8-fach Spitzdüse (Bildquelle: Schöttli)

Die 8-fach Spitzdüse wurde für das Herstellen kleiner Medizintechnikkomponenten entwickelt. (Bildquelle: Schöttli)

Neben den gesetzlichen Anforderungen werden die Hersteller auch mit Herausforderungen auf Fertigungsebene konfrontiert. Der Großteil des medizinischen Produktportfolios besteht aus dünnwandigen Bauteilen mit langem Fließweg und einem Schussgewicht von wenigen Gramm. Die dünnwandigen Kunststoffteile können nur unter hohem Einspritzdruck gefüllt werden, was die Auftriebskraft im Werkzeug erhöht und eine hohe Schließkraft der Spritzgießmaschine benötigt.

Zusätzlich erfordern geringe Schussvolumen eine spezifische Auslegung des Spritzaggregats, um Qualitätsprobleme bei thermisch sensiblen Kunststoffen aufgrund zu hoher Verweilzeiten der Schmelze zu vermeiden.

Mit der weiterentwickelten seitlichen Spitzdüse mit 8 Kavitäten pro Düse greift Schöttli, Diessenhofen, Schweiz, diese Herausforderungen aus dem Markt auf. Typische Anwendungen sind Pipettenspitzen, Insulin-Pen-Nadelhalter und konventionelle Nadelhalter sowie rotationssymmetrische Kunststoffteile, die für seitliches Anspritzen gut geeignet sind.

Bei annähernd gleichen Werkzeugabmessungen im Vergleich zum bestehenden Düsensystem mit 6 Kavitäten pro Düse ist es gelungen, die Anzahl der Formnester pro Düse zu erhöhen. Diese Technologie ermöglicht einen bis zu 25 Prozent größeren Ausstoß in einem Werkzeug gleicher Baugröße und somit eine signifikante Erhöhung der Ausbringung bei gleichzeitiger Reduktion der Herstellkosten.

Der Hersteller hat so die Möglichkeit, die Produktivität seines Werkzeugs zu erhöhen, vorhandene Kapazitäten effektiver zu nutzen und somit den Ertrag pro Produktionsfläche zu steigern.

Aufbau Heißkanalsystem

Verringerung der Schließkraft bei höherer Kavitätenanzahl für einen Insulin-Pen-Nadelhalter. (Bildquelle: Schöttli)

Verringerung der Schließkraft bei höherer Kavitätenanzahl für einen Insulin-Pen-Nadelhalter. (Bildquelle: Schöttli)

Im Rahmen der Weiterentwicklung wurde ein Probewerkzeug entwickelt und umgesetzt. Von der Spritzgießmaschine mit dem Spritzaggregat wird die flüssige Schmelze in den Heißkanalblock eingespritzt.

Bei der seitlichen Spitzdüse handelt es sich um ein offenes System, das heißt, das Heißkanalsystem ist im Anschluss an die Nachdruckzeit komplett drucklos. Vom beheizten Heißkanalblock wird die Schmelze über den Düsenhalter durch den Düsenkanal in die Vorkammer und anschließend in das Formnest eingespritzt. In der Vergangenheit hat die projizierte Fläche der Vorkammer einen erheblichen Anteil zur Auftriebskraft beigetragen, wodurch die vorhandene Schließkraft der Maschine die maximale Kavitätenanzahl im Werkzeug limitiert hat.

Mit der neuen Schöttli-Spitzdüse mit Vorkammerentlastung trägt die Vorkammer nicht mehr zur Auftriebskraft bei. Deshalb werden bei geringerer Schließkraft und gleicher Werkzeuggröße mehr Kavitäten im Werkzeug realisiert.

Mechanische Auslegung der Komponenten

Schmelzedrücke im Prozess an verschiedenen Positionen ermittelt. (Bildquelle: Schöttli)

Schmelzedrücke im Prozess an verschiedenen Positionen ermittelt. (Bildquelle: Schöttli)

Es wurde ein umfangreiches Messsystem installiert, um Prozessgrößen wie Schmelzedrücke und Temperaturen an der Maschinendüse, in der Schmelzevorkammer und schließlich im Formnest zu erfassen und auszuwerten. Diese Werte werden während der Entwicklungsphase als Randbedingungen in Simulationen herangezogen und bieten den Vorteil, hochbelastete Werkzeugkomponenten hinsichtlich Langlebigkeit auszulegen. Der Schweizer Werkzeugbauer verfügt dadurch über einen fundierten Datensatz zum Auslegen neuer Werkzeuge, der neben Prozessparametern wie Schmelzetemperatur und Einspritzgeschwindigkeit auch die Abhängigkeit vom Spritzgießmaterial berücksichtigt.

