Spritzgießen Variotherme Werkzeugtemperierung verbessert Formteilqualität beim Spritzgießen

Bei der variothermen Werkzeugtemperierung wird die Werkzeugwand vor dem Einspritzen auf den Temperaturbereich der einströmenden Schmelze erwärmt. Erst nach der Füllen der Werkzeugkavität beginnt Kühlung. Davon verspricht sich der Maschinen- und Werkzeugbauer Engel eine Qualitätsverbesserung bei Spritzgießteilen.

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Die variotherme Werkzeugtemperierung kann zum Beispiel die die mechanischen Eigenschaften von Spritzgießteilen steigern. Damit lassen sich aber auch optische Mängel an Formteilen mindern. Außerdem macht es laut Engel die Ausbildung bestimmter Oberflächeneffekte wie das Abformen von Mikrostrukturen erst ermöglichen. Das Unternehmen zeigt auf der Messe K 2007 am Beispiel zweier Exponate und zwei verschiedener Varianten zur Aufheizung der Kavität, wie die variotherme Werkzeugtemperierung die Formteilqualität steigern kann.

Unvollständige Formfüllung und Abformung beim Spritzgießen wird vermieden

Beim Einspritzen der Kunststoffschmelze in ein gekühltes Werkzeug kommt es zur Erstarrung. Die Erstrarrungsrichtung verläuft von der Werkzeugwand zur plastischen Seele hin. Je intensiver eine Werkzeugwand gekühlt wird, desto schneller erstarrt die Schmelze, desto kürzer ist die Zykluszeit und desto besser meist die Wirtschaftlichkeit des Prozesses.

Allerdings besteht beim Spritzgießen von Formteilen mit dünnen Wänden – also langen Fließwegen – oder filigranen Oberflächenstrukturen die Gefahr unvollständiger Formfüllung oder mangelhafter Oberflächenabformung. Anders verhält es sich bei der variothermen Werkzeugtemperierung.

Werkzeugwand wird vorübergehend aufgeheizt

Bei der variothermen Werkzeugtemperierung wird die Werkzeugwand vorübergehend auf eine Temperatur zwischen Glasübergangs- und Schmelzetemperatur des verwendeten Kunststoffs aufgeheizt. Diese Erhöhung der Werkzeugwandtemperatur verzögert oder unterbindet die Erstarrung der Schmelze, erhält ihre niedrige Viskosität bis zur vollständigen Formfüllung und senkt den Bedarf an Einspritzdruck und damit an Schließkraft.

Beim Abkühlen lässt die gleichmäßige Formfüllung den Nachdruck durch verbesserte Druckübertragung auch in angussferneren Bereichen länger einwirken. Das sorgt überall im Werkzeug für eine gleiche erforderliche Kühlzeit.

Vielfältige Möglichkeiten zur Aufheizung der Spritzgießwerkzeuge

Spritzgießwerkzeuge für die variotherme Temperierung verfügen zur Kühlung immer über eine klassische Flüssigkeitstemperierung. Zum vorübergehenden Aufheizen der Werkzeugwand während des Einspritzens bieten sich jedoch verschiedene technische Übertragungsmöglichkeiten an: zum Beispiel ein Wärmeträgermedium, das entweder in einem separaten Kanal oder sequenziell im selben Temperierkanal wie das Kühlmedium umläuft.

Zum Aufheizen der Werkzeugwand eignen sich auch oberflächennah angeordnete, metallische oder keramische Heizeinsätze. Sie werden ins Werkzeug integriert. Sie funktionieren nach dem Prinzip der elektrischen Widerstandsheizung. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Aufheizung durch Infrarot-Strahlung.

Außerdem kann die Aufheizung induktiv geschehen: mit Hilfe eines elektromagnetischen Wechselfeldes, das von einem extern einwirkenden oder einem ins Werkzeug integrierten Induktor aufgebracht wird. Darüber hinaus gibt es eine Reihe so genannter Sonderverfahren: wie das Aufheizen durch Laserstrahlung und die dielektrische Erwärmung in einem Kondensator- oder Mikrowellenfeld.

Während sich Wärmeträgermedien und Heizpatronen bereits bei Serienwerkzeugen etabliert haben, sind die induktive Beheizung und die Infrarotstrahlung noch wenig verbreitet. Bei Einsatz eines externen Induktors kann dieser ohne Modifizierungen an einem Standardwerkzeug angewendet werden und bietet sich damit auch zur Nachrüstung an, zum Beispiel dann. wenn sich in einem Standardprozess Qualitätsprobleme zeigen.

