Für die Herstellung von 384-Well-Plate-Modulen für den Laboreinsatz entwickelten wir ein hochspezialisiertes Zweikomponenten-Spritzgusswerkzeug. Vorab wurden zusätzlich Metallpins bei jedem Zyklus in das Werkzeug eingelegt, die daraufhin mit einem transparenten Kunststoff umspritzt wurden. Parallel wurde in der zweiten Station im Werkzeug die leitfähige Komponente eingespritzt und dabei die Metallpins umschlossen.
Vollautomatisiertes 2K-Werkzeug für 384-Well-Plate-Module mit Pins
Komplexe Baugruppenstruktur: 384 Reaktionsgefäße mit Einzelansteuerung
Die Zielvorgabe des Kunden war die Fertigung einer Baugruppe mit insgesamt 384 Reaktionsgefäßen, die einzeln mit Strom gepulst und angesteuert werden können. In der Baugruppe sollten jeweils 24 einzelne Streifen mit 16 Reaktionsgefäßen und 17 Metallstiften je Streifen eingelegt und in einem Kunststoffrahmen befestigt sein. Die Streifen bestanden aus zwei Kunststoffen – einer transparenten und einer elektrisch leitfähigen Komponente – die direkt mit dem Metallstift verbunden war. Diese Baugruppe sollte schließlich mit einem durchsichtigen Kunststoffcover komplett abgedeckt und in einem Tiefzieh-Tray mit einer Tyvek-Folie verschlossen zum Sterilisieren versendet werden.
Von der Teilautomatisierung zur integrierten Fertigungszelle
Die erste Anfrage dieses Kunden aus der Medizin/Forschung wurde ca. 2012 gestellt; es handelte sich um ein 2K-Werkzeug, in das die Stifte mithilfe einer Vorrichtung von zwei Mitarbeitern eingelegt werden sollten. Diese Stifte wurden zunächst auf der Vorspritzlingstation im Werkzeug mit einem transparenten Kunststoff und auf der anderen Station (Fertigspritzling) im 2K-Werkzeug mit einem schwarzen leitfähigen Kunststoff umspritzt. Mit einem weiteren Werkzeug wurde ein Rahmen gespritzt und die Teile später assembliert sowie ultraschallverschweißt und in einem Blister mit einer Tyvek-Folie versehen.
Aufgrund der beim Projektstart zunächst geringen Stückzahlen bestand unser Ansatz darin, den Prozess nur teilautomatisiert mit manuellen Zwischenschritten zu planen. Letztendlich beinhaltete das Projekt drei Werkzeuge, um auch die anschließende Montage nach dem 2K-Spritzguss abbilden zu können.
Als die Stückzahlen stiegen, geriet die manuelle Bestückung der Pins an ihre wirtschaftlichen Grenzen. Vor ca. zwei Jahren entwickelten wir deshalb ein vollautomatisiertes 2K-Werkzeug, das alle verschiedenen Spritzgussschritte sowie das automatisierte Einlegen der Pins und die weiteren Montageschritte mithilfe einer vollautomatisierten Fertigungszelle vereinte.
Feinabstimmung Werkzeugbau/Spritzguss
Bei dieser Art von Werkzeugen sprechen wir eigentlich von einem Drei-Komponenten-Werkzeug, auch wenn nur zwei Kunststoffe eingespritzt werden. Das präzise Einlegen der Metallpins gilt als dritte Komponente. Es ist nicht trivial, die Pins so akkurat auszurichten, dass der Kunststoff passgenau drumherum gespritzt werden kann. Zudem erfordert die zweite Kunststoffkomponente ein abgestimmtes Zusammenspiel von Schwindung, Abdichtung, Temperaturmanagement und Einspritzdruck, sodass der eigentliche Spritzgussprozess maßgeblichen Einfluss auf die Auslegung des Werkzeugs hatte, um schließlich die vom Kunden geforderte Spezifikation hinsichtlich Geometrie, Maßhaltigkeit, Oberflächengüte und elektrischer Leitfähigkeit zu erreichen.
Den Gesamtprozess im Blick
Mehrkomponenten-Werkzeuge in der Spritzgussmaschine zu implementieren, erfordert Fingerspitzengefühl und den Blick für den gesamten Prozess. Wenn die zweite Komponente gespritzt wird, darf die erste nicht aus den Augen verloren werden, ebenso wenig die Zuführung der Metallstifte. Je mehr Komponenten zu beachten sind, desto komplexer ist der Anlauf des Prozesses, bis die Linie einwandfrei läuft.
Effizienzsteigerung und optimierte Anwendungsqualität
Die Geometrien und Parameter der Einzelteile müssen auch hinsichtlich der Spezifikation des Gesamtprodukts überprüft werden. Möglicherweise können Teile, die für sich genommen innerhalb der Toleranz liegen, im Gesamtprodukt Schwierigkeiten bereiten (leichte Durchbiegung der montierten Baugruppe (Platten), die noch in der Toleranz lag, bereitete so z. B. Probleme bei der Pipettierung des Device beim Kunden durch einen Roboter und wurde angepasst). Durch den vollautomatisierten Prozess konnten die Taktzeiten der einzelnen Schritte verbessert werden sowie vorher auftretende Schwankungen der Taktzeiten eliminiert werden. Zudem kann mit der vollautomatisierten Fertigungszelle ohne Unterbrechungen für Pausen bis auf notwendige Wartungen durchgängig produziert werden. Letztendlich wurde die Zykluszeit für diesen Prozess um ca. 20 % reduziert und die Qualität der Bauteile durch den automatisierten Prozess verbessert.