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Mehr-Kavitäten Nadelverschluss-Anschnitte

Eine wachsende Anzahl von Spritzgießern fordert ein Produktionsvolumen von mehreren hundert Millionen Teilen aus einem Mehrkavitäten-Werkzeug. Kleine Kunststoffteile, die in sehr großen Stückzahlen gefertigt werden, findet man üblicherweise im medizinischen Bereich, als Verpackungsteile oder in der Präzisionselektronik. Die Teile werden in einer Zykluszeit unter 10s und extrem kleinen Schussgewichten unter einem Gramm gefertigt. Mehrfach Kavitäten-Anwendungen in einer 24/7 Produktion benötigen ein extrem zuverlässiges Nadelverschluss-Heißkanalsystem.





Schnellere Zykluszeit
Für die Jahresausbringung von 400 Millionen Kolben für Insulin-Einmalspritzen mit einem Teilegewicht von 0,7 g soll bei einem Nutzungsgrad von 90 % eine Zykluszeit von acht Sekunden erreicht werden. Zum Einsatz kommt dabei ein 128-Kavitätenwerkzeug. Der Direktanguss mit Heißkanal steht außer Frage, da mit dem Nadelverschluss ein sauberer Anschnitt am Formteil gewährt wird, der besonders bei medizinischen Teilen gefragt ist. Zusätzlich fährt ein Nadelverschluss-Vielkavitäten-Werkzeug die Produktion schneller innerhalb weniger Zyklen und ohne Ausschuss an.


Bessere Kontrolle
Der Nadelverschluss-Anschnitt ermöglicht gegenüber dem thermischen Punktanschnitt eine konstante Funktion aller Kavitäten. Auch schwankende Prozessparameter oder geringe Viskositätsschwankungen der Schmelze lassen den Nadelverschluss weniger empfindlich reagieren, als der offene thermische Hot-Tip-Anguss oder auch Punktanguss. Damit erweitert der Nadelverschluss das Verarbeitungsprozessfenster. Dies ist bei einem 128-fach Werkzeug für Kleinteile von besonderer Bedeutung. Die gleichmäßige Schmelzeverteilung vom Spritzaggregat durch die Verteiler-Schmelzebohrungen und die Nadelschlussdüsen in 128 Kavitäten bei einer Einspritzzeit von Sekundenbruchteilen stellt für Mikroteile besondere Herausforderungen dar. Im Fallbespiel sind es nur 90g Schmelze, die sich durch den Schmelzepfad des Heißkanals auf 128 Anschnitte verteilen. Die Verschlussnadeln der Anschnitte müssen zeitgleich Öffnen und Schließen. Der Fülldruck und die Schergeschwindigkeit müssen balanciert sein. Des Weiteren muss eine homogene Schmelzetemperatur vorliegen, um qualitativ gleichwertige Teile zu erhalten. Dies sind Anforderungen an die Prozessführung des Heißkanalwerkzeugs. Darüber hinaus spielt die Standzeit des Nadelverschlusses eine Rolle. Scheinbar geringfügige Verbesserungen der Heißkanaltechnik haben hierauf großen Einfluss.


Beste Anschnitt-Resultate
So wird beispielsweise heute eine zylindrische Nadelabdichtung des Anschnittes gegenüber einem konisch angeschliffenen Nadelende bevorzugt. Dadurch wird Millionen von Zyklen kein mechanischer Stress in der Umgebung der Anschnittöffnung eingeleitet. Das in der Vergangenheit gebräuchliche konische Abdichten der Anschnittöffnung mit der Verschlussnadel kann, bedingt durch axiale Wärmedehnung der Nadel oder bei zu großer Schließkrafteinwirkung, zur Rissbildung des Anschnittbereichs führen. Der Anschnitt zentriert deshalb bereits im Düsenende die zylindrische Verschlussnadel vor. Diese taucht dann beim weiteren Schließen präzise mit einem Ringspalt von nur wenigen Mikrometern in die Anschnittbohrung ein. Nicht nur die mechanische Belastung des Anschnittes wird damit vermieden, sondern wird gleichzeitig ein definierter Wärmeaustausch zwischen der Anschnittkühlung und der Nadelstirnfläche während der Kühlzeit gewährt: Das Nadelende darf beim Entformen des Teils nicht über der Schmelztemperatur des Kunststoffs liegen, damit die Anschnittmarkierung eine gute Oberfläche bildet. Selbst kleinste Nadelverschluss-Anschnittdurchmesser von nur 0,7 mm erhalten dadurch die geforderte hohe Standzeit und Güte.


