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87 Aufbau der Spritzgießmaschine 2.1.4 Düse Die Düse stellt als Bestandteil der Plastifiziereinheit nach ihrer Anlage an die Angussbuchse des Werkzeugs eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Zylinderkopf und Werkzeug her. Die Düse verbindet den Schneckenvorraum entweder direkt mit dem Werkzeughohlraum (sogenannte Vorkammerdüse [389]) oder mit dem Angusssystem. Sie wird mit beträchtlicher Kraft angepresst (Düsenanpresskräfte in Abschnitt 2.1.7.2). Um die Düsenanpresskraft ohne schnellen Verschleiß aufnehmen zu können und um ein „Zuschmieden“ der Öffnung zu vermeiden, sind große Spitzenradien vorzusehen. Ein Vorschlag für standardisierte Düsenanschlussmaße ist in Euromap 2 zu finden (s. Tabelle 17). Der Radius der Düse sollte etwa 0,5 bis 1 mm kleiner sein als der der Angussbuchse. Bild 36 zeigt, wie eine ideale Anbindung von Düse und Angussbuchse bei exakter Achsausrichtung aussieht. Der ideal gestaltete Übergang gilt im Prinzip für alle Arten von anliegenden Düsen, deren präzise Ausrichtung vereinzelt auch durch Führungen erzwungen wird. Wenn die Öffnungen nicht fluchten, wird der Fließquerschnitt verkleinert, der Druckverlust erhöht, die Schererwärmung steigt und der Druckverlust in der Kavität wird verändert. Schleichende Querschnittsveränderungen können zu unkontrollierter Qualitätsveränderung führen. Man verwendet für besondere Zwecke auch Düsen mit flacher Anlage am Werkzeug. Dann gelten diese Hinweise im gleichen Sinne. Die Radien r und R sind hier gleich und unendlich groß. Eine komplette Düse ist im eingebauten Zustand in Bild 34 gezeigt. Besonders wichtig sind die kleinen Längen und insbesondere ausreichende Querschnitte der Düsenbohrungen, da diese von der Schmelze mit meist hohen Geschwindigkeiten durchströmt werden und zu häufig beträchtlichen Druckverlusten und intensiver Scherung der Kunststoffe führen. Deswegen sind grundsätzlich Düsen kurzer Bauart mit kurzen relativ weiten Kanälen zu bevorzugen. Der Druckverlust und der energetische Aufwand für die Düsentemperierung sind vollständige Verlustanteile im Prozess. Tabelle 17: Düsenradius und Düsenöffnungsdurchmesser nach Euromap 2 Schließkraft (kN) Spitzenradius der Düse (mm) Thermoplastverarbeitung DuroElastomerplastverarverarbeitung beitung Öffnungsdurchmesser der Düse (mm) Thermoplastverarbeitung Duroplast- Elastomerverarverarbeitung beitung 0000 bis 500 10(35) 10(35) 10(35) 3 bis 5 5 bis 8 4 bis 6 0500 bis 1000 10(35) 15(35) 15(35) 4 bis 6 6 bis 8 5 bis 7 1000 bis 5000 15(35) 20(35) 20(35) 5 bis 8 8 bis 10 6 bis 8 5000 bis 10000 35 35 35 6 bis 10 8 bis 10 8 bis 10 über 10000 35 35 35 10 bis 12 – – 88 Spritzgießmaschinen Angußbuchse A) Durchmesser Angußbuchse ca. 1mm größer als Düsenöffnung Angußbuchse Radius Angußbuchse 0,5 bis 1mm größer als Radius Düsenspitze Düsenspitze Radius Angußbuchse 0,5 bis 1mm größer als Radius Düsenspitze Abreißfläche Düsenspitze B) Durchmesser Angußbuchse ca. 1mm größer als Düsenöffnung Bild 36: Prinzip der Düsenanbindung an die Angussbuchse im Werkzeug A: Abreißfläche am Übergang zur Angussbuchse, B: Abreißfläche in der Düse an der Engstelle [7] Den Standardaufgaben der Düse werden weitere hinzugefügt, wie Schließen, Mischen, Filtern. Entsprechend gibt es: • offene Düsen • Verschlussdüsen – Schiebeverschlussdüse – Querbolzenverschlussdüse – Nadelverschlussdüse mit innenliegender Feder mit außenliegender Feder mit fremdbetätigter Nadel • Filterdüsen • Mischdüsen Aufbau der Spritzgießmaschine 89 Dazu sind Düsen mit entsprechender Bezeichnung im Einsatz, wie es die folgenden Ausführungen im Detail zeigen. Vereinzelt scheint die zuvor formulierte Trennung zwischen Maschinendüse und Werkzeug aufgehoben zu sein. Es werden sehr attraktive Lösungen für die Direktanspritzung im Werkzeug angeboten [146]. Dabei stellt man eine Einheit zwischen Angusssystem im Werkzeug und der Maschinendüse her. Dadurch werden die Übergänge teilweise fließend. Im Prinzip sind es jedoch immer konstruktive, meist recht aufwendige Lösungen, die dem Vorkammerprinzip gleichen [1]. Für eine Reihe von Sonderverfahren sind Sonderdüsen entwickelt worden, die oft Vorraussetzung für die Durchführbarkeit dieser Verfahren sind (s. Abschnitt 6). 2.1.4.1 Offene Düse Die offene Düse ist wegen ihrer kleinen Baulänge und ihres geringen Fließwiderstands die verfahrenstechnisch günstigste. Die Engstelle unmittelbar vor der Anlagefläche sorgt dafür, dass der Anguss an dieser Stelle abreißt. Bild 36 A und B zeigen prinzipielle Lösungen. Die Vielfalt von unterschiedlich gestalteten offenen Düsen [390] werden hier nicht einzeln beschrieben. Ausführliche Beschreibugen in [7]. 2.1.4.2 Verschlussdüse Das Heraustropfen von Schmelze und das Fadenziehen muss oft vermieden werden. Auch ist häufig mit abgehobener Düse gegen den Förderdruck zu dosieren. In diesen Fällen werden Verschlussdüsen verwendet. Diese kann man wie folgt unterteilen: • Düse mit thermischem Verschluss [391], • Schiebeverschlussdüse (Bild 37), • mechanisch betätigte Düse, • Querbolzenverschlussdüse (Bild 38), • Nadelverschlussdüse mit fremdbetätigter Nadel (Bild 39 bis 41), • Schrägbolzenverschlussdüse (Bild 42), • luftdruckbetätigte Verschlussdüse [393], • Düse mit Betätigung durch den Einspritzdruck [7, 394], • Nadelverschlussdüse – mit innenliegender Feder (Bild 43), – mit außenliegender Feder (Bild 44), – mit innenliegender Feder und ins Werkzeug durchtauchender Spitze (Bild 45). Es gibt eine weitere Fülle von Varianten. Sie haben für den Spritzguss durchaus unterschiedliche Eignung. Wichtig ist die jeweilige betriebliche Erfahrung und das Produktionsprogramm [389 bis 391]. 90 Spritzgießmaschinen Bild 37: Schiebeverschlussdüsen unterschiedlicher Bauart, die beim Anlegen an das Werkzeug durch die Düsenpresskraft geöffnet werden A: wird durch den Förderdruck der Schnecke geschlossen, B: wird durch eine Feder geschlossen [2] Bild 38: Bolzenverschlussdüsen [3] A und B: Schiebebolzenverschlussdüsen, hydraulisch betätigt, a: Düse, b: Bolzen, c: Flansch, d: Gestänge, e: Hydrozylinder, C: Drehbolzendüse Aufbau der Spritzgießmaschine 91 Bild 39: Nadelverschlussdüse A: lange Bauart (Bauart Netstal), B: kurze Bauart, beide Düsen hydraulisch durch Hebel von außen betätigt [2] Bild 40: Kurz bauende, mechanisch zu schließende Nadelverschlussdüse mit Hebeldrehpunkt in der Düse, Nadelpositionierung und Adapter für die Aufnahme einer Filterpatrone (Bauart Bernex) [2] Bild 41: Hydraulisch betätigte Nadelverschlussdüse mit durchtauchender Nadel für angussloses Spritzgießen, konzentrische Lage der Nadel [392] (Bauart Dr. Boy) 92 Spritzgießmaschinen Bild 42: Verschlussdüse mit schräg eintauchendem Verschlussbolzen (Bauart Arburg) Bild 43: Nadelverschlussdüsen mit innen liegender Feder A: Nadelverschlussdüse mit durchströmter Verschließfeder, B: tellerfederbelastete Düse mit Kugelverschluss Bild 44: Durch den Einspritzdruck gegen eine Federkraft zu öffnende Düsen A: bis D: Nadelverschlussdüsen mit außen liegender Feder (A: Bauart Fuchslocher, B: Bauart Keil, C: Bauart Bernex) Aufbau der Spritzgießmaschine 93 Bild 45: Nadelverschlussdüse für Direktanspritzung, Abflusskanal für über den Spalt abfließende Schmelze (Bauart Bernex) Verfahrenstechnische Beurteilung: Die Möglichkeit, mit Nadelverschlussdüsen unmittelbar an der Düsenspitze abzudichten, ist verfahrenstechnisch sehr günstig und verhindert das Fadenziehen zuverlässig. Der Kunststoff wird wegen der Überwindung der Federkraft durch einen Teil des aufgebrachten Einspritzdrucks einer zusätzlichen thermischen Belastung ausgesetzt. Deswegen sind federbelastete Düsen meist nicht empfehlenswert und nur in unkritischen Fällen einzusetzen. Besser eignen sich die von außen gesteuerten Nadelverschlussdüsen. Ohne einer vorliegenden, anderslautenden betrieblichen Erfahrung zu widersprechen, gibt Tabelle 18 eine allerdings unter strenger Beurteilung zusammengefasste Verwendungsempfehlung für unterschiedliche Düsen und eine Reihe von Kunststoffen wieder. 