Injection Transfer Moulding für Thermoplaste

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Wissenschaftlicher
Arbeitskreis der
UniversitätsProfessoren der
Kunststofftechnik
Zeitschrift Kunststofftechnik
Journal of Plastics Technology
archivierte, rezensierte Internetzeitschrift des Wissenschaftlichen Arbeitskreises Kunststofftechnik (WAK)
archival, reviewed online Journal of the Scientific Alliance of Polymer Technology
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eingereicht/handed in: 20.03.2007
angenommen/accepted: 10.06.2007
Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Walter Michaeli, Dr.-Ing. Martin Koch,
Dipl.-Ing. Tobias Pfefferkorn,
Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV), RWTH Aachen
Injection Transfer Moulding für Thermoplaste –
Eine Alternative zum Spritzgießen mit
Mehrkavitätenwerkzeugen
Das Injection Transfer Moulding-Verfahren (ITM) ist eine in der Elastomerverarbeitung weit verbreitete Kombination aus Spritzgießen und Transfer Moulding. Durch Arbeiten am IKV ist das Verfahren
auch auf die Verarbeitung thermoplastischer Formmassen übertragen worden und bietet damit eine
Alternative zum Spritzgießen mit Mehrkavitätenwerkzeugen für die flexible und schonende Herstellung kleiner Formteile in großer Stückzahl. Nach Diskussion des Werkzeugkonzepts und des Prozessablaufs wird die Umsetzung des Verfahrens in einem Serienwerkzeug vorgestellt.
Injection Transfer Moulding for Thermoplastics
– An Alternative to the Multi-Cavity Injection
Mouldings
Injection transfer moulding (ITM) is a combination of the well known injection moulding and transfer
moulding processes. Research work at IKV made the ITM process suitable for processing thermoplastic materials and hence offers an alternative to the injection moulding process with multi-cavity
moulds for a flexible production of small parts in large numbers. After introducing the mould concept
as well as the course of the process, the implementation of the ITM technology to an ITM mass production mould is presented in this paper.
Autor/author
Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Walter Michaeli,
Dr.-Ing. Martin Koch, Dipl.-Ing. Tobias Pfefferkorn
RWTH Aachen
Institut für Kunststoffverarbeitung
Pontstraße 49
52062 Aachen
Carl Hanser Verlag
E-Mail-Adresse: [email protected]
Webseite: www.ikv-aachen.de
Tel.: +49(0)241 / 80 93983
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Zeitschrift Kunststofftechnik/Journal of Plastics Technology 3 (2007) 4
T. Pfefferkorn et al.
Injection Transfer Moulding für Thermoplaste –
Eine Alternative zum Spritzgießen mit
Mehrkavitätenwerkzeugen
W. Michaeli, M. Koch, T. Pfefferkorn,
Institut für Kunststoffverarbeitung, RWTH Aachen
Das Injection Transfer Moulding-Verfahren (ITM) ist eine in der Elastomerverarbeitung weit verbreitete Kombination aus Spritzgießen und Transfer Moulding. Durch Arbeiten am IKV ist das Verfahren auch auf die Verarbeitung thermoplastischer Formmassen übertragen worden und bietet damit eine Alternative zum Spritzgießen mit Mehrkavitätenwerkzeugen für die flexible und schonende Herstellung kleiner Formteile in großer Stückzahl. Nach Diskussion des
Werkzeugkonzepts und des Prozessablaufs wird die Umsetzung des Verfahrens in einem Serienwerkzeug vorgestellt.
Injection transfer moulding (ITM) is a combination of the well known injection
moulding and transfer moulding processes. Research work at IKV made the
ITM process suitable for processing thermoplastic materials and hence offers
an alternative to the injection moulding process with multi-cavity moulds for a
flexible production of small parts in large numbers. After introducing the mould
concept as well as the course of the process, the implementation of the ITM
technology to an ITM mass production mould is presented in this paper.
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EINLEITUNG
Der zunehmende Wettbewerbsdruck zwingt die Kunststoff verarbeitende Industrie in Deutschland und Westeuropa, die Wirtschaftlichkeit der Fertigung zu erhöhen und die Herstellungskosten zu senken. Dieses Ziel kann zum Beispiel
durch eine Verkürzung der Zykluszeit erreicht werden, wie sie eine optimal angepasste Prozesskontrolle sowie Werkzeug- und Maschinentechnik ermöglicht.