Rheo-Pro® N04 Heißkanaldüsen für Kleinteile





Geringer Düsen- und Kavitätenabstand
Kleinkavitäten erfordern eine besondere Kompaktbauweise der Düsen, da der Einbauraum im Vielkavitäten-Werkzeug extrem begrenzt ist. Weder die Strukturstärke der Werkzeugplatten noch eine möglichst ausgeglichene Werkzeugkühlung sollen von den 128 Düsen beeinträchtigt werden, die bei einem Nestabstand von nur 18 mm die heiße Schmelze durch die Werkzeugplatten und Auswerferplatten führen. Besonders anspruchsvoll wird die Schmelzeführung dann, wenn eine zusätzliche Forderung nach langen und schlanken Nadelverschlussdüsen besteht. Beim angegebenen Werkzeugbeispiel beträgt die Düsenlänge wegen der zusätzlichen düsenseitigen Auswerferplatten 178 mm. Die Teile werden von beiden Seiten der Werkzeughälften aktiv mittels Auswerfer entformt, da unter keinen Umständen ein Formteil in einer der 128 Kavitäten verbleiben kann. Das bedeutet extrem lange und schlanke Düsen müssen zusätzlich einen Auswerferraum überbrücken. In anderen Worten: Die Auswerferplatten im Beispiel sind mit 128 Bohrungen durchbrochen. Die Rheo-Pro Düsen N04VFT1 mit einer Plattenbohrung von 17 mm wurden mit einem Schmelzekanaldurchmesser von 5 mm versehen und sind mit einer Verschlussnadel von 2,5 mm bestückt. Diese schlanke Bauweise setzt Forderungen an die dynamische Wechseldruckbelastung des Düsenkörpers und die Temperaturkontrolle der Düsenheizung.





Konstante Schmelzeviskosität

Beachtung fand die Leistungsprofilierung der 200-Watt-Düsenheizung, denn lange, schlanke Kompaktdüsen sind besonders anspruchsvoll in Bezug auf eine präzise und homogene Temperaturverteilung über die Gesamtlänge des Düsenkörpers. Bei Kleinteilen verweilen meist mehrere

 

 

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iVG™ innenliegender Nadelverschluss
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Vorteile

  Schnellere Zykluszeit, Erhöhung der Produktivität  
  Besserer Teilequalität  
  Größere Prozesskontrolle  
  Ideal für automatisierte Fertigungen und Produktionen in hohen Stückzahlen  
  Erhöhte Leistung und Zuverlässigkeit  
       



Schussvolumen der Schmelze im inneren Düsenringkanal. Die Düsentemperatur muss die Schmelzeviskosität exakt in Balance mit allen anderen Kavitäten halten, damit ohne Ausnahme die 128 Teile gleich ausfallen. Deshalb ist die 230VAC-Präzisions-Düsenheizung in ein Wärmeleitrohr eingebettet, das den Düsenschaft umgibt und damit eine radiale, aber auch axiale Wärmeströmung begünstigt. Die 1-mm-Fe/CuNi-Thermofühler sind mit den Heizungen wechselbar frontseitig installiert. Dagegen sind Düsen mit permanent integrierter Heizung und schwer zugänglicher Verdrahtung im Hochkavitäten-Werkzeug zu vermeiden. Es empfiehlt sich, die Verdrahtung düsenfrontseitig leicht zugänglich auszulegen. Optimale Wartungsfreundlichkeit ist beim Vielkavitäten-Spritzguss wichtig, allein schon wegen der Reinigung kleiner Anschnittöffnungen. Im Wartungsfall oder beim Wechsel einer Heizung wird die Verschraubung der Kavitätenplatte von der Trennebene aus gelöst und die Kavitätenplatte auf die gegenüberliegende Auswerferseite gezogen. Dabei muss das Werkzeug nicht von der Maschine genommen werden.  