2.1.4.3 Düse mit Schmelzefilter Filterdüsen können helfen, störende Verschmutzungen, auch wenn Rezyklate verarbeitet werden, zu minimieren. Das Herausfiltern von Verschmutzungen beim Spritzgießen kann allerdings nur ein Mittel der allerletzten Wahl sein; solche Bestandteile dürfen nicht in den Trichter einer Maschine gelangen, da sie Schaden an Schnecke und Rückströmsperre verursachen. Auch darf die Verwendung einer Filterdüse kein Freibrief für die Verarbeitung von beliebig verschmutzten Kunststoffen sein. Man kann davon ausgehen, dass mit einer Filterdüse nur solche Verschmutzungsreste in geringer Menge ausgefiltert werden können, die unvermeidbar mit dem Kunststoff eingebracht werden und relativ grob sind (größer 0,5 mm). Da der Spritzgießprozess in besonderem Maße druckabhängig ist, ist der Einsatz von Filterdüsen, die alle einen deutlichen Druckverlust verursachen, wenn es möglich ist, zu unterlassen. Da der Druckverlust in dem Maße ansteigt, wie ein Filter sich mit Partikeln zusetzt, wird der Herstellprozess entsprechend laufend verändert. Die Maschenweite muss so gewählt werden, dass eine schnelle Verstopfung vermieden wird. Dies führt dazu, dass Partikel unter 0,25 mm von Filtern meist nicht zurückgehalten werden. Das ist auch sinnvoll. Qualitätsspritzguss unter strengen Anforderungen ist häufig nicht möglich. Die speziellen Erfahrungen eines Betriebs spielen infolgedessen eine wesentliche Rolle. Filterdüsen verlängern den Schmelzekanal und die Verweilzeit. Abbaugefährdete Kunststoffe können dabei Schaden nehmen. 94 Spritzgießmaschinen Bei der Verwendung solcher Filterdüsen, die einen Siebwechsel im laufenden Betrieb gestatten, dürfen größere Partikelmengen, ggf. auch sehr feine Anteile vorhanden sein, da auch kleinere Maschenweiten eingesetzt werden können [395]. Tabelle 18: Düsenverwendung bei verschiedenen Kunststoffen [7] Kunststoff Düsentyp Nadelverschlussdüse, hydr. gesteuert Bolzenverschlussdüse, hydr. gesteuert3) LCP PA Offene Düse ABS CA CAB Schiebeverschlussdüse1) Nadelverschlussdüse, federbelastet2) PAI PBT – PES PET – PC PE – –– –– PEI – PMMA POM PP PPA – PPO – –– –– PPS 2) 4) PEEK 1) PSU – – PVC – –– –– –– SAN TSG –– – D4) –– –– –– –– E5) –– –– –– –– empfohlen, bedingt geeignet, – nicht empfohlen, – – nicht geeignet fließtechnische Nachteile, schlecht temperierbar, nur bedingt zugelassen, da sie unter Überdruck nicht öffnet, Drosselventil, hohe Scherbeanspruchung des Kunststoffs, 3) Kanalquerschnitt = Düsenkanalquerschnitt, Duroplaste, 5) Elastomere Aufbau der Spritzgießmaschine 95 Düsen mit eingebauten Filterpatronen Eine Filterdüse einfacher Bauart mit Maschenweiten zwischen 0,25 und 1,6 mm für relativ kleine Partikelmengen zeigt Bild 46 [396]. Andere Filterdüsen sind mit einem in der Spaltweite anpassbaren Ringspalt ausgerüstet. Durch Entriegeln eines Torpedos können diese Düsen durch Spritzgießen ins Freie gereinigt werden [397]. Andere Filterdüsen verfügen entlang eines Düseneinsatzes über mehrere parallele Längskanäle mit Überströmspalten (Bild 47) [397]. In Bild 48 ist eine Düse mit Rohrsieb mit bis zu 1062 Sieblöchern bei wahlweise 0,5 oder 1,0 mm Sieblochdurchmesser gezeigt. Durch Verlagerung des Sieblochträgers quer zur Strömungsrichtung entsteht eine große Filterfläche mit allerdings langem Kanal [399]. A B Bild 46: Filterdüse mit Lochscheibe und Filterscheibe mit Filtereinsätzen von 0,25 bis 1,25 mm Maschenweite (Bauart Schwingel) A: Filtereinsatz durch Herausdrehen des vorderen Düsenkopfes zu entfernen und zu reinigen. (Zeitaufwand ca.10 min), B: Filterplatte seitlich ziehbar (Zeitaufwand ca. 5 min) 1: Düsenkörper, 2: Stützscheiben, 3: Filter, 4: Stützscheibe, 5: Heizband, 6: Thermofühler 96 Spritzgießmaschinen Bild 47: Filterdüse mit Ringspaltfiltereinsatz (Bauart Ewikon) [398] oben: Arbeitsstellung, unten: Spülstellung Bild 48: Schmelzefilterdüse mit Filtereinsatz mit radialen Feinstbohrungen, geeignet für Partikel größer 0,5 bzw. 1 mm (Bauart Incoe) [400] Bild 49: Filterdüse mit radialer Filterpatrone und Nadelverschluss (Bauart Huber, Malterdingen) [400, 401] Aufbau der Spritzgießmaschine 97 Schmelzefilter-Düsen mit Reinigungssystem Eine einfache Lösung zur Spülung des Raumes vor dem Filtereinsatz zeigt Bild 50. Für eine Grobreinigung muss die Düse nicht demontiert werden [402 bis 404]. Eine Reinigung des eigentlichen Filtereinsatzes erfolgt beim Öffnen des Seitenkanals allerdings nicht. Bild 50: Filterdüse mit Spülvorrichtung des Filtervorraums (Bauart Bernex – Bimetall AG) Filterdüsen mit drucküberwachter Spülmöglichkeit Eine erprobte Maschine mit Filterdüse für größere Verunreinigungen verwendet eine laufende Drucküberwachung. Wird ein eingestellter Einspritzdruck überschritten, so stoppt die Maschine automatisch den Spritzgießprozess und schaltet die Düse nach wählbarer Spülzeit auf Spülstellung [404 bis 408]. Filterdüse mit kontinuierlicher Reinigung Größere Partikelmengen können nur mit einer kontinuierlichen Filterreinigung abgefiltert werden Bild 51 [409, 410]. Der Filterwechsel kann im programmierten Zyklus auch automatisch zwischen „Nachdruckende“ und „Werkzeug schließen“ erfolgen [406, 411]. Großtechnische Erfahrungen wurden nicht veröffentlicht. Ohne endgültige Beurteilung (s. Tabelle 19) kann eine Filterung bei starker Verschmutzung direkt auf der Spritzgießmaschine wegen der Beeinträchtigung der Prozesskonstanz und möglichen Abbaus nicht empfohlen werden, wenn anspruchsvolle Teile (Qualitätsteile) spritzgegossen werden. Bei Verwendung von Filterdüsen ist eine Drucküberwachung unerlässlich. Diese Ausführung wird angeboten [405]. Eine abschließende Beurteilung der Eignung ist erst möglich, wenn jahrelange Erfahrungen vorliegen. Im Einzelfall muss es einem Versuch überlassen werden, ob die Verwendung einer Filterdüse möglich ist. So werden u.a. auch Düsen mit der Bezeichnung „Filterdüse“ angeboten, die unter strenger Betrachtung die Funktion „Filtern“ kaum erfüllen. 