Balancierte Familienwerkzeuge

Im Familienwerkzeug zum hochwertigen Kühlergrill

Großflächige Geometrien mit hohen Ansprüchen an die Oberflächenqualität spritzen. Punktgenaue Regelung des Schmelzeflusses an jedem wichtigen Punkt großflächiger Produkte ist eine Stärke von Kaskadenanspritzungen. Damit lassen sich Bauteile mit hochwertigen Oberflächen auch bei unterschiedlichen Wanddicken erzeugen.

Vergleich zwischen realem Spritzgießvorgang und Simulation. Der vorhergesagte Schmelzefluss stimmt gut mit dem realen Spritzguss überein. (Bild: HRS)

Großflächige und dabei optisch anspruchsvolle Oberflächen fordert unter anderem die Automobilindustrie. Um die im Spritzguss zu realisieren, kommen häufig spezielle Nadelverschluss-Heißkanalsysteme mit Kaskadensteuerung zum Einsatz. Unter der Marke stellt HRS Systeme zur Verfügung, die den Schmelzefluss jeder einzelnen Heißkanaldüse variabel steuern und so auch bei Mehrfachanbindung und sehr unterschiedlichen Kavitätenvolumina eine gleichmäßige Fließfront der Schmelze sowie eine homogene Druckverteilung sicherstellen sollen. Der Kühlergrill aus dem Testwerkzeug des Unternehmens mit den Maßen 580 x330 Millimeter, wiegt 297 Gramm und weist Wanddicken zwischen 2 und 3 Millimeter auf. Er wird verchromt und muss daher sehr hohe Anforderungen an die Oberflächenqualität erfüllen. Mehrere Automobilzulieferer haben laut HRS dieses Bauteil aus ABS und ABS/PC auf Ihren Chromanlagen positiv getestet. Erste Chromanwendungen sollen kurzfristig in die Serie.

Unterschiedliche Schussgewichte pro Füllvorgang
Mit dem Nadelverschlusssystem lassen sich auch großflächige Formteile mit hochwertigen Oberflächen realisieren. Bei dem hierfür in der Regel eingesetzten Kaskadenspritzgießen ermöglichen die elektrisch angetriebenen Nadelverschlussdüsen das individuelle, sequenziell aufeinander abgestimmte präzise Öffnen und Schließen der Verschlussnadeln mit variabler Geschwindigkeit über die Hublänge. Damit lassen sich der Schmelzefluss über jeden Nadelverschluss und der Volumenstrom in der Kavität insgesamt exakt steuern. Das angepasste Öffnen der Nadeln vermeidet den beim Kaskadenspritzgießen gefürchtete Druckabfall und die damit einhergehenden Druckabfallmarkierungen auf dem Formteil. Die Positionskontrolle der Nadel während des Einspritzvorgangs ermöglicht außerdem eine unabhängige Druckregelung an jeder Verschlussnadel, womit die erforderliche Schrumpfung der Schmelze in jeder einzelnen Kavität schnell angepasst und somit eine teure Nacharbeitung des Werkzeugs häufig vermieden werden kann.

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Darstellung des Spritzgießens eines verchrombaren Pkw-Frontgrills in einem Familienwerkzeug mit Zehnfach-Anbindung: Ohne Regelung des Schmelzeflusses werden die unterschiedlich großen Kavitäten ungleichmäßig gefüllt (links), geregelt mit Flexflow hingegen alle Kavitäten in der gleichen Zeit (rechts). (Bild: HRS)

Der spritzgegossene Kühlergrill wird in einem Schuss über zehn Anspritzpunkte mit Düsen der MA-Serie realisiert. Das Systemlayout besteht aus einem nicht-symmetrisch ausgelegten kompakten Verteiler. Die Volumina der Kavitäten für die einzelnen Formteilelemente des Kühlergrills haben ein Gewichtsverhältnis von 1:20 vom kleinsten bis zum größten Formnest mit 30 Prozent Dickenunterschied von dünner zu dicker. Die Einspritzzeit beträgt 2,9 Sekunden, die Haltezeit 6 Sekunden bei 255 °C Heißkanaltemperatur und 60 °C Formtemperatur.

