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Seit langer Zeit sind stabförmige Bauteile mit Gasinnendruck bekannt. Die Technologie gilt als Sonderverfahren der Spritzgiesstechnologie, mit der sich Ulrich Stieler, Geschäftsführer der Stieler Kunststoff Service GmbH, seit mehr als 18 Jahren intensiv beschäftigt.
Inzwischen ist es nicht nur die Gasinnendrucktechnologie, mit der Hohlräume her- gestellt werden sollen, sondern eine Vielfalt an Lösungsmöglichkeiten, die man mit der Gerätetechnik und dem Know-how der Fluidinjektion erreichen kann.
Dabei sind es verfahrenstechnische und kostentechnische Vorteile, die eine sehr starke Energie- und Materialeffizienz durch Einsatz der Fluidinjektion hervorbrin- gen. Reduktionen der Bauteilgewichte sind ja nichts Neues; wenn man sich aber die Energiebilanz dazu anschaut, sieht man, dass weniger Material aufgeschmol- zen und daher auch weniger abgekühlt werden muss. Durch Verringerung der Schliesskraft können zudem kleinere Maschinengrössen mit weniger Energie- verbrauch ausgewählt werden und auch die Nacharbeit wird durch weniger Über- spritzung und höhere Masshaltigkeit verringert. Damit wird klar, welches Potenzial die Technologie besitzt. Hinzu kommen noch Vorteile der Oberflächenverbes- serung, Reduzierung der Verzugsneigung und Verhinderung von Einfallstellen.
Bisher war die Patentsituation immer ein Hemmschuh für die Technologie. Inzwi- schen sind jedoch die meisten Schutzrechte der Gasinjektion ausgelaufen und nur noch vereinzelt zu berücksichtigen. Eine Beruhigung der Patentsituation gibt der Fluidinjektion eine neue Chance zum effektiven Sonderverfahren des Spritzgies- sers zu werden. Parallel dazu hat sich auch die Gerätetechnik qualitativ verbessert und durch effektive Herstellungstechniken auch das kostentechnische Einstiegs- niveau verringert. Die unterschiedlichsten neuen Verfahrenstechniken, mit denen eine Anlage universeller genutzt werden kann, liefern noch einen weiteren Grund, sich die Fluidinjektion genauer anzuschauen. Inzwischen werden die meisten Fluidinjektionsanlagen, die die Firma Stieler in den Markt gebracht hat, für mehr als drei unterschiedliche Verfahrenstechniken genutzt und somit natürlich sehr effektiv ausgelastet. Ziel ist es, die Kenntnisse der technologischen Umsetzung anzubieten, um eine hocheffektive Auslastung der Anlagentechnik zu erreichen.
Abb.1: Innentürverkleidung mit GIT-Kanal und Stieler CoolFlow-System
Auswahl der Fluidinjektionsverfahren
Die Streubreite der Verfahren beginnt natürlich bei der stabförmigen Struktur, wie zum Beispiel bei Handgriffen oder medienförmigen Leitungen. Hier kann die Fluid- injektion die ältesten Trümpfe ausspielen: geringe Herstellkosten durch weniger Material, kleine Maschinen und sehr kurze Zykluszeiten. Beim Einsatz des Teilfüll- verfahrens (Short shot) wird nur eine geringe Masse in die Kavität eingefüllt und die flüssige Schmelze im Inneren durch das Gas verdrängt, um die Kavität ganz zu füllen. Dieses Niederdruckverfahren benötigt keinen Schmelzenachdruck mehr und ergibt extrem geringe Forminnendrücke mit ca. 20 bis maximal 100 bar. Ob man hier nun Gas als Fluid einsetzt, Wasser, Alkohol oder gar ein Projektil mit Stickstoff oder Wasser durch die Kavität schiebt, ergibt sich klar aus der Anwendung und dem Rohstoff.