98 Spritzgießmaschinen Bild 51: Filterdüse mit kontinuierlicher Schmelzefilterung (Bauart Gneuß Kunststofftechnik GmbH, Bad Oeynhausen) Tabelle 19: Verwendbarkeit von Filterdüsen Art des Siebfilters Ungeeignet für Bedingt geeignet für Geeignet für Siebscheibenfilter, stationär PVC, PC, POM, PAI, PC/ ABS, PEEK, PAEK, PET, PTFE, PPS, PSU, PEI, LCP Rezyklate aller Art ABS, CA, SAN, PMMA, PA, PBT, TPE (alle auch mit GF) PS, PE, PP (alle auch mit GF) Siebscheibenfilter, automatisch wechselbar PVC, POM, PEEK, PAEK, PAI, Rezyklate aller Art ABS, CA, SAN, PC, PA, PBT, TPE (alle auch mit GF) Rezyklate, sehr gering verunreinigt PS, PE, PP, PMMA (alle auch mit GF) Rohrfilterdüse PVC, PC, POM, PAI, PC/ ABS, PEEK, PAEK, PET, PTFE, PPS, PSU, PEI, LCP Rezyklate aller Art ABS, CA, SAN, PMMA, PA, PBT, TPE (alle auch mit GF) PS, PE, PP (alle auch mit GF) PVC je nach wählbarer Ringspaltweite alle Kunststoffe ABS, CA, SAN, PMMA, PA, PBT, TPE PS, PE, PP Düse mit FilterRingspalt Spaltfilterdüse PVC, PC, POM, PAI, PC/ ABS, PEEK, PAEK, PET, PTFE, PPS, PSU, PEI, LCP Rezyklate aller Art Aufbau der Spritzgießmaschine 99 2.1.4.4 Düsen mit Mischfunktion [6, 7] Seit Anfang der 80er Jahre kommen statische Mischer auch beim Spritzgießen meist in einer Spezialdüse zum Einsatz. Im Zusammenhang mit der zunehmenden Selbsteinfärbung und der Verarbeitung von Rezyklaten kann ihnen eine erhöhte Bedeutung zukommen. Sie verbessern die Dispergierung, verringern aber auch deutlich das Ausmaß der Temperaturinhomogenität bei großen Dosierwegen über 2,5D [412, 432, 442, 447]. Folgendes kann die Verwendung einer Mischdüse bewirken: • Verbesserung der Homogenisierung der Temperaturverteilung in der Schmelze und Minderung des radialen und axialen Temperaturgefälles und damit eine Verbesserung des Fließens in der Werkzeugkavität, • Verbesserung der Farbverteilung, • Homogenisierung bei Rezyklatzugabe. Diese Verbesserungen haben zur Folge, dass • der Einspritzdruck zum Füllen der Werkzeugkavität ggf. leicht reduziert werden kann; das macht ggf. den Druckverlust beim Durchströmen des Mischteils nahezu wett, • Orientierungen und Spannungen im Formteil verbessert werden und der Verzug reduziert wird, • Rezyklate besser verteilt werden, • der Verbrauch der Farbstoff- oder Batchmenge reduziert wird (bis 25%), • der Farbeindruck am Teil verbessert wird. Grundsätzlich reduzieren sie Inhomogenitäten. Sie können sie aber nicht vollständig beseitigen. Bild 52 zeigt einen weit verbreiteten Mischer mit sich kreuzenden Stegen. Die Schmelze wird mit entsprechendem Druck hindurchgepresst und vielfach umgelagert. Eine eigentliche Dispergierung z.B. von Farbpigmenten findet nicht statt. Solche Mischelemente werden als einbaufertige Patronen geliefert, die in Düsenkörper, auch von Verschlussdüsen, eingebaut werden können [413, 414]. Eine andere Variante wird in Bild 53 gezeigt. Bild 52: Mischeinsätze für Spritzgießdüsen (System Sulzer) 100 Spritzgießmaschinen Bild 53: Mischdüse vom Typ KMN-22-16 (Bauart Koch-Glitsch) Beim Einbau ist sorgfältig darauf zu achten, dass ein glatter, spaltfreier Übergang vom Einlaufbereich zum Mischkörper hergestellt wird. Optimal vorbereitete Komplettdüsen, mit denen geringstes Fehlerpotential verbunden ist, liefern einschlägige Hersteller [415 bis 418]. Statische Mischer haben als Hindernisse im Schmelzestrom wegen des erzeugten Druckverlustes verfahrenstechnische Nachteile. Eine separate Düsenheizung erübrigt sich in den meisten Fällen, wenn eine relativ kurze Düse von 1 bis 1,5 × D (Schneckendurchmesser) verwendet werden kann. Alle hier behandelten Düsen, welche die Prozessstrecke deutlich verlängern, müssen mit einem eigenen Regelkreis temperiert werden. 2.1.4.5 Innen beheizte Düse Neben der klassischen Beheizung von außen können auch innenbeheizte Düsen zum Einsatz kommen (Bild 54). Die Wärmequelle für die Düse kann auch hier, wie bei der unbeheizten Düse, meist die Zylinderkopfheizung sein [7, 390, 419]. Derartige Düsen können laut Angaben des Herstellers bis zu 533 mm Länge gebaut werden [419]. Bild 54: Lange Düse mit Wärmeleitrohr (System Dynisco, vormals Kona) [419] 1: Wärmeleitrohr, 2: Anschlussgewinde, 3: austauschbare Düsenspitze, 4: Heizband Aufbau der Spritzgießmaschine 2.1.5 101 Verschleißursachen und Verschleißschutz beim Spritzgießen Über die Ursachen von Verschleiß ist inzwischen in umfangreicher Literatur ausführlich berichtet worden. Vollständige Literaturübersichten findet man in [7, 8, 73–77, 80, 81, 83, 86, 87, 90, 93, 191]. 2.1.5.1 Verschleißphänomene In den letzten 40 Jahren war das Thema Verschleiß wesentlich von folgenden Einflussfaktoren geprägt [7, 73, 80, 82, 83]: • erhebliche Ausweitung der verarbeiteten Kunststoffpalette, • steigende Verarbeitungstemperaturen, Einspritzdrücke und Drehzahlen, • Zunahme von Füll- und Verstärkungsstoffen in Kunststoffen, • erweiterte Schnecken- und Zylinderausführungen (L/D-Verhältnis, Schneckengeometrie, Stähle und Oberflächenbehandlungsmethoden), • die Einführung eines Zufallstahls (34 CrAlNi 7) mit gasnitrierter Oberfläche zur Verhinderung des Gleitverschleißes zwischen Schneckenschaft und Zylinder. Die oft vertretene Ansicht, man könne Verschleiß von Schnecken, Zylindern, Rückströmsperren, Düsen und Werkzeugen gänzlich vermeiden, wenn die Kunststoffe entsprechend hergestellt und präpariert werden, ist falsch. Substanzen, die Stähle angreifen, wie Wasser, Kohlendioxid, Sauerstoff, um einige Beispiele zu nennen, sind in Spuren prozessbedingt immer vorhanden. Verunreinigungen durch Verpackung und Transport oder herstellbedingte Säurereste, Elektrolytlösungen, Chlorwasserstoff und Bromwasserstoff findet man häufig. Allein schon wegen dieser Stoffe muss mit einem gewissen Verschleiß gerechnet werden. Aggressiv werden die Kunststoffe teilweise durch ihre Füll- und Verstärkungsstoffe und der ihnen anhaftenden Reste problematischer Stoffe. Auch haben Füll- und Verstärkungsstoffe oft eine deutlich höhere Härte als Stahloberflächen. Die Verarbeitung gelingt nur, weil Kunststoffe in Form ihrer Schmelze hervorragende Einbettungseigenschaften haben und damit meist verschleißhemmend wirken. Verarbeitungstemperaturen über 350 °C stellen an Standardstähle oft unerfüllbare Anforderungen. Damit wird deutlich, dass der für Plastifizierelemente und Werkzeuge verwendete metallische Werkstoff für die Spritzgießverarbeitung und die daraus resultierenden Beanspruchungen geeignet sein muss. So wie es keinen sog. „Standardkunststoff“ gibt, gibt es auch keinen „Standardstahl“. Stähle wie 34 Cr Al Ni 7 (1.8550) oder 31 CrMoV 9 (1.8519) galten früher als solche. Inzwischen weiß man, dass sie nicht gut geeignet sind. Es ist auch deutlich geworden, dass präventiver Verschleißschutz kostengünstiger ist, als die durch Verschleiß verursachten Stillstandzeiten und anfallender Produktionsausschuss. Heute haben neue Maschinen zu etwa 90% Verschleißschutz. Besonders hohen Beanspruchungen sind ausgesetzt: Extrusions-Streckblasformmaschinen 3 Extrusions-Streckblasformmaschinen 3.1 Verfahrensgrundzüge 467 Das Extrusions-Streckblasformen ist eine Variante des Blasformens, durch das bei rotationssymmetrischen Hohlkörpern bessere Produkteigenschaften erzielt werden. Verarbeitet werden überwiegend PVC, PET und Polyacrylnitril (PAN) zu Flaschen von 0,5 bis 2 l Inhalt. Aus dem extrudierten Schlauchvorformling wird in einem ersten Schritt ein Zwischenprodukt, der Hohlkörpervorformling, hergestellt, der bereits die Mündungsform der herzu- Bild 39: Schematischer Ablauf des Streckblasformens A: Extrusion des Schlauchvorformlings, B: Blasen und Konditionieren des Vorformlings, C: mechanische Längsverstreckung des Vorformlings, D: Fertigblasen des Vorformlings und Abkühlen in der Streckblasform (Werkfoto: Battenfeld-Fischer (SIG)) 468 Blasformmaschinen stellenden Flasche aufweist, dessen Länge und Durchmesser aber kleiner sind (Bild 39). Dieser