Eine weitere Möglichkeit ist die Integration mehrerer Prozess- und Fertigungsschritte. Ein Beispiel hierfür ist das Mehrkomponentenspritzgießen, in dem
mehrere Prozessschritte in einem Verfahren vereint sind. Ein großes Potenzial
zur Kostenreduktion besitzen Mehrkavitätenwerkzeuge, die die Fertigung einer
Vielzahl von Bauteilen in einem Zyklus erlauben. So lässt sich in den vergangenen Jahren ein eindeutiger Trend zu einer Erhöhung der Kavitätenanzahl erkennen [z. B. 1, 2, 3]. Dieser Trend macht sich vor allem bei verhältnismäßig
kleinen Bauteilen, bei denen oft keine höchste Präzision gefordert ist, bemerkbar.
Aus wirtschaftlichen und technologischen Gründen werden auch Mehrkavitätenwerkzeuge vermehrt mit einem Heißkanalsystem ausgestattet. Sie erlauben die
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Einsparung von Angussmaterial und von Kosten für eventuelle Nacharbeit in
Form des Abtrennens der Angüsse. Aufgrund des Wegfalls des zuletzt erstarrenden Angusses ist eine Reduktion der Zykluszeit möglich. Auch kann dies
den Einsatz kleinerer Maschinen erlauben, da die benötigten Schussvolumina
kleiner sind. Zu den technologischen Vorteilen von Heißkanalsystemen zählen
die Realisierung größerer Fließweglängen, eine verlängerte Nachdruckwirkung
sowie reduzierte Druckverluste [4, 5]. Neben den positiven Effekten der Nutzung von Mehrkavitätenwerkzeugen mit Heißkanaltechnik sind aber auch einige
Nachteile zu nennen. Das Problem der unterschiedlichen Schmelzezustände in
den einzelnen Kavitäten ist noch nicht vollständig gelöst, was sich in von Kavität
zu Kavität verschiedenen Bauteileigenschaften äußern kann. Die Dimensionierung und Gestaltung wie auch die thermische und rheologische Auslegung des
Heißkanalsystems sind mitunter sehr aufwändig. Die langen Fließwege bergen
bei empfindlichen Werkstoffen die Gefahr einer thermischen Schädigung
[4, 6, 7, 8, 9, 10]. Das relativ teure Heißkanalsystem ist zudem meist nur für ein
bestimmtes Bauteil und Werkzeug konzipiert, sodass es für weitere Werkzeuge
und andere Materialien nur selten wiederverwendet werden kann.
Eine interessante Verarbeitungsalternative zur Herstellung kleiner Bauteile in
hohen Stückzahlen bietet hier das Injection Transfer Moulding-Verfahren (ITM).
Während das ITM-Verfahren bereits seit Jahren bei der Verarbeitung vernetzender Formmassen eingesetzt wird [z. B. 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18], ist
das Verfahren erst jüngst der Verarbeitung thermoplastischer Formmassen
durch Forschungsarbeiten am IKV zugänglich gemacht worden [19, 20, 21].
Beim ITM-Verfahren handelt es sich um eine Kombination aus dem Spritzgießverfahren und dem Transfer Moulding-Verfahren, wobei sich die Vorteile beider
Verfahren sinnvoll ergänzen.
2
WERKZEUGAUFBAU UND PROZESSABLAUF
Das ITM-Werkzeug für die Thermoplastverarbeitung ist durch die Aufteilung in
eine heiße und eine kalte Werkzeugseite gekennzeichnet, Bild 1, [21].
Hierbei sind die mittels Heizelementen auf Schmelzetemperatur erwärmte Düsenseite und die über eine konventionelle Flüssigtemperierung kalt temperierte
Schließseite inklusive der beidseitigen Kavitätsplatten über eine Wärmedämmplatte thermisch voneinander getrennt.
In der heißen Werkzeugseite befindet sich ein so genannter Transfertopf, in den
die Schmelze im Gegensatz zum konventionellen Spritzgießen zunächst aus
dem Spritzgießaggregat unter geringen Drücken und damit geringen Belastungen überführt wird.
Erst in einem zweiten Prozessabschnitt wird diese Schmelze über ein KolbenZylinder-System aus der Transferkammer in die Kavitäten des geschlossenen
Werkzeugs transferiert.
2
Bild 1:
Schematischer Werkzeugaufbau eines ITM-Werkzeugs
Der prinzipielle Prozessablauf beim ITM-Verfahren lässt sich dabei in sechs
Phasen zusammenfassen, Bild 2.
