Ein Spritzgusswerkzeug ist, kurz gesagt, eine langlebige Metallform mit Hohlraum, die durch Befüllung mit verflüssigtem Kunststoff Formteile aller Art entstehen lässt. Wenn sich das Werkzeug schließt, wird durch die Maschine das flüssige Kunststoffgranulat eingespritzt. Dieses füllt die Hohlräume im Werkzeug aus, erkaltet dort und erstarrt zu einem fertigen Kunststoffteil.
Das Werkzeug, das aus Auswerfer- und Düsenseite besteht, wird in eine Spritzgussmaschine eingespannt. Die Düsenseite wird an der festen Seite der Maschine montiert, die Auswerferseite bleibt beweglich, um das Werkzeug öffnen und schließen zu können. Plastifiziertes Kunststoffgranulat wird eingespritzt, füllt die Hohlräume, erkaltet und erstarrt. Das Werkzeug öffnet sich, die neu entstandenen Formteile werden ausgestoßen und mit Hilfe eines Förderbandes abtransportiert oder mit einem Roboter entnommen. Das Spritzgusswerkzeug hat seinen Job getan.
So viel dazu in Kurzform …
Klingt einfach? Ist es aber nicht. Ein Spritzgusswerkzeug muss hohen Anforderungen gerecht werden, um die Produktion von hochwertigen Formteilen über viele tausend Zyklen zu gewährleisten. Diese Qualität kann nur durch exzellente Werkstoffe und äußerst präzise Arbeit bei der Herstellung erreicht werden.
Aber lesen Sie selbst …
Spritzgusswerkzeuge bestehen in den meisten Fällen aus zwei Teilen: Der Düsen- und der Auswerferseite. Um die Anforderungen an ein Spritzgusswerkzeug darzustellen, müssen wir zunächst dessen bevorstehende Aufgaben während des Spritzgussprozesses beschreiben.
Düsenseite
Die Düsenseite, die sich beim Spritzgussvorgang nicht bewegt (die Seite ist fest mit der Maschine verbunden, um keine Leckage des Kunststoffes zu verursachen), besteht aus der Aufspannplatte, den Kavitäten, den Angussbuchsen und dem Kühl- bzw. Heizsystem.
Über diese Seite des Werkzeuges erfolgt die Einspritzung des plastifizierten Kunststoffes von der Spritzgussmaschine in das Werkzeug. Plastifiziert bedeutet, das Kunststoffgranulat wird aufgeschmolzen durch die Zylinderheizung und Friktionswärme (Reibungskraft) und mit hohem Druck durch die Zuleitung zum Formnest gepresst, damit der Kunststoff nicht vorher erkaltet. Zuviel Druck ist aber auch nicht gut, da sonst Verbrennungen am Artikel auftreten können oder sich sogar die zwei Formhälften aufdrücken. Wirklich relevant ist aber in erster Linie die Einspritzgeschwindigkeit.
Je nach Teil und Stückzahl erfolgt dieser sogenannte Anguss beheizt (Heißkanal) und macht damit längere Fließwege möglich. Der Kaltkanal kommt hauptsächlich bei kleineren Stückzahlen zum Einsatz. Bei dieser Version erkaltet der Kunststoff auch am Anguss, der daher immer mit entformt werden muss.
Die Aufspannplatte dient zum Aufspannen des gesamten Werkzeugs auf die Spritzgussmaschine.
Als Entformen bezeichnet man das Herauslösen des erkalteten und damit festen Kunststoffteils aus der Form.
Die Angussbuchse kann als Verlängerung der Einspritzdüse betrachtet werden. Durch sie gelangt die Kunststoffschmelze in die Kavität. Angussbuchse und Einspritzdüse müssen perfekt zusammenpassen, um ein optimales Fließverhalten der Schmelze zu ermöglichen und um eine Leckage zu verhindern.
