Überall dort, wo hohe Elastizität zum einen und Stabilität zum anderen in einem Bauteil vereint werden müssen, kommen verstärkt Thermoplaste in Kombination mit LSR-Werkstoffen zum Einsatz. Diese bieten ein nahezu identisches gummimechanisches Verhalten über einen großen Temperaturbereich und weisen zudem eine hohe Alterungsbeständigkeit auf. Grund genug für den Werkzeugbauer Polar-Form und den Heißkanalhersteller Ewikon, gemeinsam ein anspruchsvolles Demonstrationswerkzeug für den Einsatz auf Fachmessen zu bauen. Der Hersteller von LSR-Spritzgießwerkzeugen und Drehtellertechnik war für die Konzeption und den Bau des Zweikomponenten-Indexplattenwerkzeugs verantwortlich, für die Angusstechnik Ewikon. Mit dessen Kaltkanalsystem Coolshot ist es möglich, Heiß- und Kaltkanalsysteme zu kombinieren, wodurch solche Anwendungen bedient werden können.

Hohe Ansprüche an die Fertigungspräzision

Das Zweikomponentenspritzgießen mit einer Materialkombination aus Thermoplast und Silikon stellt aufgrund der unterschiedlichen Materialcharakteristika und Verarbeitungsparameter spezielle Ansprüche an den Werkzeugbau. Aufgrund der stark unterschiedlichen Verarbeitungstemperaturen der beiden Komponenten ist eine exakte thermische Trennung und Temperierung der jeweiligen Werkzeugbereiche erforderlich. Weiterhin stellen LSR-Anwendungen generell höchste Ansprüche an die Fertigungspräzision, denn das sehr niedrigviskose Material erfordert eine perfekte Dichtheit der Kavitäten, um eine Gratbildung auszuschließen. Daher integrierte der Werkzeugbauer aus dem Schwarzwald eine leistungsfähige Evakuierung für die LSR-Kavitäten und legte das Werkzeug für genaue Spaltmaße und hohe Plattenparallelität besonders steif aus. Speziell in den Übergangsbereichen der Thermoplastkomponente zur LSR-Komponente war eine exakte Tuschierung erforderlich, um ein Überspritzen durch die LSR-Komponente zu verhindern. Aufgrund der hohen Betriebstemperaturen wurden zudem hochwarmfeste und härtbare Stähle für den Werkzeugaufbau verwendet. Da das Vernetzen der LSR-Komponente mit hohen Temperaturen direkt in der Kavität erfolgt, musste die Materialexpansion in diesem Bereich bei der Werkzeugauslegung berücksichtigt werden.

Der Spatel besteht aus einem stabilen Handgriff aus PBT mit Daumenmulde, der mit zwei LSR-Elementen komplettiert wird. Diese weisen stark unterschiedliche Schussgewichte auf. Im vorderen Bereich wird der Griff mit der Wischlippe mit einem Schussgewicht von 20,3 g umspritzt, während die Daumenmulde für einen sicheren Griff ebenfalls mit einer LSR-Schicht ausgekleidet wird. Das Schussgewicht beträgt hier nur 0,4 g. Um die Formstabilität des Griffs während des Umspritzens in der heißen LSR-Kavität zu gewährleisten, fiel die Entscheidung, das Material mit 30 % Glasfaser zu verstärken.

Deshalb ist die thermische Trennung wichtig

Im ersten Arbeitsgang wird der Haltegriff aus PBT in der oberen Werkzeughälfte angespritzt. In dieser Sektion ist das Werkzeug auf 90 °C temperiert. Nachdem die rotierende Indexplatte den Vorspritzling in die zweite Kavität umgesetzt hat, werden die Wischlippe und die Grifffläche in der Daumenmulde aus LSR angespritzt. Beide Bereiche müssen thermisch exakt voneinander getrennt werden, um die Prozesssicherheit zu gewährleisten. Während die Vorspritzkavität fluidisch auf 90 °C temperiert wird, ist in den Fertigspritzkavitäten eine homogene Temperatur von 180 °C erforderlich, um ein vollständiges und schnelles Vernetzen der LSR-Komponente sicherzustellen. Dafür integrierte Polar-Form elektrische Heizungen, die über ein separates Regelgerät gesteuert werden.

