Spritzgießwerkzeuge
Spritzgießwerkzeuge: 1. Formkasten:
Der Formkasten ist die komplette Form im Grundaufbau, also sämtliche Platten bearbeitet und verschraubt, sowie mit den notwendigen Führungen und Zentrierungen versehen. Durch Einarbeitung des Formbildes, des Angußsystems, der Temperierung und des Ausstoßsystems wird die Form fertiggestellt.
Da bei Spritzgussformen (auch Druckguss- & Pressformen) eine Reihe von Bauelementen, in bestimmten Größen und Abstufungen immer wiederkehren, liegt es nahe diese Bauelemente in maßlich gebräuchlichen Größen zu vereinheitlichen. Auf die Herstellung solcher Formen- Normalien haben sich einige Firmen spezialisiert.
Vorteile dieser Formen sind:
Die Entlastung des Werkzeugbaus von aufwendiger Zerspannungsarbeit.
Bei hoher Auftragslage kürzere Lieferzeiten.
Wegfall eines universellen Maschinenparks und dafür Einsatz von hochwertigen Spezial-maschinen.
Gleichbleibende Präzision der bezogenen Normalien. Das Austauschen von einzelnen Teilen ist somit leicht durchführbar.
Wegfall eines eigenen kapitalbindenden Stahllagers.
Kalkulationsrisiko bei Angebotserstellung ist kleiner, da die festen Kosten des Form-kastens leicht ermittelbar sind.
Da die Formen meist nach dem Baukastenprinzip aufgebaut sind, ist auch deren variable Verwendung für viele Spezialfälle möglich (siehe Bild 2).
1. Bestandteile und deren Kenngrößen: (siehe Bild 1)
Der Formkasten wird von seinen Kenngrößen bestimmt.
a) Zentrierflansch: (äußere Führung)
Um das Einrichten der Werkzeuge auf den Werkzeugträgerplatten zu erleichtern, werden am Werkzeug spritzseitig Zentrierflansche montiert, die in die Ausnehmungen der Werkzeugträgerplatten passen (meist H7 / f8 Passungen Þ Spielpassung).
b) Aufspannplatte:
Dient grundsätzlich zum Aufspannen der Form auf die Werkzeugträgerplatten. Man unterscheidet überstehende und bündige Aufspannplatten.
Die Dicke der Aufspann-platten richtet sich nach der Werkzeuggröße. Als Richtwerte kann man für kleine Formen 12 – 17 mm, für mittlere Formen 22 – 36 mm und für Großformen bis 66 mm Plattenstärke annehmen.
c) Zwischenplatte:
Dient grundsätzlich zur Unterstützung der ausstoßerseitigen Formplatte.
Bei Kleinformen wird als Plattendicke 12 – 17 mm, für mittlere Formen 17 – 47 mm und für Großformen bis 76 mm Plattenstärke annehmen.
d) Stützleiste:
Zur Erreichung des notwendigen Abstandes zwischen Ausstoßerpaket und Zwischen-platte, um einen problemlosen Auswerferhub zu ermöglichen.
e) Ausstoßerpaket:
Besteht aus Ausstoßeraufnahmeplatte & Ausstoßergrundplatte und dient zur Auf-nahme der Ausstoßelemente.
f) Werkzeugführung:
Diese erfolgt über ein System, bestehend aus Führungsbolzen, Führungsbuchsen und Zentrierhülsen.
Üblich ist die Viersäulenanordnung, wobei drei Elemente mit gleichem Durchmesser eingebaut werden. Eine Säule wird etwas größer oder kleiner gewählt, um die beiden Werkzeughälften eindeutig zueinander zu bestimmen.
Zusätzlich können in die Formtrennebene weitere Zentrierelemente (z.B. Zentrierbolzen) eingebaut werden, um die Genauigkeit zu erhöhen.
Bei tiefen und meist runden Produkten kann z.B. eine Topfführung verwendet werden. (siehe Bild 3).
g) Stähle für die Bauteile des Formkastens: (siehe Bild 4)
Kurzname: Zugfestigkeit Rm: Streckgrenze Re: [ N/mm²]
Alt Neu [ N/mm²] £ 16 £ 40 £100
Ck 45 2 C 45* 650 ..
