D ifferent materials are combined into

Transkript

1 INJECTION MOULDING Better Performance for Two-Component Technology Mould Technology. Anew machine concept extends and simplifies the use of spin stack moulds. The linear arrangement of injection machine units and closing unit improves access to the mould and makes consistent automation concepts possible. By using spin stack technology, injection compression and two-component injection moulding are no longer a contradiction. DIETRICH HUNOLD BERND KLOTZ NORBERT HEYER D ifferent materials are combined into a component part in multi-component technology with several injection units. This procedure is characterised by great organisational freedom and reduces the cost of component part assembly. The area of application of multicomponent equipment is constantly being extended with new material combinations and new fields of application. A second injection unit is required in order to be able to process two different components in a single mould. How the additional injection machine unit is to be positioned is determined by the mould and the process concept. Therefore different arrangements of the injection units are used in practice. Variations in Multi-component Technology Translated from Kunststoffe 9/2003, pp In the vertical position the second injection machine unit is installed perpendicularly on the fixed mould half (Fig. 1). Injection moulding machines can be reequipped with this system for two-component technology. The clamping surface of the machine is not changed. The vertical arrangement makes it possible to inject in the parting line. A variant is the arrangement of the second injection unit over the regular injection unit. The two units thereby form an acute angle (Fig. 2). Machines in such a piggyback configuration are very compact. The closing unit is easily accessible with this arrangement. In the so-called L-position the additional injection unit is horizontally aligned opposite the service side (Fig. 3). With this constellation it is possible to inject into the mobile mould half. However, the closing unit of the machine is accessible only to a limited extent from the service side. Multi-component equipment requires special concepts also concerning the moulds. In practice different systems are used in order to process several components in an injection mould. For example mobile slides can free certain areas in the mould for the second component after the first injection moulding is finished. To do this it does not have to be moved. Alternatively a handling device can remove the first injection moulding from the cavity and position it in another cavity for the next injection process. However, because of shrinkage of the moulded part this technology is relatively complex. Index plate technology (Fig. 4) is a further mould alternative. The first injection moulding is positioned on a mould element that turns on a horizontal axle. The rotation brings the first injection moulding into the cavity for the second injection process. In contrast in so-called turnover technology (Fig. 5) the mobile mould half can rotate freely around a horizontal axis. The first injection moulding is brought into position for the following injection process by rotation through 180 or 120. Process Technology Limitations All the described mould systems have process engineering restrictions. Thus in multi-component equipment the situation frequently arises that a first injection moulding is connected to a seal by a small quantity of a second component, for example. In these cases the different injection forces occurring when injecting the components load the mould very unevenly. The machine must therefore be designed as if the larger injection force is applied in all cavities. This leads to over-dimensioning the machine for a relatively small throughput performance. Index plate moulds and turnover moulds have a further disadvantage: in principle they are not suitable for injection compression processes. Since they have only one separation plane it is not possible to inject into one cavity and emboss in the other one at the same time. It is common to all conventional