In der Automobilindustrie, vor allem im Motorenbereich, benötigt man unter anderem Komponenten wie Ansaugrohreoder Kühlmittelleitungen. Das lineare Entformen oder das Ziehen von Kernen in einer Kreisbahn ist bei vielen dieser Teile wegen deren komplexen Geometrien nicht möglich; hinzu kommt häufig die Forderung nach Innengeometrien mit hoher Maßhaltigkeit und glatter Oberfläche. Der bis heute einzig bekannte Weg, dies zu bewerkstelligen, ohne Änderungen an der Konstruktion vorzunehmen oder hässliche Nähte zu produzieren, ist die Kernausschmelztechnik oder einfach Schmelzkerntechnik, gemeint ist das automatische Spritzgießen mit „verlorenen Kernen“.

Bei der Herstellung von Formteilen mit „verlorenen Kernen“, auch „Lost-Core-Technologie“ genannt, werden als Material für die nur zeitweise genutzten, temporären Kerne Metalllegierungen mit niedriger Schmelztemperatur eingesetzt, etwa Zinn-Wismut-Legierungen mit Schmelzpunkt 137 °C. Ein solcher Kern wird in ein Spritzgießwerkzeug eingelegt und mit einem Kunststoff umspritzt. Die Oberfläche des Kerns bildet die innere Kontur des Formteils; die Güte der Oberfläche des Kerns ist also maßgebend für die Qualität der Innenkontur. Danach wird der Kern durch Ausschmelzen vollständig aus dem Formteil entfernt. Das wieder aufbereitete Kernmaterial wird zur Herstellung eines neuen Kerns verwendet. Vorteile dieser Technik sind die guten mechanischen Eigenschaften des Kunststoffformteils, Vorteile beim Trennen von Kernmaterial und Formteil sowie die vereinfachte Verfahrenstechnik für den erneuten Einsatz des Kernmaterials.
In der Fachliteratur finden sich genügend Pluspunkte, die den Einsatz der Lost-Core-Technologie für die beschriebenen Anwendungen empfehlen, unter anderem:

  • Homogene Fertigung „aus einem Guss“,
  • Vermeiden von durch Fügebereiche geschwächten Zonen,
  • weitgehend freie Gestaltungsmöglichkeiten,
  • komplexe Geometrie in einteiligem Bauteil realisierbar,
  • maßgenaue Innen- und Außenkonturen,
  • hohe Oberflächenqualität innen und außen sowie
  • neueste Kombi-Technik (Klappe im Rohr).

Aber es gibt auch Nachteile der Fertigung mit einer automatisch arbeitenden Anlage, etwa zur Herstellung von Saugrohren, im Hinblick auf Investitionsumfang und Komplexität – sie besteht nämlich aus einer Anlage zur Herstellung der metallischen Kerne, einer Spritzgießmaschine zum Umspritzen der Kerne, einer Aufschmelzvorrichtung (Kernausschmelzbad mit Lutron, Heizung für Ausschmelzflüssigkeit und beheizter Großtank für letztere), Transporteinrichtungen und Handhabungssysteme, Temperier-/Trockenstation und einer Wascheinrichtung.
Eine solche Anlage ist außerordentlich komplex, aufwändig und teuer. Und nicht von der Stange zu kaufen, sie muss mit mehreren Lieferanten sorgfältig konzipiert werden. Erst bei größeren produzierten Stückzahlen wird sie wirtschaftlich. So erfordert eine Anlage, etwa zur Herstellung einer Sechs-Zylinder-Ansauganlage, eine Investition von zirka drei bis zehn Millionen Euro.

Aus einem Guss – auf einer Maschine

Diese hohen Investitionssummen müssen nicht mehr sein. Schittelkop Werkzeug- und Formenbau, Walldürn, hat eine „patente“ Möglichkeit entwickelt, alle vorher genannten Verfahrensschritte auf einer Spritzgießmaschine auszuführen – das Lost-Core-System. Hierdurch lassen sich die geschilderten Nachteile der Schmelzkern-Anlagentechnik umgehen, so dass mit diesem Verfahren eine produktive und kostengünstige Fertigung möglich wird. Der Grundgedanke besteht darin, das Ausschmelzen – in diesem Fall induktiv, das Einspritzen des Kunststoffs und das Druckgießen des Kerns auf einer Maschine zu einem Vorgang zu kombinieren.

