Materialvielfalt fordert Heißkanalhersteller heraus

Bei der Thermoplastverarbeitung mit dem Spritzgießverfahren dienen Heißkanäle der möglichst verlustfreien und schonenden Leitung der Schmelze in die Werkzeugkavitäten. Die dafür optimalen Bedingungen sind zunehmend schwieriger zu realisieren. Dazu schreiben Roko Heißkanaltechnik Friederich, Pforzheim, und Xintech Hotrunner, Dübendorf, Schweiz, dass „durch die Entwicklung immer leistungsfähigerer Kunststoffe insbesondere der Heißkanaltechnik eine große Bedeutung bei der prozesssicheren Verarbeitung  dieser Materialien im Spritzgießverfahren zukommt. Da viele dieser Kunststoffe sehr sensibel auf thermische Einflüsse reagieren, wird die optimale Beheizung des Heißkanalsystems zunehmend wichtiger. Die benötigte Heizleistung muss möglichst verlustfrei über die vorhandene Fläche in das System eingebracht werden; andernfalls werden sich bestimmte Kunststoffe kaum vernünftig verarbeiten lassen. Hierfür müssen geeignete Heizelemente eingesetzt werden, die eine vollflächige Wärmeübertragung zwischen Heizung und Düse gewährleisten.“

Materialvielfalt nimmt zu

Auch Ewikon, Frankenberg, registriert „am Markt eine stetig zunehmende Vielfalt an Materialvarianten“, hervorgerufen durch die „gerade im technischen Bereich in den letzten Jahren stark angestiegene Anzahl der Einsatzmöglichkeiten für Kunststoffprodukte.“ Zu diesen Materialvarianten zählt das Unternehmen „neben technischen Kunststoffen mit engen Verarbeitungsfenstern und thermisch sensitiven auch eine Vielzahl flammgeschützter und faserverstärkter Materialien. Diese gestiegene Komplexität im Werkstoffbereich stellt hohe Anforderungen an die prozesssichere Verarbeitung mit Heißkanalsystemen – von der Temperaturführung im System über Verschleiß- und Korrosionsschutz bis hin zum Fließkanal-Layout mit kurzen Verweilzeiten.“

Synventive Molding Solutions, Bensheim, berichtet im gleichen Sinne von „weiter anhaltenden Trends zu immer komplexeren und gleichzeitig oberflächenoptimierten Bauteilen, die sich widerspiegeln in der Reduktion von Bauteilgewichten, der Umsetzung hochwertiger Designkonzepte mit glänzenden und auch haptisch oberflächenwirksamen Bauteilen.“ Diese Trends „und der Trend zu Systembaugruppen mit veränderten Bauteilgeometrien und -funktionen werden die Spritzgießindustrie und deren Zulieferer wie zum Beispiel die Heißkanalhersteller technologisch mehr denn je herausfordern. Komplexere Spritzgießverfahren und Materialien werden die Folge sein und die Beratung der Kunden über den Einsatz der jetzt schon vielfältig zur Verfügung stehenden Heißkanaltechnologien gewinnt zunehmend an Bedeutung.“

Konkret geht Ewikon auf Maßnahmen ein, die die hohen Anforderungen an Heißkanalsysteme erfüllen. So werden mit Wendelrohrpatronen, die in hochpräzise Ausfräsungen im Schmelze führenden Druckrohr integriert sind, „ein gleichmäßiges Temperaturprofil über die gesamte Düsenlänge bis in den Anschnittbereich sowie eine konstant hohe und jederzeit reproduzierbare Heizleistung“ erreicht – und das bis hinab zu Schmelzekanaldurchmessern von 3 mm. Auch anspruchsvolle Materialien sind so in einem sehr breiten Schussgewichtsbereich ab 0,05 Gramm verarbeitbar. Gegen Korrosion und Abrasion wird die Verschleißfestigkeit durch gehärtete Druckrohre realisiert. Im Bereich der Düsenspitzen ermöglichen fortschrittliche Fertigungsverfahren den Einsatz innovativer Sondermaterialien und hybrider Werkstoffkombinationen, die „eine extreme Verschleißfestigkeit bei gleichzeitig hohem Wärmetransport ermöglichen.“ Ewikon geht weiter auf niedrige Scherbelastung durch strömungsgünstige Umlenkelemente und Vermeidung toter Ecken ein, damit sich kein Material ansammeln und thermisch geschädigt werden kann. „Die Verteiltechnik durch entsprechende Positionierung der Umlenkelemente ermöglicht weiterhin aber auch sehr kompakte Schmelzekanal-Layouts auf mehreren Ebenen mit kurzen Gesamtlängen und hilft damit, die Verweilzeit zu optimieren.“