multi-component systems that only 50 % finished units are produced per cycle compared with one component applications. In order to get around these restrictions, Krauss-Maffei Kunststofftechnik GmbH, Munich, has continued to develop multiple turnover technology so that its advantages can be transferred consistently to the multi-component range. In the closing unit two moulds are used arranged one behind the other. The core sides of the moulds are installed on a rotating central block, which is between the mould clamping plates. The two mould dies are fastened i Manufacturer Krauss-Maffei Kunststofftechnik GmbH Krauss-Maffei-Str. 2 D Munich Germany Phone +49 (0) 89/ Fax +49 (0) 89/ Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe plast europe 9/2003

2 INJECTION MOULDING to the mobile and/or to the firm clamping plate (Fig. 6). Hydraulic cylinders move the central block linearly in the horizontal direction while the closing unit is opened and closed. It can move independently of the mobile mould clamping plate so that two separation planes are formed. Equal Loading in the Spin Stack Mould When the closing unit is opened, the central block can additionally be turned around a vertical axle. The first injection mouldings in the mould halves installed on the rotary block are positioned in such a way that they are in the next cavity when the mould is closed. In this way component parts made of two different materials can be manufactured. This combination of stack mould technology and swivel plate has substantial process engineering advantages compared with the mould concepts used so far for multi-component equipment. In spin stack technology the cavities can be arranged symmetrically one behind the other in both separation planes. This prevents the machine from being unevenly loaded when injecting. Thus the closing force of the machine can be used optimally. Injection Compression Two-Component Parts in Spin Stack Technology Rotation plate moulds are not suitable for embossing processes, as already mentioned. In contrast, with the swivel plate machine the two separation planes can be opened and closed independently. Spin stack technology gives the option of injection compression two component parts and providing them with optically demanding surfaces. The advantages of stack mould technology can thus be combined with two component injection moulding. An important range of applications for injection compression moulded two component units is motor vehicle sliding parts. Sun roofs or side windows made of polycarbonate are already mass produced with spin stack technology. High Performance Mould Cooling A further advantage of spin stack technology is increased cooling capacity for the core sides of the mould. With turnover plate moulds the turnover distributor, through which the mould coolant is fed, may not exceed a certain size. With its vertical axle spin stack technology has the advantage that only the force of gravity on the mould acts perpendicularly on the turnover plate. Therefore higher medium throughputs can be realised in the sliding table. Thereby the cooling capacity that can be installed in the core side of the mould increases significantly. A processing plant can use this effect in order to achieve shorter cycle times and to increase the productivity of the machine. Also it is conceivable to install several cooling circuits and in this way to make different temperature ranges possible in the mould. Medium supply takes place exclusively from the mould lower surface. It is thus impossible for water to run into the cavities during mould change or due to leakage. In addition, mould change is substantially facilitated. In order to carry the turnover block and the spin stack moulds, the mould fitting space must be larger than with a standard injection moulding machine. The consistent two-platen technology in the machines made by Krauss-Maffei proves favourable in this case. The maximally attainable platen distance can be increased at relatively little expenditure with an extended machine bed and extended columns (Fig. 7). New Configuration of the Plastifying Units Two platen technology also makes a new