Isolierte Formeinsätze für Spritzgieß - Konstruktionsbüro Hein GmbH

FACHBEITRÄGE
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Isolierte Formeinsätze für
Spritzgieß- und Druckgießwerkzeuge
Isolierte Formeinsätze reduzieren den Temperieraufwand, verbessern die Wirkung mit hoher Energieeffizienz und sind
schnell im Prozess. Eine konsequente, mittige Zentrierung aller Einsätze, Formplatten und Formhälften zueinander
ermöglicht eine hohe Genauigkeit. Die innovative Gestaltung des Auswerferrahmens führt zu einer maximalen Abstützung
der Formplatte und reduziert so die Durchbiegung. Das Anguss-System optimiert die Scherung bei der Füllung
und ermöglicht so optimale Oberflächen und einen geringen Verzug.
Welche Potentiale haben wir heute im
Formenbau, um mit einer besseren
Bauteilqualität, kürzeren Zykluszeiten,
kürzeren Bauzeiten für das Werkzeug
und einer definitiven Prozesssicherheit
für den Spritzgießer eine bessere Positionierung
im Markt zu erreichen?
Der Endkunde wünscht ein kostengünstiges,
technisch und optisch
einwandfreies Spritzgussteil.
Wer diese Anforderung im Netzwerk
der Lieferanten erfüllen kann und
dabei sein eigenes Unternehmen auf
eine gesunde Basis stellt, wird dauerhaft
für seine Kunden interessant sein.
Die heute oft in Goldgräbermanier
geforderten Billigwerkzeuge, ohne
Betrachtung der Folgekosten, bieten
bei einer langfristigen Erfassung der
Kosten keine nachhaltige Perspektive.
Leider ist zur Zeit (2009/2010), aufgrund
der geforderten kurzfristigen
Amortisationszeit von Investitionen
mit 1-1,5 Jahren, bei vielen Aktiengesellschaften
der kurzsichtigen
Handlungsweise Tür und Tor geöffnet.
In Folge dessen zeichnet sich bereits
Bild 1:
Lange Aufheizphase
heute ein enormer Nachholbedarf an
Ersatzwerkzeugen ab, denn Einsparungen
am Werkzeug zahlen sich
nicht aus. Der volkswirtschaftliche
Schaden dieser Vorgehensweise ist
für das jeweilige Unternehmen und
für die Volkswirtschaft beträchtlich.
Hier ist eine ganzheitliche Betrachtung
dringend erforderlich.
Spritzgießsimulation/FEM
Die heute erforderliche konsequente
und qualifizierte Vorgehensweise
beginnt bereits in der Produktentwicklung
des Kunststoffteiles mit der
Kontakt
Konstruktionsbüro Hein GmbH
Rudolf Hein, Henrik Bertel
Tel.: +49 (0) 5032 63151
info@Kb-Hein.de
Nonnenmann GmbH
Karl Nachtrieb
Tel.: +49 (0) 7181 40870
karl.nachtrieb@nonnenmann-gmbh.de
Bild 2:
Simulation der Temperierung in der
Produktentwicklung
üblichen Spritzgießsimulation unter
Einbeziehung der späteren Werkzeugtemperierung
mit Verzugsdarstellung.
Die anschließende Optimierung auf
Grundlage der Simulation und, wenn
erforderlich, einer zusätzlichen FEM-
Berechnung, stellt sicher, dass das
bestmögliche Ergebnis bezüglich der
Artikelgeometrie überhaupt erreichbar
ist. Frühzeitig wird ein erstes Werkzeugkonzept
mit den Trennungen am
Bauteil und den daraus resultierenden
Entformungsschrägen erstellt. Jetzt
kann der Artikel auf Mitte Toleranz
fertig konstruiert werden. Somit kann
der Datensatz der Konstruktion bis zur
Endkontrolle des gefertigten Bauteiles
der Gleiche bleiben.
Langfristige
Projektkostenerfassung
Durch langfristige Projektkostenerfassung
werden nicht selten erhebliche
Einsparpotentiale erkannt und
genutzt.
Es wird ersichtlich, dass der heutige
Produktentwickler ein gutes Werk-
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zeugwissen benötigt oder sich dieses
im Netzwerk als Dienstleistung zukaufen
muss. Um unvermeidbare Folgekosten
zu sparen (siehe Diagramm 1
und 2), muss in der Produktentwicklung
je nach Aufgabenstellung etwas
mehr investiert werden als bisher
üblich.
Mit dem Ergebnis aus der Simulation,
eventuell sogar einer simulierten
Negativkorrektur, oder bei glasfaserverstärkten
Bauteilen mit einer
Aufmaßbestimmung, geht man in die
Werkzeugkonstruktion. Zu diesem
Zeitpunkt hat man bereits alle Vorgaben
hinsichtlich Anspritzung, Temperierung
und Trennungen vorliegen und
kann sehr schnell vorgehen.
