Die globale Produktionsmenge von Schraubkappen und Verschlüssen wird auf etwa 750 Milliarden Stück geschätzt und die Tendenz weist ein solides Wachstum auf. Der steigende Bedarf findet sich speziell im Bereich von Leichtgewicht-Verschlüssen für Wasserflaschen, aber auch andere Verpackungsartikel sind davon nicht ausgeschlossen. Elektrische Hybrid-Spritzgießmaschinen verschiedener namhafter Hersteller befinden sich im stetigen Wettrennen um noch kürzere Zykluszeiten und nur Bruchteile von Sekunden unterscheiden diesen Wettbewerb. Die Schallmauer scheint bald erreicht zu sein, denn für Leichtgewicht-Verschlüsse mit einem Durchmesser von 26 Millimeter und einem Teilegewicht mit weniger als einem Gramm werden bereits Zykluszeiten mit weniger als drei Sekunden erzielt. Schnellläuferwerkzeuge mit einer wachsenden Kavitätenzahl von 64 auf 72, 96 und 128 Kavitäten sollen die Produktionsleistung von elektrischen Spritzgießmaschinen durch eine zunehmende Maschinenschließkraft erhöhen. Allerdings wird diese Leistung von elektrischen Spritzgießmaschinen für den Einsatz von diesen größeren Werkzeugen noch nicht erbracht, weil den größeren elektrischen Maschinen noch technische Grenzen gesetzt sind. Außerdem steigen bei zunehmender Werkzeug- und Maschinengröße nicht nur die Investitions- und Betriebskosten, sondern es wachsen auch die verfahrenstechnischen Anforderungen an den Spritzgießprozess. Besonders die natürliche Balancierung der Schmelzeverteilung von der Maschinendüse in eine zunehmende Zahl von Kavitäten gestaltet sich bei Großwerkzeugen bedeutend schwieriger als bei den Werkzeugen mit einer geringeren Kavitätenzahl.

Eine sowohl wirtschaftliche wie technische Alternative zu immer größeren Maschinen und größeren Werkzeugen sind Etagenwerkzeuge: bei gleichbleibender Werkzeugaufspannfläche und Maschinengröße wird die Produktion nahezu verdoppelt. Der Schlüssel zum Erfolg für diese kostensparende Lösung liegt hauptsächlich beim Heißkanalsystem für das Etagenwerkzeug. Hier öffnet ein neues innovatives Nadelverschluss-System wie das Rheo-Pro iVG von Mold Hotrunner Solutions (Bild 1) neue Effizienz-Potenziale für den Spritzgießer. Dabei steht die Abkürzung iVG für „internes Valve Gate“.
Anhand eines 64+64-Kavitäten Heißkanal-Etagenwerkzeuges mit dieser Nadelverschluss-Neuentwicklung wird die Thematik der Schmelzeverteilung und der Heißkanal-Werkzeugtechnik gezeigt, die zu einer Leistungssteigerung von Leichtgewicht-Schraubverschlüssen bis auf 3,5 Millionen Stück pro Tag führen kann, ohne die Maschinengröße beziehungsweise die Zuhaltekraft zu verändern, die ein 64-fach Werkzeug mit nur einer Trennebene benötigen würde.

Vorteile durch das Nadelverschlusssystem bei Kosten und Teilequalität

Im Vergleich zu einem herkömmlichen Heißkanalsystem mit offener Düse oder Hot Tip bietet das neue Nadelverschlusssystem deutliche Vorteile. Mit Nadelverschlusssystemen können die Formteile im Etagenwerkzeug in einem weiteren Prozessfenster gefertigt werden. Der Nadelverschlussanschnitt reagiert weniger empfindlich auf Schwankungen im Prozess oder die Material-Verarbeitungseigenschaften als der offene Hot Tip-Anschnitt. Damit werden gleichmäßigere Artikel gefertigt, das heißt die Artikel aus allen 128 Kavitäten bieten die gleichen Eigenschaften.

