Spritzgusswerkzeuge sind Beanspruchungen durch das eingesetzte Kunststoffgranulat ausgesetzt. Diese können beispielsweise chemisch aggressiv sein, abrasiv wirken und zu erhöhtem Verschleiß führen. Beim Spritzguss kommt es darauf an – insbesondere bei mehrkavitätigen Werkzeugen –, dass alle Einsätze einwandfrei geformt sind, um einheitliche, hochwertige Bauteile zu erhalten. Kleinste Abweichungen bzw. Fehlstellen in den Werkzeugeinsätzen können zu Ausschuss-Teilen führen. Wir prüfen unsere Werkzeuge im Rahmen von Wartungen kontinuierlich während des Spritzgussprozesses und beugen durch verschiedene Maßnahmen Verschleiß an den Werkzeugeinsätzen vor.
Kunststoffe und ihre Auswirkungen auf das Spritzgusswerkzeug
Einflüsse der Kunststoffe auf das Werkzeug
Massenkunststoffe wie PP oder PE sind in der Regel einfach zu verarbeiten und erfordern keine besonderen Maßnahmen im Werkzeugbau. Interessant wird es, wenn bestimme Füllstoffe für ein Produkt beigemischt werden, die Einfluss auf das Werkzeug haben können. Dann gilt es, die passenden Stahlsorten auszuwählen und zu entscheiden, welcher Härtegrad oder welche Beschichtungen für die Stahleinsätze im Werkzeug für die jeweilige Anwendung nötig sind. RKT ist in der Lage, beliebige thermoplastische Kunststoffe nach Kundenwunsch zu verarbeiten und entsprechende Werkzeugformen zu erstellen.
Potenzielle Herausforderungen an die Spritzgusswerkzeuge
Chemisch aggressiver Flammschutz: Manchen Kunststoffteilen ist ein Flammschutzmittel im Kunststoffgranulat zugesetzt, das sehr aggressiv ist und beim Einspritzvorgang den Stahl des Spritzgießwerkzeugs chemisch angreift, wodurch es zu einem stärkeren Verschleiß kommt. Flammschutz wird beispielsweise bei Elektrobauteilen verwendet, um ein mögliches Brennen der Bauteile zu erschweren.
Abrasive Füllstoffe: Kunststoffe mit zugesetzten Füll- oder Verstärkungsstoffen, wie Kohlefasern oder Glasfasern, Glaskugeln, Titandioxid, haben abrasive Eigenschaften. Diese Füllstoffe tragen dazu bei, dass der Stahl des Werkzeugs stärker verschleißt. Das permanente Fließen des Kunststoffs während des Füllvorgangs über die Oberfläche der Stahleinsätze im Werkzeug sorgt durch die hohen Geschwindigkeiten und Spritzdrücke insbesondere bedingt durch diese Füllstoffe für einen abrasiven Effekt. Kohle- und Glasfasern werden dann eingesetzt, wenn das Kunststoffbauteil mechanisch stärker beansprucht wird.
Zudem werden durch die Verwendung von Kohlestofffasern elektrisch leitende Eigenschaften bei Kunststoffteilen erreicht, die somit sogar als elektrische Leiter genutzt werden können.
Ablagerungen: Eine weitere Herausforderung sind Ablagerungen an den Oberflächen der Einsätze im Spritzgusswerkzeug, die durch Additive/Füllstoffe mancher Kunststoffsorten entstehen können. Dabei führen Ausgasungen, vorwiegend während des Einspritzprozesses, zu Ablagerungen, die dann aus dem Werkzeug entfernt werden müssen, da sonst z. B. ungewollte Markierungen auf der Oberfläche der Kunststoffteile entstehen. Gemindert werden kann dieser Effekt, indem Entlüftungsbahnen am Fließwegende in den Einsätzen – kleine Bahnen mit einer Tiefe von 5 bis 15 µm – eingebracht werden, um mögliche Ausgasungen abzuleiten.
Stahlarten für Spritzgusswerkzeuge, u.a. auf Basis der Eigenschaften der Kunststoffe
Je nach Kunststoffsorte und eventuellen Füllstoffen wird für jede Spritzgussform die passende Stahlart individuell festgelegt.
- Bei Formeinsätzen für die Fertigung von Massenkunststoffen, wie PP und PE, nutzen wir Werkzeugstähle wie 1.2343 ESR oder W403 VMR von Böhler. 2343 ESR ist ein leistungsstarker Werkzeugstahl, der eine hohe Zähigkeit bei höheren Temperaturen, Warmfestigkeit und eine gute Bearbeitbarkeit sowie Polierbarkeit aufweist. Der W403 VMR von Böhler ist ein Stahl mit ähnlichen Eigenschaften, der wegen seines besonderen Gefüges häufig bei sehr filigranen Anwendungen eingesetzt wird.
- Für die Formplatten eines Spritzgusswerkzeugs sind die Stahlsorten 2312, 1.2085 oder 1.2099 in vorvergütetem Zustand gut geeignet. Die Stahlsorten 1.2085 und 1.2099 verfügen zudem wegen ihres höheren Chromgehaltes über einen sehr guten Korrosionsschutz bei guter Formstabilität.
- Wenn die Kunststoffe anspruchsvoller sind, z. B. bei technischen Kunststoffen wie POM oder bei mit Füllstoffen ergänzten Kunststoffen (z. B. PA, PBT, PC, PPA, PEI, LCP), kommen z. B. die Stahlsorten M340, M333 oder M390 von Böhler sowie Stavax und Tyrax von Uddeholm für die Werkzeugformen zum Einsatz. Diese Stahlsorten zeichnen sich durch hohe Korrosionsbeständigkeit bei je nach Sorte unterschiedlicher Härte, Zähigkeit und Polierbarkeit aus und werden entsprechend den Anforderungen verwendet.
