Im zweiten Teil der Serie wurden anhand einer Beispielgeometrie Berechnungen zum Durchsatzverhalten, Druckaufbauvermögen und zum Aufschmelzverlauf durchgeführt. Diese Ergebnisse sollen nun näher betrachtet und in weiterer Folge optimiert werden. Dazu gilt es die Auswirkungen bei der Anpassung einiger ausgewählter Geometrieparameter zu untersuchen und interpretieren.

Teil 3 der Serie befasst sich mit Versuchen zur Optimierung der Schneckengeometrie

Spritzgießen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Spritzgießmaschinen, allgemein

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Spritzgießmaschinen

Spritzgießsimulation

Software

Simulation

Schnecken und Plastifiziersysteme

Rund um die Plastifizierschnecke

Wenn die Auslegung einer Plastifiziereinheit in ihren Grundzügen erfolgt und das passende Spritzaggregat ausgewählt ist, mündet die Entwicklung der Schneckengeometrie in ihre entscheidende Phase. Um den Praxistest ressourcenschonend durchführen zu können, nutzen die Konstrukteure Simulationswerkzeuge zur Beurteilung der Schneckengeometrie. Worauf es dabei ankommt, wird beispielhaft an einer 3-Zonenschnecke erklärt.

Teil 2 der Serie befasst sich mit grundlegenden Methoden zur Beurteilung einer Schneckengeometrie

In der Kunststoffverarbeitung werden Spritzgießmaschinen selten im Auslegungspunkt betrieben. Der Autor erläutert, wie mithilfe von Referenzkurven der energetische Zustand im aktuellen Arbeitspunkt einer Spritzgießmaschine zuverlässig bewertet und verbessert werden kann.

Analyse der Energieeffizienz im Teillastbetrieb von Spritzgießmaschinen

Energieeffizienz

Wertvolle Referenzen

Engel konnte nachweisen, dass sich Regranulate aus Organoblechverschnitt unter Beibehaltung der Materialeigenschaften im Spritzgießverfahren verarbeiten lassen. Composite-Rohstoffe könnten so vollständig im Kreislauf gehalten werden. Das macht die Materialien für den Leichtbau umso interessanter.

Regranulat aus Organoblech-Beschnitten beim Spritzgießen einsetzen

Faserverarbeitung

Faserverbundwerkstoffe

Andere Werkstoffe

Kunststoff-Recycling

Kunststoff-Aufbereitung

Organobleche (gewebeverstärkte Thermoplast-Halbzeuge)

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

100 Prozent Materialnutzung

Die neue Spritzgießmaschine Engel duo speed vereint im Bereich hoher Schließkräfte Produktivität und Effizienz mit kurzen Zykluszeiten. Damit rückt die Zweiplattenmaschine in einen Bereich von Verpackungsanwendungen vor, der bislang Kniehebelmaschinen vorbehalten war.

Engel duo speed erweitert Maschinenportfolio für Verpackungsanwendungen

Schnellläufer mit kleinem Fußabdruck

Eine Reihe von grundlegenden Überlegungen bilden die Basis für die Auswahl einer Schneckenzylinderkombination und sind der Ausgangspunkt für weitere Optimierungen.

Teil 1 der Serie befasst sich mit der grundlegenden Auslegung einer Plastifiziereinheit und der richtigen Wahl des Spritzaggregats

Die neue Plattform iQ process observer von Engel überwacht im Hintergrund Hunderte Parameter der Spritzgießzelle gleichzeitig.

Plattform zur Prozessüberwachung überwacht mehrere Hundert Parameter gleichzeitig

Steuerungen (Hardware und Software)

Automatisierungstechnik

Industrie 4.0 für die Qualitätssicherung

Industrie 4.0

Prozessvisualisierung

Condition Monitoring / Prozessüberwachung

Instandhaltung

Industrie 4.0 für die Kunststoffverarbeitung

IoT-Plattformen für die Kunststoffverarbeitung

Den Prozess im Blick – die Qualität  im Griff

Ein neu entwickeltes Kühlsystem für Plastifiziereinheiten schafft deutliche Zeitvorteile bei Materialwechseln und einem damit verbundenen Absenken des Temperaturprofils.

