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Prüfkörper spritzgießen, Specimold

25 Jahre mit dem SpritzgussErnst-Schmitz-Preis für Joachim Kragl

Von links: Karl Reischer, Direktor des TGM, Michael Pöcksteiner, Präsident des VÖK, Preisträger Joachim Kragl und Klemens Reitinger, Geschäftsführer der GFKT und Abteilungsvorstand Kunststofftechnik am TGM. (Bild: VÖK/GFKT)

Joachim Kragl, anwendungstechnischer Leiter der Engel Machinery in den USA, wurde von der GFKT Gesellschaft zur Förderung der Kunststofftechnik mit dem Ernst-Schmitz-Preis 2017 ausgezeichnet.

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Prüfkörper spritzgießen, SpecimoldSchneller zum Prüfling beim Compoundieren

Inline Spritzgießmaschine produziert Prüfstücke beim Extrudieren. Eine zur K 2016 vorgestellte Inline-Spritzgießmaschine für die Prüfkörperherstellung soll Compoundeure, Additivhersteller und Kunststoffentwickler bei der Kunststoff-Rezepturentwicklung unterstützen – und das schnelle Ermitteln realistischer Werkstoffkennwerte ermöglichen.

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Austauschbare Werkzeugformen

Im Rahmen eines BMWi-ZIM Projekts wurde in Zusammenarbeit zwischen Brabender und dem Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (Umsicht) eine Anlage entwickelt, die mehrere Herausforderungen der Compoundentwicklung lösen soll. Das unter dem Namen Specimold vermarktete Aggregat passe sich nahtlos in bestehende Laboranlagen ein und biete auch Lösungen beispielsweise zur Restfeuchte-Problematik, beim effektiven Umgang mit kleinen Materialmengen oder im Hinblick auf besondere Anforderungen bim Design von Recycling-Kunststoffen.

Es ist eine Herausforderung, den Prozess beim Spritzgießer schon im Labor realitätsnah abzubilden. Nur so ist jedoch sichergestellt, dass das Material aus dem Technikum im spritzgegossenen Produkt das hält, was es laut Datenblatt verspricht. Das betrifft beispielsweise das Zudosieren flüssiger oder fester Rezepturkomponenten im Laborextruder. Auch dem Spritzgießprozess mit Parametern wie Temperaturprofil und Formdruck gilt das Augenmerk. Dabei spielt der Zeitdruck in der Werkstoffentwicklung eine immer wichtigere Rolle. Die Entscheidung für oder gegen einen Werkstoff fällt in aller Regel sehr früh, entsprechend schnell müssen die Kunststoffanbieter zuverlässige Lösungen präsentieren, obwohl die Werkstoffentwicklung immer komplexer wird.

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Inline-Probenkörper direkt aus dem Polymer
Die Lösung dieses Zielkonflikts soll die Inline-Spritzgießmaschine für die Probekörperherstellung unterstützen. Im üblichen Workflow wird das Materialmuster im Laborextruder granuliert und später in einer Spritzgießmaschine die Prüfkörper hergestellt. Häufig werden die Granulate sogar zu einem externen Spritzgießer verbracht, um dort verarbeitet zu werden – in jedem Fall ein zeitaufwendiger Prozess. Der Specimold dagegen fertigt spritzgegossene, standardisierte Probenkörper für verschiedene gängige Laboruntersuchungen aus dem zur Granulierung bestimmten Polymermuster – schnell und inline, also direkt aus dem extrudierten Polymerstrom.

Spritzgießaggregat

Die so produzierten Probenkörper – beispielsweise Schulterstäbe – entsprechen laut Maschinenentwickler dem Endprodukt in Bezug auf zentrale physikalische Kennwerte besser als solche, die im konventionellen Werkstoffentwicklungs-Workflow aus bereits einmal aufgeschmolzenem Granulat gefertigt werden. Viele Fehlerquellen, etwa durch Hydrolyse, werden eliminiert. Das Aggregat erspare dem Entwickler also außer dem zeitaufwendigen separaten Produktionsschritt – und gegebenenfalls Granulatversand zum Spritzgießer – die Nachteile eines erneuten Aufschmelzens vor der Prüfung.

Compoundierverlauf wird nicht unterbrochen
Das Arbeitsprinzip ist vergleichsweise einfach: Das Gerät wird zwischen (Doppelschnecken-) Extruder und Düse oder Abkühlstrecke der Laboranlage montiert. Es sei unerheblich, ob es sich dabei um ein Transportband mit Luftkühlung oder um ein Wasserbad handelt. Das Gerät besteht aus dem Specimold-Block mit Kolben und Düse sowie Werkzeug, das per Kniehebelmechanismus öffnet und schließt.

Mit Hilfe einer zum Patent angemeldeten Vorrichtung wird der Polymerstrom geteilt. Der Hauptstrom tritt durch eine Düse aus, durchläuft die Abkühlstrecke und geleitet im weiteren Verlauf beispielsweise in die Granulierung. Der Nebenstrom füllt in einem einstellbaren Zeitraum eine Kavität. Sobald dieses Volumen vollständig ausgefüllt ist, wird das aufgeschmolzene Compound in eine Spritzgießeinheit geführt. Die Herstellung des Granulats am Ende der Abkühlstrecke wird bei diesem Verfahren also nicht unterbrochen. Der Anwender erhält sein Referenzstück, je nach Werkzeug beispielsweise als Schulterstab oder Füllspirale, noch während das Labormuster granuliert wird. Er könne also sehr schnell Aussagen darüber treffen, ob sein Compound die erwarteten Eigenschaften aufweist und dies direkt und reproduzierbar belegen. Im Vergleich zur üblichen Vorgehensweise entfallen prozessbedingte Nachteile, wie sie zum Beispiel der Polymerabbau in Folge zu hoher thermischer Belastung mit sich bringen kann.

Kniehebelmechanismus

Keine speziellen Herausforderungen
Im Prinzip handelt es sich um eine kleine Spritzgießmaschine mit dem Hauptunterschied der „Weiche“. Das stelle den Anwender vor keine neuen Aufgaben. Bevor der Bediener die üblichen Füllstudien unternimmt, gelte es lediglich, das Volumen des Materialnebenstroms zu bestimmen, der dem Hauptstrom aus dem Extruder kontinuierlich entnommen wird. Hier ist ein Kompromiss zu finden, der eine angemessen schnelle Füllung der Kavität ermöglicht – schließlich soll das Polymer darin nicht zu lange verweilen. In aller Regel könne die in der Weiche abgezweigte Menge jedoch so niedrig angesetzt werden, dass der Durchmesser des Hauptstrangs kaum sinke und die Arbeit des Granulators nicht beeinträchtigt werde. Dabei werden dem Anwender keinerlei komplexe Kalkulationen abverlangt – es genüge, ein Intervall anzugeben, in dem die Prüflinge erzeugt werden sollen. Den Rest erledige die Software.

Ist die Kammer mit einer ausreichenden Materialmenge gefüllt, wird sie in einem automatisierten Prozess in das Werkzeug gespritzt. Als Auslöser kann zum Beispiel eine klassische Druckumschaltung dienen. Wie beim klassischen Spritzgießen folgen Nachdruckphase, Dekompression und Abkühlphase.

Gesteuert wird der gesamte Ablauf über eine SPS. Die üblichen, per Füllstudie ermittelten Spritzgieß-Parameter können gespeichert und schnell wieder aufgerufen werden.

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