Digitale Kontrolle des Spritzgießprozesses

Digitale Kontrolle des Spritzgießprozesses. (Bild: Ewikon)

Die Nachfrage nach Mehrfachdüsenkonzepten ist während der Corona-Pandemie stark gewachsen, teilt Ewikon, Frankenberg, mit. Grund für den verstärkten Einsatz der Düsen mit seitlicher Anbindung und vergleichsweise kleinem und kompakten Verteilersystem ist das Fertigen von medizintechnischen Massenprodukten wie Einwegspritzen oder Pipetten. Der Bedarf an leistungsfähigen, hochfachigen Werkzeugen für diese Artikel ist stark gestiegen. Doch auch für das Produzieren technischer Teile ist dieser Düsentyp laut Hersteller interessant, da er kompakte Systemlayouts ermöglicht und wartungsfreundlich sowie energieeffizient ist. Denn Teile des Schmelzeverteilersystems sind in der Düse integriert, wodurch Wärmeverluste über die Kontaktstellen zwischen Heißkanal und Werkzeug deutlich reduziert werden.

Der Wärmehaushalt steht auch bei weiteren Anbietern im Fokus der Entwicklungen. So setzt Günther Heisskanaltechnik, Frankenberg, bei dieser Thematik nicht nur auf praktische Erfahrungen, sondern auch seit mehr als 10 Jahren auf die Möglichkeit der 3D-Simula-tion zum Berechnen der Wärmeverteilung und des Wärmehaushalts der Heißkanalsysteme. Durch die Simulation werden unerwünschte Wärmeverluste vermieden und die Temperatur im System gleichmäßig verteilt. Serienbegleitende FEM-Analysen können laut Witosa Heißkanalsysteme, Frankenberg, die Anlageflächen des Heißkanalsystems zum Werkzeug zukünftig auch bei anwendungsspezifischen Verteilersystemen auf ein Minimum reduzieren. Nach Unternehmensangaben gehören durch diese Berechnungen ein unausgewogener Wärmehaushalt und Iterationsschleifen bei Abnahmen auf dem Prüfstand der Vergangenheit an.

Der mechanische Hubregler für hydraulische Stellantriebe vermeidet Oberflächenfehler.
Der mechanische Hubregler für hydraulische Stellantriebe vermeidet Oberflächenfehler. (Bild: Oerlikon HRS Flow)

Warum der Energieverbrauch sinkt

„Mittels intelligenter Simulationsmodelle wird der Energieverbrauch auch bei neuen Produkten weiter sinken“, berichtet Witosa. Neben der Simulation sieht das Unternehmen die in immer kleinerer Bauform und geringerem Durchmesser herstellbaren Heizleiter als Stellgröße. Um den Energiebedarf und somit die -verluste gering zu halten, setzt Günther auf schlecht wärmeleitende Materialien für die Abstützung des Heißkanals im kalten Werkzeug sowie auf einen zweigeteilten Düsenschaft mit Luftspaltisolation. Der Hersteller betont, dass er mit der Entwicklung und Einführung der Blueflow-Dickschichtheizungen einen großen Schritt in Richtung energieeffizientes Heißkanalsystem gemacht hat.

Wie die Digitalisierung zunimmt

Das Vernetzen von Produktion und Produktionssteu-erung macht ein ganzheitliches Überwachen des Spritzgießprozesses immer wichtiger. „In manchen Branchen ist sie bereits heute unverzichtbar“, so Ewikon. Das Unternehmen bietet daher Regel- und Steuergeräte OPC UA-fähig an und hat ein Prozessüberwachungssystem selbst entwickelt. „Dieses ist über OPC UA vollständig in die vernetzte Spritzgießproduktion integrierbar und kann darüber hinaus problemlos mit übergeordneten Softwaresystemen vernetzt werden. Das System erfasst und überwacht alle relevanten Prozessdaten des Heißkanalsystems, der Maschine und des Werkzeugs sowie der Peripheriekomponenten“, führt der Hersteller aus. Eine integrierte Energiemonitoring-Funktion ermöglicht, den Prozess zu optimieren und die Effizienz zu steigern. Günther sieht, dass die Digitalisierung gerade im Hinblick auf die Weiterentwicklung der elektronischen Nadelverschlusssteuerung noch großes Potential birgt. Und weiter: „App-Steuerungen bieten enorme Vorteile in der Flexibilität und in der Überwachung sowie Protokollierung von Heißkanalsystemen und der Zugriff erfolgt
ortsunabhängig.“ Außerdem sieht das Unternehmen die Vernetzung aller an einem Spritzgießprozess beteiligten Maschinen und Geräte als Voraussetzung, um eine vorausschauende Wartung betreiben zu können. „Unsere ersten Ergebnisse in diesem Bereich stimmen uns positiv. Mittels einer Kombination verschiedenster Parameter kann es gelingen, über mathematische Modellierung den Verschleißzustand zum Beispiel einer Heißkanalspitze zu ermitteln. Voraussetzung für solche Erkenntnisse ist jedoch ein umfängliches Verständnis des gesamten Prozesses. Ein rein digitales Heißkanalsystem stellt keinen Mehrwert dar, wenn die anderen am Spritzgießprozess beteiligten Komponenten nicht ‚smart‘ ausgeführt sind.“