arrangement of the plastifying units possible, which implies further process engineering advantages. Contrary to heretofore usual arrangements, in the turnover plate machine made by Krauss- Maffei (Fig. 8) the two injection units face each other along the central machine axis and form an 180 angle as it were. The second plastifying unit is firmly connected to the mobile mould clamping plate. The arrangement permits better space utilisation in the process because the linear machine design simplifies arranging the machines next to each other. Also integration in workshops is facilitated. Since the operator side is not blocked by the additional injection unit, there are no restrictions on automation with this configuration. In particular side entry systems can be used at the turnover plate machine without any problems. Simplified Mould Technology The turnover plate system also offers mould designers some advantages. With stack moulds, where injection is only on one side, the hot channel passes through several levels that are separated when opening the mould, for example. Also in many cases two component moulds need complicated distributors on two levels. These complications in the second separation plane do not arise with turnover plate technology because the melt is injected from both sides into the moulds. Mould designers can therefore transfer their know-how concerning hot channels in normal moulds to turnover plate moulds. In addition the simpler mould design using turnover plate technology can help to accommodate more cavities in a mould. The opposite arrangement of the injection machine units has further advantages compared with machines that supply multi-platen moulds using a single injection unit. The necessary high plastifying performance is shared by two injection units. The most favourable process parameters can be set for both sides independently. Multi-platen moulds, in which different parts are produced in different separation planes, can be realised much more simply in this way. Conclusion Spin stack technology creates freedom in process engineering that previously did not exist for two component injection moulding. Compared with multi-platen and turnover plate moulds this new machine concept with its simplified basic design has numerous advantages. The opposite arrangement of the plastifying units saves space and makes room for additional automation devices. Because of the possibility of injection compression, spin stack technology is suitable also for product groups in which high requirements are made on surface quality. Thus the technology is already used for mass production of car windows. This topic will be treated in detail soon in a further contribution. THE AUTHORS DR.-ING. DIETRICH HUNOLD, born in 1961, is group leader in product management of injection moulding machines at Krauss-Maffei Kunststofftechnik GmbH in Munich. DIPL.-ING. (FH) BERND KLOTZ, born in 1956, is manager of new application process technology for injection moulding machines at Krauss-Maffei. DIPL.-ING. NORBERT HEYER, born in 1968, works for Krauss-Maffei in application technology for injection moulding machines. Contact: info@krauss-maffei.de Kunststoffe plast europe 9/

3 INJECTION MOULDING Fig. 1. Two-component injection moulding machine KM /160 CZ with vertical injection unit Fig. 2. Second injection machine unit in piggyback position Fig. 3. Arrangement of the injection units in the L-position. The second injection machine unit is on the operator side Fig. 4. Index plate mould with index plate moved forward Fig turnover plate mould Fig. 6. Rotatable turnover plate with two mould halves Fig. 7. Principle sketch of multiple turnover technology Fig. 8. Turnover plate machine made by Krauss Maffei with two injection units on the central machine axis Fig. 9. Turnover plate machine KM / 1900 WP with a closing force of 6500 kn 22 Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe plast europe 9/2003

