Spritzgiessen Space Puzzle Molding erleichtert Wechsel von Metall zu Kunststoff bei Spritzgieß-Kleinserien

Technische Kunststoffe sind mehr als ein billiger Metallersatz. Das lässt sich mit einem Rückspülkanal für die Reinigung von Automatikfiltern zeigen, bei dem es einen Wechsel von Edelstahl auf PPS gab. Dieser Hochtemperaturkunststoff hat positive Werkstoffeigenschaften, auch können daraus wirtschaftlich Kleinserien spritzgegossen werden. Angewendet wird dabei das Space Puzzle Molding.

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Immer wieder profitieren Kunststoffe von der Substitutionswelle bei Konstruktionswerkstoffen. Dabei geht es um mehr als nur Kostenersparnis. Die Gründe dafür, dass technische Kunststoffe immer häufiger mit Metallen konkurrieren, liegen vor allem in der höheren Gestaltungsfreiheit und im niedrigeren Gewicht der daraus gefertigten Bauteile – im Verbund mit lokal erforderlichen Eigenschaften wie Temperatur- und chemische Beständigkeit.

Industriefilter mit Spülkanal aus faserverstärktem Hochtemperaturkunststoff

Diese Eigenschaftskombination hat die Konstrukteure im Werk Öhringen der Mahle Filtersysteme überzeugt, einen Industriefilter mit einem Spülkanal aus Kunststoff auszustatten. In der Fürther Protoform Konrad Hofmann GmbH fand man den geeigneten Entwicklungspartner.

Seit kurzem ist der Automatikfilter auf dem Markt (Bild 1) – ein Produkt, wie es in der Chemie- und Metallindustrie zur Anwendung kommt. Damit werden die Reinigung der Filterelemente und die Entsorgung des Filterkuchens zum Beispiel in Kühl- und Prozesswasserkreisläufen automatisiert. Ein wirtschaftlicher Non-Stop-Betrieb der Produktionsanlagen ohne Unterbrechung aufgrund von Filterwartungsarbeiten ist die Folge.

Aus diesem Grund setzen sich automatische Filtersysteme immer mehr durch. Diese Systeme werden meist mit Hilfe von Druckluft gereinigt, die mit 5 bis 6 bar durch eine Kanalöffnung zum Filterelement strömt, dort die Feststoffe von der Filteroberfläche löst und sie über einen Sammelkonus in einen Schmutztank leitet.

Rückkanal aus Kunststoff mus Temperaturen bis 180 °C standhalten

Entsprechend hoch sind die Anforderungen an den Rückspülkanal, der Temperaturen bis 180 °C standhalten und chemikalienbeständig sein muss. Außerdem wird eine hohe Druckstabilität und Maßhaltigkeit verlangt (Bild 2).

Diesen hohen Anspruch erfüllt der Kunststoff Polyphenylsulfid (PPS). Aus diesem Thermoplast mit 40 Vol.-% Faseranteil, den der Kunststoffdistributeur Albis unter dem Namen Tedur auf den Markt brachte, wird der Spülkanal als zweiteilige Komponente hergestellt.

Space Puzzle Molding als Spritzgießverfahren für kleine Losgrößen

Zur Anwendung kommt dabei das Space Puzzle Molding (SPM): ein Spritzgießverfahren, das Protoform für kleine Losgrößen entwickelt hat. Damit werden in der Einführungsphase rund 100 Kanäle im Jahr spritzgegossen.

Die dazu verwendete mehrteilige Spritzgießform ist für eine Losgröße bis zu 2000 Stück konstruiert (Bild 3). Bei höherem Bedarf kann die Standzeit durch Beschichten verlängert werden. Braucht man jedoch mehrere tausend Teile, ist üblicherweise die Herstellung eines Serienwerkzeugs zu empfehlen.

Space-Puzzle-Molding-Verfahren kommt mit einfacher Form aus

Für das SPM-Verfahren ist meist eine einfache Form ausreichend, ohne Auswerfer, Schieber und andere werkzeugverteuernde Komponenten. Sie kann aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.

Im Formenbau von Protoform werden meist hochfeste Aluminiumlegierungen verarbeitet. Für die Formgebung des Kanals aus dem Hochtemperaturkunststoff PPS greift man jedoch auf Stahl zurück.

Rapid-Tooling-Prozess erlaubt hochautomatisiertes Spritzgießen

Dabei sorgt ein Rapid-Tooling-Prozess für hochautomatisierte Abläufe. Die mehrteilige Form wird von Hand oder mit Hilfe eines Handlinggeräts in den Formenträger eingesetzt. Nach dem Spritzgießen werden die Teile manuell entformt.

Bei der Kanalkonstruktion konnte man sich nicht am Vorgängermodell aus Edelstahl orientieren. Es bestand aus etwa 25 Einzelteilen, darunter eine verschleißanfällige Abstreiferleiste aus PTFE oder Polyurethan, die unter üblichen Anwendungsbedingungen alle zwei bis drei Jahre gewechselt werden sollte. Das bedeutete Anlagenstillstand und Wartungskosten.