Die neu entwickelten Nadelverschlussdüsen bieten eine kompakte Back-to-Back-Lösung im Mittelblock des Etagenwerkzeuges (Bild 2). Anders ausgedrückt, die Rücken-an-Rücken-Montage spart Platz und Aufbauhöhe. Als besonderes Merkmal fällt sofort auf, das die Nadelzylinder nun direkt in die Düsenkörper integriert sind. Hiermit entfällt der Zylinderaufbau, der bei den herkömmlichen Nadelverschlusssystemen auf der Schmelzeverteiler-Rückseite liegt (Bild 3). Der dreischichtige, sperrige Verteileraufbau ist nun nicht mehr erforderlich; das reduziert die Werkzeugaufbauhöhe deutlich. Damit kommen auch kleinere Spritzgießmaschinen für Etagenwerkzeuge zum Einsatz, wenn die Plastifizierleistung und die Werkzeugzuhaltekraft ausreichend ist, wie zum Beispiel ein Wechsel von einer 64-fach Produktion zu einem 32+32-Etagenwerkzeug auf einer kleineren Maschine.
Ein 128-fach Werkzeug mit nur einer Trennebene erfordert eine 500-Tonnen-Maschine in Bezug auf Zuhaltekraft und Plattengröße. Im Vergleich dazu benötigt das 64+64-fach Etagenwerkzeug nur eine 250-Tonnen-Maschine, da sich die einander gegenüber liegenden Kavitäten-Auftriebskräfte gegeneinander aufheben und kleinere Werkzeugplatten bestehen.
Der Maschinenstundensatz der 500-Tonnen-Maschine ist um 12,7 Prozent höher als die der 250-Tonnen-Maschine, hierdurch ergeben sich große Kostenvorteile, die in der Tabelle 1 gelistet sind. Bei gleicher Fertigung von 3,5 Millionen Schraubkappen pro Tag kann man jährlich bei der Benutzung eines 64+64-fach Etagenwerkzeuges die Kosten um 60000 Euro vermindern gegenüber der Produktion aus einem 128-fach Werkzeug mit nur einer Trennebene.

Plattenstärke des Werkzeugmittelblocks wird verkleinert

Die Fließweglänge in den Verteilerkanälen, die Schmelzescherung und der Druckverlust sowie die Wartungszugänglichkeit werden von traditionellen Etagen-Nadelverschluss-Systemen nachteilhaft beeinflusst. Diese Kriterien hinderten den Einsatz von Etagenwerkzeugen. Die neue Kompaktbauweise des iVG-Nadelverschlusssystems für Etagen-Heißkanäle bildet eine wesentlich verbesserte Funktionseinheit. Die Nadelverschlussdüse und deren Betätigungszylinder sind nun als eine Baueinheit vollständig auf einer Verteilerseite angeordnet. Damit ist auf der Verteilergegenseite Platz geschaffen für eine genau gegenüberliegende Nadelverschlussdüse.

Der back-to-back-Aufbau ermöglicht einen einschichtigen Verteiler mit nur 50 Millimeter Verteilerdicke und begünstigt die gewünschte dünnere Plattenstärke des Werkzeugmittelblocks im Etagenwerkzeug, das mit einer geringeren Gesamtwerkzeughöhe in eine Standard-Spritzgießmaschine passt. Die gemessene Weite zwischen den Kavitätenoberflächen beziehungsweise den Formteilflächen beträgt beim Etagenheißkanal mit dem neuen Nadelverschlusssystem lediglich 285 Millimeter, während der konventionelle dreischichtige Verteileraufbau ganze 425 Millimeter benötigt. Bei Originalitätsverschlüssen mit einer Artikelhöhe von 11 Millimetern bedeutet die erzielte Reduzierung der Plattenstärke des Werkzeugmittelblocks um 140 Millimeter einen wichtigen Beitrag zur Reduzierung der Gesamtaufbauhöhe des Etagenwerkzeugs.
Beispiel: Eine Spritzgießmaschine wie die EL-Exis 250/630 mit einer Öffnungsweite von 1500 Millimeter kann das Etagenwerkzeug mit 945 Millimeter Aufbauhöhe aufnehmen und bietet einen Öffnungsweg von 250 Millimeter je Trennebene.

Verfahrenstechnische Probleme durch Schmelzekompression vermindert

Die Thermoplastschmelze verhält sich unter Druck als kompressible Flüssigkeit. Diese rheologische Eigenart muss bei der Planung von immer größer werdenden Vielkavitäten-Werkzeugen besonders berücksichtigt werden. Das spezifische Volumen der Schmelze ändert sich durch die Druckverdichtung während der Einspritz- und der Nachdruckphase. Ein größeres Massepolster in konventionellen Etagensystemen setzt an das Einspritzprofil der Schneckenregelung hohe Maßstäbe, weil etwa zehn Prozent des Dosierweges von der Schmelzekompressibilität in Form von elastischer Energie absorbiert wird. Dieser viskoelastische Effekt kommt im pVT-Diagramm (Bild 4) zum Ausdruck und kann in der Praxis bei Schneckenentlastung als Rückwanderung der Schnecke sichtbar gemacht werden.