Für die Regelung der Heißkanäle gibt Witosa an, dass mehr und mehr selbstlernende Systeme zum Einsatz kommen werden. Künstliche Intelligenz innerhalb der Software wird Prozesse noch besser erkennen und das Regelverhalten daraufhin optimieren. Außerdem ist für das Unternehmen der Trend erkennbar: Weg von der Einzellösung bei der Heißkanalregelung, hin zum integrierten System, welches mit den anderen Prozessgrößen und Geräten interagiert.

Der zweigeteilte Düsenschaft mit Luftspaltisolation reduziert Energieverluste
Der zweigeteilte Düsenschaft mit Luftspaltisolation reduziert Energieverluste. (Bild: Günther Heisskanaltechnik)

Warum die Hardware ebenfalls weiterentwickelt wird

Oerlikon HRS Flow, San Polo die Piave, Italien, hingegen, hat einen mechanischen Hubregler für hydraulische Stellantriebe entwickelt, der den Schmelzefluss im Kaskadenspritzguss ausbalanciert und damit mit einfachen Mitteln Oberflächenfehler vermeidet. Mit dem Mechanical Stroke Regulator (MSR) erfolgt der Druckabfall proportional zum Öffnungshub der Nadel. Durch die richtige Position der Düsennadel können Qualitätsprobleme, die während des Einspritzprozesses an Bauteilen auftreten, laut Hersteller vermieden werden.

Gekühlte Vorkammerbuchsen mit anschnittnaher, umlaufender Kühlung und Regelung der Anschnitttemperatur bietet Meusburger, Wolfurt, Österreich. Sind diese mit der benötigten Düsengeome trie in die Formplatte eingesetzt, ermöglichen sie beim Verarbeiten von abrasiven Kunststoffen ein schnelles Wiederherstellen der Anschnittpunktqualität.

Als ein weiteres wichtiges Thema sieht Ewikon die Wartungsfreundlichkeit der Düsen, denn lange Stillstandszeiten bei Routinewartungen müssen vermieden werden. Deshalb hat der Anbieter seine Heißkanalsysteme so ausgelegt, dass Verschleißteile für Wartungsarbeiten leicht zugänglich sind. „Auch bei Mehrfachdüsen für seitliche Direktanspritzung lassen sich die Wärmeleitspitzen einfach auf der Maschine bei geöffnetem Werkzeug austauschen.“ Ebenso sind spezielle Lösungen bei Nadelverschlusssystemen realisiert, die das aktive Stilllegen fehlerhafter Kavitäten ermöglichen, um beispielsweise die Produktion bis zum Erreichen der Losgröße aufrechterhalten zu können. Gerade hier spielt das digitale Überwachen aller beteiligten Komponenten der Spritzgießproduktionszelle inklusive des Heißkanalsystems eine große Rolle, um transparente, effiziente und sichere Prozesse zu gewährleisten, um eine gleichbleibende Qualität der gefertigten Teile zu sichern.

Welche neuen Anforderungen es gibt

Die nächsten Entwicklungsschritte bei Günther Heisskanaltechnik orientieren sich an den aktuellen Anforderungen des Marktes. Diese beziehen sich werkzeugtechnischer Art auf beispielsweise das Realisieren schwieriger Anspritzpositionen oder dem Umrüsten kleiner kompakter Werkzeuge von Kalt- auf Heißkanal. Außerdem erhält der Hersteller immer wieder Anfragen bezüglich der optimalen Ausnutzung der Spritzgießmaschinen. Die Transformation in der Automobilindustrie wird potenziell geänderte Fertigungsverfahren und den Einsatz neuer Materialien erfordern. Heißkanaltechnik wird bei der kostengünstigen Massenproduktion ebenso unterstützen wie beim Verarbeiten neuer Werkstoffe, so der Hersteller und weiter: Polyketon ist beim Verarbeiten, verglichen mit anderen technischen Kunststoffen, anspruchsvoll, sodass sowohl der Prozess, aber auch das Heißkanalsystem dem Polymer angepasst
werden müssen. Witosa berichtet, dass der Trend zur Miniaturisierung weiter anhält und die Umsetzung von Funktionen auf kleinem Bauraum auch zukünftig wichtig sein werden. Das Unternehmen ist überzeugt, dass Heißkanaldüsen in Zukunft basierend auf Industrie 4.0 konfiguriert werden. Auch müssten intelligente Lösungen gefunden werden, um Rezyklate auf einem technisch vergleichbaren Niveau wie Neuware zu verarbeiten.

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