So sind Heiß- und Kaltkanaltechnik kombiniert

Für die stehende Seite des Werkzeugs lieferte Ewikon die komplette Formhälfte mit fertig integriertem und verdrahtetem Heiß- und Kaltkanalsystem, beides in Nadelverschlussausführung. Der Antrieb der Verschlussnadeln erfolgt in beiden Bereichen mit elektrischen Linear-Servomotoren, die über ein gemeinsames Motion-Control-Steuersystem bewegt werden. Neben der hochpräzisen Positionierung der Nadeln erlaubt das System das individuelle Einrichten der Prozessparameter wie Öffnungszeitpunkt, Öffnungsweg und Öffnungsgeschwindigkeit für jeden Antrieb. Während im Heißkanalbereich eine zylindrische Nadel eingesetzt wird, sind die Nadeln im Coolshot System konisch ausgeführt, um eine perfekte Abdichtung im Kavitätenbereich sicherzustellen.

Der Aufbau beider Systeme erfolgte auf einer gemeinsamen Aufspannplatte. Im oberen Bereich befindet sich der Heißkanal für das Anspritzen des PBT-Griffs. Die Schmelzezuführung übernimmt hier ein vertikales Spritzaggregat, das an der Oberseite der Form andockt. Angespritzt wird in der Daumenmulde des Griffs. Das Coolshot-Kaltkanalsystem ist im unteren Bereich der Formhälfte angeordnet und wird horizontal gespeist. Die Anspritzung der LSR-Elemente erfolgt über zwei wassergekühlte Kaltkanaldüsen. Um bei den unterschiedlichen Schussvolumina eine gleichzeitige Füllung beider Kavitäten zu ermöglichen, öffnen die Verschlussnadeln hier unterschiedlich weit sowie mit Zeitversatz. Hier konnte mithilfe der Motion-Control-Steuertechnik eine perfekte Feinabstimmung im laufenden Prozess vorgenommen werden. Für eine saubere thermische Trennung beider Bereiche wurden die Plattenaufbauten der Heißkanal- und Kaltkanalsektion durch einen Isolierspalt sowie durch Dämmplatten voneinander separiert. Das Coolshot-System verfügt darüber hinaus über eine zusätzliche stirnseitig angebrachte Dämmplatte, um den Kaltkanal gegenüber der heißen Kavitätenseite zu isolieren. Weiterhin sorgen die spezielle Geometrie und Materialauswahl der Kaltkanaldüsen für einen optimalen thermischen Übergang im Anschnittbereich. Dies ermöglicht ein schnelles Vernetzen der LSR-Komponente in der Kavität und verhindert gleichzeitig eine partielle Vernetzung im Kaltkanal durch Wärmeübertragung in die Düse.

Die Abmusterung und finale Abstimmung des Werkzeugs fanden beim Werkzeugbauer im eigenen Technikum statt. Durch entsprechende maschinelle Ausstattung besteht hier die Möglichkeit, auch komplexe Mehrkomponentenwerkzeuge bis zur Serienreife abzustimmen. Bei den diesjährigen Arburg-Technologietagen wurde das Werkzeug zum ersten Mal im praktischen Einsatz mit automatisierter Teileentnahme gezeigt. In Kooperation mit Arburg wird das Werkzeug in Zukunft auf diversen Fachmessen präsentiert. Auf der Fakuma wird das Werkzeug am Stand von Arburg in einem leicht abgewandelten Prozess mit temperfreiem LSR zu sehen sein. Das zweite LSR-Element in der Daumenmulde entfällt hier.

Für eine saubere thermische Trennung beider Bereiche wurden die Plattenaufbauten der Heißkanal- und Kaltkanalsektion durch einen Isolierspalt sowie durch Dämmplatten voneinander separiert. Das Coolshot-System verfügt darüber hinaus über eine zusätzliche stirnseitig angebrachte Dämmplatte, um den Kaltkanal gegenüber der heißen Kavitätenseite zu isolieren. Weiterhin sorgen die spezielle Geometrie und Materialauswahl der Kaltkanaldüsen für einen optimalen thermischen Übergang im Anschnittbereich. Dies ermöglicht ein schnelles Vernetzen der LSR-Komponente in der Kavität und verhindert gleichzeitig eine partielle Vernetzung im Kaltkanal durch Wärmeübertragung in die Düse.