Mit Material- und Funktionsintegration sparen

Die heutigen Form-Werkzeuge müssen multifunktional mehr bieten: Mehr Formnester, mehr Präzision, mehr Möglichkeiten. Sie müssen mehrere Materialien und Komponenten verarbeiten, mehr Etagen, mehr Wendemöglichkeiten und Montagespritzen bieten oder gleich noch besser, die Kombinationen solcher Techniken.

Die Vielfalt der Spritzgieß-Sonderverfahren ist mittlerweile kaum mehr überschaubar. So ist die Spritzgießtechnik seit der verfahrenstechnischen Grundsteinlegung Ende des 19. Jahrhunderts um mehr als 100 Sonderverfahren bereichert worden. Das Mehrkomponenten-Spritzgießen hat über die letzten Jahrzehnte bereits einen extrem hohen Entwicklungsstand erreicht. Insbesondere in europäischen Hochlohnländern wie Deutschland und Frankreich bietet sich die Integration von Materialien und Funktionen in einen vollautomatischen Spritzgießprozess an, um den Zeit- und Kostenaufwand für nachgelagerte und aufwändige Montageschritte zu minimieren. Anspruchsvolle Kundenwünsche in Form von immer komplexer werdenden Kunststoff-Anwendungen sowie die Ideen und Neuentwicklungen von Rohstoff-Lieferanten, Werkzeugmachern,  Maschinenherstellern und Verarbeitern werden auch in Zukunft für die stetige Weiterentwicklung der Mehrkomponententechnik sorgen.
Das Mehrkomponenten-Spritzgießen verfolgt unterschiedliche Zielsetzungen. Im Fokus stehen jedoch meist Bestrebungen zur Kosteneinsparung. So lassen sich beispielsweise Fertigungszeiten und Fertigungskosten effektiv reduzieren, wenn Materialien und Funktionen mittels geeigneter Maschinen-, Werkzeug- und Prozesstechnik in ein einziges Bauteil integriert werden. Ein einfaches Beispiel dafür ist ein Deckel mit angespritzter Dichtung als wirtschaftliche Alternative zu separat gefertigten Deckeln und Dichtungen, die in einem zusätzlichen Arbeitsschritt manuell oder automatisiert montiert werden müssen. Schließlich spielen auch ästhetische und ergonomische Aspekte, wie Design (Farben zur Produktabgrenzung) und Haptik (bei Werkzeuggriffen), bei Mehrkomponenten-Bauteilen eine wichtige Rolle. Während bei den meisten Verfahren des Mehrkomponenten-Spritzgießens gut haftende (stoff- und formschlüssige) Verbunde im Mittelpunkt stehen, verfolgt das sogenannte Montagespritzgießen das Ziel der Verlagerung von Montagearbeiten in das Spritzgießwerkzeug oder in den Spritzgießprozess. Auf diese Weise entstehen lose (bewegliche) Kunststoff- Gelenkverbunde, wie zum Beispiel bei Lüftungsgittern/Lüfterklappen im Automobilbereich oder bei Spielzeugfiguren mit beweglichen Segmenten. Verbund- und Montagespritzgießen sind hinsichtlich der Maschinen- und Werkzeugtechnik weitestgehend identisch. Der Maschinenbauer Arburg, Loßburg, beschäftigt sich bereits seit Anfang der 60er Jahre mit dem Mehrkomponenten-Spritzgießen und gehört sicherlich zu den Pionieren in diesem Bereich.
Das Standard-Formwerkzeug ist „out“
Die Zeiten für Spritzgieß-Formwerkzeuge, die einfach nur ein einziges Teil und nur aus einem Material produzieren, sind vorbei. Das fordert immer mehr die Kreativität und das Know-how der Werkzeug- und Formenbauer. Denn wer als formenbauender Werkzeugmacher seinen Kunden nur Simplizität zu bieten hat, ist schnell von der Entwicklung und in diesem Moment vom Geschäft abgekoppelt. Die heutigen Form-Werkzeuge müssen multifunktional mehr bieten: Mehr Formnester, mehr Präzision, mehr Möglichkeiten. Sie müssen mehrere Materialien und Komponenten verarbeiten, mehr Etagen, mehr Wendemöglichkeiten und Montagespritzen bieten oder gleich noch besser, die Kombinationen solcher Techniken. Nichts ist mehr so im Formenbau, wie es einmal war. Mehr Kavitäten und mehr Kunststoff-Komponenten, mehr Präzision und Können, mehr Leistung im Spritzgieß-Formenbau. Denn die Kunden fordern immer genauere, schnellere und effizientere Produktionswerkzeuge – und so kann man dem Wettbewerb aus allen Herren Länder widerstehen. Kaum ein Spritzgießwerkzeug das nicht irgendeine Besonderheit aufweist, kaum ein Formenbau, der nicht seine ureigene Spezialität und Spezialisierung aufweist – und viele neue Arten von Formen. Das Standard-Formwerkzeug ist „out“ – das Besondere ist Normalität. Eine denkbare Steigerung wäre: Noch mehr Kavitäten, das zusätzliche Umspritzen von Einlegeteilen und das Einspritzen von mehr als zwei Material-Komponenten. Die Werkzeug- und Formenbauer, fragen sich: Wann kommt das Super-Formwerkzeug – und was kommt noch auf uns zu?

