Spritzgiessen ITM-Verfahren in der Serienfertigungbei thermoplastischen Formteilen

Nach erfolgreichen Tests mit einem Prototypwerkzeug soll sich das Spritzgießverfahren Injection Transfer Moulding in der Serienfertigung bei kleinen Thermoplastteilen etablieren. Eine wirtschaftliche Anwendung bei hohen Stückzahlen ist möglich. Dafür spricht vor allem der Verzicht auf aufwändige Anguss-Systeme. Sogar ein angussloses Spritzgießen ohne Heißkanaltechnik ist realistisch.

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Fastems Systems GmbH

trivid GmbH

Mikron Switzerland AG, Division Tool

Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Industrie und Handwerk an der Rheinisch-Westf. TH Aachen

Alfred Kratz Kunststoffprodukte GmbH

Steigende Anforderungen an die Flexibilität und Wirtschaftlichkeit der Fertigung spritzgegossener Kunststoffbauteile lassen schon seit einigen Jahren einen starken Trend zur Erhöhung der Kavitätenanzahl bei Spritzgießwerkzeugen erkennen. Dieser Trend macht sich vor allem bei verhältnismäßig kleinen Bauteilen bemerkbar, bei denen oft keine höchste Präzision gefordert ist.

Eine attraktive Variante zur Herstellung dieser Teile in hohen Stückzahlen stellt das ITM-Verfahren dar (Injection Transfer Moulding). Es ist bei der Verarbeitung vernetzender Formmassen in Mehrkavitätenwerkzeugen etabliert [1]. Nun wurde es durch Arbeiten am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) der RWTH Aachen für thermoplastische Formmassen erschlossen [2 und 3].

Beim ITM-Verfahren handelt es sich um eine Kombination aus Spritzgießen und Transfer Moulding, wobei sich die Vorteile beider Verfahren sinnvoll ergänzen. Im Gegensatz zum konventionellen Spritzgießen wird die Formmasse nicht direkt über ein komplexes Angusssystem in die Kavitäten des Werkzeugs eingespritzt, sondern erst das im Spritzgießaggregat aufdosierte Schmelzevolumen in eine so genannte Transferkammer überführt. In einem zweiten Prozess-Schritt transferiert ein Kolben-Zylinder-System die Schmelze aus der auf Schmelzetemperatur gebrachten Transferkammer in die einzelnen Kavitäten des geschlossenen Werkzeugs (Bild 1).

Im Vergleich zum konventionellen Spritzgießen bietet das ITM-Verfahren wesentliche Vorteile: Aufgrund der kurzen, identisch gestalteten Angusskanäle kommt das Verfahren mit vergleichsweise niedrigen Einspritzdrücken aus [4]. Zudem kann eine lange, effektive Nachdruckphase realisiert werden. Dadurch ist es möglich, eigenspannungs- und verzugsarme Bauteile bei geringer Schwindung herzustellen. Auch schersensitive Thermoplaste lassen sich daher schonend verarbeiten.

NeuesVerfahren vermeidet Anguss ohne Heißkanaltechnik

Hinsichtlich Flexibilität und Kosten des verwendeten Werkzeugs erweist sich der Verzicht auf aufwändige Angusssysteme im Vergleich zu konventionellen Mehrkavitätenwerkzeugen als vorteilhaft. Zudem erlaubt die universelle Verwendbarkeit der Transferkammer die Herstellung eines breiten Spektrums an Produkten durch einfache Anpassung der Kavitätsseite.

Spritzgießen mit Injection Transfer Moulding stellt höhere Anforderungen

Allerdings gehen die Vorteile teilweise mit gesteigerten Anforderungen an die Prozessführung, die Werkzeug- und Maschinentechnik einher. Sowohl der Werkzeugaufbau als auch der Prozessablauf sind im Vergleich zum Standard-Spritzgießen komplexer.

Gerade eine hohe, gleichmäßige Bauteilqualität setzt eine entsprechende Maschinentechnik voraus. Für Bauteile hoher Qualität ist so eine hohe Positionierungsgenauigkeit der Schließseite vorteilhaft [2 und 5].