Werkzeugtemperierung erlaubt besondere Formteileffekte beim Spritzgießen

Die variotherme Werkzeugtemperierung kann eine Reihe von Verbesserungen hinsichlich der Formteilfunktion, -struktur und -optik bewirken. So zählt zu den funtkionellen Möglichkeiten das Erzeugen von selbstreinigen Oberflächen (Lotus-Effekt), von entspiegelten Oberflächen (Mottenaugen-Effekt), von Mikro- und Nanostrukturen wie Kanäle und Stege für die Mikrofluidik sowie besonders glatte Oberflächen zur Widerstandsreduzierung an durchströmten technischen Teilen.

Zu den strukturellen Verbesserungen gehören die Reduzierung der mechanischen Formteilschwächung an den Bindenähten, die Verringerung von Eigenspannungen beim Spritzprägen von Formteilen mit isotropen optischen Eigenschaften sowie die homogenere Ausrichtung von Glasfasern in technischen Teilen. Vorteilhafte optische Effekte können hochwertige Glanzoberflächen in Klavierlack-Optik sowie vermiedene Fließmarkierungen und Silberschlieren beim Schaumspritzgießen sein.

Wirtschaftlichkeit der Spritzgieß-Werkzeugtemperierung wird auf der K 2007 vorgeführt

Die variotherme Werkzeugtemperierung steht im Spannungsfeld von Qualitätssteigerung und Wirtschaftlichkeit. Sie steigert die Formteilqualität, macht manche Produkte überhaupt erst herstellbar und reduziert gelegentlich den Materialeinsatz. Dazu sind in der Regel eine verlängerte Zyklusdauer, ein komplexeres Werkzeug, ein erhöhter apparativer Aufwand und ein höherer Energieverbrauch hinzunehmen. Auf der K 2007 zeigt Engel anhand zweier laufender Maschinenexponate, dass sich der Mehraufwand lohnen kann.

Als erstes Beispiel zeigt Engel die exakte Abformung von Mikrofluidik-Strukturen zur Herstellung eines „Lab on a chip“ für die pharmazeutische Forschung sowie die Medizin- und Laboranalytik. Es handelt sich dabei um eine strukturierte Kunststoffplatte mit vielen feinen Kanälen, Stegen und Volumina in Mikrometergröße auf der Oberfläche. Diese Oberflächenstrukturen müssen sauber abgeformt sein müssen, um die Funktion der Platte in Spektrometern oder im High-throughput-Screening (HTS) sicherzustellen.

Das Abformen dieser Strukturen durch die Werkzeugwand wird durch die variotherme Werkzeugtemperierung unterstützt: mit Hilfe von Heizpatronen. Zu sehen ist diese Produktion auf einer holmlosen Soritzgießmaschine von Engel mit servoelektrisch angetriebenem Plastifizier- und Einspritzaggregat. Darauf wird ein 2-fach-Werkzeug der Z-Werkzeugbau GmbH, Dornbirn/Österreich montiert. Als Kunststoff wird COC verarbeitet.

Die Maschine entspricht laut Engel den CGMP-Bestimmungen (Current Good Manufacturing Practice) der amerikanischen FDA (Food and Drug Administration). Als Besonderheit dieser Spritzgießmaschine (Medical-Maschine) wird das Plastifiziereinheit hervorgehoben, die die Abgabe von heißen, gasförmigen Kunststoffemissionen aus dem Düsenbereich und eine Wärmeabgabe an den Reinraum verhindert.

Erwärmen der Formteiloberfläche mindert Schwächung durch Bindenähte

Zweites Beispiel von Engel ist die mechanisch stark belastete Rückwand eines Handygehäuses aus einem ABS/PC-Kunststoffblend mit mehreren Durchbrüchen. Damit die damit zwangsläufig entstehenden Bindenähte nicht zu mechanischen Schwachstellen werden und die Schmelzefronten miteinander ausreichend verschmelzen können, sorgt eine Hochleistungsheizung für das Erwärmen der Formteiloberfläche.

Die Produktion dieser Bauteile mit hochglänzender Oberfläche in der Farbe „Pianoblack“ ohne Lackierung wird von Engel auf der K 2007 demonstriert: auf der elektrischen Spritzgießmaschine E-Motion 200/100 Focus mit 2-fach-Werkzeug.

Variotherme Werkzeugtemperierung auf allen Engel-Spritzgießmaschinen möglich

Die integrierte Ablaufsteuerung für alle Varianten des variothermen Werkzeugtemperierung hat Engel als Optionspaket für die Steuerung CC200 ins Programm genommen. Damit kann das Verfahren bei allen Spritzgießmaschinen von Engel zur Anwendung kommen.

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