Das Spritzgusswerkzeug

Ein Spritzgusswerkzeug besteht grundlegend immer aus zwei Hälften. Der Düsenseite und der Auswerferseite. Die Düsenseite ist die Seite, an der die Maschine den Kunststoff in die Form spritzt. Hier entsteht der Anguss und das flüssige Granulat wird durch ihn auf die Formnester verteilt. Die Auswerferseite ist die Seite, auf der das Teil nach dem Öffnen des Werkzeuges stecken bleiben sollte. In der Auswerferseite liegen die Auswerfer, welche das Teil auf ein Handling drücken oder ohne Handling auswerfen.

Nachdem der Kunststoff in der Form auf seine spezifische Entformungstemperatur abgekühlt worden ist, fährt diese auseinander und die Auswerfer entformen das Teil. Während diesem Vorgang dosiert und erhitzt die Schnecke bereits das Granulat für den nächsten Schuss.

Schuss in Form

Entformung Teil

Konstruktion

Eine sorgfältige Konstruktion ist die Vorraussetzung für eine prozesssichere, fehlerfreie Serienproduktion.

In dieser Phase stellen sich wichtige Fragen. Die Lage des Anspritzpunktes hat wesentlichen Einfluss auf Lage und Qualität von Bindenähten und beeinflusst damit wesentlich die optische und funktionale Qualität des fertigen Kunststoffteils.

Die Temperierung des Werkzeugs ist ein wesentlicher Faktor, wenn es gillt Einfallstellen zu beeinflussen, bzw. Einfluss auf die Oberflächenqualität des Kunststoffteils zu nehmen.

Wir nutzen in der Konstruktionsphase intensiv die Möglichkeiten welche moderne Simulationsprogramme bieten. Aber auch in der Umsetzung der Werkzeugkonstruktion gibt es Faktoren welche die spätere Qualität beeinflussen. Formtrennungen sollten so gelegt werden, dass sie die Funktion des Kunststoffteils nicht beeinflussen.Verschleißbereiche werden als Wechseleinsätze eingebracht, damit diese später leichter getauscht werden können.

Die intensive Diskussion zwischen Werkzeugmachern, Werkzeugkonstrukteur und dem Kunden führt immer wieder zu Optimierungen am Kunststoffteil und damit zu optimalen Ergebnissen.

Moldflow Analyse

Bevor eine Form hergestellt wird simulieren wir den Prozess der Formfüllung. Dabei kommt es auf die Wahl der Anspritzpunkte, das Material aus dem das Teil gefertigt werden soll und den Aufbau des Angusskanals an.

All diese Faktoren werden in der Moldflow Analyse berücksichtigt und getestet.

Werkzeugkonzept und Konstruktion – ein Beispiel

Nachdem der Kunde den Auftrag erteilt hat beginnt die Werkzeugkonstruktion.
Der flüssige Kunststoff, der in die Form injiziert wird, schrumpft beim Abkühlen auf Raumtemperatur zusammen. Für den Faktor der Schwindung beim Abkühlen geben die Hersteller für jeden Kunststoff spezifische Werte vor. Um diesen Faktor muss die formgebende Kavität im Werkzeug größer sein als der bestellte Artikel. Der Faktor für PC+ABS liegt bei 0,6%, das bedeutet, wenn der fertige Artikel eine Länge von 100mm hat, dann muss diese Geometrie auf 100mm 0,6 = 100,6mm angepasst werden.
Der nächste Schritt bei der Erstellung eines Werkzeugkonzepts ist, die Trennebene eines Kunststoffteils zu bestimmen.

Bei der Trennebene handelt es sich um die gedachte Linie am Teil, an der sich die Form später öffnen wird und welche dadurch entsteht, dass das Teil nie komplett in einer Formhälfte liegt, sondern immer zum Teil auf der Auswerfer- beziehungsweise auf der Düsenseite.

Beim Kabelkanal war es vergleichsweise einfache die Haupttrennebene fest zu legen. Durch seine Geometrie ist gewissermaßen vorgegeben wie der Artikel in der Form liegen muss.
Des Weiteren besitzt er bereits durch den Entwurf bestimmt eine Jahres- und eine Monatsuhr. Es ist festgelegt, dass eine Materialnummer und die Art des verspritzten Kunststoffes am Teil, auf der Innenseite, festgehalten werden sollten. Solche teilspezifischen Informationen, die die Oberfläche beeinträchtigen, werden meistens auf der Auswerferseite angebracht.