wird in einem Vorformwerkzeug blasgeformt auf eine rohstoffabhängige Strecktemperatur abgekühlt und nach dem Abtrennen der Butzen in das Streckblaswerkzeug übergeben. Dort wird er in einem zweiten Schritt durch einen mechanischen Stempel längsgestreckt und zur fertigen Flasche aufgeblasen; nach dem Abkühlen wird das Produkt ausgeworfen. Oft wird zwischen der Herstellung des Vorformlings und dem Streckformvorgang ein Konditioniervorgang zwischengeschaltet, bei dem der Vorformling möglichst gleichmäßig auf die günstigste Strecktemperatur im thermoelastischen Bereich temperiert wird. Die durch biaxiales Verstrecken eingebrachten Orientierungen bleiben weitgehend erhalten. Dies führt zu Produktverbesserungen im Hinblick auf Steifigkeit, Schlagzähigkeit, Transparenz und Glanz, Permationsverhalten und Berstdruckfestigkeit. Die Verbesserung der mechanischen Gebrauchseigenschaften kann auch für einen reduzierten Rohstoffeinsatz (ca. 15 bis 35%) gegenüber den extrusionsgeblasenen Flaschen genutzt werden. Dies ist der wirtschaftliche Vorteil des Streckblasens. Neben der Wahl der Verstrecktemperatur liegt das wesentliche Know-how in der Auslegung des Vorformlings und den Einzelverstreckgraden in den beiden Richtungen. Wie beim Extrusionsblasformen bleiben jedoch zwei nachteilige Punkte für die Produktqualität und den universellen Einsatz bestehen. Zum einen weist der geblasene Vorformling weiterhin Abquetschstellen und damit Schweißnähte auf, die Schwachstellen des streckgeblasenen Endprodukts darstellen. Zum anderen ist die Verarbeitung relativ niedrigviskoser Kunststoffe durch die Grenzen der erforderlichen Schlauchstabilität eingeengt. Beide Schwachstellen konnten durch das Spritzgießen von Vorformlingen, so genannten Preforms, beseitigt werden. Das Einspritzen von Schmelze in ein Spritzgießwerkzeug lässt zudem sehr genaue Geometrien, insbesondere im Gewinde- und Verschlussbereich der Hohlkörper zu. Als einzige strukturelle Schwachstelle ist der Punktanguss an den Preforms anzusehen. Das Extrusions-Streckblasformen hat daher in den letzten Jahren gegenüber den Verfahren des Spritzblasformens und des ein- und zweistufigen Spritz-Streckblasformens (Abschnitte 4 und 5) viel an Bedeutung verloren. 3.2 Bauarten Es gibt sowohl spezielle Extrusions-Streckblasformmaschinen als auch Extrusions-Blasformmaschinen, die sich mit Hilfe von Umbausätzen für das Streckblasen umrüsten lassen. Notwendig sind ein Vorblas-Werkzeug mit Blasdorn und Trenneinrichtungen für den Boden- und Kopfabfall sowie ein Temperiergerät zum Konditionieren des Vorformlings. Bei dem Fertig-Blasformwerkzeug muss ein Blasdorn mit Streckstempel eingesetzt werden. Da der Flaschenboden oft nach innen gekrümmt ist (Standsicherheit), verfügt das Blasformwerkzeug über einen beweglichen Formboden, um die Entformung zu gewährleisten. Die Extrusionseinheit entspricht der von Extrusions-Blasformmaschinen; zur Leistungssteigerung werden auch Zwei- und Dreifach-Schlauchwerkzeuge eingesetzt. Spritz-Blasformmaschinen 4 Spritz-Blasformmaschinen 4.1 Verfahrensgrundzüge 469 Das Verfahren des Spritzblasformens wird zum Herstellen von Hohlkörpern mit Inhalten bis ca. 2 l (vereinzelt bis 5 l) eingesetzt. Dazu gehören z.B. runde, ovale und asymmetrische Behälter mit engem oder weitem Hals- und Verschlussbereich, die vorwiegend in der Kosmetik-, Lebensmittel-, Reinigungsmittelindustrie und in der Medizintechnik verwendet werden. Es werden PET, PP, PE, PVC, PS, SB, PC und PAN verarbeitet. Bei dem Verfahren wird in einer ersten Stufe durch Spritzgießen ein Vorformling hergestellt (Preform) und dieser anschließend in einem weiteren Schritt zum fertigen Hohlkörper aufgeblasen [17]. Die Techniken des Spritzgießens und des Blasformens sind in einem Prozess und in einer Maschine integriert. Die Vorteile des Verfahrens liegen in der Verarbeitbarkeit niedrigviskoser Kunststoffe, in der Nahtlosigkeit der Produkte und im Erzielen sehr guter Oberflächenqualitäten. Werden angusslose Spritzgießverfahren (z.B. die Heißkanaltechnik) verwendet, so arbeitet das Verfahren abfallfrei. Durch das Spritzgießen kann der Mündungs- und Dichtbereich maßhaltig geformt werden, und auch die Wanddickenverteilung des Vorformlings wird durch die Kavität des Spritzgießwerkzeugs präzise festgelegt. In Bild 40 ist der Verfahrensablauf beim Spritzblasen dargestellt. Der gespritzte Vorformling wird in einer zweiten Stufe aufgeblasen und anschließend abgekühlt und ausgeworfen. Der Wanddickenverlauf des Blasformteils kann hier auch durch den Temperaturverlauf am Vorformling beeinflusst werden. Es gibt auch die Möglichkeiten, das Spritzgießwerkzeug, den Spritzdorn und auch das Blasformwerkzeug zonenweise unterschiedlich zu temperieren. Bild 40: Arbeitsweise von Spritz-Blasformmaschinen mit drei (links) bzw. vier Stationen (schematisch) a: Spritzgießen des Vorformlings, b: Blasformen des Hohlkörpers, c: Abstreifen des fertigen Gebindes vom Dorn und Temperieren des Dorns, d: Abstreifen des fertigen Gebindes, e: Temperieren der Spritzblasdorne 470 4.2 Blasformmaschinen Bauarten Die Plastifiziereinheit von Spritz-Blasformmaschinen entspricht im Wesentlichen der Ausführung von üblichen Schnecken-Kolben-Spritzgießmaschinen. Die Formgebungseinheit ist meist als Mehrstationenanlage konstruiert. Die Schließeinheit für das Spritzgießwerkzeug ist immer die erste Station. Diese ist zusammen mit den nachfolgenden Bearbeitungsstationen für das Blasen und Entformen des Hohlkörpers meist auf einem drehbaren Tisch angeordnet. Der Transport der Produkte in die verschiedenen Stationen erfolgt mit Hilfe des Kerns des Spritzgießwerkzeugs, der in der Blasstation die Funktion des Blasdorns übernimmt. Abhängig vom Behältervolumen werden Spritzgieß- und Blasformwerkzeuge mit jeweils bis zu zwölf Kavitäten eingesetzt. Bild 41 zeigt ein Beispiel für die Ausführung der Formgebungseinheit einer Spritz-Blasformanlage für die gleichzeitige Produktion von zwölf Produkten. Spritzgieß- und Blasformstation haben eigene Schließeinheiten mit unterschiedlichen Schließkräften. Im Zentrum der drei Stationen bewegt ein Drehtisch die Spritzgießkerne taktweise um 120° und transportiert damit die Vorformlinge von der Spritzgießstation zur Blasformstation, gleichzeitig die Blasteile zur Auswerferstation und die freien Dorne zur Spritzgießstation. Der enorme Zuwachs des Bedarfs an Flaschen und Behältern aus PET hat unter anderem auch dazu geführt, dass der Hauptanteil an Entwicklungen der letzten Jahre in die Verfahrens- und Maschinentechnik des verwandten Spritz-Streckblasformprozesses gesteckt wurde. Der zusätzliche Arbeitsschritt des Längsverstreckens des gespritzten Preforms führt bei PET zu weiteren Produktvorteilen, die sich aus der biaxialen Orientierung ergeben (Abschnitte 3.1 und 5). Notwendig ist aber auch eine völlig veränderte Maschinenkonzeption. Spritz-Blasformmaschinen werden weitgehend nur noch für die Verarbeitung von PE, PP und PVC eingesetzt. Bild 41: Formgebungseinheit einer Spritz-Blasformmaschine für zwölf Behälter mit Spritzgieß- und Konditionierstation für die Preforms, Blas- und Kühlstation für die Hohlkörper, Entformstation und Weitertransport der Behälter zur Fülllinie (Werkbild: Uniloy Milacron) Spritz-Streckblasformmaschinen (ein- und zweistufig) 5 