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Beim Mikrospritzguss nimmt die Produktionsgröße im Laufe der Zeit zu und liegt heute oft in Millionenhöhe. Wissenschaftler des Kunststoff-Zentrums Leipzig (KUZ) haben gemeinsam mit Hasco eine Technologie für die wirtschaftliche Produktion auf konventionellen Spritzgießmaschinen entwickelt.

Der Bedarf an spritzgegossenen Mikrobauteilen mit einer Größe von wenigen Kubikmillimetern und einem Schussgewicht von nur wenigen Milligramm wächst stetig, insbesondere in der Medizintechnik, der Automobilindustrie und der Unterhaltungselektronik. Stückzahlen im dreistelligen Millionenbereich sind hier keine Seltenheit mehr. Diese Anforderungen können grundsätzlich auf zwei Arten erfüllt werden. Abgesehen von einer Vielzahl dedizierter Mikrospritzgießmaschinen mit vergleichsweise geringer Kavitätenzahl lassen sich durch den Einsatz von High-Cavity-Formlösungen mit Standardspritzgießmaschinen entsprechend hohe Stückzahlen erzielen – allerdings mit einem gewissen Mehraufwand. Dies bietet zwar eine höhere Prozesssicherheit und eine geringere Ausfallwahrscheinlichkeit, ist jedoch hinsichtlich der Investition und des Platzbedarfs deutlich teurer. Die zweite Variante bietet somit erhebliche wirtschaftliche Vorteile, bringt jedoch weitere prozesstechnische Herausforderungen mit sich.

Die Experten des Kunststoff-Zentrums in Leipzig (KUZ) beschäftigen sich seit Ende der 1990er Jahre mit dem Mikrospritzgießen [1]. Dr. Gábor Jüttner, Teamleiter Mikroplastiktechnik, gibt einen Einblick in das technologische Prinzip: „Eines der ersten Projekte war die Entwicklung unserer Mikrospritzgießmaschine Formica Plast mit zweistufiger Kolbenspritzeinheit.“ Dabei wird das Granulat zunächst im Vorplastifizierzylinder aufgeschmolzen und vom Vorplastifizierkolben in den Einspritzzylinder gefördert. Von dort aus drückt ein servoelektrisch angetriebener Mikrokolben mit einem Durchmesser von wenigen Millimetern eine entsprechend kleine Menge Schmelze mit hoher Präzision in die Kavität. Da diese Technologie jedoch für die schonende und präzise Verarbeitung sehr kleiner Schmelzemengen von ca. Von 4 bis 400 mm3 stößt das Upscaling schnell an seine Grenzen.

„Als sich vor etwa drei bis vier Jahren abzeichnete, dass eine Stückzahl von einigen hunderttausend Stück für immer mehr Anwendungen nicht mehr ausreichte, entschieden wir uns, die Aufgabe der hochkavitätenpräzisen Fertigung von Mikroformteilen in Angriff zu nehmen. “, erklärt Steffen Jacob, Projektleiter am KUZ.

Im Rahmen des öffentlich geförderten Projekts Scale-Mi [2] wurde die oben genannte servoelektrische Mikrokolbentechnologie in den letzten zwei Jahren auf eine größere Anzahl von Kavitäten erweitert. Bei diesem Ansatz wird die Schmelze aus der Plastifiziereinheit einer konventionellen Schneckenspritzgießmaschine in einen Heißkanalverteiler geleitet und dort beispielsweise auf vier Einspritzmodule aufgeteilt. Auf jedem dieser Module spritzt eine Mikrokolben-Spritzeinheit aktiv die Schmelze in einen Werkzeugbereich ein, der beispielsweise über jeweils vier Kavitäten verfügt. In diesem Beispiel kann somit eine 16-fach-Fertigung erreicht werden. Dadurch werden die Vorteile der Schnecken-Kolben-Plastifizierung zur Bereitstellung einer Schmelzemenge für größere Volumina mit den Vorteilen der Einspritzdynamik und der Präzision kleiner Kolbenspritzeinheiten kombiniert.

Da jedes der Einspritzmodule in gewissen Grenzen hinsichtlich Schussvolumen, Einspritzgeschwindigkeit usw. individuell gesteuert bzw. angepasst werden kann, können auch unterschiedliche Formteile hergestellt werden. Somit ist die Realisierung von Familienformen ohne die üblichen Nachteile möglich.

Allerdings stellt diese Kombination der speziellen Mikrokolbentechnik mit einem Heißkanal eine große Herausforderung für die Herstellung der schmelzeführenden Kanäle dar.

Hier ermöglicht der additiv gefertigte Streamrunner von Hasco nicht nur erhebliche Platzeinsparungen, sondern ermöglicht durch seine optimierte Geometrie auch, die Menge der vorgehaltenen Schmelze so gering wie möglich zu halten und so die Verweilzeit der Schmelze zu minimieren.

Die additive Fertigungstechnologie (selektives Lasersintern – SLS – von Stahlpulver) des Heißkanals bietet maximale Gestaltungsfreiheit und kann für jede spezifische Aufgabenstellung individuell entwickelt und auf Basis von Füllsimulationen rheologisch optimiert werden.

RFID-Technologie

Standardformeinheiten ausgestattet mit digitaler Innovation

„Durch die freie dreidimensionale Gestaltung der Schmelzekanäle ist es möglich, die Schmelzeverteilung optimal auszugleichen und scharfe Kanten und schlecht durchströmte Bereiche, also tote Ecken, vollständig zu vermeiden“, sagt Tobias Kröber, technischer Vertriebsingenieur Hasco-Heißkanal. „Dank der verwendeten flexiblen Rohrheizkörper erreichen wir zudem eine optimale Temperaturverteilung, die zusätzlich zu einem materialschonenden Schmelzefluss beiträgt.“ Die durch den 3D-Sinterprozess noch recht rauen Oberflächen der Strömungskanäle werden poliert, indem eine spezielle feine, aber dennoch ausreichend abrasive Poliermasse mit Druck durch die Strömungskanäle gedrückt wird. Auf diese Weise können Oberflächengüten von Rz 2-3 erreicht werden.