Auf der Oberseite des Teils sind auch gut die Aussparungen zu erkennen, die dazu da sind, dass die Düsenseite in das Teil eintauchen kann und die Rasthaken geformt werden können, welche im Kabelkanal liegen.

Artikel

Artikel mit Trennebene

Bei Spritzgusswerkzeugen sollte man beachten, dass die Anordnung der Teile im Werkzeug sehr wichtig ist. So muss bei mehreren Nestern immer auf die Symmetrie geachtet werden. Ohne einen symmetrischen Aufbau im Werkzeug kann es später während der Produktion zu Fehlern kommen. Außerdem wird dadurch der Aufbau der Kühlung und die Anordnung der Auswerfer unnötig verkompliziert. Ein weiterer wichtiger Punkt an einem Kunststoffteil ist die Lage der Anspritzung.

Anhand des Kabelkanals sieht man gut, dass ein mittiger Anspritzpunkt gewählt wurde. Der Kabelkanal wird möglichst zentral angespritzt um eine gleichmäßige Formfüllung in alle Bereiche zu ermöglichen. In sogenannten Moldflow Analysen kann in einem aufwendigen Prozess festgestellt werden, welche Stelle beziehungsweise welcher Punkt am Teil geeignet ist. Dabei kann es durchaus vorkommen, dass ein Artikel an mehr als nur an einem Punkt angespritzt wird. Die Anzahl der Angusspunkte ist von der Komplexität des Teils abhänig.

Artikel mit Angusspunkt

Es gibt mehrere Philosophien um einen Anspritzpunkt zu setzen. Diese sind auch immer vom zu verarbeitenden Kunststoff abhängig. Normalerweise wird versucht, wie beim Kabelkanal, den Anspritzpunkt möglichst mittig am Teil zu platzieren. Das geschieht damit sich das Material von dort aus gleichmäßig in alle Richtungen verteilen kann.

Es ist jedoch sehr wichtig, dass der Kunststoff nach dem Einspritzen nicht zu schnell abkühlt. Er muss noch flüssig genug sein um sich im gesamten Artikel auch bis in das letzte Detail zu verteilen. Ist das Material vorzeitig abgekühlt besteht die Gefahr, dass das Teil nicht komplett gefüllt wird.

Im Gegensatz dazu kommt es zum Beispiel bei Glasfaser verstärkten Kunststoffen darauf an, dass man dem Kunststoff möglichst nur eine Fließrichtung bietet und deshalb nicht mittig sondern am Rand versucht an zu spritzen. Die Funktion der Glasfaser tritt nur dann 100 prozentig ein, wenn sie gleichmäßig auf längerer Strecke fließen konnte. Erst dann ist die Glasfaser richtig über das Teil verteilt und kann ihren Zweck erfüllen.

Die Lage der Anspritzung ist ein elementares Thema im Spritzgussprozess und darf auf keinen Fall vernachlässigt werden.
Mindestens genauso wichtig wie die Lage der Anspritzung ist die Art. An jedem Kunststoffteil bleibt immer ein kleiner Angusspunkt zurück, der die Stelle markiert an der das Teil angespritzt worden ist. Um diesen Punkt so unauffällig wie möglich zu halten gibt es unterschiedliche Methoden. Andererseits gibt es aber auch Teile für die ein größerer Angusspunkt notwendig ist, damit beim Füllen genug Material in die Form fließen kann. Bei solchen Teilen kann ein unauffälliger Angusspunkt nur eine untergeordnete Rolle spielen.

Ebenfalls sehr aufwendig sind die Kühlungen einer Form. Der Konstrukteur muss beach- ten, dass er mit den Bohrungen überall Mindestabstände zu Auswerfern und auch zum Rand der Form einhält. Zusätzlich darf der Anschluss an der Maschine nicht zu unübersichtlich und kompliziert ausfallen. Fehler beim Anschluss von Kühlungen können schnell zum Chaos führen, wenn zum Beispiel 80 oder 90 Grad heißes Wasser in der Produktion verteilt wird. Kühlungen müssen auch immer herstellbar bleiben. Der Konstrukteur muss bedenken, dass der Werkzeugmacher, welcher später die Kühlung bohrt, nicht einfach um die Ecke bohren kann und auch gewisse Toleranzen zum Bohren braucht. Zusätzlich zu den Herausforderungen beim Bau der Kühlung erfüllt diese eine grundlegende Aufgabe in der Form. Das gesamte Werkzeug wird durch die Kühlung temperiert.