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Insgesamt acht Kernzüge besitzt das 1-fach-Werkzeug, das es aufgrund dessen auf beachtliche Ausmaße bringt

Hohe Anforderungen zu erfüllen
Im Bereich Spritzguss- und Formenbau deckt Toolcraft, Georgensgmünd, alle Prozesse der Wertschöpfungskette ab – vom Design und der Materialauswahl bis zum fertigen, qualifizierten Produkt. Die Komplettlösungen umfassen Spritzgussteile im Klein- und Kleinstteilebereich unter anderem für die Medizintechnik. Für Unitron fertigt das Unternehmen Hörgeräte im Zwei-Komponenten-Spritzguss. Mit diesen hochwertigen und zuverlässigen Produkten trägt der Hörgeräte-Hersteller zur Verbesserung der Lebensqualität bei. Der Georgensgmünder Werkzeug- und Formenbauer unterstützt den Kunden von Beginn an dieses Ziel mit zertifizierten Produktionsprozessen. Kleinstformteile stellen oft hohe Anforderungen an Werkzeugbau, Fertigung sowie Montage. So sollte die Oberschale des Hörgerätes aus einer anspruchsvollen Hart/Weich-Kombination bestehen. Die Hartkomponente aus PA12 und als Weichkomponente war thermoplastisches Elastomer vorgesehen. Das verzugfreie Gehäuseteil musste die Anforderung engster Spaltmaße erfüllen. Für die Baugruppe fertigt Toolcraft zusätzlich das Batteriefach und den Druckknopf. Dafür wurde die gesamte Prozesskette in Anspruch genommen. Von der Anpassung der 3D-Daten über den Formenbau und Spritzguss bis hin zur Qualitätssicherung. Um die Wirtschaftlichkeit der Anwendung zu gewährleisten, galt es, ein absolut prozesssicheres Werkzeug für die integrierte Fertigung der Teile zu entwickeln. Hinzu kamen kleinste Spaltmaße für kompromisslose Passgenauigkeit und wiederholgenaues Einspritzen für kleinste Schussgewichte. Weiterhin war eine perfekte Abstimmung der Hart- und Weichkomponenten notwendig. Diese Kenntnisse mussten also im Formenbau vorhanden sein. Jedoch stellte die Bauzeit von 20 Wochen eine Herausforderung dar. Nach der Konzipierung der automatisierten Fertigung im Zwei-Komponenten-Spritzgießverfahren stand der Bau eines 1+1-fach-Präzisionswerkzeugs. Es folgte die Auslegung und Programmierung der 2K-Spritzgussmaschine. Die verwendete Spritzgießmaschine Arburg A470S 2K verfügte über eine integrierte Qualitätssicherung mit einem Kamerasystem und einem Roboter. Dieser legt die Teile automatisch auf einem Förderband ab. Dabei vereinzelt er die Trays, sodass das Fachpersonal im Anschluss die Verpackung vornehmen kann. Das Konzept wurde in enger Zusammenarbeit zwischen dem Engineering-Team, dem Werkzeugbau und der Spritzgießfertigung bei Toolcraft sowie dem Hersteller der Spritzgießmaschine realisiert. Der Bau eines derart komplexen Werkzeuges sowie die Herstellung der Teile aufgrund der feinen und kleinen Konturen ist extrem anspruchsvoll. Auch der Zeitdruck durch die enge Projektierung. Diese größeren und kleineren Herausforderungen wurden vom Werkzeug- und Formenbauer gelöst.