Die Hohlräume, die beim Spritzgussvorgang mit flüssigem Kunststoff befüllt werden, bezeichnet man auch als Kavitäten oder Formnester. Sie bestimmen die zukünftige Form und Oberflächenstruktur des entstehenden Formteils. Um die Kavität restlos auszufüllen, muss zum einen auf ein optimales Fließverhalten der Kunststoffschmelze geachtet werden (heißt: die richtige Temperatur für das jeweilige Material), andererseits muss ausreichender Druck auf die Schmelze einwirken. Auch müssen die Fließwege gleich lang sein. Eine Entlüftung muss ebenfalls eingebracht werden, da sonst der Kunststoffartikel Hohlräume aufweist.
Mittels Simulationen kann der Kunststoffartikel grob betrachtet werden. Durch Angabe des Anspritzpunktes und der Prozessparameter kann z.B. eingeschätzt werden, ob sich beim Spritzgussvorgang Lufteinschlüsse bilden können.
Die Temperiereinheiten (Kühl- bzw. Heizsysteme) sorgen präzise für die richtige Temperatur der Kunststoffschmelze. Mit der perfekten Einstellung der Temperierung können die Produktionszyklen so gering wie möglich gehalten werden. Zunächst sorgt die richtige Erwärmung des Granulats für den optimalen Fluss der Schmelze und das vollständige und gleichmäßige Ausfüllen der Kavität. Beim anschließenden Erkalten muss der Einfluss der Temperatur auf die Schwindung des Kunststoffes beachtet werden. Schwindung bedeutet, dass erkaltender Kunststoff um wenige Prozent kleiner wird. Das Ausmaß der Schwindung ist vom jeweiligen Kunststoff abhängig.
Ebenso muss auf den punktgenauen Einsatz der Kühlung geachtet werden, speziell bei Teilen mit ungeraden Formen, bei denen sich die Wärme stellenweise stauen könnte. Nur wenn alles präzise aufeinander abgestimmt ist, kann ein optimaler Produktionszyklus erreicht werden.
Der Zyklus beschreibt dabei die Zeit, die vom Schließen bis zum Öffnen des Werkzeuges vergeht:
Schritt 1: Das Werkzeug schließt sich
Schritt 2: Die Kunststoffschmelze wird in die Kavität gespritzt
Schritt 3: Das fertig gespritzte Bauteil wird gekühlt
Schritt 4: Der Kunststoff härtet aus
Schritt 5: Das Werkzeug öffnet sich wieder, das neu entstandene Formteil wird ausgeworfen.
Auswerferseite
Die Auswerferseite besteht aus der Aufspannplatte, einer Zwischenplatte, einer Formplatte, zwei Leisten und dem Auswerferpaket.
Diese Seite des Werkzeugs ist für das hydraulische bzw. elektromechanische Öffnen und Schließen der Form sowie das Auswerfen der Formteile zuständig. Beim Öffnen des Werkzeuges drückt ein Auswerfersystem das erkaltete Teil vom Formkern.
Das Auswerfersystem besteht aus einer Grund- und einer Halteplatte sowie den erforderlichen Auswerfern. In der Auswerferhalteplatte sitzen die Auswerfer, in der Grundplatte liegen diese auf, um nicht herauszufallen.
Die Auswerfer können in verschiedenen Formen und Variationen, z.B. in Stiftform, je nach herzustellendem Kunststoffteil, eingesetzt werden. Zu beachten ist hier, dass die Auswerfer genug Kraft haben, um die Teile zu entformen. Andererseits darf auch nicht zu viel Kraft eingesetzt werden, damit keine Beschädigungen entstehen.
Auswerferbolzen auf der Grundplatte bewegen die auf der Halteplatte befestigten Auswerferstifte nach vorne und sorgen so für die Entformung der abgekühlten Kunststoffteile.
Um das Werkzeug in der Spritzgussmaschine zu befestigen, wird einerseits eine Aufspannplatte auf jeder Seite benötigt, auf der das Werkzeug verschraubt wird. Andererseits hält je eine Formplatte auf der Düsenseite z.B. die Formnester (Kavitäten) und die Angussbuchse, auf der Auswerferseite die Kühlung.