. 800 490 430 370
51 CrV 4 50 CrV 4 1000 … 1200 900 800 700
Ý Edelstähle * 2 C 45 Þ Unlegierter Stahl mit 0,45% C & Gütegrad 2
Kurzname: Härte [HB]: Härtetemperatur: [°C]
90 MnCrV 8 229 790 ... 820
100 Cr 6 223 790 ..
. 820
115 CrV 3 223 760 ... 810
Ý Legierte Kaltarbeitsstähle
2. Formbild:
Darunter versteht man alle Teile der Form, die an der direkten Formgebung des Artikels beteiligt sind.
Artikelhohlräume bildet der Kern. Die Außenform wird vom Formhohlraum und zwar von der Formgravur und dem Formnest gebildet. Die Außenmaße am Produkt bilden gleichzeitig immer die Innenmaße des Formbildes (=Negativform).
Man unterscheidet folgende Formen:
a) Einfachform:
Pro Zyklus wird ein Produkt erzeugt. Die Anwendung beschränkt sich auf kleine Stück-zahlen sowie schwierige Präzisionsartikel oder große Produkte.
b) Mehrfachform:
Pro Zyklus werden mindestens zwei gleiche Produkte erzeugt.
c) Gruppenform:
Pro Zyklus werden mindestens zwei verschiedene, jedoch materialgleiche Produkte erzeugt.
2.1 Schwindung: (Sm)
... ist der Maßunterschied zwischen der kalten Spritzgussform (ca.
20°C) und dem entformten und mindestens 24 Stunden auf Normaltemperatur (20°C) gehaltenen Spritzgussteil. Der aus der Spritzgussform entnommene Artikel weißt in jedem Fall und an allen Stellen kleinere Maße auf als das zugehörige Formbild.
Man unterscheidet Schwindung und Nachschwindung.
2.2 Ausführung des Formhohlraumes:
Der Hohlraum kann, wie bei der Homogenausführung, aus dem Vollen herausgearbeitet sein, oder wie bei der Verbundausführung aus Einzelteilen bestehen, bzw. als Komplett-formeinsatz in die Formplatte (oder Einsätzträgerplatte) eingesetzt werden.
a) Homogenausführung: (siehe Bild 5a)
Wird für glatte, unkomplizierte Hohlräume, die ohne Schwierigkeiten spanabhebend hergestellt werden können, angewendet.
b) Verbundausführung: (siehe Bild 5b)
Es wird zwischen Teilverbund- und Vollverbundausführung unterschieden.
Wenn der Hohlraum prinzipiell als Ganzes gefertigt ist und nur schwierig zu fertigende Teile, oder hohem Verschleiß ausgesetzte Teile, eingesetzt werden, wird diese Ausführung als Teileverbund bezeichnet.
Ist der Hohlraum komplett aus Einzelteilen gefertigt, so spricht man von Vollverbund-ausführung.
Vorteile dieser Formen sind:
Einfache Herstellung der Einzelteile.
Bessere Beherrschung des Härteverzuges, da die Teile kleiner und einfacher geformt sind.
Im Bedarfsfall können scharfe Kanten erzielt werden.
Die Fugen zwischen den Einzelteilen können zur Entlüftung dienen.
Rasche und billige Reperaturen.
Änderungen können meist problemloser durchgeführt werden.
Einsatz von verschiedenen, den jeweiligen Erfordernissen entsprechenden Werk-stoffen.
c) Komplettformeinsatz: (siehe Bild 6)
Wird insbesondere bei Mehrfachformen für kleinere Produkte eingesetzt.
Hier kann wieder in Homogen- und Verbundausführung unterschieden werden.
Die Wirtschaftlichkeit dieses Einsatzes liegt in der Austauschbarkeit der gesamten Einsatzgarnitur gegen Einsätze für andere Artikel.
2.3 Mindestwandstärke für Formplatten: (siehe Bild 7)
Die in das Formbild einströmende Spritzgussmasse bewirkt eine Stauchung des Kernes und eine Aufweitung der Formplatte. Bei der Formplatte kann das Auffedern durch entsprechende Randstärken um den Formhohlraum stark reduziert werden, da das Aufweiten mit der dritten Potenz der Wandstärkenzunahme abnimmt.