4 SPRITZGIESSEN Mehr Leistung in der 2K-Technik Werkzeugtechnik. Ein neues Maschinenkonzept erweitert und vereinfacht die Anwendung von Etagenwendewerkzeugen. Die lineare Anordnung von Spritzaggregaten und Schließeinheit verbessert die Zugänglichkeit zum Werkzeug und ermöglicht konsequente Automatisierungskonzepte. Mit der Etagenwendetechnik kann das 2K-Spritzgießen in derselben Maschine mit einem Prägeprozess kombiniert werden. DIETRICH HUNOLD BERND KLOTZ NORBERT HEYER B ei der Mehrkomponententechnik werden mit mehreren Spritzeinheiten unterschiedliche Materialien zu einem Bauteil verarbeitet. Dieses Verfahren ist mit einer großen Gestaltungsfreiheit verbunden und reduziert die Kosten der Bauteilmontage. Der Einsatzbereich der Mehrkomponententechnik wird durch neue Materialkombinationen und neue Anwendungsgebiete laufend erweitert. Um zwei verschiedene Materialkomponenten in einem Werkzeug verarbeiten zu können, bedarf es einer zweiten Spritzeinheit. Wie das zusätzliche Spritzaggregat angeordnet ist, geben das Werkzeug- und das Verfahrenskonzept vor. Daher kommen in der Praxis verschiedene Anordnungen der Spritzeinheiten zum Einsatz. Alle Fotos: Krauss-Maffei Varianten der Mehrkomponententechnik Bei der vertikalen Anordnung ist das zweite Spritzaggregat senkrecht auf der feststehenden Werkzeughälfte montiert (Bild 1). Spritzgießmaschinen lassen sich mit diesem System nachträglich für die 2K-Technik umrüsten. Die Auf- Bild 1. 2K-Spritzgießmaschine KM /160 CZ mit vertikaler Spritzeinheit 54 Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 9/2003

5 SPRITZGIESSEN stellfläche der Maschine wird dabei nicht verändert. Die vertikale Anordnung bietet die Möglichkeit, in der Trennebene einzuspritzen. Eine Variante ist die Anordnung der zweiten Spritzeinheit über der regulären Spritzeinheit. Die beiden Aggregate bilden dabei einen spitzen Winkel (Bild 2). Maschinen mit einer solchen als Huckepack- Stellung bezeichneten Konfiguration fallen sehr kompakt aus. Die Schließeinheit ist bei dieser Anordnung gut zugänglich. In der so genannten L-Stellung befindet sich die zusätzliche Spritzeinheit in horizontaler Ausrichtung auf der Bediengegenseite (Bild 3). Mit dieser Konstellation kann in die bewegliche Werkzeughälfte eingespritzt werden. Die Schließeinheit der Maschine ist von der Bediengegenseite allerdings nur eingeschränkt zugänglich. Auch bei den Werkzeugen erfordert die Mehrkomponententechnik spezielle Konzepte. In der Praxis werden verschiedene Systeme eingesetzt, um mehrere Komponenten in einem Spritzgießwerkzeug verarbeiten zu können. Beispielsweise können bewegliche Schieber bestimmte Bereiche im Spritzgießwerkzeug für die zweite Komponente freigeben, nachdem der Vorspritzling gefertigt worden ist. Dieser muss dabei nicht bewegt werden.alternativ kann ein Handlinggerät den Vorspritzling aus der Kavität entnehmen und für den nächsten Spritzvorgang in eine andere Kavität positionieren. Wegen der Formteilschwindung ist diese Technik allerdings relativ komplex. Eine weitere Werkzeug-Alternative stellt die Indexplattentechnik (Bild 4) dar. Der Vorspritzling befindet sich auf einem Werkzeugelement, das sich um eine horizontale Achse dreht. Die Drehung bringt den Vorspritzling in die Kavität für den zweiten Spritzvorgang. Im Gegensatz dazu ist bei der so genannten Drehtischtechnik die bewegliche Werkzeughälfte komplett um eine horizontale Achse drehbar (Bild 5). Durch Rotation um 180 oder 120 wird der Vorspritzling in die Position für den nachfolgenden Spritzvorgang gebracht. Verfahrenstechnische Einschränkungen Alle beschriebenen Werkzeugsysteme weisen verfahrenstechnische Einschränkungen auf. So tritt in der Mehrkomponententechnik häufig der Fall auf, dass ein Vorspritzling mit einer kleinen Menge einer zweiten Komponente, beispielsweise einer Dichtung, verbunden wird. Die unterschiedliche Auftriebskraft beim Einspritzen der Komponenten belastet in diesen Fällen das Werkzeug sehr ungleichmäßig. Die Maschine muss daher so ausgelegt werden, als ob in allen Kavitäten die größere Auftriebskraft wirkt. Dies führt dazu, dass die Maschine bei einer relativ geringen Durchsatzleistung überdimensioniert ist. Die Indexplatten- und die Drehtischwerkzeuge haben einen weiteren Nachteil: Sie sind grundsätzlich nicht für Prägeprozesse geeignet. Da sie nur eine Trennebene aufweisen, ist es nicht möglich, gleichzeitig in eine Kavität einzuspritzen und in der anderen zu prägen. Allen konventionellen Mehrkomponentensystemen ist gemeinsam, dass nur i Hersteller Krauss-Maffei Kunststofftechnik GmbH Krauss-Maffei-Str. 2 D München Tel. +49 (0) 89/ Fax +49 (0) 89/ V

