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CONTURA MTC GmbH
Konturfolgende Temperierung - richtig umgesetzt bewirkt sie erstaunliches

Der Markt für spritzgegossene Kunststoffteile wächst in allen Branchen stetig. Dies gilt auch für die Komplexität der Kunststoffprodukte. Höhere Funktionsintegrität und strengere Vorgaben zur Maßhaltigkeit stellen konstante Herausforderungen für die Produktentwickler dar. Es liegt auf der Hand, dass die Anforderungen für die Spritzgießer einen erhöhten Kostendruck erzeugen. Komplexere Kunststoffprodukte sind viel schwieriger zu temperieren und haben längere Zykluszeiten; dieses gilt es zugunsten der Produktqualität und der Wirtschaftlichkeit des Produktionsprozesses zu kompensieren.

Contura - Universalkompetenz in der Werkzeugtemperierung

Es gibt die Lösung für dieses Problem. - Die konturfolgende Temperierung der Spritzgussformen.

Um die Temperaturen auf der gesamten Formnestwand zu kontrollieren und überhitzte Bereiche - die sogenannten Hot Spots - zu vermeiden, müssen die Formenbauer die Formen in einen effizienten Wärmetauscher „verwandeln“.

Wasserkanäle sollten der Kontur des Formteils in einem kurzen vertikalen Abstand folgen und gleichzeitig eine sehr niedrige Steigung aufweisen. Der ideale vertikale Abstand zur Kavitätsoberfläche für einen konturfolgenden Temperierkanal beträgt ca. 6 mm, und das gleiche Maß gilt für den Abstand zwischen den Temperierkanälen.

Das klingt zunächst einfach, ist aber umso schwieriger umzusetzen, wenn man bedenkt, dass es in der Regel komplexe 3D-Körper sind, die als Spritzgießprodukt entstehen. Zudem werden die Spritzgießformen oft zusätzlich mit schmalen Rippenstrukturen verstärkt. Löcher für Heber, Auswerfer und Untereinsätze geben den Kern- und Hohlblocksteinen das Aussehen eines „Schweizer Käses“. Es erscheint unmöglich ein effizientes Leitungsnetz für das Temperiermedium zu bilden.

Contura - little explosion

Bohrtechnische Lösungen – die konventionelle Temperierung - können hier keine befriedigende Lösung bieten.
Glücklicherweise sind Technologien verfügbar, die geeignet sind, um konturfolgende Temperiersysteme zu fertigen und nicht von vertikalen und horizontalen Bohrungen abhängen.

Die bekannteste dieser Technologien ist der 3D-Druck. Stahlpulver oder Stahldrähte werden Schicht für Schicht zu einem massiven Stahlblock verschweißt. Diese laserunterstützten oder geschweißten Konstruktionen können an jeder denkbaren Stelle eine beliebige Gestaltung mit Kühlbohrungen (bzw. -Kanäle) aufweisen. Da die Größe der Stahlbauteile, die auf dieser Technologie basieren, noch sehr eingeschränkt ist, sind 3D-gedruckte Einsätze derzeit meist von kleinerer Dimension. Die Auswahl der Formstähle ist in diesem Bereich jedoch derzeit noch begrenzt.

An dieser Stelle stellt CONTURA MTC die Lösung bereit.

Es gibt Technologien, die geeignet sind, konturfolgend-temperierte Formeinsätze zu fertigen. Technologien, mit denen in der Vergangenheit bereits konturfolgende Temperierkanalsysteme gefertigt wurden, deren Marktdurchbruch jedoch nie endgültig stattgefunden hat.

Vakuum-Hartlöten sowie Diffusions-Schweißen sind zwei hervorragende Möglichkeiten, um konturfolgend temperierte Formeinsätze zu fertigen. Diese beiden Fügetechniken können nahezu jede Stahlsorte verbinden. Dies öffnet ein weites Feld von Möglichkeiten.

