Thermoplastverarbeitung Herstellung langer Profilteile auf Spritzgießmaschinen möglich

Eine Kombination aus Extrusion und Spritzgießen ermöglicht die Fertigung dünnwandiger Profilteile mit definierter Länge. Das Exjection-Verfahren lässt Geometrieänderungen senkrecht zur Profillänge und eine Oberflächenstrukturierung zu. Grundsätzlich erschließt das Verfahren die Anwendungsflexibilität von Spritzgießmaschinen zur Herstellung montagefertiger Profile in einem Zyklus.

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Die Fließfähigkeit des Kunststoffs schränkt üblicherweise beim klassischen Spritzgießen die Fertigung langer, dünnwandiger Profilteile ein. Diese Einschränkung ist bei der Profilextrusion nicht vorhanden. Allerdings bietet sie nicht die Fertigungsflexibilität des Spitzgießens – zum Beispiel hinsichtlich der definierten Länge, der Formgebung und der Integration von Geometrieelementen quer zur Extrusionsrichtung.

Neues Exjection-Verfahren wird auf der K vorgestellt

Die Vorteile beider Verfahren können nun auf der elektrischen Spritzgießmaschine E-Motion von Engel Austria, Schwertberg, zum Tragen kommen – bei Anwendung des kombinierten Verfahrens Exjection, das der österreichische Maschinen-, Werkzeug- und Automatisierungsspezialist auf der Kunststoffmesse K 2007 in Düsseldorf vorstellen wird.

Das Verfahren Exjection wurde von der Hybrid Composite Products GmbH und dem Ingenieurbüro Steiner entwickelt. Ziel beider Schwesterunternehmen mit Sitz in Spielberg/Österreich ist es, die Prozess- und Verfahrenstechnik in der Kunststoffverarbeitung zur Fertigung innovativer Produkte voranzutreiben. Engel Austria hat das Verfahren Exjection auf der elektrischen Maschine analysiert und weiterentwickelt. Beides geschah im Rahmen einer mehrjährigen Prozessanalyse.

Am Ende bestätigte sich die Tauglichkeit des Verfahrens bei der Fertigung von Serienteilen. An der Konzeption und dem Bau des zur Verfahrensoptimierung erforderlichen Formwerkzeugs waren der Werkzeugstahlerzeuger Böhler-Uddeholm, der Normalienhersteller Hasco und der Beschichtungsspezialist Oerlikon Balzers Coating beteiligt.

Verschieben der Kavität quer zur Spritzgießmaschine

Der Unterschied zum klassischen Spritzgießen liegt wesentlich im Werkzeugeinsatz mit der Kavität für die Profilherstellung. Beim Einspritzen der Schmelze wird er quer zur Maschinenlängsachse verschoben. Beim Füllen der Kavität kommt es auf eine genaue Abstimmung des Schmelzestroms und der Verschiebegeschwindigkeit des Werkzeugeinsatzes an. Die Vorlaufgeschwindigkeit der Plastifizierschnecke in der Maschine erzeugt den Schmelzestrom. Aufgrund der Verschiebebewegung des Werkzeugs werde – so Engel Austria – stets ein freies Kavitätenvolumen geschaffen, das die einströmende Schmelze kontinuierlich füllt.

Wie das klassische Spritzgießen enthält das Verfahren eine Nachdruckphase, innerhalb der die Schmelze in der Kavität verdichtet wird, um Profilstrukturen abzuformen und Einfallstellen zu vermeiden. Dazu hält die Maschine die Schmelze im Bereich der Anspritzstelle unter Druck. Prozesstechnisch heißt das: Der Werkzeugeinsatz bewegt sich etwas langsamer, als es aufgrund des vorgegebenen Schmelzestroms für eine ansonsten beinahe drucklose Füllung – theoretisch – sein müsste. Diese Voraussetzung wird laut Engel Austria am besten von einer elektrischen Spritzgießmaschine der Baureihe E-Motion erfüllt.

Bei dieser Maschine werden nicht nur die Schnecke und die Werkzeugspannplatten elektrisch bewegt, sondern auch der Werkzeugeinsatz – über Servomotor und Kugelumlaufspindel. Die Synchronisation der Einspritz- und Verschiebebewegungen sei damit über einen großen Geschwindigkeitsbereich gegeben. Eine hohe Plattenparallelität und eine gleichmäßige Presskraftverteilung der Werkzeugschließeinheit stellten sicher, dass einerseits kein Grat gespritzt werde, andererseits der Werkzeugeinsatz trotz der notwendigen Schließkraft noch leicht verschiebbar sei.

