Im Gegensatz zum Werkzeug mit nur einer Trennebene liegen beim Etagenwerkzeug zwei oder mehrere Trennebenen parallel hintereinander. Die Kavitäten können dabei verschiedene Kombinationen von Formteilen enthalten. (Bild: MHS)
Sobald bei einem Neuprojekt für den Bau eines Spritzgießwerkzeuges feststeht, dass mehrere Kavitäten erforderlich sind, sollte der Anwender überlegen, ob sich die Spritzgießteile mittels Etagenwerkzeug fertigen lassen. Im Gegensatz zum Werkzeug mit nur einer Trennebene liegen beim Etagenwerkzeug zwei oder mehrere Trennebenen parallel hintereinander. Die Kavitäten können dabei verschiedene Kombinationen von Formteilen enthalten. Der Hauptvorteil beim Einsatz eines Etagenwerkzeugs liegt in einer effektiveren Nutzung der Werkzeug-Zuhaltekraft der Spritzgießmaschine. Denn die Kavitäten sind im Etagenwerkzeug so angeordnet, dass sich die projizierten Flächen der Spritzgießteile überlagern. Bei gleichen Teilen ist die Flächenüberlagerung deckend und die nach innen gerichtete Werkzeug-Auftriebskraft, die der Spritzdruck der Schmelze verursacht, wird somit ausgeglichen. Das bedeutet, die Spritzgießmaschine mit der erforderlichen Zuhaltekraft kann in einem Zyklus gleichzeitig Formteile aus zwei hintereinanderliegenden Kavitäten fertigen. Dies entspricht somit einer fast doppelten Produktionsleistung. Wirtschaftlich betrachtet verteilt sich der Maschinenstundensatz damit auf eine wesentlich erhöhte Fertigungsmenge. Dadurch produziert die Maschine eine geplante Losgröße in fast der halben Zeit und schafft gleichzeitig freie Fertigungskapazitäten.
Die 4+4-Tandem-Lösung ist eine Variante des Etagenwerkzeuges, hier mit Nadelverschlussdüsen für dickwandige Formteile. Jede Seite beziehungsweise Trennebene wird separat alternierend geschaltet, damit überlappen sich die Kühlzeiten, was die Zykluszeit verkürzt. (Bildquelle: MHS)
Flache Bauteile eignen sich besonders gut
Flache Teile eignen sich besonders zur Produktion mittels Etagenwerkzeug, weil sich die Werkzeugaufbauhöhe und Öffnungsweite beim Entformen aufgrund zweier Trennebenen bei den Flachteilen in Grenzen hält. Dennoch, Etagenwerkzeuge sind höher als Werkzeuge mit nur einer Trennebene. Zudem ist die Maschinenöffnungsweite von Standardmaschinen begrenzt, Sondermaschinen mit verlängerten Maschinenholmen bedeuten Mehrkosten. Daher muss der Anwender im Vorfeld prüfen, ob sich die geplante Spritzgießmaschine für ein Etagenwerkzeug eignet.
Typische Flachteile sind Schraubverschlüsse, Behälterdeckel, Logistik-Paletten, aber auch medizinische Teile wie Spritzenkolben, Automobilteile, wie Innentürträger oder flache Teile aus dem Markt der Weißen Ware. Es müssen nicht immer konstruktiv gleiche Teile sein, sondern es können symmetrische Rechts/Links-Teile sein oder Oberteile und Unterteile beziehungsweise Seitenteile, zum Beispiel von Faltkisten. Damit kommen sogenannte Familienwerkzeuge in Betracht, die sich häufig als Etagenwerkzeug auslegen lassen. Wenn in einem solchen Werkzeug mehrere verschiedene Teile deckungsgleich in zwei Trennebenen gelegt werden, die anschließend zusammenmontiert werden sollen, ergibt sich oft ein zusätzlicher Vorteil in Form der vereinfachten Teilemontage, die häufig ein Entnahmeroboter sofort ausführen kann. Diese Lösung ist einfacher und wirtschaftlicher als zwei Maschinen nebeneinander synchron zu betreiben oder alle Teile in einer größeren Trennebene mit einer Maschine höherer Zuhaltekraft zu fertigen.
Lieferfähigkeit vs. Profitabilität?