Mit modernster CAD-Software wird ein Scheibenmodell mit den konstruierten Kühlkanälen des Einsatzrohlings für die Fertigung auf einer mehrachsigen CNC-Fräsmaschinen erstellt. Dann werden die konstruierten Kühlkanäle – der Kontur des Formteils folgend und unter Berücksichtigung von  Auswerfern und anderer Merkmalen - in die Scheiben gefräst. Zuletzt wird alles mit einem der oben genannten Verfahren wieder zu einem massiven Stahlblock zusammengefügt, so dass in dem gefügten Block ein konturfolgendes Leitungsnetz für das Temperiermedium entsteht.

Contura - Konstruktion

Neben der Eigenschaft, standard- und pulvermetallurgische Stahlsorten zu verwenden, können die Fügetechniken beim Kostenvergleich mehr als gut mit dem 3D-Druck mithalten. Auch die möglichen Stahlblockgrößen, die mit Fügetechniken hergestellt werden können, sind deutlich größer als die, der auf 3D-Druck basierenden. Die Abmessungen für gefügte Einsätze kann etwa 750 mm × 380 mm × 125 mm betragen, während ein 3D-gedruckter Einsatz von 250 mm × 250 mm × 250 mm als riesig angesehen werden kann und bereits der Grenze hinsichtlich der Einsatzgröße nahe kommt.

Die Entwicklung schreitet schnell voran und für alle erwähnten Technologien werden in Zukunft voraussichtlich größere Dimensionen möglich sein.

Eine sehr interessante Eigenschaft bei der Verwendung von Verbindungstechnologien ist die feste Integration von Kupfer-Stiften in das Stahlskelett der Kernblöcke. Diese Stifte bestehen aus Kupfer mit sehr hohem Reinheitsgrad und die Wärmeleitfähigkeit ist typischerweise 20-mal besser als die des verwendeten Formstahls. Dies bedeutet, dass gerade in engen Bereichen der Kernblöcke, wie kleinen Lamellen oder den kleinen Zwischenrippenbereichen, die die Stützrippen eines Formteils bilden, die Kupferstifte ihre Stärke ausspielen können.

Da die Kupferstifte zum Beispiel durch Diffusionsschweißen fest in das Stahlgerüst eingebunden sind, sind sie ein vollständig integrierter Teil dieser filigranen Bereiche. Die durchschnittliche Wärmeleitfähigkeit wird um das 5- bis 6-fache der Werte des Formstahls erhöht und kann oft sogar Werte von hochleitfähigen Kupferlegierungen erreichen. Der Hebelarm-Widerstand der Lamellen wird nur geringfügig reduziert, wenn Kupferstifte verwendet werden, so dass der Formenbauer die endgültige Oberflächenstruktur auf dem gehärteten Formstahl wie gewohnt herstellen kann - anders als auf einer Kupferlegierungsoberfläche.

Contura - Ausschnitt Kupferseelen

Mit all diesen Möglichkeiten beim 3D-Druck, Diffusionsschweißen und Vakuumlöten reicht es nicht mehr aus, die Kühlkanäle nach Bauchgefühl zu gestalten. Die Länge der Kanäle, die in der erforderlich engen Maschenweite für konturfolgende Temperierung angeordnet sind, kann leicht mehrere 10 Zentimeter betragen. Zu diesem Zeitpunkt ist ein detailliertes Engineering erforderlich, das ein fundiertes Wissen - nicht nur über die 3D-Druck- und Fügetechniken, sondern auch über den Maschinenbau (inkl. Dynamik und Thermodynamik) - voraussetzt. Der Formenbauer wird zukünftig aufgefordert sein, den Einfluss der Wasser- (bzw. Temperiermedium-) temperaturen in verschiedenen Bereichen des Werkzeugs zu kennen, insbesondere in Bezug auf den Verzug der Formteile sowie auf das Aussehen der Oberfläche.

