Wohl temperiert zu höherer Bauteilqualität

Heißkanäle − ursprünglich erfunden, um saubere Angüsse zu gewährleisten und den Ausschuss zu reduzieren − übernehmen heute eine zunehmend wichtige Rolle bei der Regulierung von Spritzgießprozessen vom Werkzeug aus. Den Weg dazu ebneten Nadelverschluss-Düsen-Systeme, die insbesondere im sequenziellen und im Kaskadenspritzgießen stabile Prozesse und eine höhere  Bauteilqualität bei kürzeren Zykluszeiten ermöglichen. Beispielsweise erlauben Nadelverschlüsse Füllungen über vergrößerte Anschnittsdurchmesser, was Orientierungen im Formteil vermindert. Wegen der Möglichkeit – oder auch der Notwendigkeit −  Nadelbewegungen und -positionen gezielt zu steuern, kann diese Technik darüber hinaus zu einem Schlüsselelement bei der weiteren Digitalisierung in der Kunststoffverarbeitung avancieren. Exemplarisch genannt seien in diesem Zusammenhang die auf Sensorik im Heißkanal und in der Kavität basierenden Nadelsteuerungssysteme, wie sie etwa von Synventive, Bensheim, angeboten werden.

Entwicklungen in der Nadelverschlusstechnik bildeten auch einen Schwerpunkt auf dem Ewikon Heißkanalforum 2018 Mitte Juni in Frankenberg. Gezeigt wurden unter anderem neue Anwendungen der „kalten“ Nadeldichtung. Bei diesem System ist die Dichtung nicht im Heißkanal, sondern abseits des Schmelzeflusses in einem temperierten Einsatz in der Kavität platziert. So lassen sich laut Ewikon Zersetzungsreaktionen von verweilzeitkritischen Polymeren verhindern, die bei herkömmlichen Dichtungen in den Dichtungsspalt eindringen können. Desweiteren kündigte das Unternehmen eine Erweiterung seines Düsen-Programms zur seitlichen Direkteinspritzung an: Die neue Variante, die bislang als Prototyp vorliegt, ist mit integrierter Nadelverschlusstechnik ausgerüstet und mit bis zu acht Düsenspitzen bestückbar.

Die Mikro-Verteilertechnik ist eine standardisierte Lösung für die effiziente Massenfertigung von Polyolefin-Bauteilen mit kleinen Schussgewichten in extrem hochfachigen Werkzeugen. (Bildquelle: Ewikon)

Für den Einsatz in Kleinspritzgießmaschinen bietet das Frankenberger Unternehmen sein Mikrosystem an. Es besteht aus einem oder mehreren kompakten 16-Düsen-Clustern, die jeweils in vier Mikroverteiler-Einheiten aufgeteilt sind. Mit dem System lassen sich laut Hersteller Polyolefine mit sehr geringen Schussgewichten prozesssicher verarbeiten. Neu hat Ewikon das Mikrosystem mit seiner Drop-in-Technik einschraubbarer, direkt beheizter Düsen kombiniert. Dieser „Hybrid“ zweier Technologien − bestehend aus 2-, 4- oder 6-fachigen Verteilern mit vormontierten Düsen und vollverdrahteter Heißer Seite – erlaubt die Verarbeitung von technischen Kunststoffe wie etwa PC, PS, ABS, PMMA oder POM in Kleinspritzgießmaschinen. Schussgewichte bis hinunter zu 0,05 g (bei homopolymeren POM) seien bereits realisiert worden, wie in Frankenberg zu hören war.

Heißkanalspezialist steigt in Kaltkanaltechnik ein

Der Heißkanalspezialist nutzte das Forum darüber hinaus für eine überaschende Ankündigung: Das Unternehmen steigt neu mit einer eigenen Entwicklung in die Kaltkanaltechnik ein. Motiviert zu dem strategischen Schritt fühlte sich Ewikon durch die wachsende Bedeutung des Werkstoffs Flüssigsilikon (LSR), wie CEO Stefan Eimecke ausführte. Hitzebeständigkeit einerseits, Flexibilität bis hin zu tiefen Minustemperaturen andererseits, Biokompatibilität, hohe mechanische Belastbarkeit, hohe Transparenz und gute Einfärbbarkeit sind nur einige der Eigenschaften, die Flüssigsilikon für viele Industriezweige zunehmend interessant machen. Rund ein Viertel aller LSR-Anwendungen entfällt heute auf die Automobilproduktion, 20 Prozent auf die Energieversorgung und 15 Prozent auf die Medizintechnik – alles Bereiche mit hoher Wachstumsdynamik. Da Elastomere bekanntlich bei Werkzeugtemperaturen oberhalb der Flüssigkeitstemperatur vernetzen und ausformen, benötigt man für eine maßhaltige und ressourceneffiziente Verarbeitung Kaltkanäle.

