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Kaskaden-Spritzgießen
Das Kaskaden Spritzgießen ist eine besondere Art des sequentiellen Nadelverschlusses. Die optimale Füllung eines Teils kann mit der Nadelverschluss-Steuerung, durch individuelle Öffnung der Nadelverschlussdüsen in einer gestuften Sequenz erfolgen. Dadurch wird ein Sequenzablauf der Schmelzefront von Anschnitt zu Anschnitt erzeugt. Diese Methode wird vornehmlich zur Fertigung von hochwertigen Teilen genommen, wo keine Bindenähte erlaubt sind. Es kann außerdem bei Teilen mit großer Oberfläche zur Reduzierung der Maschinenzuhaltekraft eingesetzt werden. Der Betätiger des Rheo-Pro® Pneumatikzylinders hat eine Reaktionszeit im Millisekundenbereich. Dies erlaubt eine komplette Kontrolle der Kunststoffschmelzeverteilung.
Kaskaden Spritzgießen im Niederdruck-Verfahren
Der stetige Anstieg der Material- und Energiekosten reduziert weiterhin die Gewinnmarge von großen Kunststoffteilen, wie zum Beispiel von Behältern, Kisten, Stoßfängern oder ähnlichen Produkten. Neue Einstellungen in der Teilekonstruktion und bessere Methoden der Kavitätenfüllung bringen Kostenreduzierungen und erhöhen die Teilequalität.
Die einfache Reduzierung der Teilewanddicke ist obwohl es Materialkosten spart und die Kühlzeit des Spritzgießprozesses kürzt nicht die beste Lösung zur Rückgewinnung einer gesunden Marge am Teilepreis. Durch eine dünnere Wandstärke wird ein höherer Fülldruck benötigt. Dies führt jedoch auch dazu, dass eine höhere Zuhaltekraft und eine größere Maschine nötig sind. Die daraus resultierende Erhöhung des Maschinenstundensatzes wird die Einsparungen der Zykluszeit und der Materialkosten aufbrauchen. Die Wanddickenreduzierung macht nur dann Sinn, wenn das Werkzeug auf einer größeren Maschine gerüstet werden muss. Dies bedeutet, dass der Fülldruck der Werkzeugkavitäten reduziert werden muss, obwohl kleinere Wanddicken eine natürliche Erhöhung des Schmelzewiderstands hervorrufen. Diese anscheinende Konfliktsituation kann mit dem Niedrigdruck-Kaskaden-Spritzgießen (LPCI => low pressure cascade injection) gelöst werden. Das Prinzip des LPCI ist sehr einfach zu verstehen. Um das LPCI-Verfahren zu verstehen, müssen wir zuerst das normale Spritzgießen betrachten. Hierbei werden hohe Schmelzedrücke zwischen 20.000 und 30.000 psi benötigt, um die Kunststoffschmelze in der Kavität über eine möglichst weite Fließweglänge zu füllen.
Rheo-Pro® Heißkanalsystem für Kaskaden-Spritzgießen
Die Materialprozesseigenschaften sind auf große Teile mit geringen Wanddicken und auf einen einfachen Schmelzefluss zugeschnitten. Die Materialien haben ein geringes Molekulargewicht oder einen hohen MFI (melt flow index). Dadurch ermöglicht sich eine sehr hohe Einspritzgeschwindigkeit oder Schmelzegeschwindigkeit. Das Material muss jedoch die hohe Scherung aushalten können. Der Strukturviskositäts-Effekt bei einer hohen Scherrate lässt die Schmelzeviskosität fallen und die mögliche Fließlänge wachsen. Eine Zuhaltekraft von 2,5 bis 3 t/inch2 (4,22 kg/mm²) sind hierfür notwendig.
Das Niedrigdruck-Kaskaden-Spritzgießen (LPCI) folgt anderen Gedankengängen als das traditionelle Hochgeschwindigkeits- oder Hochdruckspritzgießen. Das LPCI reduziert den Schmelzeeinspritzdruck von 20.000psi (1379bar) auf 5.000-7.000psi (345-483bar). Dies verringert die Zuhaltekraft von 2,5t auf 0,6-0,8t. Die LPCI Methode nutzt mehrere strategische Anspritzpunkte entlang des Schmelzepfads in kurzen Abständen, anstatt die Schmelze mit hohem Druck über den gesamten Fließweg zu drücken.
