Spritzgießmaschinen für die Herstellung kleinster Silikon–Formteile

Um kleine Silikonbauteile in geringen Stückzahlen wirtschaftlich zu fertigen, wurde ein neues Mischpumpen-Konzept entwickelt. (Quelle: Dr. Boy)

Seit circa 40 Jahren wird 2-Komponenten Flüssigsilikon auf Spritzgießmaschinen verarbeitet. Neben dem in gewaltigen Mengen produzierten Babysauger werden heute viele technische Teile wie Dichtungen und Membranen, aber auch mehr und mehr komplexe Artikel für medizintechnische Anwendungen hergestellt. Die übliche Lieferform des sich aus zwei Einzelkomponenten zusammensetzenden Materials ist ein Gebinde in Form von je zwei 20 Liter- oder 200 Liter-Behältern. Über eine Mischpumpe werden die beiden Komponenten mit hohem Druck über lange Strecken der Spritzgießmaschine zugeführt. Kurz vor der Plastifiziereinheit wird das Material in einer Mischkammer zusammengeführt und dann durch einen statischen Mischer und ein Nadelventil in die Spritzgießmaschine übergeben. Als Qualitätskriterien für Mischpumpen werden ein konstantes und korrektes Mischungsverhältnis, Förderleistung und die restlose Fassentleerung aufgeführt. Mit den am Markt verfügbaren Anlagen sind die Anwender  durchaus in der Lage, störungsfrei automatisch große Durchsätze zu fahren.
Für geringe Stückzahlen
Immer häufiger taucht allerdings gerade aus den Bereichen Medizin- und Dichtungstechnik die Frage nach kleinsten Formteilen auf, wobei oft auch noch kleine Stückzahlen gefordert werden. Dies betrifft direkt auch die Maschinentechnik, sowohl die Spritzgießmaschine als auch die Mischpumpe. Mit bislang verfügbaren Anlagen ist eine effiziente Verarbeitung von Flüssigsilikonen in der Praxis nicht möglich. Bei den Spritzgießmaschinen bietet Dr. Boy als Hersteller von Maschinen mit bis zu 1.000 kN Schließkraft eine Reihe von Maschinentypen, die sich generell für die Fertigung von Kleinstteilen eignen, darunter die Boy XS mit 100 kN Schließkraft für präzise Kleinstteile.
Auch bei den Mischpumpen gibt es mittlerweile effiziente Lösungen. Werden Materialvolumen im Bereich weniger Liter benötigt oder sollen spezielle Materialmischungen eingesetzt werden, so erweist sich der Aufwand, eine Mischpumpe in herkömmlicher Größe für diese Anwendung zu reinigen und anzufahren als so arbeits– und materialintensiv, dass allein die Rüstkosten in utopische Bereiche wachsen. Um also für die Fertigung von Kleinstteilen und kleinen Serien kleiner Formteile eine geeignete Produktionsanlage aufzubauen musste ein leicht handhabbares System entwickelt werden. Dieses soll die speziellen Anforderungen, die in dieser Fertigungsnische gestellt werden, erfüllen. Als wichtige Kriterien wurden deshalb definiert:
Die Verarbeitung von Kleinmengen muss möglich sein, einfache Reinigungsmöglich

keit, geringes Materialvolumen zwischen den Materialgebinden und der Maschinendüse, leichte Handhabbarkeit,  Zugabe von Farb- oder anderen Drittkomponenten mit wenig Aufwand, Qualitätsüberwachung muss (optional) möglich sein, gutes Preis- Leistungs- Verhältnis.

Spritzgießmaschinen für die Herstellung kleinster Silikon–Formteile

Gesamtansicht einer kompakten
Spritzgießmaschine mit Mischpumpe. (Quelle: Dr. Boy)