Bild 2:
Prozessablauf beim ITM-Verfahren
Zunächst wird die Werkzeugtrennebene geschlossen (Phase 1). Durch weiteres
Zusammenfahren der Werkzeugaufspannhälften wird die Formmasse aus dem
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Transfertopf in die Kavitäten des geschlossenen Werkzeugs transferiert (Transferphase 2). Dem schließt sich eine druckgeregelte Zufahrbewegung (Nachdruckphase 3) an. Im Anschluss an die Nachdruckphase wird der Transfertopf
erneut gefüllt (Phase 4). Im letzten Schritt öffnet sich die Werkzeugtrennebene
und die Formteile werden ausgeworfen (Phase 5 und Phase 6). Mit der darauf
folgenden Schließbewegung wird die Formteiltrennebene geschlossen und ein
neuer Zyklus kann beginnen.
3
VERGLEICH DES ITM-VERFAHRENS MIT DEM
SPRITZGIEßEN
Das ITM-Verfahren für Thermoplaste bietet einige Vorteile gegenüber konventionellen Mehrkavitätenwerkzeugen, die sich sowohl auf die Qualität der zu fertigenden Bauteile als auch auf die Flexibilität der hierzu eingesetzten Fertigungsverfahren beziehen. Aufgrund der kurzen, identisch gestalteten Angusskanäle
treten vergleichsweise geringe Einspritzdrücke und eine niedrige, gleichmäßige
Scherbelastung der Schmelze auf. Zudem kann eine lange effektive Nachdruckphase realisiert werden. Hierdurch ist es möglich, eigenspannungs- und
verzugsarme Bauteile bei geringer Schwindung herzustellen. Auch schersensitive Materialien können so schonend verarbeitet werden.
Hinsichtlich Flexibilität und Kosten des verwendeten Werkzeugs erweist sich
der Verzicht auf aufwändige Angusssysteme im Vergleich zu konventionellen
Mehrkavitätenwerkzeugen als vorteilhaft. Zudem erlaubt die universelle Verwendbarkeit der Transferkammer die Herstellung eines breiten Spektrums an
Produkten durch einfache Anpassung der Kavitätsseite.
Diese Vorteile gehen allerdings mit teils gesteigerten Anforderungen an Prozessführung, Werkzeug und Maschine einher. Gerade eine hohe, gleichmäßige
Bauteilqualität setzt die entsprechende Maschinentechnik voraus.
Die Vor- und Nachteile des ITM-Verfahrens müssen somit vor dem industriellen
Einsatz in der Serienfertigung in Abhängigkeit der Formteilgeometrie, des eingesetzten Materials sowie der benötigten Stückzahl kritisch abgewogen werden. Sowohl die prozessbedingten Stärken des ITM-Verfahrens als auch die
notwendigen Werkzeug- und Maschinenanforderungen im Vergleich zum konventionellen Spritzgießprozess werden im Folgenden genauer betrachtet.
3.1
Prozessanalytische Untersuchungen
Um die unterschiedlichen Prozessbedingungen von ITM und dem konventionellen Spritzgießen quantitativ bewerten zu können, wurden mithilfe eines Prototypenwerkzeugs praktische Untersuchungen am IKV durchgeführt [21, 22]. Das
eingesetzte Werkzeug mit einem Transfertopf von 100 mm Durchmesser erlaubt nicht nur die Produktion von fünf hülsenförmigen Probekörpern im ITMZeitschrift Kunststofftechnik 3 (2007) 4
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Verfahren, sondern ebenfalls die Herstellung identischer Formteile im Spritzgießprozess durch den Einsatz einer Platte mit einem rheologisch balancierten,
sternförmigen Verteiler in der Transferkammer. Die Versuche wurden auf einer
Spritzgießmaschine des Typs Allrounder 320S, 500/150-150 der Firma Arburg,
Loßburg durchgeführt, hierbei kam ein Langglasfaser verstärktes Polypropylen
Typ Celstran PP-GF 50 der Firma Ticona, Kelsterbach, zum Einsatz. Um eine
Vergleichbarkeit der Prozessbedingungen und der Bauteile zu erlauben, wurden die Kavitäten in beiden Verfahren mit weitestgehend identischen Volumenströmen in der Einspritz- bzw. Transferphase gefüllt.
Bild 3 zeigt beispielhaft im oberen Bereich einen charakteristischen Prozessgrößenverlauf von Werkzeugweg und Druckwerten für einen ITM-Prozess. Im
unteren Bereich ist ein charakteristischer Prozessgrößenverlauf von Schneckenweg und Druckwerten im Verteilerkanal und in einer Kavität innerhalb eines
Spritzgießzyklus (IM) aufgetragen. Man erkennt deutlich die für den Spritzgießprozess typischen Werkzeuginnendruckverläufe in Angusssystem und Kavität,
die in der Nachdruckphase kontinuierlich absinken. Im Vergleich hierzu erlaubt
das ITM-Verfahren aufgrund der kurzen Angusskanäle eine längere effektive
Nachdruckphase.