Die Kaskaden-Front-Steuerung verhindert einen hohen Schmelzedruck. Jedes Mal wenn der Schmelzedruck stark ansteigt und ein neuer Anspritzpunkt von der Kunststoffschmelze erreicht ist, öffnet sich die nächste Nadelverschlussdüse und die Schmelzefront läuft weiter. Es ist wie ein Staffellauf bei den Olympischen Spielen; nach einer kurzen Strecke übernimmt ein neuer Läufer. Dieser Kaskadenprozess ist übergangslos und erzeugt keine Bindenähte. Die gesamte Fließlänge ist in kontrollierbare Segmente aufgeteilt, jedes ist nur einen bestimmten Fließweganteil lang, sodass der Schmelzedruck bis zum nächsten Anspritzpunkt nicht höher als 5.000-7.000psi wird.
Ein großes Teil 600x1200x1mm wird zum Beispiel mit dem LPCI-Verfahren gefertigt und benötigt dabei nur eine Zuhaltekraft von 600t. Dasselbe Teil würde eine Zuhaltekraft von 2.000t benötigen, wenn er mit dem traditionellen Hochdruck-Spritzgießen gefertigt würde. Die Kosteneinsparungen beim Maschinenstundensatz sind beträchtlich.
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Ein weiterer Vorteil des LPCI-Verfahrens ist der, dass die Teile mit reduzierter Spannung und ohne Verzug produziert werden, weil der Schmelzedruck im Vergleich zur Hochdruck-Spritzgießmethode gesenkt ist. Die Fließanalyse errechnet eine gleichmäßigere Schmelzedruckverteilung entlang der Formteiloberfläche. Heißkanal-Nadelverschlussdüsen mit einem schnell Reaktionsbetätiger, die mit einer Rheo-Pro CV08 Steuerungseinheit ausgestattet sind, erreichen eine Schmelzefrontkontrolle in der Kaskadenfüllsequenz von ±5mm Exaktheit bei einem Fließweg von 200 bis 400mm entlang der einzelnen 1mm-Anschnitte.
Die Füllsequenz kann den Schmelzefrontfortschritt in Schüben innerhalb von Sekundenbruchteilen hintereinanderschalten. Der Maschinenbediener kann den Kaskadenprozess der Nadelverschlussdüsen entsprechend der Materialeigenschaften und der Teileanforderungen optimieren. Rheo-Pro® CV Regler haben einen internen Speicher, der verschiedene Prozessprogramme speichern kann. Die Einheiten besitzten zusätzlich eine automatische Werkzeugerkennung.
Diese neue LPCI Technologie ist ideal für große Formteile mit großen Oberflächen, welche vorher nur mit großen Maschinen gefertigt wurden. Die Fließanalyse ist ein wichtiges Werkzeug zum Positionieren der Nadelverschlussdüsen. Sie errechnet genau die Schmelzefließfront und den Schmelzedruck in der Kavität und bestimmt exakt die benötigte Maschinenzuhaltekraft.
Pneumatik-Magnetventile zur Ansteuerung der Nadelverschlusszylinder
MHS bietet neben kompletten Heißkanallösungen, bei Bedarf detaillierte Fließanalysen für ihr Spritzgießprojekt an. Damit ermöglichen wir die Kalkulationsbasis für genaue Teilekosten. Diese Machbarkeitsstudie zeigt ihnen Optionen für Material- und Platzeinsparungen, sowie über Zykluszeit-, Maschinengrößen- und Energiekostenreduzierungen auf. Die Investition in eine Vorstudie führt meist zu einer erheblichen Reduzierung der Teilekosten und kann bereits nach wenigen Monaten zu einer Amortisation der LPCI-Heißkanaltechnik führen.
Rheo-Pro® sequenzielle Nadelverschluss-Steuerung |
