Spritzgießen: Werkzeugkonstruktion

Auswahl des Werkzeugstahls

Die styrolen TPE von GLS sind normalerweise nicht-abrasiv und nicht-korrosiv. Der geeignete Werkzeugstahl hängt von der erforderlichen Stückzahl und Qualität der Formteile ab. Bei hohen Stückzahlen rechnet sich die Investition in Qualitätswerkzeuge.

Für die Konstruktion von Spritzgießwerkzeugen stehen eine Vielzahl von Stahlsorten zur Verfügung. In nachstehender Tabelle finden eine Aufstellung gängiger Werkzeugstähle und typischer Werkzeugbauteile, für die sie eingesetzt werden. Abweichend davon kommen für Prototypen oder kleine Stückzahlen von bis zu 10.000 Teilen auch Weichmetalle wie Aluminium oder Berylliumkupfer in Frage.

Einige Produktdesigns können vom Einsatz höher leitfähiger Werkstoffe, wie Berylliumkupfer, profitieren. Das Material ist aber weniger standfest als Stahl und kann schneller verschleißen, wenn im Bereich der Trennebene eingesetzt. Berylliumkupfer eignet sich für Einsätze, Schieber und Kerne, um die Wärmeübertragung zu beschleunigen und so die Zykluszeiten zu reduzieren. Bei lang gestreckten Kernen kann eine Sprühkühlvorrichtung von Vorteil sein.

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Behandlung der formgebenden Werkzeugflächen

• Im Funkenerosionsverfahren hergestellte Werkzeugkonturen liefern generell gute Formteiloberflächen und können die Entformbarkeit beim Auswerfen der Teile verbessern. Matte oder strukturierte Werkzeuginnenflächen sind auch geeignet, Fließlinien oder andere Oberflächendefekte zu kaschieren.
• Wo matte Oberflächen ähnlich wie bei duroplastischem Kautschuk erwünscht sind, sollten die formgebenden Werkzeugflächen rauer konturiert werden (oder ein Versalloy® TPV-Blends von GLS in Erwägung gezogen werden, der von Natur aus eine matte Oberfläche erzeugt)
• Dampfhon-, Sand- oder Kugelstrahlverfahren und chemisches Ätzen werden eingesetzt, um strukturierte Oberflächen mit unterschiedlichen Glanzgraden und ausgeprägter Anmutung zu erzielen.
• Für glänzende Oberflächen sind ein poliertes Werkzeug und ein ungefülltes Material erforderlich.
• Klar durchsichtige Teile erfordern ein hochglanzpoliertes Werkzeug und ein transparentes TPE.
• Um die Entformbarkeit zu verbessern, können Kavitäten- und Kernflächen nach dem Sandstrahlen und Funkenerodieren mit einer Trennbeschichtung wie PTFE-imprägniertem Nickel vergütet werden.

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Angussauslegung und Angussausreißer

Der Anguss sollte ausreichend Konizität (Entformungsschräge) bieten (1° bis 3°), um den Entformungswiderstand zu minimieren und das Hängenbleiben der Teile zu verhindern. Längere Teile erfordern ggf. mehr Konizität (3° bis 5°), wie in Bild 1 gezeigt. Der Angussdurchmesser sollte größer sein als der Einspritzdüsendurchmesser. Funkenerodierte Angussflächen sind für die meisten styrolen TPE akzeptabel. Auch Dauerschmierbehandlungen haben sich erfolgreich bewährt.

Die Form des Angussausreißers hängt von der Härte des TPE-Materials ab. Bilder 1 bis 5 zeigen mehrere mögliche Angussauslegungen.

In nachstehender Tabelle sind die typischen Angussformen in Abhängigkeit von der TPE-Härte aufgeführt.

GLS-Compounds können auch mit Heißangussbuchsen und verlängerten Düsen verarbeitet werden. Bei vielen Werkzeugen ist der Anguss der wandstärkste Bereich und entscheidet über die Mindestkühlzeit. Mit einem Heißanguss – der als Verlängerung der Maschinendüse betrachtet werden kann – lässt sich in manchen Fällen die Zykluszeit reduzieren. Auch verlängerte Maschinendüsen eignen sich, um Angusslänge und -durchmesser zu reduzieren. Beim Einsatz von Heißangüssen sollten Maschinen mit offener statt innen verjüngter Düsenspitze verwendet werden.

