Magnettechnik für Rotoformen

Rotationsformen – schneller schließen

Magnetsystem ersetzt klassische Schraubklemmen an Formen
Beispiel einer Rotationsformanlage: Die Hohlformen werden auf bi-axial beweglichen Formenträgern fixiert und in einem Ofengehäuse aufgeheizt. (Quelle: Grutter Kunststoff und Formen AG, Hombrechtikon)
Arbeitssicherheit erhöhen und den Prozess beschleunigen – das sind die wichtigsten Ziele bei der Ausrüstung von Formen für das Rotationsgießen mit magnetischen Verschließsystemen statt herkömmlicher Klemmen und Verschraubungen.

Das Rotoformen, genauer gesagt, das Rotationsschmelzen, ist eines der ältesten Verfahren zur Kunststoff-Formgebung. Es ergänzt in einigen Produktsegmenten das Spritzgießen, Extrusionsblasen und GFK-Anwendungen. Die Vorteile sind die bemerkenswert geringeren Formkosten auch bei sehr großen Bauteilen als Folge des drucklosen Verfahrens, die weitgehende Designfreiheit sowie das breite Spektrum an verarbeitbaren Werkstoffen und Einfärbungen. Nachteilig sind vergleichsweise lange Prozesszyklen und die gegenüber den anderen Verfahren geringere Abformungspräzision. Dafür lassen sich auch Großformteile, wie Wassertanks oder Paddelboote in vergleichsweise kleinen Stückzahlen wirtschaftlich herstellen.

Die Formteilherstellung beginnt mit dem Füllen von Polymerpulver oder -paste in eine geteilte Hohlform. Eine oder mehrere dieser Formen werden anschließend auf einem biaxial drehbaren Formenträger, der von einem Ofenraum umgeben ist, fixiert. Mit Schließen des Ofenraums beginnt das kontrollierte Aufheizen. Die Formen werden dabei kontinuierlich in zwei Richtungen gleichzeitig gedreht. In Folge schmilzt das Polymer entlang der Forminnenseite auf und baut eine weitgehend gleichmäßig dicke, kompakte Wandung auf. Nach dem Aufschmelzen des gesamten Inhalts wird der Ofen geöffnet und die Formen soweit abgekühlt, bis eine Entformung möglich ist. Die erforderlichen Schmelztemperaturen liegen je nach Werkstoff im Bereich von 150 bis 350 Grad Celsius und die Zykluszeiten zwischen 5 und 100 Minuten.

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Trotz des eher langsamen Verfahrens ist das Rotationsformen für ein relativ großes Formteilspektrum eine wirtschaftlich interessante Alternative. Allerdings ist, bedingt durch meist kleinen bis mittleren Produktionslosgrößen und die Vielfalt des Formensspektrums der Automatisierungsgrad rund um das eigentliche Rotoformen geringer als bei anderen Verfahren. Das Öffnen und Schließen der Formen, das Befüllen mit Polymerpulver und die Entnahme des Formteils geschehen noch weitgehend manuell. Dieser Aufwand steigt mit steigender Formgröße überproportional an, besonders das bei jedem Zyklus erforderliche Öffnen und Schließen der Schraubverbindungen zwischen den beiden Hohlformhälften. Dieser Arbeitsaufwand wird noch von relativ hohen Oberflächentemperaturen der Formen erschwert und ist somit eine klassische Anwendung für ein automatisches Spannsystem.Was auf den ersten Blick wie ein Routine-Job für einen Spannsystem-Hersteller erschien, wurde zu einer echten Herausforderung für die EAS-Techniker.

Magnettechnik als Lösung

Zuerst ging es um die richtige Systemwahl. Hydraulische oder pneumatische Spannelemente kamen einerseits wegen der Baugröße, andererseits wegen des Kostenaufwands für die Nachrüstung einer Hydraulik- oder Druckluftversorgung nicht in Frage. Manuell zu betätigende Schnellspanner waren kein wirklicher Effizienzgewinn, sodass man sich am Ende für ein Magnetsystem entschied. Allerdings sind Magnet-Elemente in Standardausführung den Einsatzbedingungen beim Rotoformen nicht gewachsen. Vor allem die gegenüber normalen Spritzgießanwendungen rund doppelt so hohen Einsatztemperaturen legten die Latte für die Techniker sehr hoch.

Hier kam dem Hersteller nach eigenen Angaben das Potenzial des chinesischen Produktionsstandorts zu Hilfe, das Zugang zu besonders hochwertigen Magneteisenqualitäten verschafft, die auch bei höheren Temperaturen ihre Eigenschaften behalten. Die waren notwendig, um die Funktionssicherheit bis auf die beim Rotoformen übliche Umgebungstemperatur von 250 bis 300 Grad Celsius anzuheben. Zum Vergleich: Äußerlich gleich aussehende Systeme für Spritzgießmaschinen sind für Anwendungen bis 150 Grad Celsius ausgelegt, während hier die sichere Funktion bei 300 Grad Celsius für zumindest 20 Minuten garantiert werden muss – und das dauerhaft für hunderttausende Magnetisierungszyklen. Ebenso musste die Temperaturbeständigkeit der Elektrokabel und Stecker auf 300 Grad Celsius angehoben werden.

Verfahrensbedingt waren weitere Randbedingungen bei Auswahl und Auslegung der Magnettechnik zu berücksichtigen: Im Einsatz muss die Haltekraft der Magnete nicht nur das Gewicht der Formhälfte und des Kunststoff-Inhalts aufnehmen können, sondern auch die Auftriebskräfte durch Polymergase, die beim Aufschmelzen des Kunststoffs entstehen. Außerdem müssen die Magnetsysteme mit Aluminium, dem überwiegend verwendeten Formwerkstoff, kompatibel sein. Das wurde mit Anbringen von Stahlplatten an den Kontaktstellen zum Magnetsystem erreicht.

Überschaubarer Aufwand

Insgesamt hält sich der Nachrüstaufwand in Grenzen. Die Magnethalter werden an der Basishälfte der Form angebracht. Am Oberteil ist bei Stahlformen im Normalfall keine Veränderung erforderlich. Hier wird der umlaufende Dichtrand zur Einleitung der Magnetkräfte genutzt. Nur wenn dieser Rand nicht vorhanden oder zu schmal ist, schaffen zusätzliche Metallplatten definierte Kontaktstellen. Für alle Magnetelemente an einer Form reicht eine elektrische Steuereinheit mit einer einfachen Kabelverbindung zu jedem Element aus.

Mit der Umrüstung auf Magnetelemente steigt zum einen die Arbeitssicherheit. Wie hoch der Effizienzgewinn und wie schnell der „return-on-investment“ ist, zeigen die Erfahrungen aus der betrieblichen Praxis. Bis zu 60 Prozent der Bedienzeiten zwischen zwei Produktionszyklen lassen sich durch diesen Automatisierungsschritt einsparen.

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