6 SPRITZGIESSEN Bild 2. Zweites Spritzaggregat in Huckepack-Stellung 50 % Fertigteile pro Zyklus im Vergleich zu 1-Komponentenanwendungen produziert werden. Um diese Einschränkungen zu umgehen, hat die Krauss-Maffei Kunststofftechnik GmbH, München, die Etagenwendetechnik weiter entwickelt, so dass die Vorteile der Etagenwerkzeugtechnik konsequent in den Mehrkomponentenbereich übertragen werden. In der Schließeinheit kommen zwei hintereinander angeordnete Werkzeuge zum Einsatz. Die Kernseiten der Werkzeuge sind auf einem drehbaren Mittelblock montiert, der sich zwischen den Werkzeugaufspannplatten befindet. Die beiden Werkzeugmatrizen sind an der beweglichen bzw. an der festen Aufspannplatte befestigt (Bild 6). Hydraulikzylinder bewegen den Mittelblock auf Linearführungen in horizontaler Richtung, während die Schließeinheit geöffnet und geschlossen wird. Er kann sich unabhängig von der beweglichen Werkzeugaufspannplatte bewegen, so dass zwei Trennebenen entstehen. Gleichmäßige Krafteinleitung im Etagenwerkzeug Wenn die Schließeinheit geöffnet ist, kann der Mittelblock zusätzlich um eine vertikale Achse gedreht werden. Die Vorspritzlinge in den am Drehblock montierten Werkzeughälften werden dabei so positioniert, dass sie sich in der nächsten Kavität befinden, wenn das Werkzeug geschlossen wird. Auf diese Weise können Bauteile aus zwei unterschiedlichen Materialien gefertigt werden. Diese Kombination aus Etagenwerkzeugtechnik und Wendeplatte hat verglichen mit den bisher eingesetzten Werkzeugkonzepten für die Mehrkomponententechnik erhebliche verfahrenstechnische Vorteile. Bei der Etagenwendetechnik können die Kavitäten symmetrisch hintereinander in beiden Trennebenen angeordnet werden. Dies verhindert, dass die Maschine beim Einspritzen ungleichmäßig belastet wird. Die Schließkraft der Maschine kann so ideal ausgenutzt werden. 2K-Bauteile mit der Etagenwendetechnik prägen Drehtellerwerkzeuge eignen sich, wie bereits erläutert, nicht für Prägeprozesse. Bei der Wendeplattenmaschine können dagegen die beiden Trennebenen unabhängig voneinander geöffnet und geschlossen werden. Die Etagenwendetechnik eröffnet damit die Option, 2K-Bauteile zu prägen und mit optisch anspruchsvollen Oberflächen auszustatten. Die Vorteile der Etagentechnik lassen sich so mit dem 2K-Spritzgießen kombinieren. Ein wichtiger Anwendungsbereich für geprägte 2-Komponenten-Bauteile sind Kraftfahrzeug-Verscheibungen. Sonnendächer oder Seitenscheiben aus Polycarbonat werden mit der Etagenwendetechnik bereits in Serie gefertigt. Leistungsfähige Werkzeugkühlung Ein weiterer Vorteil der Etagenwendetechnik ist die Vergrößerung der Kühlleistung für die Kernseiten des Werkzeugs. Bei Drehtellerwerkzeugen darf der Drehverteiler, durch den die Werkzeugkühlung gespeist wird, eine bestimmte Größe nicht überschreiten. Die Etagenwendetechnik hat mit der vertikalen Achse den Vorteil, dass nur die Schwerkraft des Werkzeugs senkrecht auf die Wendeplatte wirkt. Daher können im Schiebetisch größere Mediendurchführungen realisiert werden. Die installierbare Kühlleistung in der Kernseite des Werkzeugs erhöht sich dadurch deutlich. Diesen Effekt kann ein Verarbeiter nutzen, um kürzere Zykluszeiten zu erreichen und die Produktivität der Ma- Bild 3. Anordnung der Spritzeinheiten in L-Stellung. Das zweite Spritzaggregat befindet sich auf der Bediengegenseite 56 Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 9/2003