Ewikon-Geschäftsführer Stefan Eimecke kündigte auf dem 17. Heißkanal-Forum unter anderem den Einstieg des Frankenberger Unternehmens in die Kaltkanaltechnik an. (Bildquelle: Ewikon)

Auch in diese Technologie integriert der Frankenberger Spezialist seine bei den Heißkanälen bewährte elektrische Nadelverschlusstechnik, die insbesondere bei vollelektrischen Spritzgießanlagen sinnvoll ist und somit  beispielsweise auch in Anwendungen unter Reinraumbedingungen ihre Vorteile ausspielt. Dabei erlauben die kompakten elektrischen Schrittmotoren für den Nadelantrieb einen einfachen Einbau. Bei Mehrfacheinspritzungen lassen sich Hublänge sowie  Geschwindigkeit und Position der Nadeln individuell ansteuern, um Bauteilabweichungen zu minimieren. Diese Feinbalancierung kommt laut Eimecke insbesondere auch in der LSR-Verarbeitung zum Tragen, wo überladene Kavitäten oder minimale Werkzeugspalten schnell zur Gratbildung im Bauteil führen. Eine homogene Formtemperierung beugt zudem Oberflächenmarkierungen vor, die durch kalte Bereiche in der Kavität entstehen können.

Fusion von Spritzguss und Extrusion im Heißkanal

FDU-Werkzeug: Bei der Flat-Die-Unit-Technologie werden die Strömungskanäle auf Flachdüsen projiziert. (Bildquelle: Haidlmair)

Dass auch im Bereich der offenen Heißkanäle noch Entwicklungssprünge möglich sind, beweist die Haidlmair-Gruppe mit ihrer FDU (Flat-Die-Unit) Technologie. Anders als bei einer Runddüse mit punktförmigem Austritt wird hierbei der Strömungskanal auf eine Flachdüse projiziert, sodass die Schmelze durch einen Spalt mit definierten Abmessungen in die Kavität strömt. Die für die Fertigung großer Bauteile wie etwa Transportkisten oder Weiße-Ware-Komponenten konzipierte neue Technik wird vom Hersteller wegen des flachen Düsenaustritts auch als Symbiose zwischen Spritzgießen und Extrusion bezeichnet. Die spezielle FDU-Geometrie führt zu einer starken Reduzierung der Scherung im Angussbereich und ermöglicht je nach Kunststoff einen deutlich verringerten Einspritzdruck. Die Schmelze kann mit höherer Geschwindigkeit in kürzerer Zeit eingespritzt werden. Positiv auf die Zykluszeiten wirkt sich zudem die herabgesetzte Scherwärme aus, die geringere Kühlzeiten ermöglicht. Die großen Abmessungen der Flachdüse erlauben zudem eine bessere Überleitung des Nachdrucks, was die Bauteilqualität nochmals begünstigt.  Die FDU-Technik, die der Spritzgießformenbauer Haidlmair, Nußbach, Österreich, gemeinsam mit dem zur Haidlmair-Gruppe gehörenden Extrusionswerkzeug-Spezialisten EMO entwickelt hat, wurde erstmals auf der K 2016 vorgestellt. Mittlerweile seien bereits mehrere Werkzeuge mit FDU-Technik bei Kunden im Einsatz, heißt es bei dem österreichischen Werkzeugbauer; realisiert worden seien Zykluszeitreduktionen von bis zu 17 Prozent gegenüber der gleichen Anwendung mit Nadelverschluss-Heißkanälen. Mit dem neuen FDU-Manager Andreas Kißler an Bord will das Unternehmen die Technologie weiter optimieren.