Das Verfahren Exjection produziert Profile mit einer über das Werkzeug definierten Länge. Zur Fertigung ist nur ein einziger Anspritzpunkt erforderlich. Dennoch lassen sich die Teile – in einem Fertigungszyklus – mit Befestigungs-, Abschluss-, Verstärkungs- und Dekorelementen versehen. Außerdem kann im Gegensatz zum Extrudieren der Querschnitt der Teile verändert werden.

Profilähnliche Kunststoffteile, die sich durch Extrudieren kontinuierlich quasi in unendlicher Länge wirtschaftlich herstellen lassen, haben laut Engel Austria immer einen konstanten Querschnitt: Man könne weder die Dicke von Konturen und Stegen beeinflussen, noch ließen sich quer zur Extrusionsrichtung Geometrieelemente – zum Beispiel Verstärkungsrippen oder Befestigungselemente – in die Profile integrieren. Darüber hinaus sei eine definierte Oberflächenstrukturierung bei profilähnlichen Extrudaten nicht möglich.

Kavität ermöglicht relativ freie Profilgestaltung

Dagegen lassen sich längliche Kunststoffteile, die im klassisches Spritzgießverfahren in einem Fertigungszyklus hergestellt werden, in jeder Raumrichtung relativ frei gestalten. Eine anforderungsgerechte Auslegung mit Rippen, Befestigungselementen und nahezu jeder Oberflächenstruktur ist möglich. Jedoch sind der Länge des Spritzgießteils Grenzen gesetzt.

Das habe, so der Maschinen- und Werkzeugbauer, physikalische oder zumindest wirtschaftliche Gründe: In einem gekühlten Werkzeug sei die Fließfähigkeit der Kunststoffschmelze begrenzt, so dass selbst ein Mehraufwand für Kaskadenspritzgießen, Prägetechnik oder extrem hohe Einspritzdrücke mögliche Einfallstellen und mangelhafte Oberflächenabformung am Ende sehr langer Fließwege kaum verhindern könne. Zwar begünstige eine variotherme Werkzeugtemperierung die vollständige Formfüllung, dabei überschreite sie allerdings bei sehr langen Formteilen die Grenzen einer wirtschaftlichen Anwendung.

Fertigung von 930-mm-Profilen auf elektrischer Spitzgießmaschine

Auf der Kunststoffmesse K 2007 stellt Engel Austria das Verfahren Exjection auf der elektrischen 550-kN-Spritzgießmaschine E-Motion vor. Dort werden auf der Maschine (Version 200/50) 930 mm lange Profile mit einer Wanddicke von 1,2 mm gefertigt. Als Ziel dieser Demonstration hat man die Bekanntmachung des Verfahrens am Markt ausgegeben. Das gehe am besten über die Fertigungs- und Produktvorteile:

• Zur Fertigung langer, dünnwandiger Profile sind nur ein Anspritzpunkt und eine niedrige Werkzeugschließkraft erforderlich.
• Die Formfüllung geschieht kontinuierlich ohne Bindenähte.
• Eine Komplettierung der Profile mit Geometrie- oder Strukturelementen quer zur Fließrichtung ist bei der Formgebung möglich.
• Das Verfahren bietet die Möglichkeit der Oberflächenstrukturierung am Formteil direkt im Werkzeug.
• Eine geringe Schmelzeorientierung sorgt für minimierte Eigenspannungen im Profil.

Mit diesen Vorteilen zielt man vor allem auf die Bau-, Automobil- und Luftfahrtindustrie. Dort gebe es ein großes Anwendungspotenzial für diese Teile: zum Beispiel für Verkleidungen, als Dichtungs- und Dekorelemente. Grundsätzlich könne das Verfahren Exjection für alle Branchen von Vorteil sein, die heute bereits längliche, profilierte Kunststoffteile fertigen oder einsetzen.

Die Möglichkeit zur Abdeckung dieses breiten Anwendungsspektrums hält man aufgrund der Verfahrensflexibilität für gegeben. So ermöglicht das Verfahren Exjection die Kombination mit der Mehrkomponenten-Prozesstechnik: etwa zur Fertigung von Profilen mit Sandwich-Struktur aus hartem Formteilkern und weicher Außenhaut. Außerdem lässt das Verfahren das Hinterspritzen von eingelegten Dekorfolien zu.

Dadurch entstehen Profile, die zum Beispiel eine Holz-, Carbonfaser- oder Folienoptik vermitteln. Darüber hinaus können beim Verfahren Exjection Metallteile wie Buchsen ins Werkzeug eingelegt werden. Das Umspritzen der Metallteile bei der Profilentstehung erspart die nachträgliche Montage.

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