Auf wie viel Grad ein Werkzeug gekühlt oder erhitzt wird schwankt je nach Kunststoffart und Teil zwi- schen 35° und 90°. Zusätzlich zur Kühlung im Werk- zeug kommt noch die Abkühlzeit in der die Maschine steht und dem Material Zeit gibt die Temperatur zu reduzieren. Nach dem Vorgang wird das Teil mit ca. der gleichen Temperatur wie das Wasser aus der Kühlung entformt. Das Werkzeug ist gegenüber der Maschine mit einer Wärmeschutzplatte isoliert. Bei bestimmten Formen sind unterschiedliche Temperaturen für Düsenseite oder Auswerferseite vorgesehen. Somit werden auch unterschiedliche und getrennte Wasserkreisläufe benötigt. Je nach Komplexität der Form kann es bis zu vier unterschiedliche Kreisläufe mit je anderen Temperaturen geben.

Kühlungsverlauf Auswerferseite

Auswerferseite

Auswerferpaket

Einsatz Auswerferseite

Eine weitere wichtige Komponente an jeder Spritzgussform sind die Auswerfer mit der dazugehörigen Auswerferplatte. Diese befinden sich in der Auswerferseite. Die Auswerfer werden benötigt um das neue Kunststoffteil aus dem Werkzeug zu entformen.
Dabei kommt es auf die gleichmäßige Anordnung an. Mehrere Auswerfer bilden im Verbund mit der Auswerferplatte, auf der sie befestigt sind, das sogenannte Auswerferpaket. Diese Platte ist über einen Stößel mit der Maschine verbunden. Dieser bewegt die Platte und somit auch die Auswerfer vor beziehungsweise zurück.

In der Grundposition, ganz zurück gefahren während des Spritzvorgangs, ist es von essentieller Bedeutung, dass die Auswerfer bündig mit dem Einsatz der Auswerferseite abschließen.
Jede kleine Naht, die dadurch entsteht, dass Auswerfer und die restliche Form nicht auf einer Höhe sind, wird später im Teil erkennbar sein. Auch wenn man den Höhenunterschied am Werkzeug im ersten Moment vielleicht nicht erkennen kann. Ein weiterer Grund warum sich Auswerfer im Teil abdrücken können ist, dass das Teil beim Auswerfen aus der Form noch nicht vollständig abgekühlt und ausgehärtet ist, weshalb sich die Auswerfer in den noch weichen Kunststoff abdrücken. Auf sogenannten Sichtflächen müssen Abdrücke von Auswerfer unbedingt vermieden werden. Es gibt unzählige Formen von Auswerfern. Am Beispiel des Kabelkanal sind sie aber alle Standardausführungen und somit rund. In der Abbildung ist schön zu sehen, wie die Auswerfer in den Einsatz der Auswerferseite integriert sind. Es ist zu erkennen, dass sie gleichmäßig auf der Innenseite des Kabelkanals verteilt wurden und sie in unterschiedlichen Größen vorhanden sind. Dass die Auswerfer gleichmäßig auf das Teil verteilt sind ist insofern wichtig, dass ein Kunststoffteil auf keinen Fall schräg oder unregelmäßig entformt werden darf. In solch einem Fall kann es zum Sprödbruch oder zum Verkanten in der Form kommen.

Ist das Werkzeugkonzept abgeschlossen beginnt die Konstruktionsphase. Der Konstrukteur baut die Spritzgussform von der ersten Schraube bis zur letzten Oberfläche nach DIN Maßgaben am Computer auf. Viele Maßgaben eines Kunststoffartikels haben Toleranzbereiche, die eingehalten werden müssen.

Bei der Konstruktion der Einsätze ist das ganze Wissen des Konstrukteurs gefragt. Hier ist es von Vorteil wenn bereits eine langjährige Erfahrung als Werkzeugmacher eine Grundlage aus Routine und Souveränität bietet.
Hat der Konstrukteur die Einsätze als CAD Programm erstellt muss er die restliche Form darum aufbauen. Wenn der Einsatz keine außergewöhnlichen Maße besitzt, gibt es für den Konstrukteur die Möglichkeit, dass er sogenannte Normalien verwendet. Normalien für Kunststoffformen funktionieren nach dem Baukastensystem. Der Konstrukteur kann die passenden Elemente direkt als CAD Daten in seine Arbeit implementieren und im Anschluss alle Teile 1:1 bestellen. Dieses Prinzip erspart viel Zeit und Arbeit.