Um die unterschiedlichen Schussgewichte mit den Anforderungen an verchrombare Teile und an Montagetoleranzen zu realisieren, wären für dieses hochwertige Bauteil im bisherigen Spritzgießverfahren unterschiedliche Werkzeuge notwendig. Ziel des Heißkanalsystem-Layouts war es, die Stärken der Flexflow-Technologie anhand dieser Multikavitäten-Anwendung unter Beweis zu stellen. Um deren Möglichkeiten zu zeigen, sollten die einzelnen Formelemente mit einem gleichzeitigen Öffnen der elektrisch angetriebenen Nadelverschlussdüsen und mit vorher festgelegter Öffnungshub-Einstellung gefüllt werden. Dabei wurde die Menge der eingespritzten Schmelze jeder einzelnen Düse gesteuert und mit Ändern der Nadelhübe wurden der jeweils erforderliche lokale Druck und die erforderliche Durchflussrate erreicht. Das Familien-Werkzeuge lasse sich so einfach ausbalancieren und der Verzug kontrollieren ohne Bauteile am Werkzeug oder Heißkanalsystem vornehmen zu müssen.

Optimale Hubeinstellungen für die Simulation (rechts) und Druckregelung als Funktion Hub zu Durchflussrate des Flexflow-Systems für einen generellen ABS-Blend (links). (Bild: HRS)

Doppelte Simulationsanalyse
Eine Formfüllanalyse mit den beiden Simulationsprogrammen Moldex 3D und Moldflow errechnete die optimalen Parameter für jede einzelne der zehn Düsen. Jede Nadel nimmt während des Einspritzvorganges eine vom Anwender frei zu programmierende Position ein. Je Öffnungs- und Schließschritt können bis zu acht Kontrollpunkte mit definierter Geschwindigkeit und Position festgelegt werden. Bis zu zwei Öffnen-Schließen-Zyklen sind pro Nadel programmierbar.

Simulationsanalyse und Ergebnis in der Realität zeigten hohe Übereinstimmung mit dem tatsächlichen Verlauf der Fließfront in den einzelnen Formnestern. Flexflow balanciert die unterschiedlichen Schussgewichte gut aus, füllt die unterschiedlichen Teilevolumina aller Kavitäten gleichzeitig und vermeidet Gratbildung, reduziert Verzug und erlaubt das Kontrollieren von Strömungslinien – so das Unternehmen. Nach einer kurzen Feinjustierung seien Bauteile ohne Oberflächenfehler, wie sie sonst häufig bei Familienwerkzeugen auftreten, realisiert worden. Dies senkt auch die Ausschussquote des Spritzgießers gravierend. Die verzugskontrollierten Bauteile weisen kaum eingefrorene Spannungen auf, sind nicht überladen und sie eignen sich für den Verchromungsprozess.

Das Layout des Heißkanalsystems besteht aus zehn Anspritzpunkten mit Düsen der MA-Serie. (Bild: HRS)

Besser steuern für mehr Qualität
Das System kann die einzelnen Verschlussnadeln von bis zu 16 Heißkanaldüsen individuell ansteuern und unabhängig voneinander stufenweise öffnen und schließen. Je Öffnungs- oder Schließschritt können bis zu acht Nadelpositionen mit 10 Mikrometer Toleranz festgelegt werden. Durch dieses sehr gezielte und exakte Positionieren und die Geschwindigkeitskontrolle der Verschlussnadeln werde auch eine gleichmäßige Druckverteilung in der Werkzeugkavität und somit im gesamten Formteil erreicht. Mit dem dadurch nutzbaren deutlich vergrößerten Prozessfenster sinke gleichzeitig die erforderliche Schließkraft und das Bauteilgewicht könne ohne Qualitätseinbuße reduziert werden. Im Automobilbau bringt die Technologie besonders Vorteile beim Spritzgießen großflächiger Exterieur- und Interieur-Bauteile wie Stoßfänger, Spoiler, Instrumententafelträger, Türinnenverkleidungen und Dachrahmen sowie von Teilen der Fahrzeugbeleuchtung und -verglasung, wie Scheiben für Scheinwerfer und Panoramadächer.

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