Das Full-shot-Verfahren, in Deutsch «Schwindungskompensation», ermöglicht es, fern vom Anguss noch Gasnachdruck über die gesamte Kühlzeit aufzubringen, um Verzugsneigungen zu reduzieren und Einfallstellen zu eliminieren. Das Verfahren wird oft nachträglich in die Formen eingebaut, da die Modifikation relativ einfach gewährleistet werden kann. Hier ist nur Stickstoff einsetzbar, da Wasser die Schwindungskompensation nicht effektiv durchführen kann.
Das Nebenkavitäten-Verfahren, welches sich am besten für partielle Massean- häufungen in flächigen Produkten eignet, ist inzwischen populär und hat eine gute Marktdurchdringung. Genau hier werden jedoch noch die meisten Fehler bei der Artikel- und der Formkonstruktion gemacht, da man ein flächiges Produkt und einen Massekanal kombiniert spritzen muss. Die Druckschwankungen während der Schmelzefüllung sind teilweise so stark, dass sich diese durch Glanzgradunter- schiede darstellen. Wichtig ist hier, wo und wie gefüllt wird und wann der Überlauf geöffnet wird, um die überflüssige Schmelze aus dem Produkt durch das Fluid herauszuschieben. Hier ist es möglich, mit Gas oder gar durch das Stieler «CoolFlow»-Verfahren mit kaltem Gas (– 25°C) den Hohlraum zu spülen, um die Wärme aus dem Inneren des Hohlraums zu entziehen. Damit werden die Verzugs- neigung und natürlich auch der Zyklus reduziert, da die Entformungstemperatur im Inneren an die der Wandstärken angeglichen werden kann (Abb. 1).
Mit dem Kernzugverfahren werden Produkte, wie zum Beispiel Flaschenkästen, gefertigt, die mithilfe eines Kernschiebers die Kavität erst verkleinern und dann nach der Schmelzefüllung durch das Gas in die rückwärtige Position zurück- gedrückt werden. Nur Gas eignet sich bei diesem Verfahren, oft sogar Druckluft, da der Fluiddruck oft mit ca. 20 bis 50 bar ausreicht und keine Schmelzebewegung mehr erfolgt, sondern nur noch die Schieberbewegung mit den eingefrorenen Randschichten.
Das von Stieler und Partnern entwickelte «GaNaSys-Verfahren» erlaubt es, in einem Heisskanal die Gasinjektion anzuwenden und somit den Hohlraum nicht nur zu begasen und zu entgasen, sondern auch noch zu versiegeln.
Das Gasaussendruckverfahren eignet sich als Schwindungskompensation bei flä- chigen Bauteilen ohne jegliche Kanäle. Hier wird von der Auswerferseite aus eine Art Gaspolster genutzt, um die Fläche in die «Schokoladenseite» der Form zu pressen. Man erhält dadurch Gasnachdruck auf der gesamten Fläche über die gesamte Kühlzeit aufrecht. Die Abdichtung des Gases erfolgt durch kleine Dichtlippen, die entweder bei jedem Schuss mit angespritzt werden oder durch Lippendichtungen im Auswerferpaket erreicht werden. Das Ergebnis sind nicht nur spannungsarme Bauteile, sondern auch höchste Oberflächenqualitäten und Mass- haltigkeiten. Einfallstellen auf der Sichtseite von Rippen oder Befestigungsdomen gehören der Vergangenheit an. Das Artikelgewicht sinkt automatisch um ca. 10 bis 25 Prozent, da nicht mehr Schmelzenachdruck wirkt, sondern Gas. Einschränkun- gen gibt es bei diesem Verfahren bei der Rohstoffauswahl. Glasfaserverstärkte sowie schnell kristallisierende Rohstoffe sind oft ungeeignet für das Verfahren. Zyklusverkürzungen, Schliesskraftreduzierungen, hohe Oberflächenqualitäten und Masshaltigkeiten sowie ein geringeres Artikelgewicht sind die Vorteile des Verfah- rens (Abb. 2).