Das individuelle
Normalienprogramm „IsoWe“
Es wird die vorgehend beschriebene
Vorgehensweise empfohlen, um nachfolgend
bei einer Umsetzung im Werkzeugkonzept
„IsoWe“ alle Vorteile des
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Konzeptes nutzen zu können.
Für die Definition der erforderlichen
Normalie wird gerade ein Internettool
entwickelt, welches es dem Konstrukteur
ermöglicht, anhand von
Fragestellungen und entsprechenden
Antworten über die Nestzahl, gewünschte
Werkstoffe, Artikelgröße
usw. die Normalie vorzudefinieren. Auf
Grund dieser Informationen erstellt
sich die Normalie und wird dargestellt.
Daraufhin kann die Dimensionierung
geprüft oder wieder geändert werden,
um z. B. für einen Schieber mehr Platz
vorzusehen.
Isolierte Formeinsätze eröffnen
neue Temperiermöglichkeiten
Bisher versuchte man das ganze
Werkzeug so zu temperieren, dass
sich ein stabiles Temperaturniveau
über das ganze Werkzeug einstellt.
Das urheberrechtlich vom Konstruktionsbüro
Hein geschützte Werkzeugkonzept
„IsoWe“ beschränkt sich auf
Diagramm 2: Durchschnittliche Projektzeit bis zur prozessfähigen Anwendung
Diagramm 1:
Darstellung der Projektkosten
die Temperierung der Formeinsätze
und weiterer konturgebender Bauteile
des Werkzeuges, die gegen das umgebende
Werkzeug isoliert sind. Von
der konventionellen Temperierung bis
zur zyklusabhängigen Temperierung
kann hier individuell und komfortabel
temperiert werden.
Die Formeinsätze sind umlaufend mit
Luft isoliert. Über eine Nut-Feder-Verbindung
aus Stahl oder Keramik sind
sie zentriert. Die unter dem Einsatz
erkennbare isolierte Einsatzhaltplatte
dient der Zuführung des Temperiermediums.
Die Formeinsätze (Bild 3)
und der Formträger (Bild 4) sind gegen
das restliche Werkzeug über eine
hochfeste Wärmedämmplatte isoliert
(Bild 5 und 6, gelb eingefärbt).
Schneller und mit weniger
Energie im Prozess
Die hier dargestellte Anwendung zeigt
in der Praxis, dass man nicht nur mit
einem Bruchteil des Energiebedarfes
auf Prozesstemperatur ist, sondern
man dieses Ziel mit „IsoWe“ bereits
in 9 min. erreicht, statt in 30 min.
beim konventionellen Werkzeug. In
Diagramm 3 ist jeweils eine Gegenüberstellung
der Aufheizphase bei 75°C
und bei 160° C mit Single/Durotherm
Temperiergeräten beschrieben.
Eine konsequente, mittige Zentrierung
aller Einsätze, Formplatten und
Formhälften zueinander ermöglicht
eine hohe Genauigkeit (Bild 5 und 6,
Pfeile).
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Bild 3:
Formeinsätze
Normalienkonzept
Das individuelle Normalienkonzept
ermöglicht die unterschiedlichsten
Konstellationen von einer Kavität in
einem isolierten Formeinsatz bis hin zu
vielen kleinen Kavitäten in einem oder
mehreren Formeinsätzen.
Bei großen Bauteilen kommt es oft
dazu, dass nur die Seite mit dem
Formkern in einem isolierten Einsatz
liegt und auf der Gesenkseite die ganze
Formplatte einteilig isoliert ist.
So individuell die Anwendbarkeit ist:
Was gleich bleibt, ist die thermische
Isolierung gegen den Rest des Werk-
Bild 5 und 6
Bild 4:
Formträger
zeuges und die konsequent mittige
Zentrierung.
Sie ermöglicht, dass die Vorlauftemperatur
des Formkernes entsprechend
den Anforderungen geringer sein darf
als auf der Gesenkseite. Bedenkt
man, wie schnell das Bauteil auf den
Kern aufschwindet, so kann man sich
vorstellen, wie wenig die Gesenkseite
zum Energieaustrag der eingespritzten
Kunststoffmasse beiträgt. Umso
wichtiger ist eine angepasste Temperierung
und eine möglichst homogene
Formoberflächentemperatur oberhalb
der Vorgaben des Rohstoffherstellers.
Die möglicherweise unterschiedlichen
Wärmeausdehnungen können durch
die mittige Zentrierung aller Komponenten
weitestgehend kompensiert
werden.