Am Anfang aller Überlegungen, ein Etagenwerkzeug zu bauen, müssen also die Fragen nach der Formteilqualifikation und der Kostenkalkulation geklärt werden. Rechnet sich die doppelte Ausbringung an Teilen gegenüber den Mehrkosten des Etagenwerkzeuges? Grundsätzlich kosten Werkzeugkerne und -kavitäten das Gleiche, unabhängig davon, ob sie sich in einer oder in zwei beziehungsweise mehreren Trennebenen befinden. Die Materialkosten bleiben ebenfalls die gleichen. Die Mehrkosten liegen zum einen in der Bewegungsmechanik des sogenannten Mittelblockes, der zwischen den beiden Trennebenen liegt. Zum anderen ist der Heißkanal für die Schmelzeübertragung und Schmelzeverteilung im Etagenwerkzeug etwas aufwendiger als in einem Werkzeug mit nur einer Trennebene. Denn dort befindet sich der Heißkanal lediglich in der stationären Werkzeugseite. Die längere Amortisationszeit des Etagenwerkzeuges steht demnach dem verbesserten Maschinenstundensatz gegenüber, der sich durch den Betrieb eines Etagenwerkzeuges errechnet. Der kalkulatorische Vergleich ergibt durch Realangebote inklusive der Werkzeugkosten ein sehr genaues Resultat. Dennoch zeigt die Praxis, dass andere Argumente diesen Realvergleich oft bereits im Ansatz ersticken. Offensichtlich ist die technische Vielfalt und Zuverlässigkeit von Etagenwerkzeugen nicht ausreichend bekannt und potenzielle Etagen-Projekte schöpfen die mögliche Leistungssteigerung einer gegebenen Spritzgießmaschine nicht aus. Das hat zur Folge, dass entweder größere Werkzeuge mit nur einer Trennebene die Teile aufnehmen müssen und darum größere Spritzgießmaschinen zum Einsatz kommen. Oder die Kavitäten werden auf zwei Maschinen verteilt, nach dem Motto, wenn eine Maschine steht, dann fährt wenigstens die andere noch die halbe Produktion. Dahinter steckt der Sinn der Lieferfähigkeit, aber nicht der Profitabilität.
Die 16+16-Etagen-Kompaktlösung für kleine und mittelgroße Formteile ist als fertig montierter Mittelblock mit Nadelverschlussdüsen erhältlich. Die Innenkolben, Verschlussnadeln, Düsenheizungen, Thermofühler und die zentrale Schmelzeübertragung sind frontzugänglich. Der gesamte Heißkanal arbeitet ohne Wasserkühlung der Nadelverschlusszylinder. (Bildquelle: MHS)
Robuster mechanischer Werkzeugaufbau essentiell
Neben den rein kalkulatorischen Werten spielen zudem andere Entscheidungsfaktoren mit. Das Auslegen eines Etagenwerkzeuges erfordert es zum Beispiel, die Betriebszuverlässigkeit des Heißkanalsystems zu beurteilen. Die Schmelzeleitung von der Maschinendüse in die feste Seite des Etagenwerkzeuges und durch Übertragungsdüsen in den Heißkanalverteiler des beweglichen Mittelblockes bedarf solider Kenntnisse und Erfahrungen in der Konstuktion, dem Bau, der Integration und dem Betrieb sowie der Wartung von Etagen-Heißkanalwerkzeugen. Daher sollten Anwender und Werkzeugbauer die wichtigsten Aspekte des Etagen-Heißkanals bei der Entscheidung beurteilen: Generell erwartet der Anwender wie von allen Heißkanälen auch vom Etagenheißkanal eine gute Verschleißfestigkeit beim Verarbeiten von abrasiven Füll- und Verstärkungssstoffen, eine Korrosionsbeständigkeit und Leckagefreiheit beim Schmelzedruck bis zu 2.000 bar über viele Millionen Spritzzyklen. Die Werkzeugsteifigkeit und die Plattenverformung müssen beim Etagenmittelblock jedoch besonders beachtet werden. Das Werkzeug mit nur einer Trennebene kann die Maschinenaufspannplatten zum Teil als quasistarren Rücken nutzen, was das Werkzeug zusätzlich stabilisiert. Dies ist im Werkzeugmittelblock des Etagenwerkzeuges so nicht möglich. Denn dort können sich die Platten durch den Spritzdruck auch nach innen verformen, wenn der Heißkanalverteiler zuviel Plattenaussparung beansprucht, denn durch den Einbauraum des Verteilers entsteht ein Hohlraum im Mittelblock. Wichtig ist daher eine möglichst kompakte Heißkanal-Konstruktion, die viele strategische Plattenabstützungen im Mittelblock zulässt, um diese Platten-Biegekräfte abzufangen. Als Faustregel gilt, das je Quadratzentimeter der projizierten Formteilfläche etwa 0,3 Tonnen Druckkraft die Mittelblock-Platten belastet. Bei großfächigen Formteilen summiert sich diese Kraft schnell zu einer enormen dynamischen Biege- und Wechseldruck-Beanspruchung, die auf die Lebensdauer des Werkzeuges bezogen nicht zu unterschätzen ist. Entsprechend ist ein schlanker Heißkanal mit wenig Plattenausfräsung von Vorteil. Auch aufwendige Aussparungen für Zylinderkühlung und Luftverrohrung sollten Werkzeugbauer vermeiden. Eine kompakte Düsenanordnung mit einer sogenannten Rücken-an-Rücken-Lösung für Etagenwerkzeuge bieten beispielsweise die Rheo-Pro-IVG-Nadelverschlussdüsen mit einem internen Nadelkolben von MHS Mold Hotrunner Solutions, Würzburg, denn damit entfällt die Kühlung komplett. Auch die Druckluft, um die Verschlussnadeln zu betätigen, gelangt durch den Verteiler in die Düsen.