Bild 3:
Vergleich von Prozessgrößenverläufen eines Zyklus
Für eine bessere Bewertung der Prozessgrößenverläufe wird der maximale
Druck als Kenngröße herangezogen. Bei der Durchführung der Untersuchung
wurden beide Prozesse so aufeinander abgestimmt, dass in beiden Verfahren
ein Maximaldruck in den Kavitäten von zirka 300 bar gemessen werden konnte.
Sowohl im Spritzgieß- als auch im ITM-Prozess können die Drücke in den drei
dargestellten Kavitäten, Bild 4, über die Zyklen auf einem annähernd identischen Niveau gehalten werden. Eine gleichmäßige Füllung aller Kavitäten ist
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somit gegeben. Im Spritzgießprozess tritt ein hoher Druckverlust zwischen
Schneckenvorraum und den Kavitäten von etwa 400 bar auf. Da beim ITMVerfahren nicht der Schneckenvorraum sondern der Transfertopf als Schmelzespeicher dient, kann ein deutlich verringerter Druckverlust realisiert werden. Er
liegt beim ITM-Verfahren nur bei ca. 100 bar. Die Gefahr einer Schädigung sowohl des Kunststoffs als auch des Füllstoffs (z. B. Glasfasern) durch eine übermäßige Scherung ist somit deutlich reduziert, wie Versuche mit Pulverspritzgieß-Feedstocks und langfaserverstärkten Thermoplasten zeigen. Ebenso eignet sich das Verfahren für thermisch empfindliche Materialien, da lokale Temperaturspitzen reduziert sind und die Verweilzeit im Transfertopf nur wenige Zyklen beträgt [23].
Bild 4:
3.2
Vergleich der maximalen Druckwerte
Anforderungen an Werkzeug und Maschine
Vor dem Einsatz des ITM-Verfahrens müssen allerdings die werkzeug- und maschinenseitigen Anforderungen und deren Auswirkung auf die Bauteilqualität
berücksichtigt werden. Sowohl Werkzeug als auch Prozessführung sind im Vergleich zum Standard-Spritzgießen komplexer. So besitzt das Werkzeug aufgrund des eingesetzten Kolben-Zylinder-Systems eine zusätzliche Trennebene.
Der Transfertopf muss eine sichere Funktion gewährleisten, d. h. Topf und Zylinder müssen sich im heißen Zustand sicher bewegen lassen und ausreichend
abdichten, sich aber auch bei kälteren Temperaturen noch montieren lassen.
Ein Fressen des Kolben-Zylinder-Systems ist zu vermeiden. Dies wird durch
den Einsatz einer weichen Zylinderschale und eines harten Kolbens, die eine
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unterschiedlich große Wärmeausdehnung besitzen, gewährleistet. Die Abdichtung wird dabei in Form einer selbstaufbauenden Dichtung durch einen definierten Leckagestrom realisiert.
Aufgrund der deutlichen Temperaturunterschiede zwischen heißer und kalter
Werkzeughälfte, kommt der thermischen Isolierung eine wichtige Bedeutung zuteil. Zudem müssen aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung alle
Führungen und Passungen entsprechend ausgelegt werden. Dies kann zum
Beispiel über prismenförmige Zentrierelemente geschehen.
Im Prozess kommt der Transfertopfbefüllungsphase eine zentrale Bedeutung
zu. Hier ist eine hohe Genauigkeit der eingespritzten Masse gefordert, um reproduzierbare Einspritzvolumina in der nachfolgenden Transferphase gewährleisten zu können. Die Befüllung kann maschinentechnisch unterschiedlich realisiert werden.
Zum einen kann der Transfertopf aktiv während der Schmelzeeinspritzung geöffnet werden, um eine nahezu drucklose Befüllung zu realisieren. Dies setzt
aber voraus, dass die verwendete Maschine Parallelbewegungen durchführen
kann. Alternativ kann der Transfertopf zunächst geöffnet werden, bevor die
Schmelze in den offenen Topf gefördert wird. Diese Öffnung kann zum Beispiel
über Klinkenzüge realisiert werden.
Hierbei besteht allerdings die Gefahr, dass Luft in den Transfertopf eingezogen
wird und vor dem Einspritzen nicht rechtzeitig entweichen kann. Für geringe
Transferhübe ist es daher ratsamer, den Topf durch den Schmelzedruck bei der
Topffüllung aufdrücken zu lassen. Hierfür ist es notwendig, die Zuhaltekraft des
Werkzeugs stark herabsetzen zu können.
