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Erhöhte Flexibilität

| Redakteur: MM

Injection Transfer Moulding ist eine Alternative zum Spritzgießen mit Mehrkavitätswerkzeugen und Heißkanalsystemen. Aufgrund ständig steigender Anforderungen an die Qualität spritzgegossener Produkte...

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( Archiv: Vogel Business Media )

Injection Transfer Moulding ist eine Alternative zum Spritzgießen mit Mehrkavitätswerkzeugen und Heißkanalsystemen Aufgrund ständig steigender Anforderungen an die Qualität spritzgegossener Produkte bei gleichzeitiger Kostensenkung ist es notwendig, bei maximierter Maschinenauslastung und hoher Prozesssicherheit zu produzieren. Aus diesem Grund haben sich Mehrkavitätenwerkzeuge mit Heißkanälen bereits seit vielen Jahren etabliert. Neben den wirtschaftlichen Vorteilen ergeben sich eine Vielzahl technischer Vorteile, wie geringe Druckverluste, lange realisierbare Fließwege oder verlängerte wirksame Nachdruckzeit. Nichtsdestoweniger sind aber auch einige technische Schwierigkeiten zu nennen: Einerseits ist die unterschiedliche Wärmeeinbringung in die einzelnen Kavitäten noch problematisch, was - von Kavität zu Kavität - zu verschiedenen Bauteileigenschaften führen kann. Andererseits ist das relativ teure Heißkanalsystem meist nur für ein bestimmtes Bauteil und Werkzeug konzipiert, so dass es sich für weitere Werkzeuge nur selten verwenden lässt. Eine Alternative zu den Werkzeugen mit Heißkanaltechnik bietet das Injection Transfer Moulding (ITM), das bereits seit vielen Jahren zur Verarbeitung von Elastomeren angewandt wird [1] und vom Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) der RWTH Aachen auf die Thermoplastverarbeitung übertragen wurde. Beim ITM-Verfahren handelt es sich um eine Kombination aus herkömmlichem Spritzgießen und Transfer Moulding, wobei sich die Vorteile beider Verfahren sinnvoll ergänzen Transfer der Schmelze in die kalte WerkzeughälfteDas Werkzeug ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Werkzeughälfte auf Schmelzetemperatur temperiert ist. In dieser Hälfte befindet sich ein Schmelzespeicher, der so genannte Transfertopf. Von diesem wird die Schmelze in die kalte Werkzeughälfte überführt, in der sich die abzuformenden Kavitäten befinden (Bild 1).Dazu sind die beiden Werkzeughälften thermisch durch eine Wärmedämmplatte voneinander getrennt. Der Transfertopf bildet das Kernstück des gesamten Werkzeugs. Zwischen Kolben und Zylinder des Transfertopfs ist ein geringes Spaltmaß vorgesehen, durch den ein geringer Schmelzeleckagestrom aus dem Transfertopf fließt. Dieser ist notwendig, damit zum einen eine selbstaufbauende Dichtung und eine hinreichende Schmierung der beiden Reibpartner gewährleistet ist. Zum anderen sorgt der Leckagestrom dafür, dass die Schmelze nicht unzulässig lange im Transfertopf verweilt und sich thermisch zersetzt, sondern entsprechend aus dem Transfertopf fließt.Der Prozessablauf beim ITM-Verfahren gliedert sich wie folgt (Bild 2): Der Prozess beginnt mit dem Schließen des Werkzeugs in der Kavitätstrennebene, so dass sich das Werkzeug in einer definierten Prägeposition befindet. Von dort aus wird es über einen Prägehub weiter zusammengefahren und die Schmelze aus dem Transfertopf über die Angießbuchsen in die Kavitäten überführt. Dieser Prägehub kann in der ersten Phase geschwindigkeitsgeregelt (entsprechend der Einspritzphase) und anschließend druckgeregelt (entsprechend der Nachdruckphase) vollzogen werden. Dem schließt sich die Kühlphase an. Nach der Restkühlzeit wird zunächst die Transfertopfebene oder der Transfertopf aufgefahren. Gleichzeitig wird die Schmelze in den sich öffnenden Transfertopf eingespritzt oder intrudiert, so dass die Schmelze im Transfertopf für den nächsten Zyklus bereitsteht. Im weiteren Verlauf öffnet sich die Kavitätstrennebene und die Bauteile werden ausgeworfen. Sowohl im Hinblick auf die Bauteilqualität als auch hinsichtlich der Flexibilität des Verfahrens bietet das ITM-Verfahren einige Vorteile gegenüber herkömmlichen Mehrkavitätenwerkzeugen mit Heißkanälen. Aus dem kurzen Fließweg zwischen Transfertopf und Kavität resultiert ein geringer Druckverlust und eine niedrige Scherbelastung der Schmelze, was zu geringen Molekülorientierungen und verzugsarmen Bauteilen führt. Reduzierte Schwankungen des BauteilgewichtsIn umfassenden Prozessuntersuchungen [2 bis 4] wurde der Einfluss der wesentlichen Prozessparameter wie Prägekraft und Prägegeschwindigkeit, aber auch der Temperaturen des Transfertopfs und der kalten Werkzeugseite