Schnelles Abkühlen des Zylindermoduls schafft Zeitvorteile beim Materialwechsel

Kühlgeräte allgemein

Großer Vorteil bei kleinen Chargen

Das Einsatzgebiet von Würfelwerkzeugen weitet sich auf die Produktion technischer Teile aus. Arburg rundet mit der neuen Spritzgießmaschine Allrounder Cube 1800 das Programm nach unten ab. So lassen sich die Stückkosten auch bei kleineren Ausbringungsmengen deutlich senken.

Mehrkomponenten-Spritzgießen

Spritzgießwerkzeuge

Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung

Arburg weitet hybride Cube-Baureihe aus

Ob Zykluszeit, Energieverbrauch oder Prozessstabilität: Die Stellschrauben für eine höhere Effizienz in der Spritzgießverarbeitung sind vielfältig. Das Wissen dazu bietet Engel mit dem neuen „performance.boost“ als Dienstleistung für die Prozessanalyse und -optimierung an.

Das volle Potenzial der Spritzgießmaschine ausschöpfen

Bis Jahresende tritt die größte gebrauchte Spritzgießmaschine Deutschlands ihren Weg von Süddeutschland über Amsterdam nach Mumbai an. Gindumac organisiert die vollständige Logistikabwicklung mit dem Kunden.

Gebrauchtmaschinenhandel

Dienstleistungen

Dienstleistungen in der Metallbearbeitung

Gebrauchtmaschinen

Sondermaschinen

Co-Injektion (Barriere-/Sandwich-Spritzgießen)

Gindumac erhält Großauftrag aus Indien

Die Wilhelm Böllhoff GmbH & Co. KG setzt über ihre weltweiten Standorte hinweg als einheitliches MES das Arburg-Leitrechnersystem (ALS) ein. Über ALS sind nicht nur sämtliche Spritzgießmaschinen informationstechnisch vernetzt und an das ERP-System angebunden, sondern auch hunderte Maschinen und Turnkey-Anlagen für die Metallbearbeitung und Montage. Darüber hinaus werden rund 3000 Spritzgießwerkzeuge verwaltet. Das schafft Transparenz – von der Auftragsplanung über die Prozessoptimierung bis zur Instandhaltung.

Böllhoff nutzt ALS weltweit als einheitliches MES für Spritzgießen und Metallbearbeitung

Planungssysteme / Leitstand

Betriebsausrüstung / Betriebsmittel

Management-Informationssysteme

Big Data für die Qualitätssicherung

Qualitätssicherung Kunststoff

Qualitätssicherung

Energiemanagement

Komplett angebunden ans  Leitrechnersystem

Johannes Kilian ist Leiter der Abteilung für Prozesstechnologien bei Engel. Im Gespräch mit ihm und Georg Steinbichler geht es um die Hebel der Digitalisierung, technische Durchbrüche und kritische Erfolgsfaktoren.

Interview mit Georg Steinbichler und Johannes Kilian zum Stabwechsel bei Engel

Doriat, Clemens, Dr.

Digitale Transformation

Wirtschaft

Innovationen und neue Technologie

Prozesssimulation

Verbundwerkstoffe / Werkstoffverbunde

Kunststoff Werkstoffe

Spritzgieß-Sonderverfahren

Prozessautomation

Mess- / Regel- und Prozessleittechnik

Elektrische Antriebe für Spritzgießmaschinen

Antriebe

Elektrische Antriebe

„Die Chancen der Digitalisierung nutzen“

Das erste Netstal PET-System mit seitlicher Entnahme bietet volle Kompatibilität zu bestehenden Side-Entry-Werkzeugen und Nachkühlstationen. Premiere feiert dabei auch eine neue Steuerungsgeneration. Interessenten können ab sofort individuelle Präsentationstermine vereinbaren.

Weltpremiere der neuen Netstal PET-Line

Polyethylenterephthalat

Thermoplaste

Verarbeitung von rPET im Fokus

Über 400 Teilnehmer aus mehr als 40 Ländern informierten sich beim Arburg Summit: Medical 2020 zu aktuellen Entwicklungen, Anwendungen und Visionen und tauschten sich mit den zahlreichen Medizintechnik-Experten aus.

Mikrospritzgießen

Montage-Spritzgießen

Medizintechnik

Medizinprodukte

Arburg Summit: Medical 2020

Das Prinzip der Unterfütterung: Lichtleiter in höchster Reinheit spritzgießen

Um bei komplexen Geometrien und langen Strukturen eine hohe Lichtausbeute sicherzustellen, hat Engel einen neuen Plastifizierprozess für die Herstellung von Lichtleitern entwickelt. Dieser erhöht die Homogenität und Reinheit der Schmelze und eröffnet damit den Lichtdesignern neue Freiheiten.