In den anschließenden Transfer- und Nachdruckphasen wird die Schmelze aus
dem Topf in die Kavitäten transferiert. Um dabei ein Zurückfließen in das
Spritzgießaggregat zu verhindern, ist eine Lageregelung der Schnecke von Vorteil.
Die Transferphase kann druckgeregelt über die Werkzeugschließkraft oder –
bei Einsatz einer optionalen Prägefunktion – weggeregelt erfolgen. Für Bauteile
hoher Qualität ist hier eine Lageregelung der Schließseite vorteilhaft. Denn Untersuchungen der Reproduzierbarkeit anhand des Qualitätskriteriums Bauteilgewicht [21, 22] haben gezeigt, dass die Abweichung des Schussgewichtes von
Zyklus zu Zyklus beim ITM-Verfahren mit zirka 0,22 % fast doppelt so hoch ist
als beim Spritzgießverfahren mit 0,12 %, wenn eine konventionelle Schließeinheit eingesetzt wird, Bild 5.
Die Regelung der Schließeinheit gewinnt mit zunehmendem Transfertopfdurchmesser an Bedeutung, da dann schon geringe Werkzeugbewegungen
große Schmelzebewegungen zur Folge haben.
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Bild 5:
Vergleich der kavitätsabhängigen Bauteilgewichte
(Mittelwert über 20 Zyklen)
4 EINSATZ DES ITM-VERFAHRENS ZUR ANGUSSLOSEN
BAUTEILFERTIGUNG
Die thermoplastische Schmelze fließt während der Kavitätsbefüllung vom heißen Transfertopf in die kalt temperierten Kavitäten. Der Temperaturgradient
zwischen heißer und kalter Werkzeughälfte bestimmt dabei den Erstarrungspunkt der Kunststoffschmelze und führt somit zu einem am Bauteil verbleibenden Anguss. Dieser Anguss muss zumeist in nachfolgenden Verarbeitungsschritten aufwändig entfernt werden. Oftmals wird daher eine angusslose Bauteilfertigung favorisiert.
Eine solche angusslose Fertigung konnte am IKV durch Modifikationen der Angusskanäle realisiert werden, indem der Erstarrungspunkt der Schmelze soweit
in Richtung der Kavitäten verlegt wurde, dass Bauteile ohne einen verbleibenden Restanguss hergestellt werden können. Hierbei wird ausschließlich die
Wärmeenergie der heißen Werkzeugseite dazu genutzt, die Schmelze bis in die
einzelnen Kavitäten flüssig zu halten. Auf den Einsatz von Heißkanaltechnik
und den damit verbundenen hohen Investitionskosten konnte weiterhin verzichtet werden [21, 24].
Das Konzept wurde erstmals an einem modifizierten Produktionswerkzeug der
Fa. Alfred Kratz Kunststoffprodukte GmbH, Trusetal, für Fliesenabstandskreuze
umgesetzt. Diese Fliesenabstandhalter, Bild 6, werden genutzt, um eine gleichmäßige Fugenbreite bei der Verlegung von Fliesen zu garantieren und werden
in unterschiedlichsten Größen benötigt.
8
Bild 6:
Bauteile hergestellt mit dem ITM-Verfahren
Das Prototypenwerkzeug erlaubt die vollautomatische Fertigung von zwölf Bauteilen pro Zyklus. Der Schmelzekanal zwischen Transfertopf und Kavität wird
hierbei durch eine Metallhülse gebildet, die auf der heißen Werkzeugseite montiert ist und über Wärmeleitung auf hinreichend hoher Temperatur gehalten
wird, Bild 7.
Mit der kalten Werkzeugseite hingegen steht die Hülse nur über einen Dichtbund in geringem Kontakt, sodass die Wärmeabfuhr minimal ist. Im Bereich der
Wärmedämmplatte und der kalten Werkzeugseite verhindert ein Luftspalt eine
übermäßige Wärmeabfuhr aus der Angusshülse.
Um einen definierten Abrisspunkt zu gewährleisten und ein Fadenziehen zu
vermeiden, besitzt jede Angusshülse eine Heißkanaldüsenspitze. Um zudem
eine Angussmarkierung zu vermeiden, werden die Bauteile über eine versenkte
Kugelkalotte angespritzt.
Die Konzeptionsphase wurde durch thermische Simulation mit dem Ziel begleitet, die Temperatur des Anschnittpunkts zu ermitteln und stets oberhalb der Erstarrungstemperatur zu belassen.
In praktischen Untersuchungen konnten die Ergebnisse der thermischen Simulation bestätigt werden. Durch Verzicht auf einen im ursprünglichen Produktionswerkzeug eingesetzten Angussverteiler konnte zudem die Zykluszeit gegenüber der Fertigung im Spritzgießprozess mit Verteilerkanal um einige Sekunden reduziert werden.