Kunststoffe in der Medizintechnik
Mit dem Fokus auf Medizintechnik und Life Science verarbeitet RKT vor allem nachfolgende Kunststoffe:
- COC/COP: häufig in der Medizintechnik eingesetzt, insbesondere in der Diagnostik, da sie hochtransparent sind, sehr geringe optische Anisotropien aufweisen und biokompatibel sind
- PP, PE und PS: kostengünstige, gut zu verarbeitende Kunststoffe, die für Massenprodukte wie Einwegartikel zum Einsatz kommen
- POM, PA und PPA: technische Thermoplaste, die bei Bauteilen mit hohen mechanischen Anforderungen Anwendung finden
- ABS, PC/ABS, Polyamide und PBT: schlagzähe Kunststoffe, die sich für Gehäuseteile eignen
- Technische Kunststoffe mit hohen Faseranteilen (Glasfaser oder Kohlenstofffaser) werden aufgrund ihrer Festigkeit genutzt, um Metallteile zu ersetzen
So vermeidet RKT werkstoffbedingte Schäden an Werkzeugen
Konstruktiv
Es gibt verschiedene Wege, die Werkzeuge vor abrasiven, chemisch aggressiven oder anderweitig beeinträchtigenden Kunststoffen zu schützen. Unter anderem kann konstruktiv zu starkem Werkzeugverschleiß vorgebeugt werden. Ein zentraler Aspekt ist die Größe und Art und Weise der Anbindung, d. h. die Geometrie des Anschnitts und die Stelle, wo das Bauteil angespritzt wird. Über ein kleines Loch wird hier die Schmelze eingebracht. Je nachdem, wie dieser Bereich gestaltet ist, lässt sich auf die unterschiedlichen Kunststoffeigenschaften reagieren. Eine Möglichkeit besteht darin, mit einem Heißkanal (einer beheizten Düse) einzuspritzen und dadurch auf einen Anguss zu verzichten. Heißkanäle gibt es u.a. mit Nadelverschlusstechnik oder mit offener Ausführung, wobei ein Anschnittüberstand mit Nadelverschluss vermieden werden kann. Möglich sind auch unterschiedliche Angusssysteme. Hierzu zählt beispielsweise ein sogenannter Filmanguss – ein großer, breiter Kanal, der später mechanisch abgetrennt werden muss (z. B. für große, flache Platten). Für rotationssymmetrische Teile eignen sich wiederum Schirmangüsse, die rund sind. Mit der Auswahl, Lage und Position der passenden Anbindung am Artikel lässt sich so dem Werkzeugverschleiß entgegenwirken.
Beschichtungen
Für bestimmte Werkzeugbauteile gibt es je nach Anforderungen spezielle Beschichtungen:
- Gleitbeschichtungen/Notlaufeigenschaften für bewegte Elemente, um Schmierung durch Fett zu vermeiden: z. B. DLC
- Reduzierungen von Ablagerungen am Fließwegende an Formeinsätzen bzw. leichtere Reinigung der beschichteten Flächen: z.B. TiN oder CrN
- Schutz der Hochglanzpolitur auf Formeinsätzen vor minimalen Kratzern und Korrosion: z. B. Caveo, CrN
Reinigung/Wartung
Manche Kunststoffe, wie POM (Polyoxymethylene), neigen zu Ablagerungen in den Werkzeugen, was eine regelmäßige Reinigung und Wartung der Formen erforderlich macht. Je nach Kunststoffsorte und Geometrie müssen bestimmte Werkzeuge in regelmäßigen Intervallen, z. B. nach acht Stunden, durch Trockeneisstrahlen gereinigt werden. Diese Variante der Reinigung während der Produktion wird als A-Service bezeichnet. Beim B-Service wird, je nach Komplexität des Werkzeugs und der verwendeten Kunststoffsorte, ca. alle 50.000 bis 200.000 Schuss, das Werkzeug von der Maschine genommen, zerlegt und im Werkzeugbau intensiv gereinigt und gewartet. Einen C-Service führen wir auf Kundenwunsch hauptsächlich im Medizinbereich durch. Hierbei handelt es sich um eine komplette Analyse des Werkzeugzustands sowie einen auf erkennbaren Verschleißmerkmalen basierenden Austausch von Werkzeugteilen in festen Intervallen (z. B. jährlich, je nach Nutzungsgrad des Werkzeugs) einhergehend mit einer intensiven Reinigung des Werkzeugs, u. a. Kühlbohrungen in Formplatten und Einsätzen.
Verschleiß der Schnecke
Die verwendeten Kunststoffsorten können neben einem Verschleiß im Werkzeug auch einen Verschleiß in der Spritzeinheit (Schnecke/Zylinder) verursachen. Bei RKT kommen überwiegend hochverschleißfeste Schneckenausführungen zum Einsatz, um eine hohe Prozessstabilität zu gewährleisten. Mit Spezialmessequipment werden diese Schnecken und Zylinderrohre in regelmäßigen Abständen vermessen und bei Bedarf ausgetauscht.
Sie benötigen für Ihr Produkt ein spezielles Kunststoffgemisch oder Ihre Bauteile sollen bestimmte mechanische oder leitende Eigenschaften besitzen? Wir beraten Sie gern bei der Auswahl der Kunststoffe und Additive. Zudem sorgen wir in unserem hausinternen Werkzeugbau für ein passgenaues Werkzeug, das den Belastungen im Spritzguss langfristig standhält und Ihre geforderten Produkteigenschaften zu 100 % erfüllt.
Stefan Preis
Head of Project Business
S.Preis@rkt.de