Steigende Energiekosten erzwingen optimale Beheizung

Die verdrahteten Heißkanalsysteme stellen einen Kompromisszwischen montierten Systemen und Heißen Seiten dar. (Bildquelle: Hasco)

„Das Thema Energie-Effizienz scheint im Bereich der Heißkanaltechnik zunächst nicht offensichtlich“, schreiben Roko Heißkanaltechnik Friederich und Xintech Hotrunner, „es wird in den kommenden Jahren infolge weiter steigender Energiekosten bedeutender werden. Hier gilt es vor allem, den Verarbeitern Beheizungssysteme anzubieten, die zum einen eine optimale Wärmeübertragung von Heizung und beheizter Angießbuchse und zum zweiten einen möglichst geringen Wärmeverlust in die Umgebung gewährleisten.“ Zu Letzterem sind beide Firmen der Ansicht, dass „die Wärmetrennung eines der herausfordernden Themen im Bereich der Heißkanaltechnik bleibt. Hier gilt es weiterhin, neue verfügbare Werkstoffe zu testen, die eine bessere Wärmetrennung ermöglichen.“

Verringerte Stillstandszeiten durch Industrie 4.0

„Auch die Heißkanaltechnik wird zunehmend mit dem Thema Industrie 4.0 konfrontiert werden“, berichten Roko Heißkanaltechnik Friederich und Xintech Hotrunner. „Vor allem im Bereich der Datenübertragung vor dem Hintergrund einer In-Line-Prozessüberwachung sind Anwendungen denkbar. Technisch lässt sich das heute schon mit der verfügbaren Technologie umsetzen. Dazu schreibt Ewikon, dass „durch die steigende Komplexität der Anwendungen und eine zunehmende Globalisierung und Vernetzung der Produktion und Produktionssteuerung bedingt, eine effiziente Prozessüberwachung immer wichtiger wird und in manchen Branchen bereits heute unverzichtbar ist.“ Diesem Trend trägt das Unternehmen mit einer Prozessüberwachungs- und Diagnose-Einheit für Heißkanalsysteme Rechnung, die in die heiße Seite integriert werden kann. Sie überwacht, analysiert und protokolliert alle relevanten Prozess- und Systemparameter über die gesamte Lebensdauer des Werkzeugs. Eine browserbasierte Benutzeroberfläche ermöglicht dabei eine übersichtliche Visualisierung der Daten und kann auf mobilen Endgeräten oder in Firmennetzwerken installiert werden. Neben größtmöglicher Prozesstransparenz bietet eine solche permanente Überwachung auch im Störungsfall Vorteile. Beim Auftreten von Störungen ist durch Datenübermittlung an den Hersteller eine frühzeitige Ferndiagnose möglich. Dies bedeutet eine erhebliche Zeitersparnis beim Veranlassen einer zielgerichteten Wartung und minimiert Stillstandszeiten des Werkzeugs.