Abb.2: LCD-Bildschirmfuss mit Hochglanzoberfläche
Das von Stieler entwickelte und geschützte «SmartFoam»-System ist ein Verfah- ren zum physikalischen Schäumen auf konventionellen Spritzgiessmaschinen mit dickwandigen Bauteilen. Da durch konventionelle Teilfüllung kein Kontakt zum Treibfluid bestand, ist es durch den Verfahrensablauf möglich, eine kompakte Aussenstruktur ohne jegliche Treibmittel zu erhalten. Erst nach der Teilfüllung der Hauptkomponente wird während der Einspritzphase ein Fluid über einen Spezial- injektor und eine Mischzone im Anguss-System der Form hinzu gemischt. Der geschlossenzellige Schaum wirkt mit seiner Expansionskraft als Nachdruck und erlaubt nicht nur extrem kurze Zyklen, sondern auch noch sehr niedrige Schliess- kräfte und einen tiefen Energieverbrauch. Eingesetzt werden hier Fluide wie Stickstoff gasförmig, Wasser oder flüssige Kohlensäure. Das SmartFoam-System wird bei Wandstärken von mehr als 4 mm eingesetzt, oft bei Querschnitten von 30 bis 80 mm (Abb. 3).
Stickstoff kann noch mehr
Bei der Verwendung von Stickstoff kann die Regelanlage natürlich auch für untergeordnete Aufgaben genutzt werden. Sei es zum Auswerfen bei hohem Druck über Luftauswerfer oder über eine Stickstoff-Schutzgaseinleitung während der Schliessphase der Form, um den Sauerstoff als reaktiven Bestandteil zu entfernen. Ziel dabei ist es, «Brenner» am Fliessende zu vermeiden. Man kann zwar nicht das Komprimieren des heissen Gases an der Schmelzefront während der Füllung verhindern, aber den Sauerstoff entfernen und somit Braunfärbungen oder gar richtige Brandstellen vermeiden.
Der Reiz liegt darin, innovative Verfahren miteinander zu kombinieren. Standard ist es, beim Spritzgiessen zum Beispiel Wasser als Temperier-Fluid zu verwenden. Auch hier setzt man nun mit neuen Entwicklungen in der Fluidinjektion an, um zum Beispiel flüssige Kohlensäure oder Dampf als Temperier-Medium in die Form einzuleiten.
Kohlensäure wird zum Beispiel in die Form eingeleitet, um an der entsprechenden Position vom flüssigen in den gasförmigen Zustand überzugehen und damit eine gewaltige Menge an Wärmeenergie aufzunehmen.
Den umgekehrten Weg beschreibt man, wenn Dampf verwendet wird, um die hohe Oberflächentemperatur der Form für bessere Fliesseigenschaften und höhere Oberflächenqualitäten zu erhalten. Nachdem eine Oberflächentemperatur von 150 bis 180°C erreicht wurde und die Schmelze in der Kavität angelangt ist, wird zum Beispiel auf die konventionelle Wasserkühlung umgeschaltet.
Abb.3: Schnitt einer Schutzleiste aus Weich-PVC, transparent
Dieser Beitrag soll zeigen, dass mit der Fluidinjektion viel mehr erreicht werden kann, als nur einen Hohlraum darzustellen. Die Erfahrungen im Umgang mit Hoch- druckfluiden sind dabei jedoch wichtig, um erfolgreich ins Ziel zu kommen. Um sein Bauteil effektiv herzustellen, ist es ratsam, sich bei Spezialisten bereits bei der Artikelkonstruktion und Formkonstruktion zu informieren und beraten zu lassen.
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Stieler Regelgeräte für die Gasinjektionstechnik und für das SmartFoam® Verfahren (physikalisches Schäumen)
Stickstoff Aufbereitungssysteme
Hochdruck Industriekompressoren