Hinweis: Spiralfließtests mit 1,6 mm dickem und 9,5 mm breitem Fließkanal bei 204 °C durchgeführt.

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Auslegung herkömmlicher Verteiler

Die Balancierung des Verteilersystems entscheidet über die gleichmäßige Produktqualität von Kavität zu Kavität. In einem balancierten System fließt die Schmelze in jede Kavität bei gleicher Füllzeit und gleichem Druckprofil. Die Verteilerbalance kann mittels Moldflow-Analysesoftware optimiert und in Teilfüllversuchen überprüft werden.

Ein schlecht balancierter Verteiler kann zu Formteilen mit Gewichts- und Abmessungsunterschieden führen. Die dem Anguss am nächsten gelegene Kavität könnte überspritzt werden und Grat bilden. Mit dem Überspritzen besteht außerdem die Gefahr hoher eingeformter Spannungen, die dann Verzug verursachen. Nachstehend zwei Beispiele für balancierte Verteilersysteme.

Bild 8 zeigt unterschiedliche Fließkanalquerschnitte und deren jeweilige Effizienz. Fließkanäle mit kreisrundem Durchmesser haben den geringsten Fließwiderstand und die kleinste Oberfläche, sodass das Material länger fließfähig bleibt. Der Kanal mit der zweitbesten Effizienz ist der modifiziert trapezoide. Sein Querschnitt kommt der kreisförmigen Variante sehr nahe, wobei jedoch nur die eine Platte spanend bearbeitet werden muss. Bild 9 illustriert typische Kugelfräsergrößen und die Abmessungen der entsprechenden modifizierten Trapezkanäle. In Bild 10 sind typische Fließkanalabmessungen dargestellt.

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Fließkanalanker

Fließkanalanker oder Saugstifte bieten Hinterschneidungen, um den Verteiler in der gewünschte Platte zu halten, sollten aber den Schmelzefluss durch den Fließkanal nicht behindern. Bilder 8 und 9 zeigen typischen Lagen für Anker und Saugstifte. In Bild 11 ist die beispielhafte Auslegung eines Fließkanalankers dargestellt.

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Anschnittauslegung und -lage

Die meisten der gängigen Anschnittarten sind für die Verarbeitung styroler TPE-Compounds von GLS geeignet. Anschnittart und -lage im Verhältnis zum Formteil können folgende Details beeinflussen:

• Verdichtung der Formteile
• Anschnittabtrennung oder -rest
• Qualitative Anmutung der Formteile
• Abmessungen, einschließlich Verzug

Hilfs- oder Seitenanschnitt

Hilfs- oder Seitenanschnitte (Bild 12) haben meistens ein herkömmliches Anguss- und Verteilersystem. Zu den Vorteilen des Seitenanschnitts zählen einfache Fertigung, Modifizierung und Wartung.

• Die Anschnitttiefe (D) sollte 15 % bis 30 % der Wandstärke am Anschnitteingang betragen. Üblicherweise wird „stahlsicher“ begonnen.
• Ein guter Ausgangswert für die Anschnittbreite ist das Ein- bis Anderthalbfache der Anschnitttiefe.
• Der Anschnittsteg sollte gleichlang oder geringförmig länger sein als die Anschnitttiefe.

Abscher- oder Tunnelanschnitt

Tunnelanschnitte sind selbstabscherend. Beim Auswerfen des Formteils trennt der Werkzeugstahl den Anguss vom Teil. Bild 13 zeigt ein typisches Beispiel. Für mittelharte bis weiche TPE-Compounds sollten aufgrund der hohen Reibungskoeffizienten und Dehnung dieser Materialien keine Cashew- bzw. nierenförmige Tunnelanschnitte vorgesehen werden.

Fächeranschnitt

Fächeranschnitte sind eine Variante des Hilfsanschnitts mit weniger Fließwiderstand (Bild 14). Sie verteilen die Schmelze gleichmäßiger in der Kavität und werden daher normalerweise für Formteile eingesetzt, die besonders plan sein müssen und keine Fließlinien aufweisen dürfen. Sie minimieren außerdem die mögliche Faltenbildung am Anschnitt und die Verzugneigung der Formteile.

