Harte Schale – sehr harter Kern

Bessere Problemlösung durch Innovation und Co-Injektionsspritzen

Seit Jahrzehnten werden in der Prozessindustrie neben Stahl auch Kunststoffflansche verschiedener Bauart genutzt. In eigener Initiative hat ein Fertiger eine Alternative entwickelt, die nicht nur erheblich leichter ist, sondern weitere Anwendungsvorteile bietet. Ein Beispiel dafür, wie Verarbeiter, die ihre Kundenbranchen kennen, trotz eingeschliffener Standards bessere
Lösungen generieren können.

Die in solchen Baugruppe eingesetzten Flansche wurden im Co-Injektionsspritzgießen hergestellt – sie sind leichter als bisherige Varianten und bieten weitere Anwendungsvorteile. (Bild: Praher Plastics)

Nicht die augenfälligsten Bauteile prozesstechnischer Anlagen, aber sicherheitsrelevant sind die in der Chemietechnik erforderlichen Flansche. Sie verbinden mehr oder weniger komplexe, auch unter Druck stehende und mit aggressiven Medien gefüllte Rohrsysteme. Geschraubt oder geschweißt müssen sie oft über Jahre sicher dicht bleiben und dabei mechanischen und chemischen Belastungen standhalten.

Standardmäßig bestehen solche Flansche für den niedrigeren Druckbereich heute aus massivem Polypropylen (PP) oder, für Druckklassen bis MOP 16 (PN16), aus einem Stahlkern mit PP-Ummantelung.

Praher Plastics, erfahrener Produzent unter anderem von Ventilen und Fittings für Verrohrungssysteme aus verschiedenen Werkstoffgruppen, hat eine Alternative entwickelt, die im Co-Injektionsspritzguss hergestellt wird. Die in dem auch als Sandwich-Spritzgießen bekannten Verfahren produzierten Flansche sind zum einen erheblich leichter als bisherige Lösungen, zum anderen bieten sie verschiedene Anwendungsvorteile.

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Außen ein PP-Compound, innen ein mit 30 Prozent Kurzglasfasern verstärktes PP – die Wanddicken sind einstellbar. Für Versuche wurde der verstärkte Werkstoff eingefärbt. (Bild: Praher Plastics)

Statt kompaktem PP oder einer PP-Stahl-Kombination wird für die moderne Variante ein 30 Prozent glasfaserverstärktes PP für den Kern und ein übliches PP-Compound für die Ummantelung verwendet. Während der Kern hohe Festigkeit und Steifigkeit bietet, sorgt die Hülle für hohe Oberflächengüte im medienberührten Teil und auf der Außenseite sowie für uneingeschränkte Schweißbarkeit.

Flexible Anwendung „hinein konstruiert“
In umfangreichen Simulationen hat Praher verschiedene Werkstoffe und Geometrien simuliert, um verschiedene Anforderungen unter eine Hut zu bringen: Bei einem Maximum an Festigkeit und Planlage der Flanschdichtfläche waren geringes Gewicht und damit eine materialsparende Version bei sicherer Montierbarkeit zu realisieren. Zudem wurden die Spritzgießparameter so angesetzt, dass eine prozesssichere Produktion problemlos möglich ist.

Der fast drei Mal so schwere und von Korrosion bedrohte Flansch mit Stahleinlage wird voraussichtlich mittelfristig von der in der im Co-Injektionsspritzguss produzierten Variante abgelöst. (Bild: Praher Plastics)

Vor allem über die Verteilung von verstärktem und unverstärktem PP innerhalb der Flansche sind die Eigenschaften in einem weiten Spektrum anpassbar. Mit einer dünnen „Haut“ im Umfeld der Bohrungen werden hohe Festigkeit und Steifigkeit erreicht. Eine ausreichend dicke Schicht an der Schweißfuge garantiert die einfache Verschweißung mit den gewohnten Verfahren.