Formnester
Wie viele Formnester in einem Werkzeug untergebracht werden können, hängt mit verschiedenen Faktoren zusammen. Einerseits selbstverständlich mit der maximalen Größe des Werkzeugs in Bezug auf die Maschine und der darin – rein räumlich – passenden Formnester. Ein wesentlich bedeutenderer Punkt ist allerdings die Zuführung der Kunststoffschmelze beim Spritzgussvorgang,
denn der Weg muss zu jedem Formnest gleich lang sein. Jede Abweichung würde zu einer unterschiedlichen Füllung innerhalb der Formnester führen und damit zu einer Ungleichheit der einzelnen Teile.
Um einen sogenannten „Dieseleffekt“ zu vermeiden, d.h. Verbrennungen des Materials durch die durch die Schmelze verdrängte Luft, werden entsprechende Entlüftungen angebracht.
Materialeigenschaften
Das Werkzeug muss aus äußerst widerstandsfähigem Material hergestellt sein, um Temperaturen um 300 °C und immer wieder auftretendem Druck bis zu 1.500 bar, teilweise sogar 2.000 bar, standhalten zu können. Durch speziellen Werkzeugstahl, teilweise nachträglich gehärtet, können jedoch jahrelange Einsatzzeiten gewährleistet werden.
Als Werkzeugstahl werden ausschließlich legierte Stähle bezeichnet, deren Eigenschaften allen Ansprüchen des zu fertigenden Werkzeugs genügen. Dazu gehören z.B. Härte, Verschleißfestigkeit, Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Zugfestigkeit.
Qualität
Die Qualität des zukünftigen Formteils steht und fällt mit dem Spritzgusswerkzeug. Daher ist eine sorgfältige und präzise Entwicklung und Erstellung unabdingbar, um den enormen Ansprüchen an Formgenauigkeit, Oberflächenbeschaffenheit, Qualität und Toleranzbereich Genüge zu tun.
Ebenso ist nach Fertigstellung eine genaue und kritische Werkzeugabmusterung zwingend erforderlich. Dabei können eventuelle mechanische Mängel erkannt und behoben werden.
Auf der Suche nach einem guten Werkzeug darf allein der Preis nicht die übergeordnete Rolle spielen. Ein suboptimales Werkzeug wird über kurz oder lang den Preis des Gesamtprozesses in die Höhe treiben.
Alleine in Deutschland sind viele Werkzeuge zu schwach gebaut. Und asiatische Werkzeuge auf deutschem Qualitätsniveau haben auch einen vergleichbaren Preis wie in Deutschland. Mit einem qualitativ hochwertigen, langlebigen Werkzeug können in großen Produktionsserien zuverlässig hohe Stückzahlen von Formteilen über Jahre hinweg hergestellt werden. Im Pfefferkorn-Werkzeugbau sind 500.000 Schuss Standard als Garantie. Die Wartungsintervalle richten sich nach dem Aufbau des Werkzeugs und dem Kunststoff.
Ein Vorteil im Pfefferkorn-Werkzeugbau ist auf jeden Fall die angeschlossene Spritzgussabteilung und der intensive Dialog der Kollegen in der Konstruktion, dem Werkzeugbau und der Spritzgussabteilung mit der daraus resultierenden Einbeziehung von Erfahrungen und Wissen aus den verschiedenen Fachbereichen.
Herstellung
Zur Bearbeitung und Herstellung des Werkzeuges werden u.a. folgende Arbeitsschritte eingesetzt:
CNC-Drehen:
CNC – „Computerized Numerical Control“ oder „rechnergestützte numerische Steuerung“ – ist ein elektronisches Verfahren zur Steuerung von Werkzeugmaschinen.
Bis Mitte der 1960er-Jahre wurden die Steuerungsinformationen noch durch einen Lochstreifen eingelesen (NC, „Numerical Control“ oder „Numerische Steuerung“), bevor die ersten CNC-Steuerungen auf den Markt kamen. Deren Ära begann Mitte der 1970er-Jahre, womit die Serien- und Einzelfertigung revolutioniert wurde.