2+2-Etagen-Nadelverschluss mit Schmelzeübertragung durch einen zentralen Einzelnadelverschluss in der Sendedüse mit 22 mm Kanaldurchmesser: Die zentrale Verschlussnadel in der Empfängerdüse mit 8 mm Durchmesser wird mit einem kühlungsfreien Nadelverschlusszylinder im Werkzeugmittelblock geschaltet.(Bildquelle: MHS)
Schmelzeübertragung: zwei Möglichkeiten mit jeweils Vor- und Nachteilen
Die fließtechnische Auslegung des Etagen-Heißkanalsystemes berücksichtigt einige Besonderheiten, denn das Übertragen der Schmelze durch die erste Werkzeug-Trennebene kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Es besteht die Wahl zwischen einem durchgehenden zentralen Schmelzeleitrohr, das auch Schmelzeschnorchel genannt wird, oder einer sogenannten Düse-gegen-Düse-Übertragung, bei der sich die Sendedüse mit einer Empfängerdüse in der Trennebene schlüssig trifft, wenn das Werkzeug schließt. Diese beiden Nadelverschluss-Übertragungsdüsen pressen dann mit Ihren Stirnflächen mittels der Werkzeugschließkraft gegeneinander, wodurch die erforderliche Abdichtung entsteht, um die Schmelze verlustfrei zu übertragen.
Beide Lösungen haben ihre Berechtigung, die Wahl muss anwendungsspezifisch abgewägt und getroffen werden. Grundsätzlich verursacht der Schmelzeweg durch die Nadelverschluss-Übertragungsdüsen, bedingt durch den Ringfließspalt der Verschlussnadeln, einen höheren Druckabfall und eine höhere Scherbelastungung der Schmelze, als dies beim Schmelzeschnorchel mit einer inneren Vollbohrung der Fall ist. Der Schmelzeschnorchel dagegen hat den Nachteil, dass er beim offenen Werkzeug in der Trennöffnung als potenzielles Hindernis steht und oft dem Entnahmeroboter im Weg ist. Die Verfügbarkeit genügend großer Nadelverschluss-Übertragungsdüsen mit einem Kanaldurchmesser von bis zu 30 mm und einem Durchmesser der Verschlussnadel bis 10 mm ist wichtig. Reicht bei Großteilen wie Paletten auch diese Düsengröße nicht aus, kommen gleichzeitig mehrere Übertragungsdüsen zum Einsatz. Ein mehrfaches Aufteilen des Schmelzestroms kann bereits in der stationären Werkzeugseite erfolgen, was eine gewisse Fließbalancierung ermöglicht, noch bevor die Schmelze in den Mittelblockverteiler gelangt. Dies vereinfacht meist die Konstruktion des Mittelblockverteilers und reduziert den Druckverlust wie auch die Scherbeanspruchung der Schmelze.
Die Berechnung der Fließquerschnitte in den Heißkanalbohrungen ermöglicht das optimale Verteilen des Fülldruckes zu jeder Heißkanaldüse. Ein individuelles Schalten der Nadelverschlussdüsen mit einem Sequenz- oder Kaskadenprogramm sorgt für die richtige Fließfrontausbreitung in jeder Kavität während der Füllphase. Das verbessert zudem die Entlüftung und verhindert das etwaige Bilden von Bindenähten.
Auch die Nachdruckverteilung muss der Werkzeugbauer beachten. Denn der Nachdruck beeinflusst die Schwindung des Formteils maßgeblich. Das bedeutet, dass er ebenfalls balanciert sein muss. Dabei sollte der Druckgradient zwischen den Anschnitten möglichst gering sein, damit sich wenige Spannungen in den Formteilen einfrieren, die einen Teileverzug verursachen.