471 Spritz-Streckblasformmaschinen (ein- und zweistufig) In einem ersten Schritt werden Vorformlinge (Preforms) mit Schnecken-Spritzgießmaschinen hergestellt und im anschließenden zweiten Schritt werden diese zu Hohlkörpern geformt. Die Preforms werden dabei durch einen mechanischen Stempel in Längsrichtung verstreckt und gleichzeitig in Umfangsrichtung aufgeblasen. Auf diese Weise lassen sich heute biaxial orientierte Behälter bis 20 l Inhalt herstellen. Prinzipiell werden auf dem Maschinenmarkt zwei Anlagenarten angeboten, die sich im Wesentlichen darin unterscheiden, ob die Herstellung des gespritzten Preforms in die Gesamtmaschine mit integriert ist oder nicht. Bei einstufigen Spritz-Streckblasformmaschinen ist die Spritzgießmaschine und damit die Herstellung der Preforms Teil der Anlage; das Spritzgießen und das Streckblasen sind miteinander verkettet. Beim zweistufigen Verfahren dagegen werden die Preforms in einer separaten Spritzgießmaschine vorgefertigt und später (nach Lagerung und Transport) im abkühlten Zustand einer Streckblasformmaschine zugeführt; die Spritzgießmaschine und die Streckblasformmaschine sind getrennt, und die beiden Grundprozesse sind entkoppelt. Alle blasbaren Kunststoffe, wie PE, PP, PVC, PS, SB und PC lassen sich verarbeiten. PET hat jedoch für die Zunahme der Verpackungen besondere Bedeutung für das Spritz-Streckblasformen. Es hat zu den vielfältigsten Entwicklungen und Innovationen auf diesem Maschinensektor geführt, vgl. [18 bis 25] und Messeberichte. In den Märkten der Kosmetik-, Speiseöl-, Lebensmittel- und Detergentienindustrie werden immer mehr extrusionsgeblasene Flaschen aus PE und PP durch spritz-streckgeblasene PET-Flaschen ersetzt. Auch ist beispielsweise für alle Arten von Getränken (z.B. Fruchtwässer, Limonaden, Cola, ColaMischgetränke, stille und kohlensäurehaltige Mineralwässer usw.) der Anteil an PET-Flaschen inzwischen sehr hoch und nimmt weiter deutlich zu. Um spezielle Eigenschaften der PET-Produkte zu erreichen, z.B. Heißabfüllbarkeit und Pasteurisierbarkeit, wurden bei einigen Anlagenherstellern zusätzliche Bearbeitungsstufen in die Verfahren eingebracht. Schon 1989 wurde ein Beispiel für die so genannte Thermokristallisation vorgestellt, bei der die Fertigung des PET-Hohlkörpers in verschiedenen Stufen abläuft (Bild 42). Zur Verbesserung der Produkteigenschaften, wie Sperrwirkung und Temperaturstabilität wie auch zum Bild 42: Schematische Darstellung zum Herstellen heißabfüllbarer oder pasteurisierbarer PETBehälter (Corpotherm-Verfahren) (Werkfoto: Krupp-Corpoplast (SIG)) 472 Blasformmaschinen Bild 43: A: Verfahrensablauf beim Verwerten von rückgewonnenem PET in PET-Behältern durch Zweikomponentenspritzgießen (Coinjektionstechnik), B: Wandaufbau einer so hergestellten Flasche, a: Hauptspritzeinheit mit Neumaterial, b: Zweite Einheit für Recyclingmaterial, c: Spritzgießwerkzeug, d: Konditionieren des Vorformlings, e: Streckblasen der Flasche, f: Auswerfen, g: Neumaterial-Außenschicht, h: Innenschicht aus wieder aufbereitetem PET (Werkbild: Nissei ASB) Wiederverwerten von gebrauchten Behältern als preiswertes Zwischenschichtmaterial ist seit längerem die Produktion von mehrschichtigen Hohlkörpern möglich, wenn die Preforms durch Mehrkomponentenspritzguss gefertigt werden (Bild 43). 5.1 Einstufige Spritz-Streckblasformmaschinen 5.1.1 Verfahrensgrundzüge Bild 44 zeigt die Anlagenstationen, wie sie normalerweise in Spritz-Streckblasformmaschinen integriert sind. Neben der Spritzgießstation zur Herstellung der Preforms mit genauer Verschluss- und Dichtgeometrie und der Streckblasstation ist eine sehr genau arbeitende Konditionier- und Temperierstation notwendig. Für die maßlichen, optischen und mechanischen Eigenschaften des Hohlkörpers ist die Flexibilität bei der Einstellung des Temperaturprofils wichtig. Als günstig hat es sich erwiesen, wenn der Preformkörper durch mehrere Heizzonen in seiner Längsrichtung unterschiedlich erwärmt wird. Auch ist eine unterschiedliche Temperierung an der Innen- und Außenseite des Vorformlings vorteilhaft. Hier entscheidet sich, ob die Vorteile des biaxialen Verstreckens bei verschiedenen Behälterformen auch in die gewünschten optimalen Orientierungszustände der Kettenmoleküle in den Behälterwandungen umgesetzt werden können (Abschnitt 3.1). Notwendig ist auch, dass der Preformkörper durch das Spritzgießen die richtige Form, z.B. Rundheit, Wanddickenverteilung usw., erhält. Der Gewindebereich des Vorformlings muss weiter gekühlt bleiben, da dieser beim Streckblasen nicht mehr verformt werden darf. Ein Vorteil der einstufig arbeitenden Spritz-Streck-Blasformanlagen liegt unter anderem darin, dass die Form der Preforms sehr variabel ausgeführt werden kann; der Flaschenherstel- Spritz-Streckblasformmaschinen (ein- und zweistufig) 473 Bild 44: Schematischer Ablauf des Spritz-Streckblasformens 1: Spritzgießen der Preforms, 2: Konditionieren/Temperieren der Preforms auf der Außenund Innenseite, 3: Streck-Blasformen der Preforms, 4: Entformen und Weitertransportieren der geblasenen Produkte (Werkbild: Nissei ASB) ler ist nicht abhängig von Preformherstellern und deren Preformnormen. Es können heute problemlos auch ovale, eckige und asymmetrische Produkte mit engem und weitem Halsbereich hergestellt werden. Die Verschluss- und Dichtgeometrie kann sehr unterschiedlich gestaltet werden, und es lassen sich sogar Hohlkörper mit angespritzten Haltelaschen fertigen. Vorteilhaft ist weiterhin, dass die Hohlkörper in „einer Wärme“ produziert werden und man damit energetisch gegenüber dem Zweistufenprozess günstiger liegt. Nachteilig ist allerdings, dass die Prozesszeiten des Spritzgießens und des Streckblasens unterschiedlich sind. Die Abkühlung der spritzgegossenen, dickwandigen Preforms auf die Strecktemperatur dauert länger als der biaxiale Verstreckprozess mit Blasdrücken um 40 bar und dem anschließenden Abkühlen des dünnwandigen Hohlkörpers. Die Produktionsleistung von Spritz-Streckblasmaschinen mit gleicher Anzahl von Spritzgießkavitäten und Blasstationen ist daher relativ niedrig. Schon 1995 hat daher ein Maschinenhersteller Spritz-Streckblasformmaschinen mit einer unterschiedlichen Anzahl von Spritzgießkavitäten und Streckblasstationen ausgerüstet. Der Grundgedanke war, die Kapazitäten des Spritzgießprozesses in einen besseren Einklang mit denen des Streckblasprozesses zu bringen. Je nach Produktart wurden Verhältnisse von 2:1 bis 4:1 verwirklicht. 