Stangenanguss

Stangenangüsse werden oft bei Prototypenteilen gewählt, weil sie kostengünstig sind. Sie werden jedoch für styrole TPE-Compounds von GLS aufgrund der hohen Dehnung dieser Materialien nicht empfohlen. Darüber hinaus muss der Anguss abgetrennt werden, worunter die sichtbare Qualität der Formteile oft leidet. Falls dennoch Stangenangüssen verwendet werden, sollten Angusslänge und
-durchmesser so klein wie möglich gehalten werden.

Schirmanschnitt

Der Schirmanschnitt wird bei runden Formteilen eingesetzt, um deren Konzentrizität zu gewährleisten. Er ermöglicht ein gleichmäßiges Füllen der Kavität und minimiert die mögliche Fließnahtbildung. Aufgrund anisotroper Schwindung kann es vorkommen, dass flache runde Teile mit mittigem Schirmanschnitt nicht gleichmäßig plan sind. Alternativ können kreisrunde Teile auch über einen ringförmigen Bandanschnitt angebunden werden.

Anschnittlage

Styrole TPE-Compounds sind anisotrop. Das heißt, sie haben physikalische Eigenschaften, die nicht identisch sind, wenn in und quer zur Fließrichtung gemessen. Je nach dem vorgesehenen Einsatzzweck der Produkte können sich diese Unterschiede entscheidend auf die Leistungsfähigkeit der Endanwendung auswirken. Daher muss das anisotrope Verhalten styroler TPE beim Bestimmen der Anschnittlage am Formteil berücksichtigt werden.

Das Fließverhalten des Materials kann nach Augenmaß oder mit Hilfe von Werkzeugfüllprogrammen beurteilt werden. Bei Materialien mit höherer Schwindung kann das näher am Anschnitt gelegene Formteil zur Faltenbildung tendieren, wenn im Anschnittbereich hohe eingeformte Spannungen vorliegen. Falls Füllprobleme bei dünnwandigen Formteilen auftreten, lässt sich der Massefluss durch zusätzliche Fließkanäle oder kleinere Änderungen der Wandstärke optimieren. In einigen Fällen kann es erforderlich sein, einen zweiten Anschnitt hinzuzufügen, um das Teil angemessen zu füllen.

Empfehlungen zur Anschnittlage:

• Am größten Querschnitt, um die Verdichtung des Formteils zu unterstützen und Lunker und Einfallstellen zu vermeiden
• Dort, wo möglichst wenig Hindernisse im Fließweg liegen, wie Kerne und Stifte
• An Stellen, die turbulentes Fließen (Freistrahlbildung) minimieren
• In Bereichen, in denen eingeformte Spannungen am Anschnitt die Funktion oder das Aussehen des Formteils nicht beeinträchtigt
• An Stellen, die keine Fließlinien auf Sichtflächen verursachen
• An Stellen, die mögliche Fließnähte minimieren
• In Bereichen, die die manuelle oder automatische Angussabtrennung erleichtern
• An Stellen, die den Fließweg so kurz wie möglich halten

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Werkzeugentlüftung

Die Entlüftung des Werkzeugs ist für die Qualität und Gleichmäßigkeit der Formteile entscheidend. Sie wird benötigt, um die Luft im Anguss, im Verteiler und in der Kavität beim Füllen des Werkzeugs zu verdrängen. Unzureichende Entlüftung kann zu unterfüllten Teilen, schlechter Oberflächenqualität oder mechanisch schwachen Fließnähten führen. Potenzielle Lufteinschlüsse im Formteil lassen sich durch Software zur Fließsimulation berechnen. Bei fertigen Werkzeugen ermöglichen Teilfüllanalysen die Identifikation kritischer Entlüftungsbereiche.