12+12-Etagenheißkanal für Großbehälter: Ein Schussgewicht von 28 kg in einer Spritzgießmaschine mit 32.000 kN Schließkraft wird mit diesem 8-Zonen-Sequenz-Nadelverschluss und vierfacher Schmelzeübertragung bewältigt. Mit kühlungsfreien Nadelverschlusszylindern entfällt die ansonsten aufwendige Verrohrung der Zylinder im Werkzeugmittelblock. Aufgrund der schlanken Bauweise bleibt die Plattensteifigkeit der Werkzeugstruktur auch bei großflächigen Formteilen erhalten.(Bildquelle: MHS)
Wärmeausdehnung beachten
Das gleichmäßige und präzise Beheizen der Düsen und der Verteiler zwecks eines möglichst schonenden Schmelzetransports sollte selbstverständlich sein. Auch die Wärmeausdehnung des Werkzeuges und des Heißkanalaufbaus müssen genau ermittelt werden. Dies trifft besonders auf den Übergabebereich der Schmelze-Übergabedüsen in der Trennebene zu. Denn das Einbauen des Heißkanals in die Werkzeugplatten erfolgt bei Raumtemperatur. Wenn das Werkzeug zur Produktion auf die Werkzeugtemperatur und der Heißkanal auf die Verarbeitungstemperatur des Kunststoffes gebracht wird, muss sich die daraus resultierende Wärmeausdehnung frei entfalten können und der Werkzeugaufbau darf keinen Biegestress der Platten erfahren, denn das würde die Parallelität der Werkzeugplatten beeinflussen. Daraus könnten Verschleiß- und Entlüftungsprobleme im Werkzeug entstehen. Dementsprechend sind die berechneten Wärmedehnspalte beim Einbau und die vorgegeben Temperaturparameter bei der Produktion genau einzuhalten. Besonderes Augenmerk ist auf die Position, die Zentrierung und die Längendehnung der Übergabedüsen zu legen, denn diese scheitert gewöhnlich bei einem Dehnungs-Überstand. Eine Dichtvorspannung vom 0,1 mm entsteht bei Vollbelastung durch die jeweiligen Werkzeug-Zuhaltekraft. Die Temperatur der Übergabedüsen muss daher genau und konstant gehalten werden.
Wartungsarme Nadelverschlusstechnik erhöht die Verfügbarkeit
Der Heißkanal im Werkzeugmittelblock ist in der Regel schwer zugänglich, weil letzterer mit den mechanischen Bewegungselementen versehen ist, zum Beispiel Zahnstangen, dem Harmonischen Arm, Gewindespindeln und Hydraulikzylindern. Zudem befinden sich dort Anschlüsse der Werkzeugkühlung, Stecker des Temperaturreglers und die Druckluftanschlüsse zur Nadelverschluss-Aktivierung. Demnach ist ein möglichst wartungsfreier und zuverlässiger Nadelverschluss-Heißkanal im Mittelblock des Etagenwerkzeugs unabdinglich. Zweckmäßigerweise sind Heißkanaldüsen, Heizungen, Thermofühler und Nadelverschluss-Komponenten dennoch soweit zugänglich, ohne für deren Wartung die Mittelblockplatten öffnen zu müssen. So wie bei den Rheo-Pro-IVG-Düsen.
Nadelverschlussdüsen sind für ein Etagenwerkzeug offenen sowie Hot-Tip-Düsen vorzuziehen. Denn der Nadelverschluss verhindert ein Nachlaufen der Schmelze aus der Anschnittöffnung, eliminiert ein Abfrieren oder Fadenziehen der Anschnitte. Außerdem ist das Prozessfenster beim Nadelverschluss wesentlich breiter, was sich bereits beim Werkzeuganfahren bemerkbar macht.
Das große Aber stellt sich bei der Frage der Nadelverschlusswartung ein, denn traditionelle Nadelverschlusszylinder beinhalten Flourelastomer-Dichtungen, die geschmiert und gekühlt werden müssen, weil sie in einem sehr heißen Temperaturumfeld Dauerleistung bringen. Unter Umständen bestehen Heißkanaltemperaturen bis zu 300 °C, die in extremen Fällen auch 400 °C erreichen können. Die Kosten der Verschleißteile, wie O-Ringe und Dichtungen sowie die Wartungskosten der Nadelverschlusszylinder sind gering im Vergleich zu den Arbeitskosten, die beim wartungsbedingten Ausbau des Etagenwerkzeuges anfallen. Stillstandskosten der Maschine sind ebenfalls teuer. Deshalb leisten Nadelverschlussdüsen, bei der die Dichtungen, die Schmierung und auch die Wasserkühlung vollständig eliminiert wurden, einen wesentlichen Beitrag zu den Dauerlaufeigenschaften, der die Entscheidungsbasis für oder gegen eine Etagenlösung ändert. Der relativ wartungsfreie und leicht zugängliche Nadelverschluss-Heißkanal schafft bessere Voraussetzungen, um sich für Etagenwerkzeuge zu entscheiden. Unter der Bezeichnung IVG-Düsen und Black-Box-Zylinder finden sich robuste Heißkanalkomponenten mit einer großen Bandbreite von Anwendungen in allen Marktbereichen, die in jedem Temperaturumfeld ohne Kühlung arbeiten.