Montage-Spritzgießen erlaubt zusätzliches Inlay

Um schneller und kostengünstiger auf wechselnde Bedingungen reagieren zu können, hat sich zusätzlich ein Inlay als nötig erwiesen. Daher wird für die Kanalherstellung das Montage-Spritzgießen angewandt, das eine druckdichte Verbindung zwischen den beiden Kanalteilen erzeugt.

Bei der spritzgießtechnischen Optimierung hat Protoform Werkstoffanhäufungen eliminiert, Wanddicken- und Rippengestaltung festgelegt sowie eine Schraubverbindung am Kanal positioniert. Das Ergebnis ist ein Funktionsteil, das allen Anforderungen entspricht und einem Innendruck von 8 bar standhält.

Im Vergleich zum Vorgängermodell aus Edelstahl hat die Kunststofflösung eine Reihe von Vorteilen:

• Von der Funktion her arbeitet sie berührungsfrei. Das heißt: Im Gegensatz zur Edelstahlausführung mit PTFE- oder PUR-Dichtung hat sie keinen direkten Kontakt zum rotierenden Filterelement, zwischen dem und der Injektionsdüse des 300 mm langen Kanals sich ein Spalt befindet. Daraus ergibt sich der Vorteil der Verschleißfreiheit, jedoch auch der Anspruch an eine hohe Maßhaltigkeit. So wurde bei der Herstellung eine Genauigkeit bezüglich Lagerdurchmesser inklusive Lage- und Formtoleranzen von ±0,25 mm gefordert.
• Werkstofflich bietet der Hochtemperaturwerkstoff PPS mit Langfaserverstärkung mehr Flexibilität in der Kanalanwendung. Die Chemikalienbeständigkeit ist gut und die Formfestigkeit bis zu einer Temperaturbelastung von 260 °C sichergestellt. Dadurch wird mit dem Werkstoff ein breites Anwendungsspektrum hinsichtlich der zu fördernden Medien abgedeckt – und Mahle ein immer wiederkehrendes Anwendungsproblem erspart, das sich daraus ergibt, dass man meist das mit dem Filter zu reinigende Medium nicht kennt. In vielen Fällen wird man höchstens über die Stoffart informiert. Bei 70% der Filteranwendungen handelt es sich um Kühl- oder Schmiermittel. In Betracht kommt jedoch auch die Aufbereitung von Overspray in der Lackierung und die Reinigung von Isocyanaten in der Schaumstoffproduktion sowie das Filtern von Schokolade oder Marmelade in der Nahrungs- und Genussmittelindustrie. Der Automatikfilter wird für sehr unterschiedliche Stoffe verwendet.
• Die Montage des Rückspülkanals im Filter ist einfach. Dazu trägt einerseits die Konstruktion als zweiteilige Komponente bei. Insgesamt besteht die Baugruppe aus vier Teilen. Die deutliche Reduzierung der Einzelteileim Vergleich zum Vorgängermodell aus Edelstahl macht die Verwendung einer Vorrichtung beim manuellem Montieren überflüssig macht. Andererseits wiegt das Kunststoffteil weniger als 200 g. Damit ist es deutlich leichter als der bisherige Edelstahlkanal, der 1,3 kg auf die Waage brachte. Dazu kommen Kostenvorteile: Als zweiteiliges Produkt ist der Kanal deutlich günstiger. Davon profitieren auch die Kunden.

Außerdem gibt es anwendungsspezifische Kosteneffekte, die aus dem strömungsoptimierten Innenkanal resultieren und eine Verbesserung der Filterreinigung bewirken dürften. So kann damit gerechnet werden, dass zur Reinigung eine Filterumdrehung ausreichend ist.

Rückspülen wird mit Kunststoff-Spülkanal schneller

Mit dem Spülkanal aus Edelstahl hat man unter Umständen zwei bis drei Umdrehungen benötigt. Aufgrund dieses Unterschied wird der Rückspülvorgang zeitlich verkürzt und die Flüssigkeitsmenge, die durch das Spülen zurück in den Schmutztank gelangt, reduziert.

Diese positiven Effekte haben dazu geführt, dass die Werkstoffumstellung auf weitere Bauteile des Automatikfilters ausgedehnt wurde. Inzwischen ist Optimierung dieser Teile abgeschlossen. Sie ollen in Kürze zur Anwendung kommen. Währenddessen wird daran gearbeitet, den Innenkanal aus technischem Kunststoff auf alle anderen Automatikfilter von Mahle zu übertragen.

Dietrich Stötzer ist Leiter Automatikfilter in der Konstruktion im Bereich Industriefiltration der Mahle Filtersysteme GmbH in 74613 Öhringen. Wolfgang Tykvart ist Marketingleiter bei der Protoform Konrad Hofmann GmbH in 90766 Fürth-Hardhöhe.

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