Das Ziel ist es, jeden Bereich der Form so konturfolgend wie möglich mit Temperierkanälen auszustatten. Diese müssen dann in unabhängige Kreisläufe unterteilt werden, die unabhängig voneinander gesteuert werden können. Jeder einzelne Kreislauf kann unterschiedliche Temperaturen haben, die letztendlich helfen können, das Schrumpfverhalten des verwendeten Kunststoffes – und somit des Formteils - sogar zu kontrollieren. Moderne FEM-Software hilft nicht nur, die Werkzeugoberflächentemperaturen in allen Werkzeugbereichen zu sehen, sondern auch Informationen über das dynamische Temperiermedium-Verhalten wie Durchflussraten, Druckabfall und Reynolds-Zahlen anzuzeigen und ob der Temperiermedium-Fluss laminar oder bereits turbulent ist. Eine turbulente Strömung ist in allen Temperierkreisläufen erforderlich, um die besten Wärmeaustauschraten zwischen dem Temperiermedium und dem Formstahl sicherzustellen.

Sobald eine ausgereifte, konturfolgend temperierte Form an Ort und Stelle ist und sie richtig umgesetzt wurde, können erstaunliche Effekte erzielt werden. Beispielsweise wird eine durchschnittliche Zykluszeitreduktion von etwa 30% gegenüber einer herkömmlichen Form erreicht. Gleichzeitig erhöht sich die Prozessstabilität und Ausschussrate verringert sich in der Regel um bis zu 70 %.  Zudem verringert sich die Anzahl der Nacharbeitungen am Werkzeugeinsatz um bis zu 50%.

All diese Vorteile sollten Investitionsentscheidungen für die konturfolgende Temperierung erleichtern. Eine Stückkostenreduktion von 15% und mehr ist realistisch.

Contura - Gekko klein
In Kooperation mit der Firma WENZ Kunststoff - den Entwicklern und Patentinhabern der variablen Temperierung - entstand der CONTURA Gekko

Speziell in der Medizin- und Verpackungsbranche ist ein sehr hoher Prozentsatz aller Formen bereits mit einer konturfolgenden Temperierung ausgestattet. Eine realistische Schätzung ist, dass mehr als 3000 Formen pro Jahr mit konturfolgender Temperierung ausgestattet sind, Tendenz steigend. Es ist sehr wichtig, dass Spitzgießer nun von den Vorteilen einer konturfolgenden Temperierung profitieren und nicht warten, bis die Konkurrenz „das Rennen macht“. Der Spritzgießer sollte schon zu Beginn eines Projekts Kosten für die konturfolgende Temperierung mit einkalkulieren, um ihren Formenbauern finanzielle Möglichkeiten zu geben, konturfolgende Temperierung zu einem Teil ihrer Formen zu machen. Als Blick in die Zukunft kann man sagen, dass konturfolgende Temperierung in nur wenigen Jahren die gleiche Akzeptanz finden wird wie Heißkanalsysteme, die zu einer Art Standardtechnologie im Formenbau wurden.


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Wir sind der Ansprechpartner für das Temperaturmanagement für Spritzgießformen!
 
Der Projektablauf:
• Planung
• Konstruktion/Simulation
• Herstellung/Fertigung der Einsatzrohlinge
• Auslieferung
 
Das Erbgebnis:
Ein Spritzgieß-Werkzeugeinsatz, der den höchsten Anforderungen an Produktqualität und Wirtschaftlichkeit gerecht wird!

Contura - Firmengebäude

Für den optimalen Einsatz übernehmen wir die Planung, die Konstruktion und die Fertigung des Spritzgusswerkzeugs. Im laufenden Betrieb stehen wir Ihnen selbstverständlich auch beratend zur Seite.

Im Fokus der Werkzeugtemperierung stehen stets Wirtschaftlichkeit und Qualität. CONTURA verfügt über modernste Verfahren für die Fertigung des Werkzeugs.
 
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