IKV entwickelt Injection Transfer Moulding weiter

Nach der erfolgreichen Übertragung des ITM-Verfahrens auf die Thermoplastverarbeitung mittels eines am IKV entwickelten Prototypenwerkzeugs war das Ziel, den zwischen Transfertopf und Kavität liegenden Erstarrungspunkt der Schmelze so weit in Richtung der Kavitäten zu verlegen, dass Bauteile ohne einen verbleibenden Restanguss hergestellt werden können. Nachfolgende Verarbeitungsschritte zur Entfernung des Angusses sollen dadurch vermieden werden, sodass man das Verfahren auch als wirtschaftliche Alternative zur konventionellen Heißkanaltechnik ansehen kann.

Dafür wurde zunächst ein Konzept entwickelt, das ausschließlich die Wärmeenergie der heißen Werkzeugseite dazu nutzt, die Schmelze bis in die einzelnen Kavitäten flüssig zu halten. Auf den Einsatz von Heißkanaltechnik und die damit verbundenen hohen Investitionskosten kann somit verzichtet werden [2 und 5].

Angusslose Fertigung mit Serienwerkzeug

Das Konzept wurde erstmals an einem modifizierten Serienwerkzeug der Alfred Kratz Kunststoffprodukte GmbH, Trusetal, für Fliesenabstandskreuze umgesetzt. Diese Abstandshalter werden benutzt, um eine gleichmäßige Fugenbreite bei der Verlegung von Fliesen zu garantieren. Dazu stellt sie der Spritzgießer Kratz in unterschiedlichsten Größen her. Das Prototypenwerkzeug ermöglicht die automatische Herstellung von zwölf Abstandskreuzen pro Spritzgießzyklus.

Weil das ITM-Werkzeug die Möglichkeit bietet, durch einfaches Wechseln der schließseitigen Kavitätsplatte Fliesenabstandskreuze variierender Schenkelbreite flexibel herzustellen, wurde das Konzept der angusslosen Bauteilfertigung mit dem ITM-Verfahren nun erstmals am IKV in Zusammenarbeit mit Kratz auf ein Serienwerkzeug höherer Kavitätenzahl übertragen.

Bis zu 101 Kavitäten im Werkzeug

Bei einem maximalen Transfertopfdurchmesser von 180 mm sind bis zu 101 Kavitäten im Werkzeug angeordnet (Bild 2). Bei der Anordnung der Kavitäten musste nicht nur darauf geachtet werden, dass die Anspritzpunkte weit genug auseinander liegen, um drei unterschiedliche Fliesenabstandshaltergrößen in die Kavitätsplatte integrieren zu können.

Wichtig war auch, dass aufgrund der je nach Bauteilgeometrie variierenden Einspritzvolumina die Transfertopfhübe in einem tolerablen Bereich liegen. Außerdem ist eine ausreichende mechanische Stabilität der Werkzeugplatten sicherzustellen. Die Schmelzekanäle zwischen Transfertopf und Kavität bestehen deshalb aus Metallhülsen, die auf der heißen Werkzeugseite montiert sind und über Wärmeleitung auf hinreichend hoher Temperatur gehalten werden (Bild 3) [2 und 5].

Kürzere Zykluszeit erreicht als mit üblichen Werkzeugen

Die Konzeptionsphase wurde durch thermische Simulation mit dem Ziel begleitet, die Temperaturverhältnisse in Transfertopf und Anschnittbereich zu ermitteln. Praktische Untersuchungen bestätigten die Ergebnisse der Simulationen. Durch Verzicht auf einen im ursprünglichen Produktionswerkzeug eingesetzten Angussverteiler ließ sich zudem die Zykluszeit im Vergleich zur Fertigung im herkömmlichen Prozess mit Verteilerkanal um etwa 15% reduzieren.

Mit der erfolgreichen Realisierung der angusslosen Bauteilherstellung im ITM-Verfahren wurde ein wesentlicher Beitrag auf dem Weg zur Serienreife dieses noch relativ jungen Verfahrens in der Thermoplastverarbeitung geleistet. Aufgrund der prozess- und werkstoffspezifischen Vorteile kann das ITM-Verfahren trotz aufwändiger Werkzeugtechnik schon zum jetzigen Zeitpunkt als sinnvolle Ergänzung zu der bereits etablierten Heißkanaltechnik betrachtet werden.

Prof. Dr.-Ing. Walter Michaeli leitet das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen. Dipl.-Ing. Tobias Pfefferkorn ist dort wissenschaftlicher Mitarbeiter.

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