7 SPRITZGIESSEN Bild 4. Indexplattenwerkzeug mit vorgefahrener Indexplatte Bild fach Drehtellerwerkzeug schine zu steigern. Auch ist es denkbar, mehrere Kühlkreisläufe zu installieren und auf diese Weise unterschiedliche Temperaturbereiche im Werkzeug zu ermöglichen. Die Medienzuführung erfolgt ausschließlich von der Werkzeugunterseite. Damit ist es ausgeschlossen, dass beim Formwechsel oder bei Leckagen Wasser in die Kavitäten läuft. Der Werkzeugwechsel wird überdies erheblich erleichtert. Um den Drehblock und die Etagenwerkzeuge aufzunehmen, muss der Werkzeugeinbauraum größer sein als bei einer Standard-Spritzgießmaschine. Die durchgängige Zweiplattentechnik der Maschinen von Krauss-Maffei erweist sich in diesem Fall als vorteilhaft: Durch ein verlängertes Maschinenbett und verlängerte Holme kann der maximal erreichbare Plattenabstand mit relativ wenig Aufwand vergrößert werden (Bild 7). Neue Anordnung der Plastifiziereinheiten Die Zweiplattentechnik ermöglicht auch eine neue Anordnung der Plastifiziereinheiten, die mit weiteren verfahrenstechnischen Vorteilen verknüpft ist. Im Gegensatz zu den bisher üblichen Anordnungen Bild 6. Drehbare Wendeplatte mit zwei Werkzeughälften stehen sich bei der Wendeplattenmaschine von Krauss-Maffei die beiden Spritzeinheiten in der Maschinenmittelachse gegenüber und bilden gewissermaßen einen 180 -Winkel (Bild 8). Die zweite Plastifiziereinheit ist fest mit der beweglichen Werkzeugaufspannplatte verbunden. Die Anordnung gestattet eine bessere Platzausnutzung in der Fertigung, denn der lineare Maschinengrundriss verein- V Kunststoffe 9/

8 SPRITZGIESSEN facht es, die Maschinen nebeneinander anzuordnen. Auch die Integration in Fertigungshallen wird erleichtert. Da die Bediengegenseite nicht durch die zusätzliche Spritzeinheit versperrt ist, gibt es bei dieser Anordnung keine Einschränkungen für die Automatisierung. Insbesondere Side-Entry-Systeme können an der Wendeplattenmaschine problemlos eingesetzt werden. Bild 7. Prinzipskizze der Etagenwendetechnik Bild 8. Wendeplattenmaschine von Krauss-Maffei mit zwei Spritzeinheiten in der Maschinenmittelachse Vereinfachte Werkzeugtechnik Prägens ist die Etagenwendetechnik auch für Produktgruppen geeignet, bei denen hohe Anforderungen an die Oberflächenqualität gestellt werden. So wird die Technik bereits für die Serienfertigung von Automobilverscheibungen eingesetzt. Dieses Thema wird in Kürze ausführlich in einem weiteren Beitrag behandelt werden. DIE AUTOREN DR.-ING. DIETRICH HUNOLD, geb. 1961, ist Gruppenleiter im Produktmanagement Spritzgießmaschinen der Krauss-Maffei Kunststofftechnik GmbH in München. DIPL.-ING. (FH) BERND KLOTZ, geb. 1956, ist Leiter Neue Verfahren Anwendungstechnik Spritzgießmaschinen bei Krauss-Maffei. DIPL.-ING. NORBERT HEYER, geb. 1968, ist bei Krauss-Maffei in der Anwendungstechnik Spritzgießmaschinen tätig. Kontakt: Bild 9. Wendeplattenmaschine KM /1900 WP mit einer Schließkraft von 6500 kn Das Wendeplattensystem eröffnet auch dem Werkzeugbauer einige Vorteile. Bei Etagenwerkzeugen, die nur von einer Seite angespritzt werden, führt beispielsweise der Heißkanal durch mehrere Ebenen, die beim Öffnen des Werkzeugs voneinander getrennt werden. Auch 2K-Werkzeuge benötigen in vielen Fällen einen komplizierten Verteiler in zwei Ebenen. Bei der Wendeplattentechnik treten diese Komplikationen in der zweiten Trennebene nicht auf, weil die Schmelze von beiden Seiten in die Werkzeuge eingespritzt wird. Werkzeugbauer können daher das Know-how von Heißkanälen aus gewöhnlichen Werkzeugen auf die Wendeplattenwerkzeuge übertragen. Der einfachere Werkzeugbau bei der Wendeplattentechnik kann außerdem bewirken, mehr Kavitäten in einem Werkzeug unterzubringen. Im Vergleich zu Maschinen, die Etagenwerkzeuge mit einer Spritzeinheit versorgen, hat die gegenüberliegende Anordnung der Spritzaggregate weitere Vorteile. Die erforderliche hohe Plastifizierleistung wird auf zwei Spritzeinheiten aufgeteilt. Auf beiden Seiten können unabhängig voneinander die günstigsten Prozessparameter eingestellt werden. Etagenfamilienwerkzeuge, in denen in den verschiedenen Trennebenen unterschiedliche Teile hergestellt werden, lassen sich auf diese Weise viel einfacher realisieren. Fazit Die Wendeplattentechnik eröffnet Freiheiten in der Verfahrenstechnik, die es bisher beim 2-Komponenten-Spritzgießen nicht gab. Im Vergleich zu Etagen- und Drehtellerwerkzeugen hat dieses neue Maschinenkonzept mit dem vereinfachten Grundriss zahlreiche Vorzüge. Die gegenüberliegende Anordnung der Plastifiziereinheiten ist Platz sparend und lässt Raum für zusätzliche Automatisierungsvorrichtungen. Durch die Möglichkeit des 58 Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 9/2003