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Bild 7:
Modifiziertes ITM-Werkzeug für die angusslose Bauteilherstellung
5 UMSETZUNG DES ITM-KONZEPTS IN EIN
SERIENWERKZEUG
Das Konzept der angusslosen Bauteilfertigung mit dem ITM-Verfahren wurde
nun erstmals am IKV in Zusammenarbeit mit der Firma Kratz auf ein Serienwerkzeug höherer Kavitätenzahl übertragen. Neben den prozessbedingten Vorteilen stand hierbei auch die Möglichkeit des ITM-Werkzeugs im Vordergrund,
durch ein einfaches Wechseln der schließseitigen Kavitätsplatte Fliesenabstandskreuze variierender Schenkelbreite herstellen und somit die Werkzeugkosten reduzieren sowie die Fertigungsflexibilität erhöhen zu können.
Die erzielbare Kavitätenanzahl wird maßgeblich durch den Transfertopfdurchmesser begrenzt. Aufgrund der vorgegebenen, maximal zulässigen Werkzeugbreite wurde der Transfertopfdurchmesser auf 180 mm festgelegt. Dies erlaubt
eine Anordnung von 101 Kavitäten, Bild 8.
Hierbei musste nicht nur darauf geachtet werden, dass die Anspritzpunkte weit
genug auseinander liegen, um drei unterschiedliche Fliesenabstandshaltergrößen in die Kavitätsplatte integrieren zu können, sondern auch, dass aufgrund
der je nach Bauteilgeometrie variierenden Einspritzvolumina die Transfertopfhübe in einem tolerablen Bereich liegen. Zudem muss eine ausreichende mechanische Stabilität der Werkzeugplatten sichergestellt sein.
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Bild 8:
ITM-Werkzeug zur Serienfertigung von Fliesenabstandshaltern
[Fa. Kratz]
Da bei dem ITM-Verfahren nicht jede Düsenspitzentemperatur einzeln regelbar
ist, lag das Hauptaugenmerk der Werkzeugkonstruktion auf der thermischen
Auslegung des Bereichs zwischen Transfertopf und Kavität. So muss auf der
einen Seite eine ausreichende Wärmezufuhr zur Aufheizung der Schmelzekanäle und Düsenspitzen, auf der anderen Seite eine homogene Temperierung
der düsenseitigen Kavitätsplatte gewährleistet sein. Die thermische Werkzeugauslegung wurde durch Simulationsrechnungen mit dem 3D-Softwareprogramm
3D-Sigma der Fa. Sigma Engineering GmbH, Aachen, unterstützt. Aus Gründen
der Komplexität des Werkzeugs wurden hierbei der Werkzeugaufbau vereinfacht und Werkzeugverschraubungen, Holme, Nuten etc. für die Simulation
nicht berücksichtigt.
Die heiße Werkzeugseite wird über Heizpatronen im Kolben, flexible Heizelemente in der Topfbodenplatte und eine äußere Heizmanschette temperiert. Eine
Simulation des Aufheizverhaltens des Werkzeugs von Raum- auf Einsatztemperatur zeigt, dass selbst bei gleichzeitig eingeschalteter Kühlung der Kavitätsplatten innerhalb einer Zeitspanne von ca. 40 min das Werkzeug Verarbeitungstemperatur erreicht. Es wird weiterhin deutlich, dass mit zunehmendem Transfertopfdurchmesser die Anordnung und Auslegung der Heizelemente im Topfboden für eine gleichmäßige Temperierung aller Angusskanäle von besonderer
Bedeutung ist, Bild 9.
Hier ist je nach Artikelgröße, Angussdesign und Topfgröße ein Kompromiss
zwischen maximaler Kavitätenanzahl, d. h. einer sehr dichten Anordnung aller
Angusskanäle, und einer möglichst homogenen Temperierung, die eine symmetrisch gestaltete, dichte Anordnung von Heizelementen in der Topfbodenplatte sowie Kühlkanälen in der düsenseitigen Kavitätsplatte erfordert, zu finden.
11
Bild 9:
Aufheizverhalten der düsenseitigen Kavitätsplatte mit Kühlkanal und
Heißkanaldüsenspitzen
(vor Optimierung der Heizelementeanordnung in der Topfbodenplatte)
Neben der thermischen Auslegung sind die rheologischen Verhältnisse in
Transfertopf und Angusskanälen von hoher Bedeutung für eine einheitliche
Füllzeit und Produktqualität von Kavität zu Kavität. Denn sollte sich der Transfertopf uneinheitlich füllen, kommt es in der Transferphase neben der Fließbewegung in Transferrichtung auch zu deutlichen Querströmungen. Der entstehende Druckgradient im Transfertopf führt zu einer unerwünschten Füllung der
Kavitäten zu unterschiedlichen Zeitpunkten.
