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Die Gas-Innendruck-Technik (GID) ist ein Verfahren in der Kunststoffverarbeitung zum Herstellen von leichten, stabilen und maßhaltigen Bauteilen. Dabei wird Stickstoff unter hohem Druck in die Kunststoffschmelze injiziert. Das Gas verdrängt die Schmelze aus dem Kern des Bauteils und drückt sie an die Formwandung. So entsteht im Kern des Bauteils ein Hohlraum. Nach dem Erstarren wird das Gas aus dem Bauteil abgelassen.

Das Unternehmen Engel Formenbau und Spritzguss, Sinsheim, verwendet dieses Verfahren seit Jahren für die Herstellung von hochwertigen Kunststoffgriffen für Haushaltsgeräte und Dachhaltegriffen für die Automobilindustrie. Die Bauteile müssen in Funktion und Design hohen Qualitätsansprüchen genügen. Um diese zu erfüllen arbeitet der Spritzgießer zusammen mit dem Unternehmen Linde seit Jahren daran, das herkömmliche GID-Verfahren noch einmal zu verbessern. Mit GID plus konnten diese Ziele realisiert werden.

Innenkühlung mit Stickstoff

Das rasche Kühlen der Bauteile ist beim GID-Verfahren entscheidend für die Effizienz der Produktion. Denn je schwerer und dickwandiger das Bauteil ist, umso mehr Zeit benötigt es zum Kühlen. So können die Gaskanäle innerhalb eines Kühlschrankgriffs beispielsweise fast einen Meter lang sein. Im traditionellen GID-Verfahren werden die Bauteile nahezu ausschließlich von außen gekühlt.

GID plus kühlt die Produkte von Innen. Die Innenkühlung verwendet den beim GID-Spritzgießen bereits in Umgebungstemperatur vorliegenden Hochdruck-Stickstoff. Dieser strömt kontrolliert durch den vorhandenen Gaskanal. Dabei führt er Wärme aus dem Inneren des Spritzgussteils ab. Das Innenkühl-Verfahren erzielt im Vergleich zur herkömmlichen GID eine höhere Kühlleistung durch zusätzlichen Gasfluss. Nach der normalen Gasinjektion wird die Stickstoffzufuhr zum Hauptgasinjektor unterbrochen und dieser zur Umgebung hin geöffnet. Gleichzeitig wird über einen gegenüberliegenden zweiten Gasinjektor am anderen Ende des Gaskanals Stickstoff eingespeist.

Der Stickstoff durchströmt den Gaskanal des Bauteils und verlässt ihn durch den Hauptinjektor, der so zum Auslass wird. Die Innenkühlung bietet neben deutlich kürzeren Kühl- und damit auch Zykluszeiten weitere Merkmale: Gegenüber dem herkömmlichen Verfahren entstehen Produkte mit glatteren Innenflächen und höherer Maßhaltigkeit. Die Zykluszeiten haben sich durch den Einsatz der Innenkühlung um bis zu 30 Prozent verbessert.

Energieeffiziente Gaskompression

Für das Gas-Innendruck-Verfahren nutzt der Spritzgießer die energieeffiziente Druckerhöhungsanlage Presus N10. Sie verdichtet Flüssigstickstoff vor der Verdampfung ölfrei auf bis zu 350 bar, wobei die Reinheit des Gases nicht gemindert wird. Ein weiterer Pluspunkt ist der deutlich niedrige Energieverbrauch im Vergleich mit herkömmlichen Hochdruckgaskompressoren.

