Die Fertigung von hochpräzisen Kunststoff-Metall-Verbundbauteilen in Einlegetechnik zählt zu den Kernkompetenzen des renommierten Zulieferers für hochwertige Kunststoff-Spritzgießteile und Baugruppen für die Automobilindustrie, die Elektronikindustrie und den Maschinenbau Fischer. In Sinsheim beschäftigt das Unternehmen 230 Mitarbeiter und bietet einen Full-Service von der Konstruktion über den Werkzeugbau und die Produktion bis hin zur Montage. Eine Spezialität des Unternehmens ist die Fertigung von Kunststoff-Metall-Verbundbauteilen im Reel-to-Reel- oder Inlay-Molding-Verfahren. Bei der vollautomatisierten Fertigung eines Motorkontakts für den Automotive-Zulieferer Bosch kamen Heißkanal-Lösungen von Ewikon zum Einsatz. Das Bauteil Motorkontakt besteht aus zwei im Spritzgießverfahren mit einem Gehäuse aus PBT Ultradur mit 30 % Glasfaseranteil ummantelten Kontakten aus einer speziellen, mit Zinn galvanisierten Kupferlegierung.

Die Produktion erfolgt in einer vollautomatischen Fertigungszelle mit integrierter Spritzgießmaschine. Die vorgestanzten und vorgeformten Metallkontakte werden als Band auf Rolle angeliefert, in ein Stanzwerkzeug eingespeist und dort vereinzelt. Danach laufen sie in eine Orientierungsstation, in der sie entsprechend der endgültigen Position im Bauteil ausgerichtet und in zwölf Zweiergruppen positioniert werden. Diese werden von einem Handlingsystem aufgenommen und in das Spritzgießwerkzeug eingelegt, wo sie mit dem Kunststoff umspritzt und gleichzeitig mit zwei Stegen miteinander verbunden werden. Das Werkzeug entstand im firmeneigenen Werkzeugbau und ist mit einem Heißkanal-System mit 6 Düsen in Reihe und einem Abstand von 40 mm zwischen den Anspritzpunkten ausgerüstet. Das Schussgewicht pro Düse beträgt 4,3 Gramm. Die Anspritzpunkte sind auf dem oberen der beiden Verbindungsstege positioniert, über einen Anschnitt werden zwei Motorkontakte gefüllt. Pro Zyklus entsteht so ein Streifen mit zwölf Motorkontakten.

Sechs Düsen in Reihe

Das Handlingsystem erfüllt im Prozess mehrere Funktionen und verbindet die verschiedenen Stationen der Fertigungszelle miteinander. Gleichzeitig mit dem Einlegen der Metallkontakte auf der Heißkanalseite des Werkzeugs wird auf der Auswerferseite der fertige Motorkontaktstreifen entnommen und im nächsten Fertigungsschritt in eine Prüfstation eingelegt. Hier realisiert man eine 100-Prozent-Kontrolle, bei der jeder Motorkontakt auf dem Streifen auf einwandfreie elektrische Funktion geprüft und das gesamte Bauteil mittels eines Kamerasystems optisch vermessen wird. Im letzten Schritt des Fertigungsprozesses übergibt das Handlingsystem den Streifen an eine Montagestation, in der die Bauteile wieder zu einem Band verbunden werden, das auf eine Rolle aufgespult wird. „Die 100-Prozent-Kontrolle vor dem letzten Fertigungsschritt stellt sicher, dass nur einwandfreie Bauteile das Werk zur Weiterverarbeitung verlassen“, erklärt Robin Kemter, Projektmanager bei Fischer.

Maßhaltigkeit entscheidet

Die Anwendung stellt höchste Anforderungen an die Maßhaltigkeit der Bauteile sowie die Prozessstabilität. Nicht zuletzt aufgrund der hohen Kosten der verwendeten Ausgangskomponenten, hier besonders der galvanisierten Kupferkontakte, wird bei Fischer eine Ausschussquote von unter 1 % gefordert. Entscheidend dafür, dass das Bauteil die optische Kontrolle ohne Beanstandung passiert, sind zwei Kriterien: Zum einen müssen die zwölf Motorkontakte über die Verbindungsstege im Streifen absolut parallel zueinander verzugsfrei in Linie angeordnet sein. Würde der Streifen eine Sichelkrümmung aufweisen, wäre im weiteren Verlauf des Fertigungsprozesses kein sauberes Aufwickeln auf die Rolle mehr möglich. Zum anderen müssen die beiden Metallkontakte innerhalb eines Motorkontakts präzise zueinander ausgerichtet sein. Um den Qualitätsansprüchen zu genügen, darf die Position der sichtbaren Kontaktschwerter einen Taumelkreis von nur 0,25 mm Durchmesser nicht verlassen. Selbst die geringste Dislokation oder Durchbiegung der Metallkontakte während des Umspritzens würde bei diesen geringen Toleranzen unweigerlich zu Ausschuss führen.