Der Konstrukteur eines Spritzgusswerkzeuges trägt eine große Verantwortung, wenn es darum geht das Werkzeug für den täglichen Gebrauch nutzbar zu machen und es wirtschaftlich sowie qualitativ hochwertig herstellen zu können.

Ist die Konstruktion des Werkzeugs abgeschlossen und alle aus der Konstruktion sichtbaren Fehler verbessert oder korrigiert werden die Zeichnungen, nach denen das Werkzeug gefertigt wird, aus den CAD Daten erstellt. Bauteile die an der CNC Fräsmaschine gefertigt werden bekommen ihre Daten direkt vom Konstrukteur weitergeleitet woraus ein Mitarbeiter ein Programm für die Fräsemaschine aufbaut.
Es geht an die Werkzeugerstellung.

Meusburger Normalien

Werkzeugerstellung

Das Herzstück einer jeden Form sind ihre Einsätze. In ihnen liegen die negativen Abdrücke des zu produzierenden Teils, die formgebenden Kavitäten. Bei der Herstellung ist höchste Genauigkeit sehr wichtig. Die Toleranzen beim Arbeiten an einem Einsatz bewegen sich im Rahmen von 0,02 – 0,05 mm.

Die ersten Arbeitsschritte beginnen auf der CNC Fräse mit dem Vorfräsen der Konturen. Die Konturen bilden bereits grob ab, wie später der Artikeln einmal in der Form liegen wird. Die Informationen für die Fräsen werden direkt aus den CAD Daten des Konstrukteurs ausgelesen. Im selben Arbeitsschritt erfolgt die Erstellung des Pro- gramms für die Fräsmaschine.

Bereits nach dem Vorfräsen wird der Einsatz mit einem Aufmaß von 0,5mm vorbearbeitet. Danach kann man schon erkennen für welches Teil die jeweilige Einsatzhälfte entsteht. Anschließend geht der Einsatz zum Härten. Beim Härten und Anlassen werden die Eigenschaften des Einsatzes auf seine Anforderungen abgestimmt. Bei einem Einsatz ist es wichtig, dass die oberste Schicht des Stahls sehr hart und belastungsfähig ist. Die Formplatten in denen der Einsatz liegt sind aus vergütetem Stahl. Um einen möglichst belastungsfähigen Einsatz her zu stellen werden diese auf einen exakten Rockwell – Wert von 52 HRC durchgehärtet. Bei einem nicht gehärteten Einsatz besteht immer die Gefahr, dass beim Gebrauch die Strukturen abgenutzt oder verändert werden. Nach dem Härten hat sich der Einsatz durch das Abschrecken verzogen und muss nachgeschliffen werden. Das wurde bereits beim Vorfräsen beachtet und so hat man beim Schleifen genug Aufmaß um den Einsatz zu korrigieren.

Hermle CNC – Fräse

Benötigt das Teil Konturen in der Form die kein Fräser schaffen kann muss man diese Bereiche erodieren. Für diese Vorgänge stellt die Firma Seidl speziell für jede Form eigene Elektroden aus Graphit her. Beim Erodieren wird das Elektrodenwerkzeug in ein

Elektrode am Einsatz

Auf dieses Werkstück fährt die Elektrode bis auf einen Abstand von 0,004–0,5 mm heran. In diesem Spalt wird jetzt ein Funkenschlag erzeugt der winzige Partikel aus dem Stahl des Einsatzes herausreißt. Mit Hilfe dieser Technik können unglaublich feine Konturen und Oberflächen in den Stahl erodiert werden.

Trotz aller Genauigkeit ist beim Bau einer Form immer Handarbeit gefragt. Tuschierflächen im Werkzeug können nur mit Tuschierfarbe, viel Erfahrung sowie viel Gefühl herausgearbeitet werden.

Sollten doch einmal Reparaturen an einem Kunststoffwerkzeug anfallen kann die betroffene Stelle geschweißt werden und danach einfach erneut gefräst und beziehungsweise oder erodiert werden. Beim Schweißen muss sehr darauf geachtet werden, dass nur die von der Reparatur betroffenen Stellen verschmolzen werden.

Sollte ein Verschleißteil mit Wechseleinsatz betroffen sein kann es im Werkzeugbau einfach ausgetauscht werden und die Form kann unverzüglich wieder in die Produktion gehen.