Nadelverschlusszylinder ohne Dichtung: kein Kühlen, Schmieren oder Warten

Der Nadelverschlusszylinder ohne Kühlung und Dichtungen sowie ohne Schmierung sichern den Dauerbetrieb im hohen Temperaturumfeld des Heißkanalverteilers.
(Bildquelle: Mold Hotrunner Solutions)

Spritzgießbetriebe mit hohem Automatisierungsgrad setzen zunehmend Heißkanalsysteme mit Nadelverschlussdüsen bei ihren Hochleistungswerkzeugen ein. Die Vorteile liegen meist in der verbesserten Prozessführung, einer höheren Teilequalität und dem Einsparen von Kaltkanalmaterial sowie dem damit verbundenen Energie- und Arbeitsaufwand. Zudem gibt es  zahlreiche Anwendungen, die sich ohne Nadelverschluss nicht umsetzen lassen, wie sequenzielles Füllen von Kavitäten, Kaskadenfüllen und Schäumen oder die Schmelzeübertragung in Etagenwerkzeugen, In-Mould-Labeling (IML) und viele weitere. In all diesen Werkzeugen müssen die Nadelverschlussdüsen im Dreischichtbetrieb über Monate und Jahre im Dauerbetrieb zuverlässig funktionieren. Die Anforderungen an den Nadelverschluss-Heißkanal sind entsprechend hoch.

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Bei einer Verarbeitungstemperatur zwischen 200 und 400 °C können sich konventionelle Nadelverschlusszylinder erhitzen. Deren Dichtungen werden damit zur Achillesverse des Gesamtprozesses. Werkzeugausfälle und Produktionsstillstände sind die Folge.
(Bildquelle: Mold Hotrunner Solutions)

Defekte Dichtungen von Nadelverschlusszylindern stoppen Produktion

In Heißkanalwerkzeugen geht es, wie der Name sagt, heiß zu. Die Temperaturdifferenz zwischen dem Werkzeugstahl und dem Heißkanal beträgt bei gekühlten wie auch bei temperierten Spritzgießwerkzeugen in der Regel um die 200 °C. Wärmeabstrahlung, -leitung und -konvektion beeinflussen die in der Heißkanalumgebung liegenden Werkzeugkomponenten thermisch stark. Die Wärme mittels Isolierung abzuschirmen, ist hier nur bedingt möglich. Besonders betroffen sind die Nadelverschlusszylinder, die sich in unmittelbarer Nähe zu den Schmelzeverteilerbalken befinden. Verschleißen die Kolbendichtungen frühzeitig, fällt das Werkzeug aus, und die Produktion steht.

Bei näherer Betrachtung erklärt sich die Problemursache schnell: Die Betriebstemperatur der Heißkanalverteiler und der Düsen liegen je nach der Schmelzetemperatur des jeweiligen Kunststoffes zwischen 200 und 400 °C. Die Umgebungstemperatur im Verteilerraum der Heißkanäle beeinflusst zwangsläufig die Nadelverschlusszylinder, weil diese meist so nah wie möglich an den Verteiler montiert sind. Bei einer  Verarbeitungstemperatur zwischen 200 und 400 °C erhitzen sie sich, und deren Dichtungen werden zur Achillesverse des Gesamtprozesses. Es sind also die Dichtungen und die Schmierung der Nadelverschlusszylinder, die nur bedingt temperaturbeständig sind und damit das schwächste Glied in der Kette bilden.

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Die Pneumatikzylinder schalten innerhalb weniger Millisekunden und ermöglichen auch das Spritzgießen mit Direktanspritzung von Mikroteilen mit weniger als 2 Milligramm Teilegewicht.
(Bildquelle: Mold Hotrunner Solutions)

Kühlung bei konventionellen Nadelverschlusszylindern entscheidend – und wartungsintensiv