Somit ergibt die Verdoppelung der Wandstärke nur mehr 1/8 der ursprünglichen Auffederung.
Nach abklingen des Nachdruckes, sowie Abkühlung und Schrumpfung des Artikels geht auch die Aufweitung des Formhohlraumes zurück.
2.4 Formkern:
Der Formkern befindet sich fast immer auf der ausstoßerseitigen Formhälfte. Wenn von der Artikelform verlangt, werden Kerne auch in der spritzseitigen Formhälfte angebracht.
2.5 Werkstoffe für das Formbild:
Anforderungen an den Werkstoff:
Hohe Verschleißfestigkeit
Ausreichende Druckfestigkeit (hohe Werkzeugschließkräfte)
Hohe Wärmeleitfähigkeit (rasche Wärmeabfuhr)
Hoher Reinigungsgrad (häufig erforderliche Hochglanzpolitur Þ porenfrei)
Stähle:
Einsatzstähle
Nitrierstähle
Korrosionsbeständige Stähle
Durchhärtende Stähle
2.
Artikelentformung:
Ist der Artikel genügend abgekühlt und somit erstarrt, setzt der Entformungsvorgang ein. Der Entformungsvorgang wird in zwei Phasen eingeteilt.
Zuerst wird der Artikel so weit freigestellt (Freistellungsvorgang) (siehe Bild 8), dass in der nachfolgenden Operation das Produkt ohne Schwierigkeiten ausgestoßen (Ausstoß-vorgang) werden kann.
Die einfachste Form des Ausstoßvorgangs wird durch das Auflaufen des Ausstoßersystems, während des Öffnungsvorganges, auf einen einstellbaren Anschlag, erreicht.
1. Entformungskraft: (siehe Bild 9)
Darunter versteht man jenen Widerstand, den der auf Entformungstemperatur abgekühlte und somit auf den Formkern aufgeschrumpfte Artikel dem Ausstoßen entgegensetzt.
Die Entformungskraft steigt mit:
Großer Schwindung des Spritzgussmaterials
Hohem Spritz- & Nachdruck sowie langer Nachdruckzeit
Rauher Kernoberfläche
Großer Artikelwandstärke
2. Arten der Ausstoßersysteme:
Je nach Gestalt des Artikels stehen folgende Ausstoßersysteme zur Wahl:
Ausstoßerform
Abstreifform
Abblasform
Verbundauswerferform
Dreiplattenform
Mehretagenauswerferform
a) Austoßerform:
Hierunter versteht man das Ausstoßen mit:
Ausstoßerstiften
Flachausstoßer
Ausstoßerhülse
Tellerausstoßer
Ausstoßen mit Ausstoßerstiften: (siehe Bild 10)
Die Ausstoßerstifte befinden sich in der Ausstoßeraufnahmeplatte. Durch die Öffnungsbewegung des Werkzeuges treffen die Ausstoßerstifte auf die Formober-fläche auf und heben die Form ab. Die Rückstellung erfolgt über Rückholfedern.
Anwendung für becher- und schachtelartige Formen.
b) Abstreifform: (siehe Bild 11)
Hier wird die Form durch eine Abstreiferplatte über den Kern abgestreift.
Die Anwendung beschränkt sich auf tiefe becher- und schachtelartige und einfache Produkte. Die Abstreiferplatte muss materialdicht um den Kern eingepasst werden, daher ist diese Ausführung bei komplizierten Kernformen teuer. Die Abstreiferform tritt meist in Kombination mit der Ausstoßerform als Verbundauswerferform auf.
c) Abblasform: (siehe Bild 12)
Anwendung für einfach geformte tellerartige Massenprodukte.
Beim Preßluftauswerfer hebt die einströmende Pressluft das Ventil und entformt das Produkt.
d) Verbundauswerferform: (siehe Bild 13)
Für Produkte, bei denen ein sicheres Ausstoßen nur durch Kombination zweier oder mehrerer Einzelsysteme zum gewünschten Ergebnis führt.