474 Blasformmaschinen Gleichzeitig wurde die Notwendigkeit einen „Puffer“ zwischen Spritz- und Blasstation zu schaffen, dazu genutzt, die Preforms verfahrenstechnisch besser auf das Streckblasen vorzubereiten (Bild 45). So ist z.B. nach dem Spritzgießwerkzeug eine zweite Kühlstation für die Preforms angeordnet. Die Zykluszeit wird dadurch verkürzt. Im Ablauf der Streckblasseite sind vor und nach der Temperierstation für die Preforms Stationen für Temperaturausgleichsvorgänge eingefügt. Durch die höheren Produktionsleistungen wurden die Investitionskosten und auch der Platzbedarf bezogen auf den Behälterausstoß verbessert [9]. Predöhl und Hartwig [24] sowie Bock [25] haben die Vor- und Nachteile des zwei- und einstufigen Streckblasformens zusammengestellt und dabei insbesondere auch untersucht, wie unterschiedliche Verhältnisse zwischen Spritzgieß- und Streckblaskapazitäten beim Spritzstreckblasen zu bewerten sind (Tabelle 1). Daraus abgeleitet sind z.B. mehrere mögliche Bild 45: Maschinen und Verfahrenskonzept der Spritz-Streckblasformmaschinen der PF-Serie (Werkbild: Nissei ASB) Tabelle 1: Prinzipien der Kavitätenverhältnisse im Einstufenprozess [24] (SIG) Spritz-Streckblasformmaschinen (ein- und zweistufig) 475 Bild 46: Schematische Darstellung des Prozesszyklus und schematischer Aufbau der Maschine Ecomax 10/ 2 [24, 25] (Werkbild: SIG) Konditionierstation 2 Streck-und Blasstation Übergabestation 1 Extruder 90˚ 3 90˚ Schmelzespeicher mit Spritzfunktion 90˚ 4 1 Ausgabe Spritzgießstation Bild 47: Einstufen-Streckblasanlage mit zwei Schließeinheiten [25] (Werkbild: SIG) Verfahrensschemen, die zu größeren Produktionsleistungen und mehr Wirtschaftlichkeit führen (z.B. Bild 46 und 47) und mit denen in Bereiche vorgedrungen wird, die zuvor dem zweistufigen Verfahren vorbehalten waren. 5.1.2 Bauarten Aufgrund des starken Wettbewerbs und des damit verbundenen Kostendrucks zielen viele Entwicklungen auf eine Verbesserung des Preisleistungsverhältnisses der Maschinen und damit auf eine Reduzierung der Investitions- und Produktionskosten. Hinzu kommen die 476 Blasformmaschinen für die Anwenderindustrien ebenfalls wichtigen Themen der verbesserten Produktqualität und Prozessfähigkeit sowie Flexibilität der Fertigungen. Die angebotenen Fabrikate unterscheiden sich besonders in Hinblick auf zwei Bereiche: • die Spritzgießseite mit den Bewegungsabläufen der Schließeinheit und der Vorformlinge, der Ausführung des Spritzgießwerkzeugs und der Kavitätenanzahl (auch im Verhältnis zu den Blaskavitäten); • in der Art des Transports und der Vorbehandlung der Preforms vor dem Streckblasen. Hinzu kommen viele Detailentwicklungen in den Anlagenkomponenten. Im Folgenden seien einige, wenige Maschinenbeispiele gezeigt (Bild 48 bis 50). Bild 48 zeigt das typische Aussehen einer Anlage mit dem relativ hochbauenden Streckblasbereich und dem angekoppelten flachen Spritzgießbereich. Bei dieser Maschine mit vier Kavitäten wird die Vorformlingstemperatur durch ein patentiertes Spezialsystem mit der Bezeichnung Direct-Heat-Control überwacht. Die Spritz-Streckblasformmaschine des Typs PF nach Bild 49 ist inzwischen ein klassisches Beispiel für die Konzeption mit unterschiedlicher Anzahl von Spritzgieß- und Streckblaskavitäten zu arbeiten. Das Verhältnis ist hier 4:1, im Spritzgießbereich wird zudem mit einem doppelten Satz drehend angeordneter Preformträgerkerne gearbeitet, die als 4er-Blöcke abwechselnd im Vierfach-Spritzgießwerkzeug zum Einsatz kommen (Schema in Bild 45). Die Maschinen der PB-Serie dieses Herstellers weisen ebenfalls ein Kavitätenverhältnis von 4:1 aus. Für noch höhere Produktionsleistungen sind die Spritzgießwerkzeuge dieser Maschinenreihe allerdings mit 16 beziehungsweise 32 Kavitäten ausgerüstet. Bild 48: Kompaktmaschine SB III-250HB-50 zum Herstellen von 1,4 l-Mineralwasserflaschen aus C-PET (Werkbild: Aoki) Spritz-Streckblasformmaschinen (ein- und zweistufig) 477 Bild 49: Spritz-Streckblasformmaschine Typ PF4-1BH für große PET-Behälter mit Handgriff (Werkbild: Nissei ASB) Die Ecomax-Maschinen (Bild 50) sind nach dem in Bild 46 dargestellten Verfahrensschema konzipiert. Mit einem Kavitätenverhältnis (Spritzgieß- zu Streckblasformkavitäten) von 5:1 ist eine optimale Leistungsabstimmung gelungen [24]. Interessant ist auch, dass der Plastifizierextruder kontinuierlich arbeitet, was unter anderem den Vorteil hat, dass bei gleichem Schneckendurchmesser für den Prozess eine größere Aufschmelzleistung zur Verfügung steht. Dies wird durch die Verwendung eines Speichers mit Spritzgießfunktion möglich (Bild 51). Durch die modulare Kombination können auch die Flexibilität und die Einsatzmöglichkeiten in der Produktion verbreitert werden. Weitere Vorteile, die sich daraus ableiten, sind in [25] zusammengestellt. Bild 50: Aus dem Preform-Modul Premax und dem Streckblasform-Modul Blomax zusammengesetzte Einstufen-Anlage Ecomax zum Herstellen von PET-Flaschen mit z.B. 2 l Inhalt (Werkbild: SIG Blowtec) 478 Blasformmaschinen Bild 51: Schmelzespeicher mit Fifo-Ventilfunktion in beiden Stellungen [25] (Werkbild: SIG Blowtec) Eine interessante Neuentwicklung ist das IndexSB-(Streckblas-)System zum Herstellen von PET-Behältern von 0,25 bis 5 l Inhalt (Bild 52). Bei dieser einstufigen Lösung verbindet der Maschinenhersteller seine bewährte Index-Spritzgießtechnik zur Herstellung der Preforms mit sehr kurzen Spritzzyklen (patentiertes Index-Drehblocksystem, Bild 53A) mit einer neuen Streckblaseinheit. Die Übergabe der Preforms aus der um eine horizontale Achse drehenden Spritzgießseite und dem um eine vertikale Achse drehenden Blasbereich erfolgt mit einem Robotersystem. Vor dem Streckblasen werden auch hier die Preforms konditioniert (Bild 53B). Die Gesamtmaschine arbeitet mit einem Spritzgieß- und Blastaktverhältnis von 2:1, was nach Angaben des Herstellers eine optimale Werkzeugauslastung ermöglicht und durch die höhere Systemproduktivität den Gesamtinvestitionsaufwand gemessen am Ausstoß minimiert. Die einstufige Systemlösung zielt insbesondere auf die Fertigung Übergabe-Roboter Konditionierstation Spritzeinheit Index-Drehblock Flaschen-Übergabe u.-Positionierung Schießeinheit Bild 52: IndexSB System zur Herstellung von PET-Behältern (einstufiges Spitz-Streckblassystem) (Werkbild: Husky) Spritz-Streckblasformmaschinen (ein- und zweistufig) A 479 B Bild 53: Komponenten des IndexSB-Systems A: patentierter Index-Drehblock für das Spritzgießen von Vorformlingen, B: effiziente Konditionierstationen lenken die Wärme auf spezifische Vorformlingbereiche, um Behältergewicht und Leistung zu optimieren (Werkbild: Husky) von PET-Behältern mit kleinen Losgrößen beziehungsweise mit häufigeren Produktwechseln oder auch erhöhten Anforderungen an die Oberflächenqualität. 5.2 Zweistufige Spritz-Streckblasformmaschinen 5.2.1 Verfahrensgrundzüge Für Produktionen mit hohen Ausstoßleistungen wird heute der zweistufige Prozess eingesetzt. Dabei wird die große Effizienz im Wesentlichen dadurch erreicht, dass die beiden getrennt arbeitenden Verfahren des Spritzgießens und des Streckblasens unabhängig voneinander maschinen- und verfahrenstechnisch noch weiter optimiert wurden. Heute lassen sich beim Spritzgießen Stundenleistungen von über 20000 Preforms erreichen. Die Streckblasleistungen liegen über 40000 Flaschen/h. Auf den räumlich getrennt stattfindenden Spritzgießvorgang wird hier nicht mehr eingegangen, einiges wurde in Abschnitt 5.1.2 angesprochen. Die Hersteller von Streckblasformmaschinen bieten entweder selbstentwickelte Spritzgießmaschinen an oder arbeiten eng mit Spritzgießmaschinenherstellern zusammen. Generell hat der Anwender die Wahl, von wem er die Preforms bezieht. Der prinzipielle Ablauf des Streckblasformen von Preforms kann in zwei Produktionsschritte aufgeteilt werden. Schritt 1 beinhaltet die Zufuhr und Kontrolle der Preforms, das Aufheizen und Konditionieren (ca. 90 bis 120 °C bei PET); in Schritt 2 wird der Preform in das Streckblaswerkzeug eingelegt, gereckt und vorgeblasen (Vorblasdruck um 20 bar), fertig geblasen (ca. 40 bar), gekühlt und ausgeformt (Bild 54). 