Der neue Rheo-Pro® VA4010 Black Box™ Nadelverschlusszylinder





Rheo-Pro® Nadelverschluss-Zylinder

Einem ähnlichen Wartungsprinzip unterliegen die Nadelverschlusszylinder: Beim Abheben der Werkzeugaufspannplatte sind alle sofort zugänglich. Im Anwendungsbeispiel betätigen 32 verteilermontierte Luftzylinder je eine Gruppe von vier Verschlussnadeln. Der enge Nest- abstand von 18 mm ermöglicht diese Gruppenschaltung. Die Luftversorgung der Zylinder erfolgt über Tieflochbohrungen in der Werzeugaufspannplatte. Die Schaltgenauigkeit pneumatischer Nadelverschlussanschnitte liegt im Bereich von Millisekunden und erzielt unter den Formteilen die geforderte Maßhaltigkeit sowie Gewichtstoleranz und –konstanz innerhalb weniger Milligramm.


Die Wichtigkeit der Fließanalyse
Wichtig ist die rheologische Berechnung der Fließkanäle: Denn grundsätzlich sind alle Thermoplaste nur für eine definierte Zeitdauer mit der Verarbeitungstemperatur belastbar. Besonders die weitverzweigten Schmelzebohrungen eines Vielfachverteilers für Kleinteile verlangt eine exakte Berechnung der Masseverweilzeit. Idealerweise soll die Schmelze nur wenige Minuten benötigen, um den gesamten Heißkanal zu durchströmen, damit die Eigenschaften des Materials erhalten bleiben. Die Schmelzeverweilzeit, der Druckabfall und die Scherbeanspruchung im Verteiler und in den Nadelverschlussdüsen finden bei der Fließanalyse Beachtung. Die Kanalgeometrie wird im Vorfeld des Projekts im Detail modelliert und an das Formteil angebunden. Anschließend wird unter realen Verarbeitungsparametern mit den entsprechenden Eigenschaften oder den rheologischen Materialdaten eine Prozess-Simulation erstellt. Diese Ergebnisse bilden die Basis der Verteilerkonstruktion.






Im Beispiel beträgt das Gesamt-Schussgewicht 89,6 Gramm (128 x 0,7), das modellierte Verteilerkanalvolumen 800 Gramm. Es dauert beim Acht-Sekunden-Zyklus theoretisch etwa neun Zyklen bis die Schmelze den Heißkanal passiert hat. Daraus resultiert eine Schmelzeverweilzeit von etwa 1,2 Minuten. So lassen sich auch thermisch empfindliche Thermoplaste oder Additive verarbeiten. Da es sich bei Kleinteilen um den zyklischen Transport von kleinen Schmelzemengen handelt, entsteht nur eine geringe Scherwärme. Obwohl im Beispiel etwa 60 % des Einspritzdrucks – knapp 420 bar – in Scherwärme umgesetzt wird, beträgt der Temperaturanstieg in der Schmelze nur 3 °C. Dies verursacht keine merklichen Viskositätsänderungen, die Kanalquerschnitte werden deshalb zu Gunsten einer verbesserten Masseverweilzeit klein gehalten. Eine gleichmäßige Masseströmung entlang des Schmelzepfads wird erhalten, indem nach jeder Kanalaufzweigung der nachfolgende Strömungsquerschnitt entsprechend reduziert wird. In besonderen Fällen wird über die Wahl des Verteilerstahls und dessen Vergütung, das Wandhaftungsverhalten des zu verarbeitenden Kunststoffs verbessert. So begünstigt zum Beispiel ein hoher Chromgehalt das Fließverhalten von Polycarbonat.




iVG™ innenliegender Nadelverschluss
Das Rheo-Pro® iVG ist ein Nadelverschluss-System mit innenliegender Nadelbetätigung, daher besitzt es keinen externen Betätigungszylinder, keine Dichtungen und keine Schmierstoffe.



 

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