LEDs erobern im Fahrzeug immer mehr Anwendungen und werden zunehmend als differenzierende Designelemente eingesetzt. Damit steigt die geometrische Varianz, was die Hersteller von Lichtleitern vor neue Herausforderungen stellt. Um auch bei komplexen Geometrien und langen Strukturen eine hohe Lichtausbeute sicherzustellen, hat Engel einen neuen Plastifizierprozess für die Herstellung von Lichtleitern entwickelt. Dieser erhöht die Homogenität und Reinheit der Schmelze und eröffnet damit den Lichtdesignern neue Freiheiten.

Ein guter Lichtleiter transportiert das Licht einer bestimmten Lichtquelle auch über eine lange Strecke, ohne dass es merkbar an Intensität verliert oder die Farbe verändert. Voraussetzung dafür ist eine sehr glatte Oberfläche über die gesamte Transportstrecke, um eine Totalreflexion des Lichts sicherzustellen. So kann das Licht nur an bestimmten Stellen austreten, die dafür mit prismenartigen Strukturen ausgeführt sind. Die Anforderungen an den Spritzgießprozess lauten entsprechend: eine hochpräzise Abformung der Formteiloberfläche sowie eine hohe Homogenität und Reinheit der Kunststoffschmelze. Generell bietet das Spritzgießen für die Herstellung von Lichtleitern große Vorteile. Es vereint Designfreiheit mit Kosteneffizienz.

Die Engel Austria GmbH mit Stammsitz in Schwertberg/Österreich nahm sich gemeinsam mit Entwicklungspartnern dieser Aufgabenstellung an. Der Spritzgießmaschinenbauer stellte der Fachöffentlichkeit im vergangenen Jahr einen für die Verarbeitung von Polymethylmethacrylat (PMMA) optimierten Spritzgießprozess vor, der Lichtleiter höchster Reinheit und damit LED-Lösungen mit noch längeren und komplexeren Strukturen – zum Beispiel zur Konturenbeleuchtung – ermöglicht.

PMMA gehört zu den von der Automobilindustrie bevorzugten Materialien für die Herstellung von Lichtleitern, vor allem wenn es um innovative Beleuchtungskonzepte für den Fahrzeuginnenraum geht (Titelbild). Um von Beginn an die Anforderungen der Automobilproduzenten zu berücksichtigen, wurden für die Entwicklungsarbeiten Lichtleiterdemostrukturen von der Volvo Car Corporation bereitgestellt (Bild 1). Alle Versuche wurden mit einem Familienwerkzeug von Inevo – zum Projektzeitpunkt Teil der INglass Gruppe – durchgeführt.

Unterfüttern reduziert die  Scherbelastung

In einem Schuss werden drei unterschiedlich lange und unterschiedlich geformte Lichtleiter produziert (Bild 2). Der längste der drei Lichtleiter wird an zwei Punkten angespritzt. Verarbeitet wurde ein PMMA des Typs Altuglas V825T LPL (Hersteller: Altuglas International, Teil der Arkema Group). Um die Lichtausbeute zu maximieren, lauteten die konkreten Entwicklungsziele:

<ul><li>eine Oberflächenrauigkeit von unter 25 nm zu erzielen – bei größerer Rauigkeit wird vor allem kurzwelliges (blaues) Licht nicht vollständig reflektiert, sondern gebrochen, sodass das austretende Licht eine gelbliche (wärmere) Farbe hat;</li><li>keine Verunreinigungen zuzulassen – jede Verunreinigung führt zu einer Streuung des Lichts;</li><li>(Mikro-)Hohlräume zu eliminieren bzw. auszuschließen, denn auch sie führen zu einer Lichtstreuung.</li></ul>

Technologisch entscheidend ist das Prinzip der Unterfütterung, für das Engel eine eigene Software entwickelt hat. Diese ermöglicht es, beim Plastifizieren gezielt weniger Granulat auf die Schnecke aufzugeben als die Maschine im herkömmlichen Spritzgießprozess aus dem Trichter einziehen würde. In der Einzugszone der Schnecke ist der Zylinder damit nur partiell mit Granulat befüllt. Erst in Richtung Schneckenspitze verdichtet sich das Material und füllt den Zylinder vollständig aus (Bild 3). Weniger Material im Zylinder bedeutet geringere Drehmomente und damit eine niedrigere Scherbelastung der Schmelze, was den Materialabbau reduziert. Um zugleich den oxidativen Materialabbau zu unterbinden, wird der Massezylinder über der Einzugszone mit Stickstoff gespült.