Fluor-Elastomer-Dichtungen widerstehen dauerhaft nur Temperaturen von unter 200 °C. Auch Schmierstoffe zersetzen sich bei anhaltend hohen Temperaturen schnell. Eine zuverlässige Kühlung der Nadelverschlusszylinder ist deshalb sehr wichtig für deren Lebensdauer, ganz gleich ob es sich um hydraulische oder pneumatische Verschlusszylinder handelt. Elektrische Nadelverschlussmotoren reagieren auf überhöhte Betriebstemperaturen noch störempfindlicher. Auch bei intensivem Kühlen erfordern Heißkanalwerkzeuge mit einem konventionellen Nadelverschluss einen erheblichen Wartungsaufwand durch das regelmäßige Ersetzen der Dichtungen und dem Schmieren. Gelegentlich muss der Anwender mineralische Ablagerungen entfernen, die  den Kühlkreislauf blockieren und damit die Zylinderkühlung verhindern. Bei hartem Kühlwasser und einer Temperatur von  über 70 °C flocken Kalkablagerungen nämlich schnell aus. Darum setzen sich Kühlbohrungen oft nach wenigen Betriebsmonaten zu. Eine mangelnde Qualität des Kühlwassers wird damit zur Störquelle für die Heißkanalfunktion und kann einen Produktionsstillstand des Werkzeuges verursachen. Allerdings beachten nicht alle Anwender der Kühlwasseraufbereitung in angemessener Weise. Unter anderem kommt es vor, dass der Kühlkreislauf versehendlich ausgeschaltet bleibt und damit keine turbulente Strömung für den Wärmeaustausch besteht.

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Der Nadelzylinder und Betätigungskolben befinden sich im Düsenkörper. Damit lassen sich die Düsen Rücken an Rücken an beide Verteilerflächen montieren.
(Bildquelle: Mold Hotrunner Solutions)

Der kühlfreie und wartungsarme Nadelverschlusszylinder

Aus diesen Gründen tragen eben solche Nadelverschlussdüsen wie die Rheo-Pro IVG und der Nadelverschlusszylinder wie die Rheo-Pro Black Box von Mold Hotrunner Solutions, Georgetown, Kanada, wesentlich zum störungsfreien Betrieb von Nadelverschlusswerkzeugen bei. Sie halten dem Dauerbetrieb im hohen Temperaturumfeld des Heißkanalverteilers ohne Kühlung, ohne Dichtungen und ohne Schmierung stand. Ein Spritzgießbetrieb erwartet vom Nadelverschluss viele Millionen Zyklen. Fünf Sekunden Zykluszeit zum Beispiel ergeben in Dreischichtbetrieb bereits mehr als fünf Millionen Spritzzyklen pro Jahr. Die neue Generation dieser Nadelverschlusszylinder erweist sich in der Praxis als Dauerläufer. Der Nadelverschluss im Heißkanalwerkzeug wird durch diese kühlungslosen Zylinder weitgehend wartungsfrei.

Das geeignetste Medium zum Betrieb ist ungeölte Druckluft mit 7 bis 10 bar. Im Vergleich zu Hydrauliköl ist Luft einfacher und sauberer verfügbar. Die Verrohrung oder Verschlauchung von Druckluft sowie das Schalten mittels elektrischer Pneumatikventile ist wesentlich weniger aufwendig als das Betreiben mittels hyraulischen Hochdruckleitungen. Bis auf Ausnahmen ist keine Hydraulikkraft für Nadelverschlusssysteme erforderlich, weil pneumatische Zylinder die erforderliche Schließkraft aufbringen. Der allgemeine Industriestandard liegt bei den Nadeldurchmessern mit  2,5 mm, 4,0 mm und 6,0 mm sowie 8,0 mm. Die Auswahl und der Einsatz entsprechender Kolbendurchmesser von 23 bis 63 mm bringt die erforderliche Nadelkraft auf, damit der Anschnitt nach dem Einspritzen und der Kavitätenfüllung und dem darauffolgenden Umschalten auf Nachdruck sicher verschlossen wird. Die Pneumatikzylinder schalten innerhalb weniger Millisekunden und ermöglichen auch das Spritzgießen mit Direktanspritzung von Mikroteilen mit weniger als 2 mg Teilegewicht.

Bei Hochtemperaturmaterialien mit Werkzeugtemperaturen von über 200 °C und einer Heißkanaltemperatur von 350 bis über 450 °C, wie es zum Beispiel PEEK oder PEI erfordern, spielen die kühlfreien Nadelverschlusssysteme ihre Stärken aus. Denn gerade bei diesen Spritzgießanwendungen sind herkömmliche Nadelverschlusssysteme überfordert. Nachdem mithilfe Zylinder die Probleme mit dem Verschleiß gelöst sind, lassen sich mit einem verbesserten Nadelverschlusswerkzeug darüber hinausgehende, messbare Leistungsverbesserungen erzielen.

Über den Autor

Harald Schmidt

ist Geschäftsführer und Inhaber von Mold Hotrunner Solutions in Georgetown, Kanada, mit der deutschen Niederlassung MHS Heisskanaltechnik in Würzburg.