Die Entlastung oder Entspannung der elastischen Schmelzeverdichtung wird unter anderem mit der Schneckendekompression bewirkt (siehe Bild 5). Die Schmelze wirkt sozusagen wie ein Blasenspeicher in einer Hydraulikleitung oder wie ein Kondensator in einem elektrischen Schaltkreis, es werden damit sozusagen kurze Signale gedämpft. Das Einspritzprofil der Schnecke kommt nur in gedämpfter Form in den Kavitäten an, ganz gleich wie präzise und schnell die Maschinensteuerung regelt. Dieses rheologische Verhalten der Schmelze bereitet besonders für die extrem kurze Einspritzzeit von Kleinteilen eine Schwierigkeit. Die Schmelzeverteilung mit dem neuen Nadelverschlusssystem stellt eine wesentliche Verbesserung dar, denn das Verteiler-Schmelzevolumen ist um ein Drittel reduziert im Vergleich zu einem dreischichtigen Etagen-Verteiler. Die Artikelqualität wird nicht nur von der Regelung und Konstanz der Maschinenparameter bestimmt, sondern auch durch die balancierte Schmelzeverteilung in die jeweiligen Kavitäten. Der Farbwechsel wird durch den vereinfachten Schmelzekanal mit einem kürzeren Fließweg schneller ermöglicht.

Höhere Teilepräzision durch bessere Dosiergenauigkeit der Schmelze

Speziell die Leichtgewicht-Schraubkappen mit einem Teilegewicht von nur einem Gramm können bereits in die Kategorie der Mikroteile eingestuft werden. Die Relation des einzelnen Teilegewichts im Vergleich zum gesamten Schussgewicht eines 64+64-Etagenwerkzeuges beträgt 1:128. Dies bedeutet, dass ein einzelnes Formteil nur 0,78 Prozent des Schneckendosierweges darstellt. Wenn bei 1000 bar Einspritzdruck die Schmelzekompression laut pVT-Diagramm zehn Prozent ausmacht, dann gehen bereits 12,8 Kubikzentimeter des Dosiervolumens in Kompression über; das bedeutet, dass das Dosiervolumen auf 140,8 Kubikzentimeter über den Schneckenweg eingestellt werden müsste. Diese Kompensation der Schmelzekompressibilität berücksichtigt jedoch noch nicht den Schmelzeanteil, der sich in den Verteiler-Fließkanälen und in den Düsen befindet. Dort verdichtet sich die elastische Masse unter Spritzdruck ebenfalls um zehn Prozent. Der 64+64-Etagenheißkanal mit dem iVG-Nadelverschluss enthält in seinen Schmelzebohrungen etwa das zehnfache Gesamt-Schussvolumen der 128 Schraubkappen und darin entsteht unter Spritzdruck eine Schmelzeverdichtung von zehn Prozent, was wiederum dem Volumen von 128 Schraubkappen entspricht. Mit anderen Worten: die Schmelzeverdichtung ist größer als das eigentliche Einspritzvolumen, das in die Kavitäten gelangt. Damit ist der Schneckenweg mehr als doppelt so groß wie es das tatsächliche Dosiervolumen zur Füllung der 128 Kavitäten erfordert. Noch deutlicher wird der Schwierigkeitsgrad der Materialdosierung wegen dieses rheologischen Kompressionsverhaltens der Thermoplastschmelze, wenn man praxisbezogen das Geschehen im Spritzaggregat betrachtet. Beispielsweise beträgt bei einem Schneckendurchmesser von 70 Millimeter das Dosiervolumen etwa 3,85 Kubikzentimeter bei einem Schneckenweg von einem Millimeter. Das erfordert bei 128 Kavitäten mit je einem Volumen von einem Kubikzentimeter plus einen Ausgleich der Schmelzekompression von zehn Prozent einen Dosierweg von 82 Millimetern. 60 Prozent des Dosierwegs entfallen dabei auf die Füllung der Kavitäten und die restlichen 40 Prozent auf den Schmelzepfad in Form von Verdichtung. Um die Kompression zu veranschaulichen ist im Bild 5 die Schmelzedosierung im Maschinenzylinder als Blasenspeicher dargestellt.