480 Blasformmaschinen Schritt 1 Schritt 2 Bild 54: Schematische Darstellung der Produktionsschritte beim zweistufigen Streckblasformen (Werkbild: Krones) 5.2.2 Bauarten Prinzipiell kann das aktuelle Maschinenangebot für das Streckblasen in zwei Gruppen eingeteilt werden: • Anlagen, auf denen sich praktisch nur PET-Behälter herstellen lassen; • Maschinen, mit denen sich zusätzlich zu PET auch Kunststoffe mit ganz anderen Eigenschaften, wie z.B. PP und PVC, verarbeiten lassen. Bei den Maschinen der ersten Gruppe handelt es sich gewissermaßen um „Einzweck“Hochleistungsmaschinen, die zumeist direkt in die Abfülllinien von Getränken mit großen Absatzmengen integriert sind. Die zweite Art wird auch gerne als „Reheat“-Anlagen bezeichnet und ist wesentlich flexibler für unterschiedlichste Behälter einsetzbar und auch für kleinere Losgrößen geeigneter. Bild 55 und 56 zeigen zwei Beispiele für solche Hochleistungs-Streckblasformmaschinen, die mit vorgefertigten PET-Vorformlingen beschickt werden. Die Bearbeitungsstation des Streckblasens ist meist als rotatorisch arbeitendes Bauelement ausgeführt. Auf diesem so genannten Blasrad werden mehrere Einzel- oder auch Doppel-Streckblaskavitäten (von acht bis zu 30 Einzelkavitäten) angeordnet; das Öffnen und Schließen der Werkzeuge erfolgt meist nach dem Buchdeckelprinzip. Mit den derzeit leistungsfähigsten Einzelkavitäten lassen sich Ausstoßkapazitäten bis 1500 Flaschen pro Stunde und Kavität erzielen; die Flascheninhalte liegen zwischen 0,25 und 1,5 und 2 l. Die Heizstationen, die früher auch oft als drehende Heizräder ausgeführt waren, sind bei einem Teil der aktuellen Maschinengenera- Spritz-Streckblasformmaschinen (ein- und zweistufig) 481 Bild 55: Schematische Darstellung der Streckblasformanlage Contiform S 16/S18 (Werkbild: Krones) 1) Blasmodul, 2) Heizmodul, 3) Blasstation, 4) Einlauf- und Auslaufstern Blasrad, 5) Eingabestern, 6) Dornkette, 7) Bedientafel, 8) E-Schrank, 9) Wasserwand, 10) Pneumatikwand, 11) Lufttransporteur, 12) Heizung, 13) E-Anschluss, 14) Luftversorgung, 15) Wasserversorgung, Vorlauf/Rücklauf, 16) Preform-Zuführschiene, 17) Preform-Rollensortierer, 18) Preform-Steilförderer, 19) Preform-Vorratsbehälter, 20) Preform-Kipper A B Bild 56: Streckblasformmaschine Blowmax Serie III A: Maschinenprinzip, B: Gesamtansicht Blomax 12 der SIG (Werkbilder: SIG Corpoplast) tion oft durch linear arbeitende Heizstrecken ersetzt worden (vgl. Abschnitt 7, Messeberichte). Die Veränderung dieses wichtigen Moduls zeigt deutlich, wie intensiv in den letzten zehn Jahren an diesen Maschinen entwickelt wurde; dies gilt aber auch für alle anderen Anlagenkomponenten. So wird z.B. bei der neuen Blomax Serie III darauf hingewiesen, dass die gesamte Heizkastenreihe gleichzeitig sowohl horizontal als auch vertikal eingestellt werden kann und der Austausch der Heizkästen eine Sache von wenigen Sekunden ist (Bild 57). 482 Blasformmaschinen Bild 57: Austausch eines kompletten Heizkastens im linearen Heizofen der Streckblasformmaschine Blomax Serie III (Werkbild: SIG Corpoplast) Auch die Reheat-Anlagen wurden in Hinblick auf die o.a. Faktoren immer weiterentwickelt. Aus der Vielzahl der Fabrikate sei nur ein Beispiel gezeigt (Bild 58); bei dieser Anlagenart wird insbesondere die Verarbeitung von Preforms aus PP zu Behältern mit Inhalten von 2 l herausgestellt. Bild 58: Reheat- Streckblasanlage SB 6 (Werkbild: Bekum) Sonderbauarten von Blasformmaschinen 6 Sonderbauarten von Blasformmaschinen 6.1 Pressblower-Verfahren 483 Zum Herstellen von Tuben, Kartuschen, Ampullen, Präzisionsflaschen aus blasbaren Thermoplasten (PE, PP, PA usw.) mit Inhalten bis 1,5 l und auch für die Herstellung von Achsmanschetten und Faltenbälgen aus thermoplastischen Elastomeren (TPE) kann auch das so genannte Pressblower-Verfahren eingesetzt werden (Bild 59). Das Kopfteil des Hohlkörpers wird durch Spritzgießen maßlich sehr genau hergestellt. Anschließend wird der röhrenförmige Vorformling durch die vertikale Ziehbewegung des Spritzgießwerkzeugs und das Extrudieren der Schmelze durch das Ringspaltwerkzeug gebildet. Die Wanddickenverteilung am Vorformling kann durch die Geschwindigkeit des Spritzgießwerkzeugs und durch die Spaltweite der Düse geregelt werden. Im zweigeteilten Blaswerkzeug wird der Vorformling zum quetschnahtlosen Endprodukt fertiggeblasen, und nach Ablauf der Kühlzeit wird in einer separaten Station der Bodenabfall entfernt. Bild 59: Schematischer Ablauf des Spritzblasverfahrens mit Wanddickensteuerung beim Herstellen einer Achsmanschette aus einem thermoplastischem Elastomeren A: Fertigung des Kopfteils in einem Spritzgießwerkzeug, B: Vorformling wanddicken- und geschwindigkeitsgesteuert pressziehen, C: Hohlkörper blasformen, D: Butzen abtrennen (Werkbild: Ossberger) 6.2 Blas-, Füll- und Verschließmaschinen Bild 60 zeigt eine vollautomatische Anlage zur Abfüllung steriler Flüssigkeiten nach dem BFS-Verfahren (Blow-Fill-Seal) mit Herstellung, Füllen und Schließen von sterilen und pyrogenfreien Kunststoffbehältern in beliebiger Formgestaltung auf einer Anlage. Extrudierte PE-, PP- oder PET-Hohlkörpervorformlinge aus einem (Mehrfach-)Schlauchwerkzeug werden in gekühlten Blaswerkzeugen als Einzel- oder Blockbehältnisse ausgeformt, dann Druck-Zeit-gesteuert über Fülldorne befüllt, und danach wird der noch heiße Flaschenhals durch das Oberteil des Blaswerkzeugs sofort zugequetscht und hermetisch verschweißt. Die nachfolgende Behälter- oder Blockvereinzelung sowie die Butzen und Randabtrennung erfolgt in-line mittels integrierten oder externen Stanzwerkzeugen. 484 Blasformmaschinen Bild 60: Bottlepack aseptic-Anlage Typ 3012M mit 2 und 5 ml Formwerkzeugen und einer Kapazität von ca. 4500 Ampullen/h (Werkfoto: Rommelag) Ein anlageneigener Reinraum der Klasse A (US-Klasse 100) mit automatischer CIP/SIPReinigung und dark/white-Anlagentrennung gewährleisten ein Höchstmaß an Prozess- und Produktsicherheit. Alle Anlagen des Unternehmens haben immer einen Extruder und arbeiten entweder diskontinuierlich mit einem oder zwei Blaswerkzeugen oder kontinuierlich als umlaufende Formketten mit Behältervolumen von 0,1 bis über 1000 ml und Leistungen bis zu 30000 Behältern/h. 7 Literatur 1 Technologien des Blasformens. VDI-Verlag, Düsseldorf 1977 2 Schneiders, A.: Extrusions-Blasformen. Kunststoffe 67 (1977) 10, S.598/601 3 Ast, W.: Die Fertigungslinie beim Blasformen. Kunststoffe 81 (1991) 10, S. 886/893 4 Boes, D.; Krämer, A.; Lohrbächer, V.; Schneiders, A.: 30 Jahre Nutenextruder. Kunststoffe 80 (1990) 6, S. 659/664 Literatur 485 5 Ast, W.: Blasformen technischer Teile. Anlagekonzepte und Fertigungssysteme für Polyolefine. Kunststoffe 80 (1990) 12, S. 1333/1345 6 Ast, W.: Blasformen technischer Teile. Verfahrenstechnik bei technischen Kunststoffen und TPE. Kunststoffe 81 (1991) 1, S. 27/35 7 Daubenbüchel, W.: Blasformen von technischen Kunststoffen. Kunststoffe 78 (1988) 9, S. 762/775 8 Pfleger, W.; Stöpelmann, G.; Ebert, M.; Renfordt-Sasse, E.: Blasformbare Polyamide. Kunststoffe 86 (1996) 1, S. 61/65 9 Ast, W.: Blasformmaschinen. Kunststoffe 87 (1997) 11, S. 1618/1625 10 Effenberger, A.: Fortschritte in der Werkzeugwechseltechnik an Blasformmaschinen. Vortrag auf der IK-Fachtagung. Darmstadt 1992 11 Schüller, F.: Das 