Neue Entwicklungen bei Normalien und Heißkanälen standen im Mittelpunkt der Meusburger Werkzeug- und Formenbautage 2018. (Bildquelle: Redaktion Plastverarbeiter/Ralf Mayer)

Ebenfalls für große Bauteile, die hohe Volumendurchsätze verlangen, hat PSG Plastic Service, Viernheim, zwei Standarddüsen miteinander kombiniert. Weil der Einbauraum im Werkzeug für die eigentlich erforderlichen großen Düsenköpfe oft zu klein ist, wurde auf eine große Düse eine platzsparende Düse mit kleinerem Durchmesser gesetzt, die an der Kavität andockt. Um die hohe Biegebelastung zu reduzieren, die bei großen Schussvolumina auf die kleinen Düsenköpfe wirkt, hat PSG die Steifigkeit des Düsenkörpers verringert und „Entlastungskerben“ angebracht. Auf den diesjährigen „Meusburger Werkzeug- und Formenbautagen“ hat das – seit vergangenem Jahr zur Meusburger-Gruppe gehörende − Viernheimer Unternehmen zudem das Konzept eines stopfenlosen Heißkanalverteilers vorgestellt. Dabei wird die Kanalgeometrie in zwei beziehungsweise drei Platten gefräst, die durch Diffusionsschweißen miteinander verbunden werden. So entsteht ein Heißkanalverteiler, der ohne Kanalbohrungen und somit ohne Stopfen auskommt. Dies führt zu einer weitgehenden Kantenfreiheit, was sich besonders positiv bei der Verarbeitung von scherempflindlichen Materialien wie etwa TPE auswirkt. Da keine Totstellen auftreten, werden Ablagerungen vermieden, die etwa bei der Verarbeitung von Glasklar-PC die Qualität von Bauteilen mit hohen optischen Anforderungen beeinträchtigen könnten.

Konturnahe Temperierung im Fokus

Bauteile und Modelle mit konturnahen Kühlkanälen. (Bildquelle: Messe Stuttgart)

Oberflächenqualität, Maßhaltigkeit auch bei komplexen Bauteilen sowie Prozesssicherheit bei möglichst kurze Zykluszeiten – das sind auch die Ziele einer effizienten Werkzeugtemperierung. Erreicht werden diese Zeile durch einen fein austarierten Wärmeausgleich, der soweit wie möglich der Bauteilgeometrie folgt. Eine solche konturnahe Temperierung erfordert dreidimensional und variabel geführte Kühlkanäle im Werkzeug und in den Formeinsätzen. Klassische Zerspanungsverfahren wie etwa Bohrungen stoßen hierbei schnell an Grenzen. Seit einigen Jahren halten daher generative Verfahren Einzug in den Werkzeugbau, mit denen sich im Prinzip alle möglichen Kanalgeometrien realisieren lassen. Ein entsprechendes Praxisbeispiel beschrieb Wolfgang Faßnacht von Fassnacht Formenbau, Bobingen, anlässlich des Kunststoff-Forums 2018, das vom Kunststoff-Netzwerk Franken in Bayreuth veranstaltet wurde. Die Aufgabe des Formenbauers bestand darin, ein Spritzgießwerkzeug für die verzugsarme und zyklusoptimierte Fertigung eines komplexen Getriebegehäuses herzustellen. Fassnacht setzte dafür das Lasercruising ein. Bei dem generativen Verfahren werden Metallpulver schichtweise mit einem Laser zu einem festen Bauteil umgeschmolzen. Das Verfahren erlaubt die Verarbeitung verschiedener Werkstoffe von Werkzeugstahl, Edelstahl über Aluminium und Titan bis hin zu Kupferlegierungen. Für die Anwendung fertigte Fassnacht den Formeinsatz und die Schieber in der Hybridbauweise. Das heißt, der generative Aufbau mit den Kühlkanälen (aus Werkzeugstahl) erfolgte jeweils auf einem konventionell (aus Warmarbeitsstahl) gefertigten Grundkörper. Für die Produktion des Getriebegehäuses resultierte das gewünschte Ergebnis: reduzierter Verzug im Bauteil aufgrund relativ homogener Temperaturführung über das gesamte Werkzeug sowie zwölf Sekunden eingesparte Zykluszeit.