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Stand vom 23.03.2021

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In einer gemeinsamen Entwicklung mit Hasco haben die KUZ-Wissenschaftler nun für jedes Einspritzmodul einen Mikroeinspritzkolben mit einem Durchmesser von nur 3 mm in den kavitätsnahen Schmelzekanal des Streamrunners integriert. Der modulare Aufbau des Streamrunner® ermöglicht die Realisierung mehrerer solcher Einspritzmodule bei gleichzeitig hervorragender Synchronisation der Schmelzeverteilung.

„Wir arbeiten schon lange mit Hasco in Entwicklungsprojekten zusammen“, sagt Steffen Jacob, „und jetzt kam der Streamrunner für uns genau zum richtigen Zeitpunkt, nicht nur wegen der erheblichen Platzersparnismöglichkeiten.“ Im Rahmen dieses Entwicklungsprojekts haben wir Hascos Bereitschaft, etwas Neues auszuprobieren, erneut sehr geschätzt.“

So wurden beispielsweise die Bohrungen für die Mikrokolben von Hasco im 3D-Druckverfahren vorgefertigt und später im KUZ durch Erodieren und Schleifen mit der entsprechenden Feinpassung veredelt. „Eine besondere Herausforderung bestand darin, die vorgefertigten Bohrlöcher und die Kufen möglichst exakt in einer Ebene zu platzieren“, ergänzt Tobias Kröber.

Beschleunigte Entwurfszeiten

Hasco führt native CAD-Daten für Solid Works ein

Um die Funktionalität zu demonstrieren und die Vorteile des Systems hervorzuheben, wurden mehrere Demonstrationsformteile konzipiert, mit dem Ziel, die Stückzahlen im Mikrospritzguss zu erhöhen. Zur Untersuchung der Ausbalancierung des Krümmers wurde eine kleine Strömungsspirale mit einem Volumen von 58 mm3 und einem Durchmesser von 17,4 mm erstellt. Die Bilanzierung wird über die erreichte Fließweglänge und das Gewicht des Formteils bewertet. Um die Vorteile des Konzepts hervorzuheben, wurde eine kleine Klammer in 4-Kavitäten-Ausführung mit je 6 mm3 mit vier aktiven Einspritzantrieben und somit 16 Kavitäten verwendet.

Ein weiterer Vorteil des strömungsoptimierten Designs der polierten Läufer besteht darin, dass ein schneller Farbwechsel möglich ist. Der Test mit der Klemmformung zeigte, dass durch zweimaliges Spülen des Schmelzeverteilers durch Durchsprühen mit der Spritzeinheit ein Wechsel der Formmasse oder der Farbe erfolgen kann.

Erstmals auf der K 2019 vorgestellt, demonstrierte Hasco auch auf der diesjährigen Weltkunststoffmesse in Düsseldorf die Möglichkeiten des Streamrunner für die Mehrkomponentenfertigung. Die freie dreidimensionale Gestaltung der Läufer eröffnet hier völlig neue Möglichkeiten. Auf engstem Raum können unterschiedliche Kunststoffkomponenten oder Farben verteilt und die Kanäle ineinander verschlungen werden. Dies ermöglicht es Produktdesignern, bisherige Einschränkungen bei der Gestaltung von Kunststoffformteilen zu überwinden und neue Gestaltungsmöglichkeiten zu nutzen.

Abschließend noch ein Blick auf die Ökonomie. Die KUZ-Wissenschaftler erstellten einen Kostenvergleich für ein Beispiel eines Demonstrationsformteils mit einem Volumen von rund 10 mm3 und einer Produktionsmenge von 30 Millionen Einheiten. Einerseits erfordern 14 Mikrospritzgießmaschinen mit 4-fach-Werkzeugen im ersten Jahr Gesamtkosten (Investitions- und Herstellungskosten) von knapp 7 Mio. Euro. Die Produktion auf drei Standardmaschinen mit 16-fach-Werkzeugen und der vom KUZ entwickelten Zusatzausrüstung, dem Scale-Mikroinjektor, kostet dagegen knapp 1,7 Millionen Euro.

Der additiv gefertigte Streamrunner von Hasco ermöglicht eine größere Gestaltungsfreiheit beim Ein- und Mehrkomponentenspritzguss. Mit modernsten Fertigungstechnologien eröffnet es somit neue Möglichkeiten für Formenbauer und Spritzgießer. Der Streamrunner ist ein 3D-gedruckter Heißkanalverteiler im Lasersinterverfahren mit höchstem Freiheitsgrad im Design. Die Strömungskanäle können rheologisch optimal gestaltet werden, sodass beispielsweise scharfe Kanten und schlecht durchströmte Bereiche vollständig vermieden werden.

Die Kombination mit der Scale-Mikroinjektor-Technologie des KUZ ermöglicht die Produktion hoher Stückzahlen im Mikrospritzguss auf herkömmlichen Spritzgießmaschinen. Die nächsten Schritte des Leipziger Unternehmens bestehen unter anderem darin, den Einsatzbereich der neuen Werkzeug- und Verfahrenstechnik zu erweitern und entsprechende Systeme langfristig zu testen.

[1] Jüttner, G.: Plastifiziereinheiten für kleinste Schussgewichte. Kunststoffe 94 (2004)1, S. 53–55

[2] Jacob, S.: Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben Scale-Mi 49VF190007, BMWK INNO-COM

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