Günter Hofmann, Geschäftsführer von  Hofmann Werkzeugbau, Lichtenfels, hat längst erkannt, das von seinen Formwerkzeugen fast keines mehr normal ist. „Bei uns machen die normalen Formen höchstens noch 30 Prozent unserer Formenbau-Fertigung aus. Und normal heißt, dann auch schon wieder, dass es sich um ein besonders präzises, kompliziertes Spritzgießwerkzeug handelt.“ Der Lichtenfelser Werkzeugbau-Spezialist ist bekannt für hochwertige Kunststoff-Spritzgießformen im Mittelformat und Form-Besonderheiten. So handelt es sich bei rund 70 Prozent der gefertigten Werkzeuge um multifunktionale Spritzgieß-Formwerkzeuge mit einer Vielzahl von Kavitäten für die besonderen Formen der neuen Form-Technologien, wie Etagenwerkzeug, Mehr-Komponenten-Spritzgießwerkzeugen, Dreh-Segmentwerkzeugen und Drehteller-Spritzgießwerkzeugen. Eines der ersten Spritzgießwerkzeuge für das Zwei-Komponenten-Montagespritzen entstand damals in der Fertigung in Lichtenfels. Als Pilot- und Muster-Werkzeug wurde mit einem formintegrierten Dreh-Segment ein zweifarbiger Kreisel aus zwei Teilen mit besonders gleichmäßigen Wandstärken produziert: Im Werkzeug formschlüssig fix und fertig verbunden und montiert. Auf einem der ersten Spritzgießwerkzeuge nach dieser Technik wurde der Wassertank eines Bügeleisens gefertigt.
Maschinen- und Werkzeugtechnik beim Mehrkomponenten-Spritzgießen

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Das patentierte Werkzeugsystem besteht aus zwei Werkzeugseiten mit mittig liegendem Drehwürfel. Die beiden außerhalb des Werkzeugs liegenden Montageplatten ermöglichen auf einfache Weise komplexe Montagevorgänge extern abzuarbeiten, ohne dabei die Maschinenzykluszeit zu verlängern.

Alle namhaften Spritzgießmaschinen-Hersteller haben mittlerweile neben 1K-Standard auch 2K- oder Mehrkomponenten-Spritzgießmaschinen in ihrem Produkt-Portfolio. Die Spritzgießmaschinen unterscheiden sich im Hinblick auf die Anordnung der Plastifizierzylinder. In Relation zum Spritzgießwerkzeug können Aggregate horizontal, vertikal, auf der bedienerabgewandten Seite, parallel oder in einem Winkel übereinander angeordnet sein, abhängig vom Platzangebot, der Werkzeugkonstruktion sowie der Zugänglichkeit für das Handling- oder Fördersystem. Die derzeit höchste Entwicklungsstufe in der Mehrkomponenten-Technik stellen 6K-Spritzgießmaschinen dar, wie sie beispielsweise von Arburg, Loßburg, Engel Austria, Schwertberg  Krauss Maffei, München oder Netstal-Maschinen, Näfels, Schweiz, angeboten werden. In der Regel weisen diese Maschinen neben dem horizontalen Hauptaggregat noch ein Aggregat in Winkelstellung sowie vier Aggregate in vertikaler Anordnung auf. Bei der Werkzeugtechnik existiert eine Reihe von Varianten, die je nach Anforderung und Anwendung zur Herstellung von Mehrkomponenten-Formteilen eingesetzt werden: Core-Back-Technik (Kernhub- oder Schiebertechnik) Transfer- und Umsetztechnik, Index-Plattentechnik (mit 2, 3 oder 4 Stationen) Drehteller- und Drehtisch-Technik, Wendeplatten- und Etagenwende-Technik, (Doppel-)Würfeltechnik sowie Kettentechnik. Je nach Komplexität der Anwendung kann auch eine Kombination der unterschiedlichen Werkzeugkonzepte zum Einsatz kommen.
Ein schönes Beispiel für 6-Komponenten-Technik in der Praxis findet man im Alltag: Zahnbürsten. Viele wissen nicht, dass die Zahnbürstenbranche verantwortlich für die Entwicklung der 6K-Spritzgießtechnik war. Nahezu alle modernen Zahnbürstengriffe werden heute aus mindestens zwei oder mehr Kunststoff-Komponenten gefertigt. Neben meist thermoplastischen Materialien für den Grundkörper  werden aus Design- und Haptikgründen in der Regel ein oder mehrere weichelastische Kunststoffe wie thermoplastische Elastomere (TPE) bei der Griffumspritzung verarbeitet. So lässt sich eine dreikomponentige Zahnbürste am effizientesten in der 6K-Technik herstellen. Die thermoplastischen Grundkörper (1. Komponente), die für alle Zahnbürsten des jeweiligen Typs gleich sind, werden in einem hochfachigen Spritzgießwerkzeug mit bis zu vier unterschiedlichen Grifffarben (2. bis 5. Farbkomponente) zeitgleich umspritzt. Darüber hinaus kann einer weitere Farbe oder ein weiteres Material (6. Komponente) im selben Fertigungszyklus verarbeitet werden, um zum Beispiel eine zusätzliche Griffkomponente als Zungenreiniger auf der Zahnbürstenkopf-Rückseite anzubringen. Ein wesentlicher Vorteil gegenüber einer sequentiellen Fertigung mit unterschiedlichen Umspritzfarben ist, dass während der Produktion keine Farbwechsel erforderlich sind (Material- und Zeitersparnis). Zudem gibt es einen logistischen Vorteil: Werden alle Farben parallel in einem Werkzeug gespritzt, ist eine Inline-Verpackung der Fertigprodukte mit der erforderlichen farblichen Durchmischung innerhalb einer Mehrfachverpackung möglich. Dies spart Lagerkosten und verkürzt das Time-to-Market.