Temperaturgleichgewicht in der Vorkammer

Temperaturen in der Spitzdüse (Bildquelle: Schöttli)

Temperaturen in der Spitzdüse (Bildquelle: Schöttli)

Die Vorkammergeometrie beeinflusst die Angussqualität des Kunststoffteils und ist eine spezielle Herausforderung beim Auslegen des Heißkanalsystems. Den Ingenieuren stellt sich hier die Aufgabe, das optimale thermische Gleichgewicht zu berechnen, wobei die Schichtdicke der Wärmeisolation durch das Vorkammervolumen aus Fläche und Abstand der Düse zum Düseneinsatz bestimmt wird. Eine dicke Isolationsschicht hat zwar den Vorteil einer hochtemperierten Düse mit niedrigem Stellgrad am Heizband, unter Umständen kann es aber zu Problemen beim Abreißen des Formteils von der Schmelze kommen. Gleichzeitig hat die Düsenspitze einen wesentlichen Einfluss auf das Abreißverhalten des Angusses. Eine vom Angussloch gesehen zu weit innen liegende Position führt aufgrund einer erkalteten Schmelze zum Verschluss des Anspritzpunktes. Steht die Düsenspitze zu weit vor, kann es zur Fadenbildung am Kunststoffteil während der Entformung kommen.

Bei der Auslegung der Vorkammergeometrie verwendet das Unternehmen thermische Simulationen, die das Temperaturverhalten von Vorkammer und Heißkanaldüse beim Aufheizen und in mehreren Spritzgießzyklen berechnen. Dadurch wird die optimale Position der Düse sichergestellt und die Vorkammergeometrie hinsichtlich thermischer Aspekte optimiert.

Typische Kunststoffe

Während der Validierungsphase haben Spritzgießversuche mit verschiedenen Standardthermoplasten wie beispielweise PP, PE und PS sowie ABS und MBS gezeigt, dass das neue Düsensystem die Anforderungen aus dem Medizinalbereich hinsichtlich Angussqualität und Prozessfähigkeit sehr gut erfüllt.

Je nach Kundenanforderung und Anwendungsbereich können Spritzgießversuche im unternehmenseigenen Technikum durchgeführt werden. Die Prozessdaten werden anschließend für eine optimale Werkzeugauslegung verwendet. Durch wechselbare Einsätze im vorhandenen Pilotwerkzeug ist es möglich, spezifische Teilegeometrien nach Kundenwunsch für die Vorserie zu realisieren. Die gewonnenen Erkenntnisse garantieren anschließend für das Produktionswerkzeug eine kosten- und zeiteffiziente Umsetzungsphase.

Wirtschaftlichkeit erhöht

Mit der weiterentwickelten seitlichen Schöttli-Spitzdüse ist es gelungen, bis zu 25 Prozent mehr Kavitäten in Werkzeugen gleicher Baugröße zu realisieren. Diese Lösung bietet dem Kunden neben der Möglichkeit, Spritzgießmaschinen mit geringerer Schließkraft zu verwenden, auch einen deutlich gesteigerten Ertrag pro Produktionsfläche und damit eine Senkung der Stückkosten.

Neben dem vorgestellten Messsystem verfügt das Unternehmen über eine Vielzahl verschiedener Probeformen für alle Anwendungsbereiche der Medizinaltechnik sowie einen eigenen Maschinenpark. Somit können auf Kundenwunsch die unterschiedlichsten Materialien unter produktionsnahen Bedingungen getestet werden. Unter Verwendung umfangreicher Messtechnik können alle relevanten Parameter, Drücke und Temperaturen erfasst und als Randbedingungen in den mechanischen und thermischen Simulationsprogrammen implementiert werden.  Als Vorteil für den Kunststoffverarbeiter ergeben sich daraus reduzierte Durchlaufzeiten für Produktionswerkzeuge sowie eine kürzere Validierungsphase und damit die Möglichkeit, das Produkt früher auf den Markt zu bringen.

Über den Autor

Stefan Schneidmadel

ist Development Engineer bei Schöttli in Diessenhofen, Schweiz.