Inertisierung der Kavität

Um eine widerstandfähige Hochglanz-oberfläche für die produzierten Griffe zu erzielen, kommen die Polymere PA, ABS und PC/ABS zum Einsatz. Diese sind schwieriger zu verarbeiten als zum Beispiel PP. Mehrere Faktoren bewirken eine Oxidation des Kunststoffs, die das Gas-Injektionssystem beeinträchtigt: Hohe Drücke bis 250 bar und teilweise höher, Temperaturen bis 300°C, die bei diesen Kunststoffen erforderlichen längeren Zykluszeiten und Luftsauerstoff, der beim Schließen des Werkzeugs in der Kavität eingeschlossen wird.

erschmutzungen durch oxidierte Bestandteile aus der Kunststoffschmelze und durch Additive setzen sich im System ab und können die Gasinjektoren verstopfen. Diese Rückstände müssen regelmäßig nach wenigen Stunden entfernt werden. In Sinsheim entschied man sich deshalb für die Inertisierung mit Stickstoff – bei der Gas-Innendruck-Technik völlig neu. Indem Sauerstoff durch die Inertisierung aus der Spritzgussanlage entfernt wird, reduzieren sich die durch Oxidation gebildeten Verschmutzungen deutlich. Dies wiederum minimiert die Stillstandzeiten sowie den Verschleiß an Spritzgussformen, Dichtungen, Schläuchen und Düsen.

Die geringeren Stillstandzeiten beim Einsatz der Inertisierung als Bestandteil von GID plus sind ein weiterer Vorteil. Bei Engel Formenbau und Spritzguss laufen die Spritzgussprozesse kontinuierlich fünf bis sechs Tage die Woche. Mit der Inertisierung wurde die wartungsbedingte Stillstandzeit je nach Polymer und Produkt von über 18 Stunden bis auf nur eine Stunde pro Woche verkürzt. Je nach Material und Anforderungen an den Spritzguss – kann entweder mit Kohlendioxid (CO2), Stickstoff oder in Kombination mit beiden Gasen angewendet werden. Innenkühlung und Inertisierung machen getrennte oder zusätzliche Gasöffnungen erforderlich: Für die Innenkühlung ein zusätzlicher Gasinjektor und zum Inertisieren eine Öffnung oder ein zweiter Injektor, sodass das Gas aus der Kavität entweichen kann.

Prozessoptimierung

Nutzt ein Unternehmen bereits GID mit Stickstoff und die Zykluszeiten sind nicht extrem lang, wird im Allgemeinen Stickstoff als Gas gewählt. Für neue GID-Installationen und Bauteile wird wahlweise eine Innenkühlung mit Stickstoff oder GID mit CO2 bevorzugt. CO2 wird besonders bei Teilen eingesetzt, bei denen größere Wärmemengen abgeführt werden müssen, oder dort, wo der Einbau eines zweiten Injektors nicht möglich ist.

Für CO2 spricht die deutlich höhere Dichte bei den Prozessbedingungen und die höhere spezifische Wärmekapazität des Gases, sodass die Wärme effizienter entfernt wird. Weitere Optimierungsmaßnahmen sind eine modifizierte Spritzgussform, um die zusätzlichen Gasinjektoren unterzubringen, sowie das Verwenden von Injektoren mit größerem Durchmesser und dickeren Schläuchen. CO2 stellt so auch eine Alternative zum Wasserinnendruckverfahren (WID) dar.

Engel testet diese von Linde neu entwickelte CO2-Technologie mit viel versprechenden Ergebnissen. Neben Innenkühlung und Inertisierung ist das Optimieren des Gesamtprozesses der letzte wichtige Schritt, um das Potenzial voll auszuschöpfen. In enger Kooperation arbeiteten die beiden Unternehmen daran, Prozessverbesserungen zu erreichen. Die hierfür erforderlichen Geräte wurden durch das Unternehmen Maximator, Spezialist für Hochdrucktechnik und GID-Gerätetechnik, in Zusammenarbeit mit Linde entwickelt.

Die höheren Zyklusraten müssen mit den vorangegangenen und nachstehenden Produktionsschritten synchronisiert werden: Die Extruder sind in der Lage, die Plastifizierung in der gewünschten Menge an den Zylinder zu liefern. Am anderen Ende des Guss-prozesses wurden die Roboter so ausgerüstet und programmiert, dass sie die höheren Produktionsraten bewältigen können.

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Über den Autor

Andreas Praller ist im BMPM-LP Application Development – Manufacturing Industry bei Linde in Unterschleißheim tätig. Andreas.Praller@linde-gas.com