Þ komplizierte Teile
e) Mehretagenauswerferform: (siehe Bild 14)
Beim Mehretagenauswerfer wird das System in zwei oder mehrere Einzelbewegungen zerlegt. In Bild 14 sieht man eine Kombination von Abstreif- und Ausstoßform in Doppeletagenausführung.
Phase 1 zeigt das Werkzeug nach dem Freistellungsvorgang.
In Phase 2 läuft der Ausstoßerbolzen am Maschinenanschlag auf und bewegt die Abstreifplatte und, über die Mitnahmefeder, das Ausstoßerpaket in Ausstoßrichtung.
Um nun ein hängen bleiben des Teils und somit eine Störung des vollautomatischen Zyklus zu verhindern, führt die Abstreifplatte in Phase 3 eine zusätzliche Bewegung in Ausstoßrichtung aus.
f) Dreiplattenform: (siehe Bild 15)
Die Dreiplattenform wird für die Freistellung und Entformung des Angußystems genutzt.
Die Entformung erfolgt in drei Ebenen.
In der ersten Ebene wird das Angußystem vom Artikel entfernt.
In der zweiten Ebene wird das Angußystem vom Angußzieher entfernt.
In der dritten Ebene erfolgt die Artikelfreistellung durch die inzwischen statt-gefundene Entriegelung der Klinke über die Kurvenleiste. Nun kann der Ausstoß-vorgang erfolgen.
3.
Angußysteme:
Die Kunststoffmasse wird durch ein in der Spritzgussform eingearbeitetes Angußystem (Kanalsystem) dem Formhohlraum (Formnest & Gravur) zugeführt.
Nach dem Zustand der Spritzgussmasse im Angußystem unterscheidet man Kalt-, Isolier- und Heißkanalausführung. Im Gegensatz zum Heiß- bzw. Isolierkanalsystem, erstarrt im Kaltkanal, nach dem Spritzvorgang, die gesamte im System befindliche Masse und muss anschließend ausgestoßen werden. Dieses sogenannte Regenerat, kann entsprechend auf-bereitet, für weniger hochwertige Artikel verwendet werden.
Konstruktionsvorschriften für alle Angußysteme:
Um Druck & Wärmeverluste der Schmelze gering zu halten, sollen die Angußwege möglichst kurz sein.
Die Kanalquerschnitte müssen so stark gewählt werden, dass die im Kanalzentrum befindliche Masse nach erfolgtem Einspritzvorgang so lange plastisch bleibt (plastische Seele), dass die Volumsschwindung des erstarrenden Artikels im Rahmen einer Nachdruckoperation durch Massezuführung zum Teil ausgeglichen werden kann.
Die Kanalquerschnitte sollen möglichst rund sein, um Wärme- und Druckverluste gering zu halten.
Da die Angußtelle (Anschnitt) am Produkt immer sichtbar bleibt, ist sie an Stellen anzubringen, wo dies nicht stört.
Der Massestrahl soll unmittelbar nach Eintritt in das Formnest gegen ein Hindernis (Wand, Kern, usw.) stoßen und von hier aus die Formhöhlung gleichmäßig fortschreitend füllen. Ist dies nicht der Fall sind Eigenspannungen und eine Qualitätsminderung bezüglich Festigkeit und Oberflächenbeschaffenheit die Folge.
Bei Mehrfachformen sollen die Strömungswege zu den einzelnen Formnestern für gleiche Produkte gleich lang sein. Ist dies nicht möglich, so müssen die Kanalquer-schnitte so angepasst werden, dass jedes Formnest gleichzeitig gefüllt wird.
Sind durch die Anspritzlage Bindenähte am Produkt unvermeidlich, so stellen diese immer Schwachstellen dar. Durch Verlegung der Angußtelle kann die Bindenaht an eine Stelle platziert werden, wo sie nicht stört.
1. Bezeichnungen am Angußsystem:
Bestandteile des Angußsytems für Mehrfachformen: (siehe Bild 16)
Angußkegel (Angußzapfen, Angußstange)
Angußkanal (Verteilerkanal, Renner)
Hauptkanal (Hauptverteiler)
Nebenkanal (Nebenverteiler)
Querschnitt ca.