3D-Saugblasverfahren. Interne Schrift der Fischer-W.Müller Blasformtechnik 12 Schüller, F.: 3D-Saugblasverfahrenen. Vortrag beim VIII. VDI-Kunststoffsymposium. Sao Paulo, Brasilien 1996 13 Schüller, F.: Neue Entwicklungen im 3D-Blasformen. Vortrag im Weiterbildungs- und Technologie-Forum Würzburg 1998 14 Balzer, M.: 3D-Technologie; Blasformen ’97: Innovationen und Perspektiven. VDIVerlag Düsseldorf 1997, S. 157/172 15 Thielen, M.; Balzer, M.; Weiland, O.; Siewert, H.; Friedrich, K.: Extrusionsblasformen technischer Teile; Blasformen ’99: Ideen schaffen neue Produkte. VDI-Verlag, Düsseldorf 1999, S. 247/241 16 Wortberg, J.; Michels, R.; Neumann, M.: Elektromechanisch angetriebene Blasformmaschinen Eine Vision? Blasformtechnik 1997 – Innovationen und Perspektiven. VDIVerlag, Düsseldorf 1997, S. 277/298 17 Spritzblasen. VDI-Verlag, Düsseldorf 1976 18 Neumann, E. H.: PP processing on single stage injektion-strech blow moulding machines. Vortrag auf der Tagung High Performance Plastics Packaging, Düsseldorf 1993 19 Appel, O.: Barriereeigenschaften von PET- und PEN-Flaschen. Kunststoffe 86 (1996) 5, S. 650/654 20 Temperaturbeständige PET-Flaschen mit Blomax-Technologie. Interne Schrift der Krupp Corpoplast 21 Kohda, H.: Gleichzeitig entgasen und streckblasformen. Kunststoffe 86 (1996) 5, S. 656/657 22 Appel, O.: Entwicklung bei Polyesterflaschen-Kostensenkung und neue Anwendungen. Blasformen ’97: Innovationen und Perspektiven. VDI-Verlag, Düsseldorf 1997, S. 83/ 111 23 Kohda, H.: Blow Moulding of PEN Resins. Interne Schrift Aoki 24 Predöhl, W.; Hartwig, K.: Einstufig bringt Vorteile. Kunststoffe 89 (1999) 1, S. 59/62 486 Blasformmaschinen 25 Bock, S.: Spritzstreckblasen – ein neues Maschinenkonzept zwischen dem Ein- und Zweistufenprozeß. Blasformtechnik ’99: Ideen schaffen neue Produkte. VDI-Verlag, Düsseldorf 1999, S. 45/63 Messeberichte zur K in Düsseldorf Ast, W.: Blasformen. Kunststoffe 80 (1990) 3, S. 361/366 (K89) Ast, W.: Blasformen. Kunststoffe 82 (1992) 12, S. 1229/1235 (K92) Ast, W.: Blasformen. Kunststoffe 85 (1995) 12, S. 2122/2125 (K95) Burkhardt, D.: Blasformen. Kunststoffe 88 (1998) 9, S. 1552/1558, (K98) Ast, W.: Blasformen. Kunststoffe 88 (1998) 12, S. 2220/2226 (K98) Gust, P.; Holbach, M.: Blasformen. Kunststoffe 91 (2001) 12, S. 113/114 (K01) Weiterführende Literatur Blasformen von Polypropylen. VDI-Verlag, Düsseldorf 1980 Der Blasformbetrieb. VDI-Verlag, Düsseldorf 1982 Sperrschichtbildung bei Kunststoff-Hohlkörpern. VDI-Verlag, Düsseldorf 1986 Blasformen im Wandel. VDI-Verlag, Düsseldorf 1991 Blasformen ’97: Innovationen und Perspektiven. VDI-Verlag, Düsseldorf 1997 Blasformen ’99: Ideen schaffen neue Produkte. VDI-Verlag, Düsseldorf 1999 Menges, G.; Recker, H.: Automatisierung in der Kunststoffverarbeitung. Carl Hanser Verlag, München 1986 Herstellerverzeichnis A.D.S. 18, Avenue des Bethunes F-95078 Cergy Pontoise Cedex www.adspet.com X Automa S.p.A. Via Chiesaccia 38 I-40056 Crespellano Bologna www.automaspa.com X X Bekum Maschinenfabriken GmbH Lankwitzer Straße 14/15 D-12107 Berlin www.bekum.de X X X Hesta-Graham GmbH & Co. KG Dieselstr. 25 70771 LeinfeldenEchterdingen www.hesta.de X X X Husky Zone Industrielle Riedgen Technical Center, B.P. 93 L-3401 Dudelange www.husky.ca X Sondermaschinen: Maschinen für besondere Hohlkörper oder für besondere Verfahren Coextrusionsblasmaschinen Streckblasmaschinen (zweistufig) Spritzstreckblasmaschinen (einstufig) Spritzblasmaschinen Extrusionsstreckblasmaschinen Extrusionsblasmaschinen für Fässer, Tanks und große technische Blasteile Hersteller und Anbieter von Blasformmaschinen in Europa Extrusionsblasmaschinen für Kanister und andere Hohlkörper ähnlicher Größe Herstellerverzeichnis* Extrusionsblasmaschinen für Flaschen und andere Hohlkörper ähnlicher Größe 8 487 X X X X X X X X X * Das Herstellerverzeichnis nennt europäische Hersteller und Anbieter von Blasformmaschinen und definiert deren Fertigungsprogramm. Die Übersicht erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Krones AG Böhmerwaldstr. 5 93068 Neutraubling www.krones.com Magic MP Spa Via Medici 40 I-20052 Monza www.magicmp.it X Sondermaschinen: Maschinen für besondere Hohlkörper oder für besondere Verfahren X X Mauser Maschinentechnik GmbH Schildgestr. 71–163 50321 Brühl www.mauser-kunststoffverpackungen.de X X X X X X X X W. Müller GmbH Belgische Allee 24 53842 Troisdorf-Spich www.w-mueller-gmbh.de Nissei ASB GmbH Mündelheimer Weg 58 40472 Düsseldorf www.nisseiasb.co.jp Coextrusionsblasmaschinen X Mag-Plastic S.A. 108 bis, Chemin du Pontdu-centenaire CH-1228 Plan-les Ouates/Genf www.magplastic.com Meico Srl Via della Giardina, 8 I-20052 Monza www.meico.it Streckblasmaschinen (zweistufig) Spritzstreckblasmaschinen (einstufig) Spritzblasmaschinen Extrusionsstreckblasmaschinen Extrusionsblasmaschinen für Fässer, Tanks und große technische Blasteile Hersteller und Anbieter von Blasformmaschinen in Europa Extrusionsblasmaschinen für Kanister und andere Hohlkörper ähnlicher Größe Blasformmaschinen Extrusionsblasmaschinen für Flaschen und andere Hohlkörper ähnlicher Größe 488 X X X Novapax Maschinenbau GmbH & Co. KG Milchweg 14 26789 Leer X Ossberger GmbH + Co. Plastics Technology Postfach 425 91773 Weißenburg www.ossberger.de Plastimac S.p.A. P.le Giuolio Cesare 9 I-20145 Milano www.plastimac.com 489 Sondermaschinen: Maschinen für besondere Hohlkörper oder für besondere Verfahren Coextrusionsblasmaschinen Streckblasmaschinen (zweistufig) Spritzstreckblasmaschinen (einstufig) Spritzblasmaschinen Extrusionsstreckblasmaschinen Extrusionsblasmaschinen für Fässer, Tanks und große technische Blasteile Extrusionsblasmaschinen für Kanister und andere Hohlkörper ähnlicher Größe Hersteller und Anbieter von Blasformmaschinen in Europa Extrusionsblasmaschinen für Flaschen und andere Hohlkörper ähnlicher Größe Herstellerverzeichnis X X X Rikutec GmbH & Co. KG Graf Zeppelinstr. 5 57610 Altenkirchen www.rikutec.de X X Rommelag VertriebsgesmbH Postfach 1611 71306 Waiblingen www.rommelag.com X Sidel Avenue de la Patrouille de France Octeville-sur-mer, P.B. 204 F-76053 Le Havre Cedex www.sidel.com X X SIG Blowtec GmbH & Co. KG Brüsseler Str. 13 53842 Troisdorf www.sigblowtec.de X X X X X X X X X X X X X X SIG Corpoplast GmbH & Co. KG Meiendorfer Str. 203 22145 Hamburg www.sigcorpoplast.de SIG Kautex GmbH & Co. KG Kautexstr. 54 53229 Bonn www.sigkautex.de X X X X X X X SIPA SpA Via Caduti del Lavoro I-31029 Vittorio Veneto www.sipa.it X X Techne Technipark Engineering Via Della Tecnica 75 I-40068 S.Lazzaro di Savena Bologna www.techne-as.com X X X Uniloy Milacron Germany GmbH Hauptstraße 10 14979 Großbeeren www.uniloy.de X X X Unilog Milacron Italy s.r.l. Via Alessandrini, 43 I-20013 Magenta www.unilog.it X X X Sondermaschinen: Maschinen für besondere Hohlkörper oder für besondere Verfahren Coextrusionsblasmaschinen Streckblasmaschinen (zweistufig) Spritzstreckblasmaschinen (einstufig) Spritzblasmaschinen Extrusionsstreckblasmaschinen Extrusionsblasmaschinen für Fässer, Tanks und große technische Blasteile Hersteller und Anbieter von Blasformmaschinen in Europa Extrusionsblasmaschinen für Kanister und andere Hohlkörper ähnlicher Größe Blasformmaschinen Extrusionsblasmaschinen für Flaschen und andere Hohlkörper ähnlicher Größe 490 X X X