Additive und konventionelle Fertigung kombiniert

Die Kombination von additiver Fertigung mit konventionellen Metall-Verarbeitungsverfahren entwickelt sich möglicherweise zu einem Königsweg im Werkzeugbau. Denn einerseits ist der Einstieg in die generative Fertigung immer noch mit beträchtlichen Investitionen in Ausrüstung und Know-How verbunden. Zudem ist Metallpulver teurer als beispielsweise Schmiedestahl, und die Werkstoffauswahl für die additive Fertigung ist nicht unbegrenzt. Andererseits lassen sich bestimmte Geometrien mit traditionellen Zerspanungstechniken nicht oder nur sehr aufwendig herstellen. Eine generelle Lösungsformel für die Fertigung von konturnahen Temperierungen könnte deshalb lauten: Nur diejenigen Komponenten generativ fertigen, deren Komplexität dies erfordert, und die anderen Komponenten auf herkömmliche Weise produzieren.

Einen solchen Lösungsansatz verfolgen die Firmen Listemann Technology, Bendern, Liechtenstein, und Renishaw, Lüdenscheid, mit ihrer gemeinsamen Marke IQ Temp. Das Liechtensteiner Unternehmen ist unter anderem Spezialist für Vakuumlöten und Elektronenstrahlschweißen, während die Lüdenscheider ihre Kompetenzen im Metall-3D-Druck (Laserschmelzen) in den Technologie-Mix einbringen. Relativ komplexe Strukturen lassen sich bereits durch das vergleichsweise kostengünstige und werkstoffschonende (oxidationsfreie) Vakuumlöt-Verfahren realisieren. Dabei wird zum Beispiel ein Formeinsatz konstruktiv in Scheiben aufgeteilt, in die die Kühlkanäle mechanisch eingearbeitet werden. Anschließend werden die Scheiben durch Vakuumlöten fest und dicht zusammengefügt. Ein Beispiel für die Kombination aus Vakuumlöten und Laserschmelzen nannte Günther Rehm von Listemann auf dem Präzisionstag 2018 des Normalien-Spezialisten Knarr in Helmbrechts: Für ein Werkzeug wurde der Formeinsatz auf der Auswerferseite vakuumgelötet und der Formkern auf der Düsenseite mit sehr fein strukturierter Kühlkanalstruktur lasergeneriert. Ausgelegt hat die Temperierlösung IQ Temp.

Für die automatisierte Kopplung von generativen mit konventionellen Methoden werden bereits Hybridanlagen angeboten, bei denen im Prinzip ein herkömmliches Fräszentrum um eine Laserauftragseinheit erweitert wurde. So können in einer Maschine zum Beispiel die Grundkörper gefräst und das fertige Bauteil samt additivem Aufbau zerspanend nachbearbeitet werden. Eine spezielle Hybridanlage, die ohne Laser auskommt, hat Hermle Maschinenbau, Gosheim, entwickelt. Bei dem hier eingesetzten Metall-Pulver-Auftrag (MPA) werden die Metallpartikel durch eine Düse mit Überschall-Geschwindigkeit mit einem Trägergas auf die Grundfläche geschossen. Die Bindung mit dem Substrat und der Schichtaufbau erfolgen dann alleine durch die Wärme beziehungsweise die mechanische Energie aus der Partikelverformung – ohne dass das Metall geschmolzen wird. So lassen sich laut Hersteller besonders spannungsarme Bauteile realisieren. Außerdem können nicht nur flache sondern auch gebogene Flächen beauftragt werden.

In dem Bearbeitungszentrum werden beispielsweise Kühlkanäle in einem Rohling vorgefräst und per MPA mit einem Füllmaterial gefüllt. Daraufhin entfernt ein Fräser überschüssiges Füllmaterial und bearbeitet die Oberfläche für den generativen Auftrag des Deckmantels aus Stahl. Wie Hermle-Experte Werner Gebhart auf dem Kunststoff-Forum in Bayreuth betonte, lassen sich mit dieser Technologie auch schwierige Material-Kombinationen etwa aus Stahl und Kupfer gut realisieren. So können beispielsweise in Ergänzung zu den Kühlkanälen auch Wärme abführende Kupferelemente integriert werden. Bis dato konnte Hermle allerdings noch keine seiner Hybridzellen verkaufen, wie Gebhart einräumte, sondern setzt die Technologie ausschließlich im eigenen Hause für die Lohnfertigung ein.