Das Schmelzegewicht wird aufgrund der druck- und temperaturbedingten Veränderung der spezifischen Dichte zu einer prozessvariablen Größe. Die beschriebene drastische Reduzierung des Kanalvolumens im Verteiler kommt der Dosiergenauigkeit entgegen und macht damit das 64+64-Etagenwerkzeug mit dem iVG-Nadelverschluss einem 128-fach Werkzeug mit nur einer Trennebene überlegen.
Der neuentwickelte, einschichtige iVG-Verteiler zeichnet sich durch ein vereinfachtes Schmelzekanalsystem aus, wodurch ein bedeutend geringeres Schmelzevolumen im Kanal ist. Damit wird auch die Scherbeanspruchung der Schmelze reduziert und infolge dessen wird der Druckabfall entlang des kürzeren Schmelzewegs in die Kavitäten geringer. Durch die geringere Scherung bleibt die Schmelzeviskositätsverteilung über die Kavitäten gleichmäßiger und führt zu einer weiteren Verbesserung der Gewichtskonstanz von Kavität zu Kavität.

Geringere Fallhöhe der Artikel nach Entformung spart Zykluszeit

Die Fallhöhe der Artikel nach der Entformung ist bei den verglichenen Werkzeugen unterschiedlich und darf nicht unberücksichtigt bleiben. Die Artikel haben bei dem 64+64-fach Werkzeug eine maximale Fallhöhe von 800 Millimeter, die Fallhöhe des 128-fach Werkzeuges liegt bei maximal 1400 Millimeter. Die Falldauer bei einem 128-fach Werkzeug beträgt etwa die doppelte Zeit als bei dem 64+64-fach Werkzeug. Damit erhöht sich die Zykluszeit des 128-fach Werkzeugs um etwa zehn Prozent gegenüber dem Etagenwerkzeug. Das Etagenwerkzeug genießt dadurch einen entscheidenden Zykluszeit-Vorteil; dieser Vorteil wird auch durch die längere Öffnungszeit der zwei Trennebenen des Etagenwerkzeugs aufgezehrt, zumindest nicht ganz.

Das Werkzeug kann für Wartungsarbeiten auf der Maschine bleiben

Eine Million Spritzgießzyklen sind bei drei Sekunden Zykluszeit bereits nach gut einem Monat in der 24/7-Produktion erreicht. Vorbeugende und regelmäßige Wartung ist besonders beim Hochleistungswerkzeug erforderlich. Bei einem Etagenwerkzeug mit 64+64-Kavitäten wird jedoch ein ganz besonderes Augenmerk auf die Wartungsfreundlichkeit des Heißkanal-Nadelverschlusses gelegt. Der Grund: Der Werkzeugmittelblock, in dem der Heißkanal installiert ist, kann nicht ohne vorherigen Abbau des gesamten Werkzeugs zur Wartung geöffnet werden, weil die Bewegungsmimik wie Hebel, Zylinder oder Zahnstange am Mittelblock befestigt sind. Beim dreischichtigen Verteiler mit konventioneller Zylinderanordnung ist ein direkter Zugang zu den Nadelverschlusszylindern auf keinen Fall möglich. Dies ist mitunter eines der Hauptargumente, die dem Einsatz eines Etagenwerkzeugs entgegen gehalten werden. Dem Spritzgießer ist es bei der Forderung nach einem hohen Leistungsgrad zu zeitaufwändig das Werkzeug wegen einfacher Wartungsarbeiten, wie zum Beispiel bei einem Dichtungswechsel der Nadelkolbendichtung, abzurüsten und auseinander zu bauen. Die Integration des Nadelkolbens in die Düse und damit in eine leicht zugängliche Lage vor den Verteiler, vereinfacht erstmalig die Wartung des Etagen-Heißkanals. Durch das Abstreifen der Kavitätenplatte auf die gegenüberliegenden Kernseite werden die Düsenheizung, die Vorkammer, die Verschlussnadel und der Kolben zugänglich gemacht, während das Werkzeug auf der Maschine verbleibt (siehe Bild 6).