Wirtschaftliche Fertigung
Für die Verarbeitung sensibler Silikon- Wirkstoffmischungen, der Herstellung kleinster Formteile oder auch für Entwicklungslabore sind die Spritzgießmaschinen Boy XS / Boy XS V oder Maschinen aus den Baureihen 25 E und 35 E gut geeignet. Bei der LSR- Plastifiziereinheit entschied man sich für den Einsatz einer Schnecke mit einem Schneckendurchmesser von 14 mm.  Die Kombination aus einem statischen Mischer in der Materialzufuhr und dem dynamischen Mischer in Form der Schnecke sorgt für eine gute Materialdurchmischung. Die Rückstromsperre ist strömungsgünstig ausgelegt. Das Sperrelement ist massearm und bewegt sich nur über einen minimalen Weg, wodurch eine hohe Reproduzierbarkeit bei geringem Wartungsaufwand erreicht wird. Zum Maschinenstandard gehört die pneumatisch betätigte Nadelverschlussdüse. Wahlweise kann auch eine wassertemperierte, verlängerte Version eingesetzt werden, bei der die Verschlussnadel an der Kavitätenoberfläche abdichtet. Mit dieser Düse können Silikonteile abfallfrei gefertigt werden ohne zusätzliche Kaltkanaltechnik einsetzen zu müssen. Auch das Reinigen der Plastifiziereinheit lässt sich im Bedarfsfalle mit wenigen Handgriffen schnell erledigen.
Mischpumpen-Konzept
Betrachtet man die Grundfunktion einer Mischpumpe, so muss die Anlage im Betrieb in der Lage sein, der Spritzgießmaschine das erforderliche Materialvolumen innerhalb einer vernünftigen Plastifizierzeit zuzuführen. Dies geschieht, indem man im Fördersystem einen statischen Druck aufbaut, der die Materialkomponenten zum Fließen bringt sobald der Plastifiziervorgang der Spritzgießmaschine startet und das Ventil, das die Mischpumpe von der Spritzgießmaschine trennt, geöffnet wird. Förderdruck und Schneckendrehung führen dann zur Dosierbewegung der Schnecke. Nachdem die Schnecke das eingestellte Dosiervolumen gefördert hat, wird das Ventil zur Mischpumpe wieder geschlossen und die Schneckendrehung abgeschaltet.
Gerade bei kleinen Schussvolumen und häufigem Reinigungsbedarf bringt das Nadelventil an der Mischpumpe erhöhten Aufwand in das Plastifiziersystem. Aus technischer Sicht führt ein konstanter, erhöhter Druck in der Plastifiziereinheit zu einer höheren Dosiergenauigkeit. Aus diesen Gründen wurde auf die Trennung von Mischpumpe und Spritzgießmaschine außerhalb der Plastifizierzeit verzichtet. Mit dem Entfall des Ventils entfällt auch die Reinigung dieses aufwändigen Bauteils.
Obwohl das Material bei der Mischung der beiden Komponenten im Verhältnis 1:1 eine gewisse Abweichung im Bereich weniger Prozente zulassen würde, ist es sinnvoll, die Komponenten volumetrisch genau im richtigen Verhältnis zu mischen. Dabei ist zu beachten, dass es durchaus möglich ist, dass die Komponenten Viskositätsunterschiede aufweisen.
Nach intensiven Gesprächen mit der Firma EMT, Werdohl, wurde ein kompaktes, leicht zu handhabendes Mischpumpensystem entwickelt, das eine gute Möglichkeit bietet, kleine Mengen verschiedener Materialien mit einem Mindestmaß an Reinigungsaufwand zu verarbeiten. Eine Grundlage hierzu war der Einsatz kleinerer Materialgebinde. Anstelle der 20 L Gebinde wurde auf gängige 1 L Kartuschen gesetzt. Gerade bei speziell aufbereiteten Materialien ist dies eine sinnvolle Lieferform. Sollten andere Kartuschensysteme genutzt werden, so kann dies mit überschaubarem Aufwand ebenfalls realisiert werden.

Spritzgießmaschinen für die Herstellung kleinster Silikon–Formteile

Nach intensiven Gesprächen mit der Firma EMT, Werdohl, wurde ein kompaktes, leicht zu handhabendes Mischpumpensystem entwickelt, das eine gute Möglichkeit bietet, kleine Mengen verschiedener Materialien mit einem Mindestmaß an Reinigungsaufwand zu verarbeiten. (Quelle: Dr. Boy)

