeugen musste aus diesem Grund das Gewicht reduziert werden. Dazu dienten zusätzliche Freifräsungen, deren Position so berechnet wurde, dass sie die Stabilität des Werkzeugs nicht beeinträchtigen.

Die Formeinsätze für die Spritzenkörper sowie die Heißkanaldüsen in eingebautem Zustand (Bildquelle: Ewikon)

Die Formeinsätze für die Spritzenkörper sowie die Heißkanaldüsen in eingebautem Zustand (Bildquelle: Ewikon)

Für eine effiziente und produktive Fertigung mit hoher Wiederholgenauigkeit achtete Ruhla auf eine wirkungsvolle Werkzeugentlüftung und eine effektive Kühlung. Erstere ist wichtig, um das Füllverhalten bei der Fertigung der dünnwandigen Spritzenkörper, zu optimieren, Lufteinschlüsse zu vermeiden und somit nahezu ausschussfrei zu produzieren. Für die Werkzeugkühlung sorgt ein selbstentwickeltes Kühlkonzept, das bei der Fertigung der Spritzenkörper eine umlaufende konturnahe Kühlung ermöglicht – trotz seitlicher Anbindung. Realisiert wird dies durch eine schlanke Variante der Ewikon HPS-III-MH-Düse, die das Unternehmen für das Fertigen von Spritzen und Pipetten entwickelte. Außerdem konnte Ruhla auch für die kleinste Spritzengröße eine Kernkühlung integrieren. Dadurch erreichten alle Werkzeuge Zykluszeiten im einstelligen Sekundenbereich.

Nach der Freigabe des Designs lief das Projekt 28 Wochen, inklusive Abmusterung jedes Werkzeugs im Ruhla-Technikum mit umfangreichen Funktionstests der fertigen Produkte. Beim Start der Serienfertigung unterstützten Anwendungstechniker von Ruhla und Ewikon den Verarbeiter vor Ort, um Feinjustagen der Produktionsparameter durchzuführen und so eine reibungslose Inbetriebnahme der Systeme zu ermöglichen.

 

Über den Autor

Henning Becker

ist Leiter Werbung/PR bei Ewikon in Frankenberg.