Nadelverschlusstechniken weiterhin im Trend

Heißkanal Mikroverteiler für ein hochfachiges Werkzeug. (Bildquelle: Ewikon)

„Der bereits seit längerem zu verzeichnende Trend zum Einsatz von Nadelverschlusstechnik setzt sich fort“, berichtet Ewikon weiter. „Der Einsatz dieser Systeme erfolgt sowohl aus Qualitäts- als auch aus Effizienzgründen. Hier sind vor allem die gesteigerte Prozesssicherheit, die sehr gute Anschnittqualität sowie die oftmals reduzierte Zykluszeit zu nennen. Gefragt sind dabei zunehmend hochfachige und dennoch möglichst kompakte und wartungsfreundliche Lösungen, um eine hohe Produktivität bei gleichzeitig möglichst kleinen Spritzgießmaschinengrößen zu erreichen.“

Zum Thema Nadelverschluss-Anwendungen schreibt Synventive Molding Solutions, dass „sich mit Standard-Heißkanalsystemen die gewünschten Ergebnisse nicht immer erzielen lassen. Insbesondere beim Kaskadenspritzgießen oder bei Mehrkavitäten- und Familienanwendungen geht es darum, typische Bauteilfehler wie Oberflächendefekte, schlechte Reproduzierbarkeit oder ungenügende Maßhaltigkeit zu eliminieren. Hierfür bedarf es weiterführender Heißkanaltechnologien für Nadelverschlussanwendungen. Der Anwender benötigt die Möglichkeit, den Schmelzefluss aktiv und kontrolliert zu führen.“ Dazu gibt es die Möglichkeit der einfachen Nadelverschlussüberwachung, die der individuellen Nadelbewegungssteuerung für hydraulisch und elektrisch angetriebene Systeme und die der kompletten Schmelzedruck-Regulierung. Sie ermöglichen unter Verwendung von Sensordaten eine individuelle Kontrolle des Schmelzeflusses am Schmelzeeintrittspunkt jeder Düsenanbindung im Werkzeug. „Um möglichst zielgenau unterschiedliche Anwendungsanforderungen“ zu erfüllen, ist nach Ewikon „eine breite Palette an Nadelverschluss-Antriebsvarianten inklusive Reinraum geeigneter elektrischer Hochpräzisions-Schrittmotorantriebe und Hubplattensysteme für enge Kavitätenabstände“ verfügbar. „In Langläuferwerkzeugen werden Spritzeinsätze mit permanenter Nadelführung“ eingesetzt, um den Anschnittverschleiß zu reduzieren. „Eine Version mit nicht-permanenter Nadelführung, optimierter Temperaturführung und verschleißfester Einlaufschräge kommt dagegen bei optischen Anwendungen mit höchsten Ansprüchen an die Oberfläche oder bei der Verarbeitung technischer Kunststoffe zum Einsatz.“

Prozesssicherheit durch angussnahe Temperaturmessung

Einen weiteren Aspekt sprechen Roko Heißkanaltechnik Friederich und Xintech Hotrunner an. Danach „sind im Bereich der Heißkanalregeltechnik Lösungen gefragt, die eine Temperaturbestimmung des Materials durch ein möglichst angussnah positioniertes Messinstrument erlauben. Nur so sind selbst minimalste Schwankungen der Schmelzetemperatur messbar, wodurch die prozesssichere Verarbeitung von Hochleistungs- und Hochtemperatur-Kunststoffen erst möglich wird.“

Edelstahl-Normalien für den Reinraumeinsatz

„Ein deutlich erkennbarer Trend ist“ nach Meusburger, Wolfurt, Österreich, „die Verwendung von Normalien aus Edelstahl für die Reinraumtechnologie. Dies ist vor allem bei den Produktgruppen Temperierung und Auswerfer der Fall. Bisher werden Temperierelemente für den Formenbau großteils aus Messing hergestellt. Elemente aus Edelstahl werden in den letzten Jahren aus der Reinraumtechnik und für das Verarbeiten von technischen, teils aggresiven Kunststoffen bei hohen Temperaturen verstärkt nachgefragt. Einerseits geht es um die Beständigkeit und Lebensdauer, andererseits bei Gewindeteilen um die zuverlässige Dichtheit. Diese ist bei Messing durch den unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten gegenüber den Stahlplatten bei hohen Temperaturen nicht dauerhaft gegeben.“

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