Dieses Problem ist von hochviskosen Elastomerschmelzen durchaus bekannt,
der Einfluss einer deutlich niedrigviskoseren Thermoplastschmelze auf die
Gleichmäßigigkeit der Füllung von Transfertopf und Kavitäten wurde mittels Simulation und experimentell untersucht [21].
Hierzu wurde in einer separaten Testreihe mit dem in Abschnitt 3 vorgestellten
Prototypenwerkzeug eine Topfbodenplatte mit Bohrungen gleicher Größe auf
den Transfertopf des Durchmessers 100 mm gesetzt, die es ermöglicht, den
Schmelzefluss aus dem Transfertopf in unterschiedlichen Radien und Positionen während der Transferphase zu erfassen, Bild 10.
Die aus jeder Bohrung austretende Schmelzemenge wurde getrennt aufgefangen und gewogen.
Bild 11 zeigt, dass zum einen über den Umfang ein gleichmäßiger Schmelzeaustritt zu verzeichnen ist, zum anderen die Schmelze ebenso über die radialen
Bohrungen gleichmäßig austritt, sodass von einer einheitlichen Füllung der Kavitäten ausgegangen werden kann.
12
Bild 10:
Design der Topfbodenplatte zur Ermittlung des Schmelzeaustritts
aus dem Transfertopf
Bild 11:
Schmelzeaustritt aus dem Transfertopf
Simulationsrechnungen am Fliesenabstandshalterwerkzeug bestätigen dieses
Ergebnis. Hierzu wurden die Fließ- und Temperaturverhältnisse in der Produktionsphase näher betrachtet. Dabei wurde von einer Starttemperatur von 250 °C
für die Schmelze, die heiße Seite und die Heißkanalhülsen, 95 °C für die düsenseitige Kavitätsplatte und 40 °C für die schließseitige Kavitätsplatte ausgegangen. Die zu erwartende Füllzeit liegt für sämtliche Kavitäten gleichmäßig unter einer Sekunde.
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In Bild 12 sind beispielhaft die Temperaturmittelwerte über den Zyklus für zwei
Messpunkte im Bereich des Anschnittes angegeben. Erkennbar ist das Erreichen eines stationären Betriebes nach ca. 12 Zyklen. Die über den Zyklus gemittelte Temperatur im Düsenspitzenbereich liegt dabei mit ca. 170 °C konstant
über der Erstarrungstemperatur des Kunststoffes (PP). Dabei fallen die Temperaturen in dem Vorkammerbereich zu Zyklusende auf 120 - 160 °C, während sie
im Schmelzekanal über den gesamten Zyklus über 200 °C liegen. Durch Anpassung der Temperiermediumstemperaturen der Schließ- und Düsenseiten
lassen sich damit definierte Abrisspunkte im Karlottenbereich für sämtliche Kavitäten erzielen.
Bild 12:
Erzielung eines stationären Zustandes im Düsenspitzenbereich
6 FAZIT UND AUSBLICK
Die vorgestellten Untersuchungen zeigen, dass das Injection Transfer Moulding-Verfahren nicht nur erstmals der Thermoplastverarbeitung zugänglich gemacht, sondern auch in ein erstes Serienwerkzeug umgesetzt werden konnte.
Es bietet somit eine Alternative zu konventionellen Mehrkavitätenwerkzeugen
zur flexiblen und wirtschaftlichen Fertigung kleiner Formteile mit typischen
Schussgewichten von <1 g bis ca. 50 g in hohen Stückzahlen.
Die Prozessführung beim Spritzgießprozess nach dem ITM-Verfahren gestaltet
sich zwar komplexer als die mit konventionellen Werkzeugen, ebenso werden
hohe Anforderungen an die Maschinensteuerung gestellt. Dieser Mehraufwand
kann jedoch oftmals gerechtfertigt sein, da zum einen eine für Mehrkavitätenwerkzeuge aufwändige rheologische Auslegung entfällt. Als vorteilhaft erweisen
sich zum anderen die kurzen Fließwege und Verweilzeiten sowie die geringen
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Druckverluste, die das Verfahren ebenso für scher- und verweilzeitempfindliche
sowie gefüllte Formmassen interessant macht.
