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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
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
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
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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)
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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)
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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.
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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
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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
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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]
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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.
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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
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
Rezyklate aller Art
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
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
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
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
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-
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
Tabelle 1: Prinzipien der Kavitätenverhältnisse im Einstufenprozess [24] (SIG)
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)
477
Bild 49: Spritz-Streckblasformmaschine Typ PF4-1BH für große PET-Behälter mit Handgriff
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)
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
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-
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)
Burkhardt, D.: Blasformen. Kunststoffe 88 (1998) 9, S. 1552/1558, (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
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
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
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
Spritzblasmaschinen
in Europa
Blasformmaschinen
488
X
X
X
Novapax Maschinenbau
GmbH & Co. KG
Milchweg 14
26789 Leer
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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
Spritzblasmaschinen
in Europa
Herstellerverzeichnis
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Rikutec GmbH & Co. KG
Graf Zeppelinstr. 5
57610 Altenkirchen
www.rikutec.de
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Rommelag VertriebsgesmbH
Postfach 1611
71306 Waiblingen
www.rommelag.com
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Sidel
Avenue de la Patrouille de
France
Octeville-sur-mer, P.B. 204
F-76053 Le Havre Cedex
www.sidel.com
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SIG Blowtec GmbH & Co. KG
Brüsseler Str. 13
53842 Troisdorf
www.sigblowtec.de
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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
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SIPA SpA
Via Caduti del Lavoro
I-31029 Vittorio Veneto
www.sipa.it
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Techne
Technipark Engineering
Via Della Tecnica 75
I-40068 S.Lazzaro di Savena
Bologna
www.techne-as.com
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Uniloy Milacron Germany
GmbH
Hauptstraße 10
14979 Großbeeren
www.uniloy.de
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Unilog Milacron Italy s.r.l.
Via Alessandrini, 43
I-20013 Magenta
www.unilog.it
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Spritzblasmaschinen
in Europa
Blasformmaschinen
490
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