• Entlüftungen sollten an den Fließenden und überall dort vorgesehen werden, wo Fließnähte auftreten.
• Typische Entlüftungsschlitze für GLS-Compounds haben einen Durchmesser von 0,012 bis 0,025 mm und einen Steg mit 10 bis 15 mm Durchmesser.
• Hinter dem Steg sollte der Entlüftungsdurchmesser auf 0,12 bis 0,25 mm vergrößert werden, damit die Luft aus dem Werkzeug frei abziehen kann (Bild 15).
• Unterhalb der Trennebene kann die Entlüftung durch eine Aussparung von 0,025 mm zu beiden Seiten des Auswerferstifts realisiert werden (Bild 16).
• Bei Versteifungsrippen oder Taschen ist die Entlüftung entlang eines Auswerferstifts oder durch den gezielten Einsatz eines porösen Werkzeugstahls möglich.
• Entlüftungsschlitze entlang von Auswerferstiften sind selbstreinigend, sollten aber täglich gewischt werden, um Ansammlungen zu entfernen. Poröse Entlüftungsstopfen müssen regelmäßig gewechselt oder ausgebaut und gereinigt werden, damit sie nicht verstopfen.

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Auswerfer

Das Auswerfen der Formteile ist in lang gestreckten Bereichen schwieriger. Auswerferstifte sollten an den Verteilerübergängen und dort vorgesehen werden, wo sie das Aussehen der Formteile nicht beeinträchtigen. Geeignet sind Flachauswerfer, Auswerferhülsen und Abstreifringe.

Die Durchmesser der Auswerferstifte sollten so groß wie möglich sein, um Druckmarkierungen zu minimieren. Größere Stifte erleichtern auch das Auswerfen wärmerer Formteile, was die Zykluszeit reduzieren kann. Bei allen lang gestreckten Bereichen empfiehlt sich eine Konizität von 3° bis 5° je Seite.

Druckluft und der Einsatz eines Stößels können das Auswerfen von Teilen mit größeren Hinterschneidungen erleichtern. Das Material muss allerdings ausreichend Raum zum Verformen haben, wenn die Luft eingeleitet wird. Auch eine gezielte Strukturierung oder spezielle Behandlung der formgebenden Werkzeugflächen kann das Entformen der Teile aus Werkzeughälfte A begünstigen. Für Formteile mit langen inneren Hinterschneidungen werden meist ausfahrbare Kerne eingesetzt.

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Werkzeugkühlung

• Das Werkzeug muss angemessen gekühlt werden, um die Zykluszeit zu minimieren.
• Für das Kühlen von Schiebern oder Einsätzen eignen sich Werkzeugmaterialien mit hoher Wärmeübertragung, wie Berylliumkupfer.
• Lange Kerne lassen sich ggf. auch mit gängigen Sprühkühlvorrichtungen gut kühlen.
• Für die bewegliche und die feststehende Werkzeughälfte empfehlen sich getrennte Kühler. Auf diese Weise ist es möglich, die Kühlung so zu regeln, dass die Teile zum Kühlen länger auf der beweglichen Hälfte (B) gehalten werden können.
• Vermeiden Sie, die Kühlleitungen der Platten A und B miteinander zu verbinden.

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Heißkanalsysteme

Die Unterschiede zwischen Heißkanalsystemen, Kaltkanälen und Heißangüssen sind in nachstehender Tabelle zusammengefasst. SEBS-Compounds von GLS sind relativ wärmestabil und werden heute erfolgreich mit Heißkanalsystemen verarbeitet.

Produktdesign und Produktionsanforderungen beeinflussen die Wahl des anwendungsgerechtesten Heißkanaltyps. Unter den zahlreichen Herstellern von Heißkanalbauteilen und -werkzeugen im Markt sollten jene bevorzugt werden, die über Erfahrung mit Systemen oder Komponenten für die Verarbeitung von styrolen TPE verfügen. SBS-Compounds können vernetzen (Gele bilden), wenn sie zu lange erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind, sodass Heißkanalwerkzeuge für diese Materialien nicht empfohlen werden.

Die Tabelle nennt die wichtigsten Vor- und Nachteile von Heißkanalsystemen gegenüber Kaltkanal- und Heißangusslösungen.

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Auslegung von Heißkanalverteilern

• Außenbeheizte Systeme sind ideal.
• Innenbeheizte Verteiler sind für TPE nicht geeignet. Sie neigen zur Bildung fließtoter oder den Schmelzefluss verzögernden Zonen, was dazu führt, das teilverfestigtes Material an den kühleren Verteilerwänden hängen bleibt.
• Für maximale Flexibilität sollte der Verteiler natürlich oder geometrisch balanciert sein. Eine rheologische Balancierung ist möglich, jedoch auf spezifische Typen oder rheologische Profile begrenzt.
• Alle Übergänge sollten im Querschnitt kreisrund und hochglanzpoliert sein sowie mäßige Radien haben, um mögliche Fließverzögerungen zu minimieren.
• Übergänge mit Durchmessern von 6,35 bis 9,5 mm sichern hohe Scherung bei minimaler Verweilzeit und gutem Fließen.
• Getrennt regelbare Heizzonen ermöglichen dem Bediener die thermische Feinbalancierung des Systems, um die Gleichmäßigkeit der Formteile zu optimieren.