Ein Verteiler für Schmelze und Druckluft spart Platz

Für Schraubkappen mit Durchmessern von 26 bis 28 Millimetern ist in einem Etagenwerkzeug die Back-to-Back-Lösung mit den geforderten kompakten Düsen- beziehungsweise mit einem Kavitätenabstand von 63,5 Millimetern möglich. Dies erlaubt eine Kombination von Kavitäteneinsätzen mit Vorkammerbuchsen und Intensivkühlung, damit ein gezielter Wärmeentzug besonders in der Anschnittumgebung erfolgt. Dadurch werden optimale Angussmarkierungen und extrem kurze Kühlzeiten ermöglicht, denn bei nur 0,5 Millimeter Wandstärke der Leichtgewicht-Schraubkappe, die aus HDPE gefertigt wird, liegt die Kühlzeit bei nur einer Sekunde. Die Verschlussnadel taucht nach Formnestfüllung vorzentriert in die zylindrische Anschnittöffnung der Kavität. Leichtgewicht-Verschlüsse fordern vom Nadelverschlussanschnitt höchste maßliche Präzision. Zum gleichzeitigen Öffnen und Schließen aller 64+64-Verschlussnadeln im Millisekundenbereich wird die Druckluft zur Nadelbetätigung erstmals direkt durch den Schmelzeverteiler den iVG-Düsen über die Düsengleitflächen zugeführt. Die Druckluftversorgung (7 bis 10 bar) für alle iVG-Zylinder erfolgt somit platzsparend.

Struktursteife Bauweise verteilt Werkzeugschließkraft gleichmäßig

Eine gleichmäßige Verteilung der Werkzeugschließkraft auf die zwei Trennebenen und über alle Kavitäten ist eine weitere Forderung an das Schraubkappenwerkzeug. Der Aufbau für das neue Nadelverschlusssystem erzielt die optimale Plattensteifigkeit des Werkzeugs durch eine minimale Plattenaussparung, damit alle Formteile gratfrei gefüllt werden. Beim Etagenwerkzeug werden die Platten des Mittelblocks von beiden Seiten durch den Schmelzedruck der Kavitäten beansprucht. Leichtere Verschlüsse mit einer dünneren Wandstärke und höherem Spritzdruck bedeuten höhere Verformungskräfte, die auf die Platten einwirken. Demzufolge muss eine sorgfältige Plattenabstützung innerhalb des Werkzeuges bestehen, um einerPlattenatmung oder sogar Durchbie-gung entgegenzuwirken. Der Etagenheißkanal darf keinen Plattenhohlraum schaffen, sondern muss zum Erhalt der Struktursteifigkeit des Werkzeuges mit einem minimalen Einbauraum zurechtkommen.

Neue Technologie
Doppelte Produktionskapazität auf der gleichen Spritzgießmaschine

Schneller und größer ist meist die Devise, wenn die Produktionskapazität eines Spritzgießprozesses für Massenartikel gesteigert werden soll. Mit dem neu entwickelten iVG-Nadelverschlusssystem von Mold Hotrunner Solutions kann man das Ziel, die Produktionskapazität zu erhöhen, auf einem ganz anderen Weg erreichen – ohne dass die Maschinen und Werkzeuge größer oder schneller werden müssen. Der Schlüssel dazu liegt in dem platzsparenden Nadelverschlusssystem: Es kann sehr gut für Etagenwerkzeuge eingesetzt werden. So kann die Produktionskapazität auf einer gegebenen Spritzgießmaschine, die mit einem Werkzeug mit einer Trennebene arbeitet, nahezu verdoppelt werden. Denn alternativ dazu kann man jetzt ein Etagenwerkzeug bauen, das die doppelte Kavitätenzahl wie ein Werkzeug mit einer Trennebene hat – aber ohne die Aufspannfläche des Werkzeugs zu vergrößern. Maschinengröße beziehungsweise Zuhaltekraft bleiben also gleich. Das Nadelverschlusssystem vermeidet zudem auch ein Manko der bisherigen Etagenwerkzeuge: Das Nadelverschlusssystem (Düse einschließlich des Kolbens) kann von der Kavitätenseite gewartet werden; das Werkzeug muss dazu nicht mehr ausgebaut werden, sondern kann auf der Maschine gespannt bleiben.

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Über den Autor

Harald Schmidt, Geschäftsführer, Mold Hotrunner Solutions, Georgetown/Kanada, hschmidt@moldhotrunnersolutions.com