2/3 bis 3/4 vom Hauptkanal
Anschnitt
Bei Einfachformen besteht das System oft nur aus dem Angußkegel oder beschränkt sich auf die folgenden Varianten des Punktangußes.
2. Direkte Angußtechniken:
Hierbei wird die Spritzgießmasse ohne Umlenkung, dh. ohne Angußkanäle, in die Form eingebracht.
Je nach Gestalt des Artikels stehen folgende Angußtechniken zur Wahl:
Kegel- oder Stangenanguß für Kaltkanalsysteme
Vorkammer Punktanguß für Isolierkanalsysteme
Angußloses Anspritzen für Heißkanalsysteme
a) Kegel- oder Stangenanguß: (siehe Bild 17)
Zur Herstellung dickwandiger, becher- & schachtelartigen Produkten (z.B.
Gehäuse).
Ein wesentlicher Vorteil dieser Angußart ist die unproblematische Formfüllung, da die Masse auf kurzem Weg und ohne erheblichen Druck- und Wärmeverlust in das Formnest gelangt.
Nachteilig wirken sich jedoch die zeitaufwendige Trennung des Angußes vom Produkt und die deutlich sichtbare Anschnittstelle aus.
Der Anschnitt soll nach Möglichkeit an der größten Artikelwandstärke liegen, damit die Anschnittstelle zuletzt versiegelt der Nachdruck voll ausgenützt werden kann.
b) Vorkammer Punktanguß:
Dient zur Erzeugung becherartiger Massenprodukte (z.B.
Tuben, Verschlüsse) bis 2,5 mm Wandstärke, bei denen das Angußzäpfchen nicht stört. Um die Verteilung der Spritzgussmasse im Formraum zu verbessern und ein Einreißen des Spritzlings beim Entformen zu unterbinden, hat sich eine linsenartige Vertiefung gegenüber der Angußstelle bewährt, die ebenso im Produkt sichtbar ist (siehe Bild 18a).
Der Vorkammer Punktanguß zeichnet eine besondere Wirtschaftlichkeit aus, da weder der Anguß entfernt werden muss, noch ein Angußabfall entsteht.
Die Vorkammer muss so groß gewählt werden und die Schussfolge so rasch erfolgen (mindestens 3 Schuss/Minute), dass der ganze Vorkammerinhalt so lange plastisch bleibt (plastische Seele), dass das neue Material nachgedrückt werden kann. Ist dies durch zu geringe Schusszahl (z.B.
bei großen Wandstärken) nicht möglich, so friert der Vorkammerinhalt ein.
Abhilfe schafft hier eine beheizte Kupferdüsenspitze, die vom Plastifizierzylinder beheizt wird (siehe Bild 18b). Wenn beim Entformen des Spritzlings Probleme auftreten (z.B. Fadenziehen), ist der Einbau einer gefederten Angußbuchse zweckmäßig (siehe Bild 18c).
Um die Wärmeübertragung auf das kühlere Werkzeug gering zu halten, sollten möglichst wenig Berührungsflächen zwischen der Vorkammerbuchse und dem übrigen Werkzeug sein (siehe Bild 18a,c).
c) Angußloses Spritzen:
Die Maschinendüse (siehe Bild 19a) wird unmittelbar bis zum Spritzling herange-bracht, wobei die Stirnseite der Düse den Werkzeughohlraum abschließt. Der Spritzling erhält in diesem Bereich eine matte und wellige Oberfläche. Daher sollte die Düse so klein wie möglich gemacht werden (Æ 6 bis 12 mm)
Dieses Verfahren eignet sich nur für dünnwandige Produkte mit rascher Zyklusfolge (mindestens 4 Schuss/Minute), weil bei längerem Verweilen der heißen Düse thermische Schäden am Produkt im Düsenbereich auftreten.
Als Weiterentwicklung zählt, die direkt mit dem Werkzeug verbundene, Heißkanal-düse. Diese Bauform kann sehr leicht den jeweiligen Bedürfnissen angepasst werden, da sie eine eigene Beheizung und Regeleinrichtung aufweist (siehe Bild 19b).
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