Produktivität - Bauraum sparen:

Schöttli erhöht die Effizienz beim Kunststoffspritzgiessen

Anforderungen aus dem Markt

Der Bereich der Medizinalprodukte stellt für die Hersteller einen spannenden – gleichzeitig aber auch fordernden Markt dar. Durch den direkten Kontakt vieler Produkte mit menschlichen Organen werden von den Aufsichtsbehörden hohe Anforderungen an die Fertigung und Qualität der Kunststoffteile gelegt. Aufgrund dieser Anforderungen haben sich speziell im Medizinalbereich Mehrkavitätenwerkzeuge durchgesetzt, mit denen eine gleichbleibende Bauteilqualität über Millionen von Spritzgiesszyklen sichergestellt wird.

Neben den gesetzlichen Anforderungen werden die Hersteller auch mit Herausforderungen auf Fertigungsebene konfrontiert. Der Grossteil des Produktportfolios besteht aus dünnwandigen Produkten mit langem Fliessweg und einem Schussgewicht von wenigen Gramm. Die Fliessweglänge führt zu hohen Einspritzdrücken, wodurch wiederum Spritzgiessmaschinen mit hoher Schliesskraft benötigt werden, um der Auftriebskraft beim Einspritzen entgegenzuwirken. Gleichzeitig sind die Spritzaggregate dieser Maschinen für die Anforderung häufig überdimensioniert – was sich in einer langen Verweilzeit der Schmelze im Schneckenkanal bemerkbar macht. Bei thermisch sensiblen Kunststoffen kann dies zu Produktionsproblemen führen. Abbildung 1 zeigt die charakteristischen Grössen Schliesskraft und Einspritzvolumen in Abhängigkeit der Werkzeugaufspannfläche. Zu erkennen ist dabei, dass Mehrkavitätenwerkzeuge aus dem Standardkatalog der Maschinenhersteller herausfallen, weil sie eine höhere Schliesskraft bei geringerem Schussvolumen benötigen. Der Kunde muss deshalb zu grösseren Spritzgiessmaschinen greifen.

Um dem Kunden hier einen Vorteil zu bieten hat die Schöttli AG eine neue seitliche Spitzdüse entwickelt. Ziel war es, bei annähernd gleichen Werkzeugabmessungen die Anzahl der Formnester zu erhöhen und dadurch die Produktivität des Werkzeugs zu verbessern sowie vorhandene Kapazitäten effektiver zu nutzen.

Abbildung 1: Spritzgiessmaschinen und Werkzeuggrössen

Aufbau Heisskanalsystem

Im Rahmen des Entwicklungsprojekts wurde ein Probewerkzeug entwickelt. Im Bild ist der prinzipielle Aufbau des Systems dargestellt. 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, d.h. das System wird nach der Nachdruckzeit komplett entlastet. Vom beheizten Heisskanalblock wird die Schmelze über den Düsenhalter und den Düsenkanälen 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 ausschlaggebend für die verwendbare Kavitätenanzahl im Werkzeug war.

Mit der neuen Spitzdüse mit Vorkammerentlastung trägt die Vorkammer nicht mehr zur Auftriebskraft bei und es können deshalb bei gleichbleibender Schliesskraft mehr Kavitäten im Werkzeug realisiert werden.

Mechanische Auslegung der Komponenten

Um die Kundenanforderungen hinsichtlich Langlebigkeit zu erfüllen, wurde ein aufwendiges Messsystem installiert, das die Schmelzedrücke an verschiedenen Positionen des Systems erfasst. Ziel der Messung war es, eine genaue Aussage über den vorherrschenden Druck an der Maschinendüse, in der Schmelzevorkammer und schliesslich im Formnest zu erhalten. Die gemessenen Werte werden für die mechanische Simulation verwendet, um die Bauteile zum einen für den Dauerfestigkeitsbereich auszulegen, andererseits die Verformung der Bauteile zu ermitteln. Für die Auslegung neuer Werkzeuge kann die Schöttli AG so auf einen fundierten Datensatz zurückgreifen, der neben Prozessparametern wie Schmelzetemperatur und Einspritzgeschwindigkeit auch die Abhängigkeit vom Spritzgiessmaterial beinhaltet. Bei Neuentwicklungen kann damit die Auslegung der mechanischen Komponenten effizienter hinsichtlich Fertigungszeit und wirtschaftlicher Kosten gestaltet werden.

Abbildung 2: Schmelzedrücke im Prozess

Temperaturgleichgewicht in der Vorkammer

Eine Herausforderung bei der Auslegung der Heisskanaldüse stellt das Vorkammerdesign dar. Der Werkzeugbauer steht hier vor der Aufgabe, das optimale thermische Gleichgewicht zu finden. Die Vorkammerfläche und der Abstand der Düse zum Düseneinsatz beeinflussen die Schichtdicke der Isolation. Gleichzeitig werden hohe Anforderungen an den Angussbereich gestellt. Eine hohe Isolationsdicke hat zwar den Vorteil einer hoch temperierten 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. Eine vom Angussloch gesehen zu weit innen liegende Position führt zum Verschluss des Anspritzpunktes, steht der Düsenspitz zu weit vor, kann es zur Fadenbildung am Kunststoffformteil kommen. Bei der Auslegung der Vorkammergeometrie verwendet die Schöttli AG thermische Simulationen, die das Temperaturverhalten von Vorkammer und Heisskanaldüse beim Aufheizen und in mehreren Spritzgiesszyklen wiederspiegeln. So wird sichergestellt, dass die Heisskanaldüse an der optimalen Position steht und gleichzeitig die Vorkammergeometrie hinsichtlich thermischer Aspekte optimiert ist.

Typische Kunststoffformteile

Die Spritzgiessversuche wurden mit verschiedenen Standardthermoplasten aus dem Medizinalbereich durchgeführt. Die Schöttli AG kann die neue Sterndüse für PP, PE und PS sowie ABS anbieten. Typische Formteile sind Pipetten, Insulinpen- Nadelhalter und konventionelle Nadelhalter. Zusätzlich wurden weitere Materialien wie MBS erfolgreich getestet. Je nach Kundenanforderung können Spritzgiessversuche mit Dokumentation der vorherrschenden Drücke durchgeführt werden, um das neue Werkzeug bestmöglich auszulegen. Durch wechselbare Einsätze ist es auch möglich, spezifische Teile nach Kundenwunsch für die Vorserien zu realisieren. Die gewonnenen Erkenntnisse fliessen anschliessend in die Entwicklung der Produktionsform ein.

Zusammenfassung

Mit der neuen seitlichen Spitzdüse ermöglicht die Schöttli AG seinen Kunden, die vorhandene Fertigungskapazität effizienter zu nutzen. Durch die höhere Kavitätenzahl bei gleicher Werkzeuggrösse kann so eine wirtschaftliche Produktion sichergestellt werden. Als zusätzlichen Service bietet die Schöttli AG seinen Kunden an, neue Materialien vorab im Probewerkzeug zu testen. Mithilfe der Messtechnik können Prozessgrössen wie die Massedrücke und Temperaturen im System erfasst werden, die wiederum in Berechnungstools Verwendung finden. Umständliche Fertigungsschleifen bei der Umsetzung im Produktionswerkzeug können so vermieden und die Dauer der Werkzeugfertigung minimiert werden.