Gleichmäßige Füllung als zentrale Herausforderung

Unter diesen Aspekten kommt der Heißkanal-Spritzgießlösung eine hohe Bedeutung zu, denn zur Erfüllung beider Kriterien ist eine perfekte Balancierung und eine absolut gleichmäßige Teilefüllung der Schlüssel zum Erfolg. Besonders anspruchsvoll ist die Anwendung auch deswegen, weil Fischer aus Gründen kompakter Werkzeugabmessungen und möglichst hoher Kosteneffizienz auf den Einsatz von Nadelverschluss-Technik verzichtete und einer offenen Heißkanallösung den Vorzug gab. Zudem ist das verarbeitete PBT Material thermisch empfindlich. Bei Verarbeitungstemperaturen um die 270 °C waren daher eine niedrige Scherbelastung sowie eine möglichst kurze Verweilzeit gefordert. „Im Vorfeld des Projektes haben wir mehrere Heißkanalhersteller eingeladen“, so Manuel Laier, verantwortlich für die Konzeption des Spritzgießwerkzeugs. „Die Entscheidung für eine Lösung von Ewikon, Frankenberg, fiel aufgrund des Gesamtpakets aus vollbalancierter Verteilertechnik und der passenden schlanken Düsenvariante“.

Verteilerseitig ist mit der Elementetechnik trotz der engen Abstände zwischen den Anschnitten eine kompakte Vollbalancierung des Verteilersystems auf mehreren Ebenen möglich. Durch entsprechende Positionierung der Umlenkelemente im Verteiler erreicht man eine kurze Gesamtlänge des Schmelzekanals und damit eine minimale Verweilzeit der Schmelze im System. Die abgerundeten Fließkanäle garantieren zudem einen strömungsgünstigen Schmelzefluss ohne tote Ecken oder scharfe Kanten, die eine thermische Schädigung des Materials  verursachen können. Das Verteilerlayout wurde in enger Abstimmung mit Fischer anhand von Druckverlust-Berechnungen und Füllsimulationen festgelegt.

Mit einem Außendurchmesser von 13 mm und einem Schmelzekanal-Durchmesser von 4,5 mm stellen die verwendeten Heißkanaldüsen eine ideale Kombination aus schlanken Außenabmessungen und anforderungsgerechtem Schmelzedurchsatz mit niedrigem Druckverlust dar. Die engen Abstände zwischen den Anspritzpunkten können leicht realisiert werden. Das schlanke Design ermöglicht zudem eine problemlose Integration in die Formkontur, in der die Düsenausnehmungen nur 16 mm betragen. Zur ständigen Überwachung des Fülldrucks positionierte Fischer einen Drucksensor hinter jedem Anschnitt.

Optimiert zur Serienfertigung

Das bei der ersten Bemusterung erzielte Füllbild genügte aufgrund leichter Ungleichmäßigkeiten im Druckverlauf den hohen Qualitätsanforderungen noch nicht vollständig. Nach Analyse der von den Sensoren aufgezeichneten Drücke und Temperaturen entschied man sich dazu, die Anspritzpunkt-Position und damit natürlich die Position der Heißkanaldüsen noch einmal minimal zu verändern, was auch einen neuen Verteiler erforderte. Auch dieser wurde seitens Ewikon hinsichtlich der Balancierung nochmals optimiert. Mit dem modifizierten System gelang bei der zweiten Bemusterung eine Punktlandung. Die Kavitäten füllten gleichmäßig, alle Drücke und Temperaturen bewegten sich innerhalb der Toleranzen. Seit dem Start der Serienfertigung des Motorkontakts im November 2013 mit einer Stückzahl von 100.000 Teilen pro Woche überzeugt die Heißkanallösung mit hoher Zuverlässigkeit. Insgesamt wurden bisher 1,9 Millionen Teile störungsfrei produziert.

 

Autor

Henning Becker
ist Leiter Werbung/PR bei Ewikon Heißkanalsysteme in Frankenberg.
henning.becker@ewikon.com

 

Fakuma 2014: Halle/Stand A2/2203