Durch eine geeignete Konstruktion der Angusskanäle ist es gelungen, ein Konzept zur angusslosen Bauteilherstellung im ITM-Verfahren erfolgreich umzusetzen. Dieses Konzept konnte zudem von einem Prototypenwerkzeug auf ein
101-Kavitätenwerkzeug übertragen werden. Somit ist ein wesentlicher Beitrag
auf dem Weg zur Serienreife dieses noch relativ jungen Verfahrens in der
Thermoplastverarbeitung geleistet worden.
Für einen direkten, objektiven Vergleich des ITM-Verfahrens und des konventionellen Spritzgießprozesses ist immer eine objektive Bewertung von Bauteilqualität, Zykluszeit, Werkzeug- und Maschinenkosten sowie Standzeiten in Abhängigkeit von Geometrie, Material und geforderter Stückzahl notwendig. Insbesondere die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens und die Innovationsfreudigkeit
der Kunststoff verarbeitenden Industrie entscheiden letztlich darüber, ob sich
das ITM-Verfahren für Großserienanwendungen etablieren kann. Aber schon
zum jetzigen Zeitpunkt kann das ITM-Verfahren als sinnvolle Ergänzung zu der
bereits etablierten Heißkanaltechnologie angesehen werden.
7 DANK
Die Entwicklung des Werkzeugkonzepts zur Verarbeitung thermoplastischer
Formmassen im ITM-Verfahren wurde durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e.V. (AiF) mit der Fördernummer 12031N finanziell gefördert. Dem BMWi und der AiF gilt unser Dank.
Wir danken zudem der Firma Alfred Kratz Kunststoffprodukte GmbH, Trusetal,
für die gute Zusammenarbeit bei der Umsetzung des ITM-Verfahrens zur angusslosen Bauteilfertigung.
Darüber hinaus danken wir allen Firmen, die durch Bereitstellung von Kunststoffen, Geräten und sonstigen Sachmitteln diese Arbeit unterstützt haben, insbesondere der Firma Arburg, Loßburg, für die zur Verfügung gestellte Spritzgießmaschine sowie der Firma Ticona GmbH, Kelsterbach, für das eingesetzte Versuchsmaterial.
15
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Comparison to the Multi-Cavity Injection Moulding
Journal of Polymer Engineering 26 (2006) 2-4,
S.197-212
[23]
Michaeli, W.,
Koch, M.
Erhöhte Flexibilität. Injection Transfer Moulding
ist eine Alternative zum Spritzgießen mit Mehrkavitätenwerkzeugen und Heißkanalsystemen
MM Maschinenmarkt (2002) 33, S. 24-26
[24]
Michaeli, W.,
Koch, M.,
Pfefferkorn, T.
Angusslose Bauteilherstellung durch ITMVerfahren - Heiß und kalt
17
Stichworte:
deutsch:
Injection Transfer Moulding, ITM, Spritzgießen, Mehrkavitätenwerkzeug, Werkzeugtechnik, Serienwerkzeug, Heißkanal, angusslose Fertigung, Prozessanalyse, thermische Simulation
englisch:
Injection transfer moulding, ITM, injection moulding, multi-cavity mould, mould
technology, mass production mould, hot runner, sprueless part production,
process analysis, thermal simulation
Kontakt:
Autoren:
Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. W. Michaeli,
Dipl.-Ing. Tobias Pfefferkorn
Herausgeber:
Prof. em. Dr.-Ing. Dr. h.c. Gottfried W. Ehrenstein,
Prof. Dr. Tim Osswald
Erscheinungsdatum:
Juli/August 2007
18
Herausgeber/Editor:
Europa/Europe
Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. G. W. Ehrenstein, verantwortlich
Lehrstuhl für Kunststofftechnik
Universität Erlangen-Nürnberg
Am Weichselgarten 9
91058 Erlangen
Deutschland
Phone:
+49/(0)9131/85 - 29703
Fax.:
+49/(0)9131/85 - 29709
Amerika/The Americas
Prof. Dr. Tim A. Osswald, responsible
Polymer Engineering Center, Director
University of Wisconsin-Madison
1513 University Avenue
Madison, WI 53706
USA
Phone:
+1/608 263 9538
Fax.:
+1/608 265 2316
Verlag/Publisher:
Carl-Hanser-Verlag
Jürgen Harth
Ltg. Online-Services & E-Commerce,
Fachbuchanzeigen und Elektronische Lizenzen
Kolbergerstrasse 22
81679 Muenchen
Tel.: 089/99 830 - 300
Fax: 089/99 830 - 156
E-mail: [email protected]
Beirat/Editorial Board:
Professoren des Wissenschaftlichen Arbeitskreises Kunststofftechnik/
Professors of the Scientific Alliance of Polymer Technology
19

Injection Transfer Moulding für Thermoplaste

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