auf die erreichbaren Bauteilqualitäten wie Bauteilgewicht und Oberflächengüte erarbeitet: Die Bauteileigenschaften lassen sich gezielt beeinflussen. Unter konstanten Parametern zeigt sich, dass die Schwankung des Bauteilgewichts unter konstanten Prozessbedingungen unterhalb von 0,5% innerhalb einer Kavität liegt. Der Gewichtsunterschied zwischen den Kavitäten liegt unterhalb von 0,8% (Bild 3).Durch den Einsatz des Transfertopfs als Schmelzespeicher im Werkzeug ist das realisierbare ,,Schussvolumen" unabhängig vom maximalen Plastifiziervolumen der Einspritzeinheit. Darüber hinaus kann der Transfertopf für alternative Bauteilgeometrien eingesetzt werden und muss nicht - wie beim Heißkanal üblich - für jedes zu fertigende Bauteil neu konstruiert werden. Aus der Verwendung des Transfertopfs lässt sich ein weiterer Vorteil ableiten, weil sich durch das direkte Anspritzen der Kavitäten eine natürliche Angussbalancierung gewinnen lässt, sogar bei ungerader Kavitätsanzahl oder unsymmetrischer Kavitätsanordnung. Dies resultiert in einer einheitlichen Kavitätsfüllung und in Bauteilen gleicher Qualität (Bild 4). Nicht zuletzt können durch den Wegfall eines Heißkanalverteilersystems Kosten reduziert werden, was jedoch im Individualfall zu prüfen ist. Auch für die Herstellung kleiner Bauteile ist das Verfahren interessant. Aus dem Verzicht eines Heißkanals lässt sich eine hohe Anzahl an Kavitäten im Werkzeug unterbringen, die sonst aufgrund der Einbaugröße des Heißkanals begrenzt ist.Die maschinenseitigen Anforderungen beschränken sich in erster Linie auf die Softwareoption einer Prägesteuerung. Eine Möglichkeit der Parallelbewegung an der Spritzgießmaschine ist dann notwendig, wenn parallel zum Öffnen des Werkzeugs die Schmelze für den nächsten Zyklus in den Transfertopf gelangen soll. Konstruktiv bedingt, bewirkt schon ein geringer Verfahrweg des Werkzeugs einen relativ großen Massefluss. Bei einem Topfdurchmesser von beispielsweise 100 mm bedeutet 1 mm Verfahrweg bereits ein Schmelzevolumen von 7,8 cm3. Jedoch ist diese Problematik auch vom Spritzprägen bekannt, so dass gängige Spritzgießmaschinen eine hinreichend genaue Wegregelung bis in den Bereich eines Zehntelmillimeters haben.Schonende Verarbeitung empfindlicher WerkstoffeIm ITM-Prozess lassen sich prinzipiell alle gängigen Thermoplaste (wie PP, PA und PS) verarbeiten. Dabei wurde bislang ein Temperaturunterschied im Werkzeug von knapp über 200 K erreicht, wodurch bei der Verarbeitung von Hochtemperatur-Thermoplaste eine Werkstoffeinschränkung für das Verfahren nötig sein könnte. Vorteilhaft ist das Verfahren aber immer bei der Verarbeitung scherempfindlicher Werkstoffe wie Keramikformmassen (Pulverspritzgießen) und langglasfaserverstärkte Thermoplaste. Hierbei lässt sich durch geeignete Prozessführung die Scherbelastung auf die Schmelze reduzieren und die Schädigung der Glasfaser gering halten [5]. Ebenso eignet sich das Verfahren für thermisch empfindliche Formmassen: Lokale Temperaturspitzen sind wegen des großen beheizten Volumens der gesamten Werkzeughälfte nicht zu befürchten. Die Verweilzeit der Schmelze im Transfertopf beträgt wenige Zyklen. Daher lässt sich der Transfertopf innerhalb weniger Zyklen mit neuer Schmelze spülen. Dies kann bei schnellem Werkstoffwechsel von Vorteil sein (Bild 5).Schließlich handelt es sich beim ITM-Verfahren um ein für Thermoplaste neues Verarbeitungskonzept, dessen Potenzial sich erst in der Praxis beweisen muss. Erst durch einen Vergleich von Bauteilen, die einerseits mit herkömmlichem Heißkanalwerkzeug, andererseits im ITM-Verfahren hergestellt werden, lassen sich Anwendungsgrenzen finden. Zum jetzigen Zeitpunkt kann das Verfahren als sinnvolle Ergänzung zur bestehenden Technologie betrachtet werden.Literatur[1] Cottancin, G.: Herstellung von Form-artikeln nach dem Injektions-Transfer-Verfahren. Gummi Fasern Kunststoffe 32/1979, S 31-39.[2] Michaeli, W. und M. Koch: Effiziente Herstellung thermoplastischer Bauteile in Mehrkavitätenwerkzeugen nach dem Injection-Transfer-Moulding-Verfahren. Abschlussbericht zum AiF-Vorhaben Nr. 4138/98, 2001.[3] Gerding, L.: Experimentelle Analyse des Injection-Transfer-Moulding-Verfahrens für Thermoplaste an einem Mehrkavitätenwerkzeug. Studienarbeit am IKV, RWTH Aachen 2001.[4] Siaw, E.: Investigation of the Application of the Injection Transfer Moulding Process for Powder Injection Moulding. Masterarbeit am IKV, RWTH Aachen 2001.[5] Opfermann, D.: Einsatz langglasfaserverstärkter Formmassen beim ITM. Diplomarbeit in Vorbereitung am IKV, RWTH Aachen 2002.