Vom erstarrenden Anguss zum Heißkanal - Neue Verpackung

FORMENBAU
Entwicklung, Anwendung und Stand der Heißkanaltechnik
Vom erstarrenden
Anguss zum Heißkanal
Eine typische Bauform stellt der außenbeheizte Heißkanal mit
separat beheizten Düsen dar. (Bild: Hasco)
Normale Angüsse in Thermoplastwerkzeugen
erstarren,
weil die Werkzeugtemperaturen
unter den Erstarrungstemperaturen
der Thermoplaste
liegen. Nachteilig
ist der Materialverbrauch
durch die Angüsse, die erforderlichen
Entformungseinrichtungen,
zusätzlicher
Plastifizierbedarf, Verlängerung
der Zykluszeit und
erhöhte Druckverluste.
Prof. Dr. Siegfried Stitz, Leiter
Werkzeugbau, Fachhochschule
Würzburg, Würzburg
Es ist nicht verwunderlich,
dass man schon früh den Erstarrungsvorgang
zu verhindern
suchte. Die einfachste
Lösung ist der sogenannte
Isolierkanal. Die Angusskanäle
werden so dick dimensioniert,
dass die Selbstisolierung
des Kunststoffs
ausreicht, eine plastische
Seele zu erhalten, durch die
von Schuss zu Schuss den
Formnestern Schmelze zugeführt
werden kann. Die
plastische Seele ist insbesondere
im Anschnittbereich
sehr dünn und kann leicht
einfrieren.
Die nächste Entwicklungsstufe
führte zur Innenbeheizung
aller Angusskanäle
und damit zum innenbeheizten
Heißkanalsystem. Parallel zu innenbeheizten
wurden außenbeheizte
Heißkanäle entwickelt.
Die Vorteile von Außen- und Innenbeheizung
sind in einer Tabelle gegenübergestellt.
Die Tatsache, dass auch
die ursprünglich auf innenbeheizte Systeme
spezialisierten Firmen Ewikon und
DME auf außenbeheizte übergegangen
sind, zeigt, dass die Vorteile der Außenbeheizung
in vielen Anwendungsfällen
überwiegen.
Die höchsten Anforderungen an ein
Heißkanalsystem liegen besonders bei
der direkten Anspritzung der Kavität im
Bereich des Anschnitts. Hier muss auf
wenigen Millimetern ein Temperaturunterschied
in der Größenordnung von
200° C realisierte werden, damit Forderungen
wie sauberer möglichst unsichtbarer
Anspritzpunkt, kein Fadenziehen,keine
unzulässige Erwärmung des
Werkzeugs und kein Einfrieren der Düse
erfüllt werden können.
Die indirekte Anspritzung ist wesentlich
unproblematischer, da die Trennung
zwischen Schmelze und erstarrenden
Bereichen an einem erstarrenden
Restanguss erfolgt, an den keine Qualitätsanforderungen
gestellt werden und
mehr Platz für die thermische Trennung
zur Verfügung steht. Die indirekte Anspritzung
ist auch wirtschaftlich interessant,
wenn mehrere Formteile oder Anschnitte
mit einer Düse versorgt werden
können.
Die Schmelzekanäle offener Düsen enthalten
keinerlei Einbauten und damit
auch keine Strömungshindernisse.
Daraus ergeben sich für hochviskose,
thermisch empfindliche Massen und die
indirekte Anspritzung Vorteile durch
geringen Druckverlust, geringe Scherung,
geringes Verstopfungsrisiko,
Möglichkeit komplette Spülung und
Farbwechsel. Nachteile zeigen sich
beim Angussrest, Fadenziehen und
Quellen.
Nadelverschlussdüsen sind das
Nonplusultra
Wie aus einer Zusammenstellung der
Eigenschaften hervorgeht sind Nadelverschlussdüsen
prinzipiell das Nonplusultra
der Heißkanaldüsen. Die Betätigung
der Nadeln erfolgt heute in der
Regel hydraulisch oder pneumatisch.
Kritisch ist unter anderem der Sitz der
Nadeln im Anschnitt. Konische Nadelspitzen
können bei falscher Justierung
zu Ausbrüchen im Werkzeug führen,
zylindrische (mform) sind diesbezüglich
unproblematisch. Nadelverschlussdüsen
sind auch die Voraussetzung für
interessante Verfahrensvarianten wie
72 PLASTVERARBEITER 55. Jahrg. (2004) Nr. 8

Mehrkomponentenspritzguss, Thermoplastschaumguss,
sequenzielles Einspritzen
(Kaskadensteuerung der Düsen
(Dynisco) für Stoff-/Folienhinterspritzung,
Bindenahtsteuerung, Gas-,
Wasserinnendrucktechnik, Einspritzen
mit Vorkomprimierter Schmelze und die
Schmelzedruckregelung mit Hilfe von
Heißkanaldüsen.