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Anschnittauslegung bei Heißkanalsystemen

Nadelverschlüsse

Nadelverschlussdüsen sind die beste Lösung für große Produktserien mit kritischer Oberflächenqualität, wie bei medizintechnischen und Kosmetikartikeln. Sie minimieren den Anschnittrest auf eine kleine, ringförmige Markierung.

Durch versenktes Positionieren der Düsen unterhalb der Oberfläche der Formteile oder durch „konstruktives“ Kaschieren der Anschnitte lässt sich das Aussehen weiter verbessern.

Bild: Mold-Masters Limited. Dura ist ein eingetragenes Warenzeichen von Mold-Masters Limited.

Abhängig von der Größe und Wandstärke des Formteils sollte der Nadelverschlussdurchmesser ca. 0,75 bis 3,2 mm betragen.

Bei Nadelverschlüssen muss die Schmelze am Anschnitt nicht eingefroren sein, bevor die Verschlussnadel schließt und die Nachdruckphase beginnt. Daher kann die Schnecke schon früher wieder Material für den nächsten Schuss plastifizieren, wodurch sie die Gesamtzykluszeit reduzieren lässt.

Die Nadelverschlussbauteile müssen zu den Werkzeugplatten hin isoliert sein, um eine geregelte Temperaturführung sicherzustellen. Aufgrund der niedrigen Viskosität einiger GLS-Materialien ist darauf zu achten, dass die Nadelverschlüsse gut abdichten, um Leckagen oder Fadenziehen zu verhindern.

Punktanschnitte

Punktanschnitte sind zur Verarbeitung von SBC-Compounds geeignet, hinterlassen aber einen gewissen Anschnittrest (unter Umständen mit einer Höhe von 50 bis 75 % des Anschnittdurchmessers). Dieser Anschnittrest lässt sich minimieren, wenn der Anschnitt versenkt unter die Oberfläche des Formteils verlegt wird. Die Steglänge des Punktanschnitts sollte kleine als der Anschnittdurchmesser sein.

Die Bauteile der Punktanschnitte müssen zu die Werkzeugplatten und zur Kavität hin ausreichend isoliert sein. Zu diesem Zweck muss ggf. der Steg des Anschnitts verlängert und teilweise in die Kavität hineinreichen.

Alle Übergänge innerhalb der Düsenspitze sollten hochglanzpoliert und stromlinienförmig gestaltet sein, damit möglichst keine Zonen entstehen, in denen es zu Fließverzögerungen und Polymerabbau kommen kann. Die Effizienz der Auslegung in dieser Hinsicht lässt sich durch Messen der Farbwechselzeit unter realen Produktionsbedingungen beurteilen. Der Farbwechsel ist optimal, wenn kein Restmaterial aus fließtoten Zonen die neufarbene Schmelze verunreinigt.

Punktanschnittsysteme erfordern ausreichend Zeit zur Verfestigung der Formteile, bevor das Plastifizieren für den nächsten Zyklus eingeleitet werden kann. Ohne diese Verzögerungszeit könnten die Formteile überspritzt werden. Dies ist insbesondere bei leichtfließenden Materialien mit niedriger Härte wichtig. Um ein Überfüllen von dickwandigen Teilen mit langen Anschnitten zu vermeiden, sollte der Staudruck beim Plastifizieren minimiert werden.

Da TPE-Compounds in geschmolzenem Zustand leicht komprimierbar sind, können größervolumige Angusssysteme dazu führen, dass nach dem Öffnen des Werkzeugs aus den Punktanschnitten Schmelze nachläuft. Um dieses Nachlaufen zu verhindern, sollten die Systemabmessungen minimiert und die Schmelze vor dem Öffnen des Werkzeugs dekomprimiert werden.

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