Hohe Standzeiten und geringe
Formdurchbiegung
Für eine hohe Standzeit und eine
geringe Formdurchbiegung wurde ein
passendes Auswerferplattensystem
entworfen. Die funktionsbedingte
Form der Auswerferplatten lässt nur
noch geringe Abstände im abstützenden
Auswerferkasten zwischen
den sich ergebenden Auflagen zu.
Auch die oft verwendeten „Angstsäulen“,
die meistens ohnehin mit einem
zu kleinen Durchmesser und nur aus
1.1730 unzureichend ausgeführt
wurden, können entfallen, wenn die
Zwischenplatte entsprechend dimensioniert
wurde (Bild 7 und 8).
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Diagramm 3:
Gegenüberstellung des Energieverbrauchs. IsoWe-Werkzeuge benötigen beim Aufheizen
für die vorliegende Anwendung ein Zehntel bis ein Zwanzigstel der Energie
Innovative Gestaltung des
Auswerferrahmens
Die innovative Gestaltung des Auswerferrahmens
führt zu einer maximalen
Abstützung der Formplatte und
reduziert so jegliche Durchbiegung.
Die häufige Gratbildung aufgrund von
Durchbiegungen im Werkzeug gehört
somit der Vergangenheit an.
Mehrfachnutzung der Stammform
mit hoher Präzision
Sicherlich ist das für den aktuellen
Trend zur Modellvielfalt mit gerin-
Bild 7 und 8
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Bild 9 und 10
geren Stückzahlen eine interessante
Perspektive. In der exemplarischen
Darstellung (Bild 9 und 10) sind die
spritzseitigen Einsätze dargestellt.
Man erkennt die in der Standardversion
auf der Rückseite eingefrästen
Aussparungen für die verlängerte Einsatzhalteplatte,
die ebenfalls thermisch
isoliert ist.
Für den Prototypenbau werden die
Einsätze von der Trennebene herausnehmbar
über je 2 Spannriegel fixiert.
Sie nutzen die präzise Zentrierung
und haben eine einfache und schnelle
Wechselmöglichkeit.
Das „IsoWe“-Anguss-System
Für den Kaltkanalbereich (Thermoplaste)
und für andere Anwendungen
(Duroplaste/Elastomere) wurde ein
passendes Anguss-System erarbeitet.
Eine Ausführung des Verteilereinsatzes,
der in verschiedenen Größen
und Ausführungen verfügbar ist, ist in
Bild 11:
Verteilereinsatz
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Bild 11 dargestellt. Er verzichtet auf
die mittlere Angusskralle, setzt dafür
zwei außermittige Krallen und sieht
zwingend einen „Totkanal“ (Pfeil) für
den „kalten Propfen“ vor. Im Anschluss
daran wurde ein spezieller Angusseinsatz
(Bild 12) für die Tunnelanbindung
erstellt.
Dieser wurde rheologisch optimiert
und kombiniert den Stauboden mit
einem sanften Übergang auf eine fast
kreisrunde Anbindung am Artikel.
Durch die spezielle Übergangskontur
ergeben sich keine Messerkanten
quer zur Fließrichtung und so ist bei
Einhaltung des richtigen Angussdurchmessers
die Scherung im Kunststoff
so gering wie nur möglich. Für
Werkstoffe, die Scherung benötigen,
sind andere Geometrien im „IsoWe“-
Programm. In Kombination mit
speziellen gegen Abrasion hochbelastbaren
Stählen sind auch Lösungen
für das Verarbeiten von hochver-
stärkten Werkstoffen im Programm.
Das ganze Tunnelangussprogramm
ist auch als Elektrode bei der Fa.
Nonnenmann erhältlich. In weiteren
Ausführungen werden die Angusseinsätze
geschraubt, geklemmt und/oder
temperiert.
Fehlerquellen reduzieren und in
Zukunft noch günstiger produzieren
Mit dem Werkzeugkonzept „IsoWe“, in
Verbindung mit der Spritzgießsimulation
und der Sensorik im Werkzeug zum
Einstellen des Spritzgießprozesses,
erhält man einen Standard, der kaum
noch Fehlerquellen zulässt.
Energie und Zeit sind zukünftig noch
teurere Faktoren in der Kalkulation
von Spritzgießwerkzeugen, Presswerkzeugen,
Druckgusswerkzeugen
und Gummiformen. Mit diesem neuen
Werkzeugkonzept kann man daher
sicher sein, eine gute Investition in die
Zukunft gemacht zu haben.
Bild 12:
Angusseinsatz
(Werkbilder und Diagramme:
Konstruktionsbüro Hein GmbH,
Neustadt)
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