Der Verteiler des Heißkanals hat die
Aufgabe die Schmelze von der zentralen
Angießbuchse zu den einzelnen Düsen
zu leiten. Bei zentraler Anspritzung
von Einfachwerkzeugen ist kein Verteiler
nötig, der Heißkanal besteht nur
noch aus einer Düse. Meist werden die
Verteilerkanäle in Blöcke aus Warmarbeitsstahl
gebohrt. Trotz schlechter
Wärmeleitfähigkeit sprechen die hohe
Druckfestigkeit und Anlassbeständigkeit
für die Verwendung von Stahl. Die
Beheizung der Verteiler erfolgt heute
meist durch zweiseitig eingelassenen
Rohrheizkörper. Kritische Bereiche sind
Umlenkungen und Verschlüsse der Kanäle,
da sich dort leicht tote Räume bilden,
in denen Material hängen bleibt.
Materialschädigungen und Verunreinigungen
bei Farbwechseln sind die
Folgen.
Generelle Anforderungen an Verteiler:
Strömungsgünstige Kanäle
Geringe Druckverluste, Scherung
Keine Strömungshindernisse und
tote Räume
Robuste, gleichmäßige Beheizung
Balancierung, möglichst natürlich
Kompensation der Wärmedehnung.
Kein Heißkanal ohne
Temperaturregelung
Aufbau einer
Nadelverschlussdüse
(Bild: Plastic
Service)
Vergleich der drucksteuernden Wirkung eines erstarrenden Anschnitts (Radiogehäuse) mit der
Wirkung offener Heißkanaldüsen (Flaschenkasten) Strichlinien: Auf Schneckenvorraum umgerechneter
Hydraulikdruck Vollinien: Forminnendruck angussnah (Bild: Stitz)
Der Temperaturregelung eines Heißkanals
kommt eine entscheidende Bedeutung
zu. Moderne Heißkanalregler
arbeiten adaptiv, passen sich also automatisch
an das Regelverhalten der Regelstrecke
an und sind mit Regelalgorithmen
ausgestattet, die ein Überschwingen
verhindern sollten. Zusätzlich
wird über Anfahrschaltungen und
Hochheizprogramme dafür gesorgt,
dass Heizelemente und Werkzeuge
schonend aufgeheizt und thermisch
flinkere Teile des Systems wie zum Beispiel
die Düsen verzögert beheizt werden.
Alle Teile des Systems werden so
gleichzeitig die Betriebstemperatur erreichen.
Die Masse in den Düsen wird
nicht geschädigt.
Eine wichtige Voraussetzung für die
Temperaturkonstanz längs der Fließwege
ist die Lage der Temperaturfühler.
Diese müssen dort angebracht werden,
wo besonders hohe Temperaturen zu
erwarten sind und nicht dort, wo große
Wärmeverluste auftreten, wie bei
Druckringen oder an den Enden der
Verteiler. Da in Bereichen höherer Wärmeverluste
das Aufheizen länger dauert,
würden Zonen mit geringerer Wärmekapazität
überhitzen.
Für die wirtschaftliche Bewertung des
Einsatzes von Heißkanälen sollten zunächst
die Alternativen geprüft und eine
Vergleichskalkulation durchgeführt
werden. Neben den rein wirtschaftlichen
Vor- und Nachteilen sollten technologischen
Unterschiede zu erstarrenden
Angüssen nicht übersehen werden.
Technologischer Vergleich mit erstarrenden
Angüssen.
Von den im Folgenden aufgezählten
Vor- und Nachteilen bedarf die drucksteuernde
Wirkung von erstarrenden
Anschnitten einer Erklärung. Bekannt
ist, dass erstarrende Anschnitte die Wirkung
eines thermischen Ventils haben.
Trotz konstantem Nachdruck wird mit
zunehmender Erstarrung der Forminnendruck
heruntergeregelt. Dieser
Druckabfall im Werkzeug ist wichtig,
um hohe Orientierungen zu vermeiden.
Vorteile sind:
Geringe Druckverluste, lange, komplizierte
Fließwege realisierbar
PLASTVERARBEITER 55. Jahrg. (2004) Nr. 8 73

FORMENBAU
Vermeidung von Bindenähten und
Faltenbildung durch Kaskadensteuerung;
Keine oder späte Erstarrung, deshalb
längerer Nachdruck möglich
Möglichkeiten der Balancierung
durch Temperatursteuerung, Spaltverstellung
oder Blenden
Durch Wegfall der Entformung des
Angusssystems einfachere Automatisierbarkeit
des Prozesses (Entnahme).
Nachteile:
Gefahr der thermischen Schädigung
empfindlicher Materialien
Ungleichmäßige Temperierung führt
zu unterschiedlichen Schmelzetemperaturen
und damit zu einer ungleichmäßigen
Füllung
Nicht so konstant wie erstarrende
Angüsse
Schwankender Abriss
Keine oder verminderte drucksteuernde
Wirkung des Anschnitts deshalb
Überladung des Werkzeugs
möglich.