Co-Injektionsspritzen realitätsnah simulieren
In diesem Verfahren arbeiten zwei Schnecken auf eine Einspritzdüse. Zunächst wird das Außenmaterial eingespritzt, dann das Kernmaterial. Falls erforderlich folgt das Einspritzen einer weiteren kleinen Menge Außenmaterial, um das Kernmaterial auch im Angussbereich komplett zu versiegeln. Mit Hilfe des Berechnungsprogramms Creo 2.0 optimieren Praher-Konstrukteure die Wanddicke des Außenmaterials in den verschieden beanspruchten Flanschbereichen. Simuliert wurden dabei verschiedene typische und untypische Belastungssituationen. Unter allen Einflüssen war vor allem sichere Dichtheit gefordert.

Die Verteilung der beiden Materialvarianten wurde in der Simulation entsprechend der mechanischen Belastungen festgelegt, Anguss und Spritzgießparameter optimiert. (Bild: Praher Plastics)

Im nächsten Schritt, der Spritzgießsimulation, kam die Software Dascce zu Einsatz – sie kann auch die Prozesse des Co-Injektionsspritzgießens abbilden. Durch Variation der Anspritzsituation und der Spritzgießparameter sowie der Simulation von Werkstoffen mit verschiedenen Fließverhalten wurden die Details des Formenbaus und des Prozesses definiert. Die im eigenen Unternehmen produzierte Nullserie musste sich Tests entsprechend den einschlägigen Normen unterziehen: Unter anderem wurden die erforderlichen Werte zur Zertifizierung gemäß MOP 16 bzw. PN16 auf Anhieb erreicht und übertroffen. Die zusätzlich durchgeführten, Praher-internen Prüfungen hinsichtlich Biegesteifigkeit des Flansches, Verhalten unter Schraublast und Verschweißbarkeit wurden ebenfalls ohne Beanstandungen durchlaufen.

Die beiden in den Flanschen eingesetzten Werkstoffkomponenten, PP und verstärktes PP, gehen im Spritzguss eine stoffschlüssige Verbindung ein. Mit dieser Konstruktion wurde das Gewicht drastisch gesenkt: Ein Flansch der Größe DN40 wiegt lediglich 241 Gramm. Ein typischer Flansch mit Stahleinlage wiegt etwa das Dreifache (710 Gramm), eine herkömmliche Variante aus Massiv-PP etwa 330 Gramm. Neben den erheblichen Werkstoffeinsparungen bietet die Neuentwicklung auch wichtige funktionale Verbesserungen:

Aufgrund der Verzichts auf eine verstärkende Stahleinlage treten keine Ermüdungsrisse und damit auch keine Korrosionsprobleme auf. Das erhöht die Lebensdauer und senkt eventuelle Folgekosten. Da die Dichtfläche leicht konisch angelegt ist, können sowohl Flachdichtungen wie Profildichtungen eingesetzt werden. Nicht zuletzt wird die Lagerhaltung beim Anlagenbauer vereinfacht: Für alle Rohrverbindungen einer Baugröße ist über alle geforderten Druckstufen bis PN16 nur noch ein Flanschtyp erforderlich.

Standards verändern – Leichtbau realisieren
Auch – vermeintlich – auskonstruierte Produkte bieten mitunter erstaunliche Verbesserungspotenziale hinsichtlich Funktion und Kosten. Das gilt nicht nur für Flansche, sondern auch andere Branchen, die auf kostengünstigere und leichtere Lösungen setzen. Basis dafür war in diesem Fall das Know-how des Verarbeiters hinsichtlich der Fertigungstechnologie und die Kenntnisse der Anwenderbranche sowie der Einsatz verschiedener Simulationssysteme. Auch wenn der neue, seit Mai 2015 patentierte Flansch noch nicht in größeren Mengen am Markt ist, sieht Praher Plastics – neben den Anwendungsvorteilen – mittelfristig einen weiteren wichtigen Kundennutzen: Der Preis werde wohl unterhalb des aktuell üblichen Niveaus liegen.

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