Pfiffiges Werkzeugkonzept

Meinolf Droege,

Drei Varianten aus einem Werkzeug

Dank eines Werkzeugkonzepts in dem mehrere Varianten eines Bauteils in einem Werkzeug gespritzt werden, wurden die Werkzeugkosten und die Produktionskosten deutlich gesenkt.

Drei Pkw-Gangwahlhebel mit verschiedenen Längen werden in nur einem Werkzeug gefertigt. © Mayweg

Gerade in der Konzeption eines Neuwerkzeuges sowie der kompletten Fertigungsumgebung schlummern mitunter Potenziale, um Fertigungsprozesse zu verschlanken und die Stückkosten nachhaltig zu senken. Beim Kunststoffverarbeiter Mayweg gehört die Optimierung des Produktionsprozesses in der Entwicklungsphase zum Standard. So war das Entwicklungsprojekt zur Serienfertigung eines Gangwahlhebels für eine plattformbezogene Pkw-Serie – zu fertigen in Hybridbauweise – auf den ersten Blick keine große Aufgabe. Beschäftigt man sich näher mit den technischen Anforderungen des Auftrags, entpuppt sich das Funktionsbauteil aber durchaus als Herausforderung.

Der Kern des Gangwahlhebels muss zwingend aus einem Metallrohr bestehen, dass die mechanische Belastungen, erzeugt durch außergewöhnliche Bewegungen des Hebels in den Schaltprozessen, abfängt. Für die plattformbezogene Serie gibt es drei funktionsidentische Varianten – mit unterschiedlich langen Metallrohreinlegern – die mit Kunststoff umspritzt werden. Zudem ist in allen drei Varianten ein Kugelgelenk in dem Gangwahlhebel integriert. In diesen komplexen Bauteilen sind Rastnasen verbaut, die im späteren Gebrauch Signale auslösen, um mit der Fahrzeugsteuerung kommunizieren zu können. Grundsätzlich galt es, die aktuell geltenden Sicherheitsbestimmungen für jedes Bauteil einzuhalten.

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Drei Längen – ein Werkzeug

Im Vorfeld hat sich Andreas Meyer, Technischer Leiter bei der Mayweg, Gedanken zur wirtschaftlichen Umsetzung des Projekts gemacht. „Die Idee kam mir beim wiederholten Lesen der Kundenanforderungen, weil mir ein Problem so lange keine Ruhe lässt, bis ich eine machbare Lösung gefunden habe.“ Sein Ziel hatte er technisch hoch gesteckt: In einem Zyklus mit nur einem Werkzeug sollten sämtliche technische Anforderungen an das Hybridbauteil erfüllt werden. Eine konstruktive Lösung musste her, in der die drei Bauteilvarianten mit jeweils verschiedenen Längen der Kernrohre umspritzt werden können. Andreas Meyer erklärt weiter: „Es galt eine zentrale technische Frage zu beantworten. Wie bekomme ich die Anforderungen des Kunden an Geometrien möglichst gut abgedeckt? Die nötigen Voraussetzungen dafür zu schaffen, sind schon mit einem herkömmlichen 1K-Verfahren schwierig umzusetzen.“

Mit der angestrebten Lösung werden Kosten für zwei Werkzeuge eingespart. Somit können die Bauteilvarianten auf nur einer Spritzgießmaschine produziert werden. Daraus resultieren erhebliche Einsparungen bei den Maschinenumrüstungen und damit bei den Maschinenkapazitäten. Ferner bietet es weitere Einsparpotenziale im Bereich Automatisierung im Fertigungsumfeld, die sich ebenfalls auf nur eine Lösung reduzieren.

Verschiebbare Formeinsätze

Um das Bauteil mit nur einem Spritzgießwerkzeug fertigen zu können, musste eine Konstruktion entwickelt werden, die drei unterschiedliche Bauteillängen mit einem plattformbezogenen Höhenversatz von jeweils 20 Millimeter ermöglicht. Im Werkzeugkonzept wurde das über verschiebbare Formeinsätze gelöst. Sensoren überwachen verschiedene Bauteilpositionen, die letztlich erkennen, welche Länge des Rohlings gerade im Werkzeug eingelegt ist. Um den Höhenversatz spritzgießtechnisch abbilden zu können, wurde statt einem Spritzgießvorgang für das Umspritzen des jeweiligen Metalleinlegers ein zweistufiges Umspritzen definiert. Dafür ist hohe Präzision mit Toleranzen zwischen zwei und fünf Hundertstel Millimeter erforderlich. Der Einspritzprozess ist bei jeder Bauteilvariante identisch. Um die unterschiedlichen Bauarten zu realisieren, wird der obere Bereich des Gangwahlhebels während der zweiten Ausführungsstufe des Metallumspritzens jeweils mit unterschiedlichem Dosiervolumen angesprochen. Als Material wird ein glasfaserverstärktes Polybutylenterephthalat (PBT) verarbeitet.

Eine Sensorik erkennt die Länge des eingelegten, zu umspritzenden Rohrs uns löst die Anpassung des Werkzeugs aus. © Mayweg

Um die angedachte Funktionalität in der Praxis zu gewährleisten, wurde das Werkzeug „intelligent“ gemacht. Eine Forminnendrucksensorik überwacht in jedem Spritzzyklus den Füllstand sowie den Füllprozess. Zudem übernehmen zwei Sensoren in Nestnähe die Aufgabe der Detektion. Ermittelt wird, in welcher Position sich das zweite Nest befindet. Für die jeweiligen Metallrohlinge werden dann die jeweiligen Formeinsätze positioniert und entsprechend die Höhe im Werkzeug variiert.

Für die konturnahe Temperierung wurden gesinterte Formeinsätze konstruiert, die eine gleichmäßige Temperaturabführung aus dem Werkzeug sicherstellen und gleichzeitig die Zykluszeit je Schuss reduzieren. Eine Füllsimulation, durchgeführt mit der Cadmould-Software von Simcon, lieferte bereits in der Konstruktionsphase wichtige prozessrelevante Ergebnisse. Somit gelang es bereits vor Serienstart der Produktion den Verzug der Bauteile zu minimieren.

Andreas Meyer zieht ein positives Fazit des Projektes: „Wir konnten die Stückkosten deutlich senken.“ Aktuell werden bei Mayweg im sauerländischen Halver insgesamt 600 000 Bauteile in drei Varianten produziert. Weitere vier Millionen Gangwahlhebel sollen in den nächsten Jahren das Werk verlassen.

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