Vielen Spezialitäten erfordern Fachkenntniss
Eine der vielen Spezialitäten, die heute abverlangt werden, ist die Inmold-Technik. Sie ermöglicht es direkt im Formwerkzeug Etiketten und Dekor auf Margarinedosen, Joghurtbecher und Handyschalen aufzubringen und trägt so natürlich wesentlich zur Produktivitätssteigerung bei Spritzgieß-Formwerkzeugen bei. Das Regensburger Unternehmen Wilden etwa hat damit beispielsweise die Fertigung von Handy-Display-Fenstern automatisiert und rationalisiert. Mit dem sogenannten In Mould Decoration (IMD), dekoriert man dort fix und fertige Dekors von Kunststoff-Spritzlingen am laufenden Band.
Hinterspritzen  ist eine weitere Technik, die den Werkzeug- und Formenbauer fordert. Deuschle Modell- und Formenbau, Wernau, hat dazu einmal ein Feasability-Formwerkzeug (Machbarkeits-Studie) entwickelt, das eine komplette, hinterspritzte Auto-Türverkleidung mit Stoff-Einsatz und Folieneinsätzen produziert. Gefertigt wird diese in-nere Türverkleidung per Dreifach-Montagespritzen mit Stoff- und Folieneinsätzen (Stoff-Einsatz und Brüstung) in einem Schuss und ohne jede nachfolgende Montage. Dieses Feasability-Formwerkzeug mit eingesetzten Losteilen beweist, dass die One-Shot-Technik auch mit unterschiedlichen Materialien wie Textil und Kunststoffen auch auf normalen Spritzgießmaschinen einsatzfähig ist.
Eine weitere Spezialität ist die Konzentration auf schwierige Materialien, wie es Flüssig-Silikon ist, das mittels Spritzgießen zu Gummi-Teilen verarbeitet wird. Solche Mehrkavitäten-Formwerkzeuge, die Flüssig-Silikon in Form bringen, gibt es zum Besipiel bei Emde Industrie-Technik, Nassau. Dort werden Formwerkzeuge für Baby-Schnuller und Faltenbälge, Hygiene-Artikel und technische Teile gefertigt. Schwierig ist dies dehalb, weil Flüssig-Silikon, das besonders kriechfähig ist und filigranste Konturen ausfüllt, leider auch jeden Form-Fehler und Formspalt füllt und keinen Form-Fehler verzeiht. Solche Herausforderungen verlangen besondere Präzision und ausgefeiltes Formenbauer-Können.
Steigerung der Komplexität denkbar
Eine denkbare Steigerung für Spritzgieß-Formwerkzeuge wären natürlich noch mehr Kavitäten, das zusätzliche Umspritzen von Einlegeteilen und das Einspritzen von mehr als zwei Material-Komponenten. Hans Schimek, Geschäftsführer von Weber-Formenbau, Esslingen, sieht klare Trends zur Mehr-Komponenten-Produktionstechnik. Seit 1990 ist der Anteil dieser Materialmix-Verbindungen überproportional gestiegen. Besonders aus der Automobilindustrie und der Medizintechnik kommen solche Anfragen. Ein weiterer Trend geht zum Montagespritzen, also das Herstellen von fertigen, beweglichen Kombiteilen, die per Spritzgießen einbaufertig produziert werden. Nach Meinung von Hans Schimek, wird bei der Produktion einerseits das Verringeren der Nachbearbeitung und andererseits ein Vollautomatisieren der Fertigung angestrebt. Schnell und hochwertig produzieren – innovative Werkzeuge insbesondere die Mehrkomponenten-Werkzeuge machen es möglich. n