Vor- und Nachteile beim
erstarrenden Anschnitt
Beim wirtschaftlichen Vergleich mit erstarrenden
Anschnitten ergeben sich
Vorteile wie: Einsparung von Angussmaterial
beziehungsweise Kosten für
die Aufbereitung der Angüsse, Kürzere
Zykluszeit, Zeit für die Entformung der
Angüsse entfällt, Zykluszeit wird nicht
mehr durch langsam erstarrende Angüsse
bestimmt. Es ist kein Düsenabhub
notwendig. Eventuell ist eine
kleinere Maschine ausreichend, dann
erzeugen die Angusskanäle keine Auftriebskräfte.
Zu beachten ist die Verringerung
des Dosiervolumens um das Volumen
der Angüsse und ein geringerer
Öffnungshub des Werkzeugs ist erforderlich.
Auch sind keine Zusatzeinrichtungen
für Angussentnahme, -separierung
und Zerkleinerung erforderlich.
Zu den Nachteilen zählen hier: höhere
Werkzeugkosten, mehr Ausschuss (zumindest
beim Einfahren der Werkzeuge).
Es sind Zusatzeinrichtungen (Temperaturregelgeräte)
erforderlich. Das
System ist störanfällig durch Leckagen,
Ausfall von Heizelementen und Abriss.
Für die bedienung ist qualifiziertes Personal
aufgrund anspruchsvoller Handhabung
erforderlich (Einrichten, Überwachen,
Warten).
Da das Heißkanalwerkzeug häufig in
Konkurrenz zum 3-Platten-Werkzeug
steht, lohnt ein Kostenvergleich zwischen
beiden Werkzeugarten. Die wesentliche
Erkenntnis: Trotz höhere Kosten
des Heißkanalwerkzeugs mit Zubehör
ergibt sich bei ausreichender Stückzahl
durch die geringeren Werkstoffund
Fertigungskosten eine Einsparung
zu Gunsten dieser Werkzeugart.
Der Vortrag wurde im Rahmen des 2. Fachseminars
Kunststofftechnik der Firma Pruner
Marketing Services GmbH, während der
Fakuma 2003 in Friedrichshafen gehalten.
www.pms-seminar.de
Vorteile der Außenheizung im Vergleich zur Innenheizung
Vorteile Außenheizung
Homogenere Massetemperatur
Geringere thermische Schädigung
Geringerer Druckverlust
Geringere Scherung
Komplette Spülung
Kein Mitreißen von Isolierschichtflocken
Schneller im thermischen Gleichgewicht
Eigenschaften von Nadelverschlussdüsen
+ Glatte Anschnittstelle – Kosten
+ Kein Fadenziehen, Ausquellen – Einbauraum
+ Großer Querschnitt (Druckverlust, Scherung, – Störanfälligkeit
und Anschnittverschleiß gering)
+ Großes Prozessfenster
+ Voraussetzung für Sonderverfahren
+ Kaskadensteuerung
Vorteile Innenheizung
Preisgünstig
Dichtwirkung der Isolierschicht
Gute Wärmeisolierung nach außen
Auskleidung toter Ecken durch die Isolierschicht
Literatur
E. Lindner, KP. Cuttat, Selbstisolierender Heißkanal
mit Nadelverschlüssen, Kunststoffe
11/2001, S. 38
P. Wippenbeck, Heißkanaltechnik, Kunststoffe
2/1999, S. 111
A. Lang, Heißkanaltechnik heute, Kunststoffe
11/2000, S.80
W. Wüstlin, Ausführung und Anwendung von
Nadelverschlusssystemen kleiner und mittlerer-
Größen, 2. Fachforum Kunststofftechnik auf
der Fakuma 2003
R. Lehnert, Elektrische Heizschichten, Seminar
„Heißkanaltechnik beim Spritzgießen“, Süddeutsches
Kunststoffzentrum 2003
S. Stitz in Menges/Mohren, Spritzgießwerkzeuge,
Hanser Verlag
H.Bopp, A. Hörburger, A. Sowa, Heißkanalsysteme
für technische Thermoplaste, Plastverarbeiter
11/1977, S.573
Alternativen zur Heißkanaltechnik
Anspritzsituation
Zentral Anspritzung,
Einfachwerkzeug
Alternativen
Stange, Vorkammer, pneumatischer
Ausfeueranguss
Anspritzsituation
Seitliche Anspritzung mehrerer
Formnester
Seitliche Anspritzung,
Einfachwerkzeug
Anspritzung in Trennebene,
3-Platten-Werkzeug
Mehrfachanspritzung eines Formteils
Zentrale Direktanspritzung
mehrerer Formnester
3-Platten-Werkzeug
Seitliche Direktanspritzung
mehrerer Formnester
Alternativen 3-Platten-Werkzeug 3-Platten-Werkzeug Anguss in Schieber, Backen
Keine Alternativen
Große Distanzen, Komplizierte Strömungswege, Sonderverfahren
74 PLASTVERARBEITER 55. Jahrg. (2004) Nr. 8