Drehen – konventionell wie auch CNC-Drehen – sagt zunächst aus, dass ein rotierendes Werkstück durch Werkzeuge wie Schneide, Wendeschneidplatten, Bohrer, Gewindeschneider usw. bearbeitet wird. Moderne CNC-Bearbeitungszentren sind heute in der Lage, aus den an sie aus der Konstruktion übermittelten Daten den gesamten Fertigungsprozess selbstständig und ohne Überwachung durch Mitarbeiter durchzuführen. Die Maschine kontrolliert die genaue Position des eingesetzten Werkzeugs, die Geschwindigkeit, mit der das Werkstück bearbeitet wird, Kühlmittel- und Materialzufuhr sowie viele andere Komponenten selbstständig. Die benötigten Bearbeitungswerkzeuge können durch die Maschine selbstständig gewechselt werden.
CNC-Fräsen:
Die Fräse dreht sich bei der Bearbeitung des Werkstücks mit hoher Geschwindigkeit um die eigene Achse und trägt somit kontinuierlich nicht benötigte Späne vom Werkstück ab, um die gewünschte Kontur zu erreichen. Im Gegensatz zum Drehen rotiert beim Fräsen also das Bearbeitungswerkzeug der Fräse, nicht das Werkstück. Fräsen wird in erster Linie eingesetzt, um ebene Oberflächen zu erhalten. Allerdings lassen sich per CNC-Fräse auch sehr komplexe, dreidimensionale Formen herstellen.
CNC-Senkerodieren:
Das Erodieren wird als thermisch abtragendes Fertigungsverfahren bezeichnet, da das Abtragen von Material am Werkstück durch elektrische Entladung zwischen Werkzeug und Werkstück vonstatten geht. Werkstück und Werkzeug befinden sich in einem Becken, das mit einem nichtleitenden Medium gefüllt ist (meist Öl oder deionisiertem Wasser), das als Dielektrikum bezeichnet wird. Das Bearbeitungswerkzeug (die Elektrode) wird nun zum Werkstück geführt. Durch Funkensprung vom Werkzeug wird Material vom Werkstück durch Schmelzen oder Verdampfen abgetragen.
CNC-Drahterodieren:
Beim Drahterodieren ersetzt ein Draht (meistens aus Messing), der mit einer Spannung von 5 bis 25 Newton zwischen zwei Antriebsrollen gespannt wird, die Elektrode beim Senkerodieren. Drahterodieren wird auch als funkenerosives Schneiden bezeichnet.
Bearbeitet werden können alle leitenden Materialien, ungeachtet deren Härte. Erodiert wird in erster Linie dort, wo höchste Präzision erforderlich ist und sehr enge Toleranzen gegeben sind.
Flachschleifen:
Beim Flachschleifen entstehen in erster Linie ebene Flächen. Dabei wird die Schnittbewegung durch das Bearbeitungswerkzeug ausgeführt, die Vorschubbewegung löst das Werkstück aus. Als Schleifmaterialien kommen hierbei meistens Siliziumkarbid-, Edelkorund- und Sinterkorundschleifscheiben zum Einsatz. Bei sehr harten und verschleißfesten Materialien werden auch Diamant- oder kubische Bornitrid-Schleifscheiben eingesetzt. Flachschleifen eignet sich vor allem zur Bearbeitung von kleineren Stückzahlen. Man kann auch mehrere Einsätze oder ähnliches auf einmal schleifen, damit diese alle die gleiche Höhe haben. Je nachdem, wie groß die Teile und der Schleiftisch sind, sind auch größere Stückzahlen machbar.
Der Pfefferkorn-Werkzeugbau ist seit 1953 der starke Partner an Ihrer Seite. Wie dürfen wir Ihnen helfen?
Abteilungsleiter Werkzeugbau/Konstruktion
Peter Graßmann
+49 (0) 6761 9333 – 26
grassmann.peter@pepco.de
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