Induktiv: Als stromführende Komponenten kommen Induktionsspulen zur Anwendung, die um das Formteil herum angeordnet sind. So kann man mit relativ geringer Leistungsaufnahme und kompakten Spulenabmessungen bereits ausreichende Temperaturerhöhungen im Formkern erzielen.
Für das Patent Nr. PCT/EP2007/003942 liegen inzwischen Anmeldungen in Deutschland, Europa, China, Japan und den USA vor. Es umfasst Komponenten wie Spritzgießmaschine mit vergrößerten Werkzeug-Aufspannplatten auf die zentral das Spritzgießwerkzeug und seitlich oder höhenversetzt das Kerngießwerkzeug aufgespannt werden und die Ausschmelzkammer für das Vakuum-Ausschmelzen des Schmelzkernmaterials. Ferner gehören dazu die Vakuumpumpe zur Erzeugung eines Vakuums in der Ausschmelzkammer, die Induktionseinrichtung für das Schmelzen des Schmelzkernes in der Vakuumkammer mit Wende- und Schwenkvorrichtung und das Ventil für das Schmelzkernmaterial; weiterhin beheizte Verbindungsschläuche wie Rohre und Trichter, die Schmelzkernmaterialpumpe und/oder hydraulische Einspritzeinheit sowie Roboter für die Verkettung der einzelnen Komponenten.

Patentgemäß ist dadurch folgender Funktionsablauf gegeben:

  • Schmelzkern gießen, Schmelzkern entnehmen und mit Roboter in Spritzgießwerkzeug einlegen,
  • Kern mit Kunststoff umspritzen, Kunststoffteil mit umspritztem Schmelzkern entnehmen,
  • Roboter bringt Teil in die Vakuumkammer, Vakuum-Pumpe erzeugt Vakuum,
  • lnduktionsspulen einschalten und Schmelzkern aufschmelzen,
  • Kunststoffteil entnehmen,
  • flüssiges Schmelzkernmaterial mit Pumpe wieder zum Schmelzkern-Werkzeug fördern.

Dies bedeutet im Sinne des Patentschutzes für die neuartige Spritzgieß-Schmelzkern-Maschine unter anderem, dass der Schmelzkern induktiv aufgeschmolzen wird, keine separate Kerngießmaschine erforderlich ist, der Gießvorgang in die Spritzgießmaschinen-Steuerung integriert werden kann und somit der Investitionsaufwand sehr gering ist. Zwar erhöht dies die Komplexität der Einheit Maschine/Werkzeug, doch lassen sich nur so hohe Formteil-Stückzahlen mit kurzen Zykluszeiten in der Schmelzkerntechnik fertigen. Bei dem in Walldürn entwickelten, ganzheitlichen Konzept ist der Investitionsaufwand bis zu 90 % geringer im Vergleich zu einer komplexen Großanlage.

Wie steht es mit den Zykluszeiten? Immer parallel, nie nacheinander, bestimmt die größte der drei Teil-Taktzeiten den Gesamtzyklus – bei zwei Formhöhlungen, je eine im Kunststoff- und im Schmelzkern-Werkzeug beziehungsweise in der Druckguss- und 1-K-Spritzgießform – und einer dritten für das Aufschmelzen in der Vakuumkammer.
Die Zykluszeiten für das Beispiel Rohr mit Innenklappe ergeben sich aus einer Kerngießzeit von etwa 25s, einer Ausschmelzzeit von etwa 30 bis 40s (unoptimiert) und einer Zeit für das Spritzgießen von etwa 24s Schließlich ergibt sich dann eine Gesamt – Zykluszeit ohne Roboterzeiten von etwa 32s für parallele Prozesse.
Mit denkbaren konkurrierenden Verfahren, wie Spritzblasformen, Gas-Injektions- (GIT) oder Wasser-Injektionstechnik (WIT) können dagegen bei unterschiedlichen Wanddicken keine definierten Innenkonturen hergestellt werden.

Für Griffe, Wasserhähne, Schlauchgelenkteile, Rein- und Rohluftleitungen, Armaturen und Durchflussmessgeräte die bisher aus Fertigungsgründen zum Teil aus Metall hergestellt wurden, ist damit jetzt eine rationelle und kostengünstige Herstellung in Kunststoff möglich. Es entstehen weder Materialverluste noch sonstige Materialkosten. Auch 2-K-Medienleitungen mit definierten Wanddicken sind herstellbar. Für Wasserhähne und Armaturen könnte nun eine Baureihe „Economy“ aus Kunststoff neben den bestehenden Premium-Modellen aus Metall auf den Markt gebracht werden.

Neue Technologien
Kernausschmelztechnik kompakt

Beim Spritzgießen von Formteilen mit nicht entformbaren Hinterschnitten oder durch Kerne zu formenden Hohlräumen ergeben sich häufig Gestaltungsschwierigkeiten. Diese können ohne Änderungen an der Konstruktion durch die Kernausschmelztechnik überwunden werden, das automatische Spritzgießen mit „verlorenen Kernen“ – ein besonders kostengünstiges Verfahren ist die hier vorgestellte kompakte Konzeption.

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Über den Autor

Klaus Diebold, Fachjournalist, Nürnberg