Die A- und B- Komponente werden in der Mischpumpe über mechanisch gekoppelte Kolben dosiert. Für das Befüllen der Dosierkammern steht nach dem Dosieren die verbleibende Zykluszeit zur Verfügung. Dieser Zeitabschnitt ist ausreichend, neben der volumetrischen Füllung der Kammern auch durch Viskositätsunterschiede auftretende Druckunterschiede auszugleichen. Mit dem Start des Dosiervorgangs wird die Bewegung der Dosierkolben umgekehrt und die beiden Einzelkomponenten werden in Richtung Mischkammer gefördert. Die Umsteuerung wird ausgelöst durch das Dosiersignal der Spritzgießmaschine. Der sich nach den Füllen in den Dosierzylindern einstellende Druck setzt sich über die Dosierleitungen und den Mischer bis in den Plastifizierzylinder fort. Im Plastifiziersystem der Spritzgießmaschine baut sich ein genau reproduzierbarer Druck auf. Die Mischung der Komponenten erfolgt direkt vor dem Eintritt in die Plastifiziereinheit. Als statische Mischelemente werden handelsübliche Stäbchenmischelemente eingesetzt, die bei niedrigviskosem Material aus Kunststoff sein können. Aufgrund des niedrigen Preises dieser Elemente können diese Mischer als Einwegmischer genutzt werden. Ein Reinigen ist hier nicht wirtschaftlich. Die Reinigung der restlichen Mischerbauteile ist sehr einfach. Aufgrund des kompakten Aufbaus der Mischpumpe kann die gesamte Einheit in unmittelbarer Nähe der Zulauföffnung der Plastifiziereinheit an der Maschine montiert werden. Dies hat den Vorteil, dass die Zuführleitungen sehr kurz ausgeführt sein können. Längen von deutlich unter einem Meter erlauben gleichzeitig auch kleine Leitungsquerschnitte, die hier im Bereich von sechs bis acht Millimeter liegen, ohne hohe Förderdrücke zu benötigen. Zusätzlich ergibt sich durch den Anbau der Dosierpumpe an die Maschine eine sehr kompakte Gesamtanlage.
Auf eine eigene Steuerung konnte bei dieser Mischpumpe vollständig verzichtet werden. Die nötige Funktion wird direkt über das Dosiersignal der Spritzgießmaschine geschaltet. Optionale Überwachungsmöglichkeiten lassen sich mit wenig Aufwand integrieren. So können die Füllstände der Kartuschen überwacht werden, die Förderdrücke beider Komponenten angezeigt und/oder die Volumenströme gemessen werden. Die erforderliche Versorgungsspannung wird an der Dosierschnittstelle mit abgegriffen. Mit speziellen, in die Mischpumpe einsetzbaren Farbkartuschen ist es auch möglich, Farben oder andere Zugabestoffe in einem festen Verhältnis  von  ein  oder zwei Prozent zuzumischen. Durch das Konzept der mechanischen Koppelung der Einzelkomponenten wird dabei das Mischungsverhältnis genau eingehalten.

 

Spritzgießmaschinen für die Herstellung kleinster Silikon–Formteile

Angusslos – Nadelverschlussdüse zur direkten Anbindung des Formteils. (Quelle: Dr. Boy)

Kompaktes Werkzeug
Auch in der Werkzeug- Konzeptionierung spiegeln sich die anfangs erwähnten Anforderungen wider. Hohe Kavitätenzahlen sind oft nicht gefragt, aber die für Silikon- Spritzgussteile erforderliche Genauigkeit bleibt bestehen. Oft lassen sich allerdings kleine, vergleichsweise günstige und gut handhabbare Werkzeuge realisieren. Für die Werkzeugbeheizung stehen Heizungs- Regelzonen zur Verfügung, die es erlauben, die Werkzeugtemperatur genau zu regeln und als Prozesswert innerhalb der maschinenseitigen Prozessdokumentation mitzuführen.
Die Entformung ist schon bei der Konstruktion eines Silikonformteils dringend zu beachten. Häufig erfordern Hinterschnitte oder auch nur die Elastizität des Formteils aufwändige Entformungssysteme, um die Anlage vollautomatisch prozesssicher laufen zu lassen. Gerade bei sehr kleinen Teilen entfällt dabei oft die Möglichkeit des Ausbürstens, da bei dieser Art der Entformung zu viele Teile verloren gehen oder sich in den Bürsten verhaken. Um ein passendes Entformungssystem über der Spritzgießmaschine zu handhaben, gibt es in der Procan Alpha Steuerung der Spritzgießmaschine wertvolle Assistenzsysteme. Neben dem zur Verfügung stehendem Auswerfersystem und frei programmierbaren Ausblasvorrichtungen gibt es eine integrierte Steuerung, über die ein Entnahmegerät bedient werden kann. Ein wesentlicher Schwerpunkt bei dieser Entwicklung war die leichte Bedienbarkeit auch durch ungeübte Personen und die Integration in den Einstelldatensatz des Spritzgießwerkzeugs. Zusätzlich stehen je vier frei programmierbare Aus- und Eingänge zur Verfügung, über die periphere Funktionen zum eigentlichen Zyklus gesteuert werden können und über Sensoren Rückmeldungen in den Maschinenzyklus einfließen können

 

Autor
Michael Kleinebrahm
leitet die Anwendungstechnik bei Dr. Boy in Neustadt-Fernthal.
m.kleinebrahm@dr-boy.de