Anlagenkonzept mit  Inline-Qualitätsprüfung

Die Versuche im Rahmen des Entwicklungsprojekts fanden auf einer Spritzgießmaschine (Typ: Engel e-motion 310/120 TL) mit einer speziell für die Verarbeitung von PMMA ausgelegten und beschichten Schnecke und Rückströmsperre statt. Die vollelektrische Maschinenbaureihe vereint Effizienz mit hoher Dynamik und Präzision, was vor allem zum Abformen der sehr feinen Strukturen an der Oberseite der Demonstrationsbauteile, die zum Auskoppeln des Lichts dienen, wichtig ist (Bild 1 rechts).

An qualitätsrelevanter Peripherie sind vor allem der Granulattrockner vom Typ Luxor EM-A 60 und das Dosiergerät mit Dosierscheibe vom Typ Minicolor (Hersteller jeweils: motan-colortronic GmbH, Isny) zu nennen. Um den unterschiedlichen Fließweglängen der drei Lichtleitergeometrien Rechnung zu tragen, hat der Entwicklungspartner HRSflow – der Heißkanalhersteller ist Teil der italienischen INglass Gruppe – verschiedene Anspritzsysteme mit elektrisch betätigten Nadelverschlüssen getestet. Dabei kam das FlexFlow-System zum Einsatz, das es ermöglicht, die Verschlussnadeln in Abhängigkeit der Schneckenposition einzeln anzusteuern.

Um eine hohe Bauteilqualität zu gewährleisten, wurde eine Inline-Qualitätsprüfung ins Anlagenkonzept integriert (Bild 4). Getestet wird pro Schuss jeweils der mit 15 cm Länge kleinste, stabförmige Lichtleiter. Diesen legt ein Roboter unmittelbar nach dem Entformen in eine Prüfstation mit LED-Lichtquelle. Mithilfe eines Radiant Vision Systems (Modell IC-PMI8; Hersteller: Konica Minolta Sensing Europe B. V., Nieuwegein/Niederlande) wird die Veränderung der korrelierten Farbtemperatur (Correlated Colour Temperatur, CCT) gemessen.

Korrelierte Farbtemperatur bestätigt hohe Lichtleiterqualität

Die CCT beschreibt, wie das menschliche Auge die Lichtfarbe wahrnimmt. Die Lichtfarbe hängt von der Objekttemperatur – mit dem schwarzen Strahler als Referenz – und bei LEDs von der Charakteristik der Lichtquelle ab. Temperaturen unter 3000 K werden als warme Farben, solche über 3000 K als kalte Farben wahrgenommen. Die Qualität des Lichtleiters ist umso besser, je weniger der CCT-Wert vom Referenzwert (Lichtfarbe der LED-Quelle) abweicht.

Die Versuchsreihe bestätigte eindeutig den positiven Effekt der Unterfütterung auf die Qualität des spritzgegossenen Lichtleiters (Bild 5 links). Über das Dosiergerät wurde in den Einzelversuchen die zugegebene Materialmenge variiert, wobei immer weniger Material zugegeben wurde als die Maschine im herkömmlichen Spritzgießprozess aus dem Trichter eingezogen hätte. Die besten Ergebnisse wurden bei einem mittleren Füllgrad des Massezylinders (im Beispiel 65 %) erzielt. Wird die Materialzufuhr weiter reduziert, nimmt die optische Qualität wieder ab. Dies liegt daran, dass sich die Dosierzeiten mit abnehmender Materialzufuhr verlängern, was die Scherbelastung der Schmelze wieder erhöht.

Einen zusätzlichen positiven Einfluss hat die Stickstoffspülung (Bild 5 rechts). In den Versuchen wurde die Einzugszone mit 0,2 Litern Stickstoff pro Minute geflutet, um den Sauerstoff zu verdrängen und die Oxidation des aufgeschmolzenen Kunststoffs zu unterbinden.

Zur Prozessoptimierung haben die Projektpartner darüber hinaus untersucht, welche weiteren Prozessparameter die optische Qualität des Lichtleiters beeinflussen (Bild 6). Das Diagramm links zeigt den Einfluss der Umfangsgeschwindigkeit der Plastifizierschnecke. Obwohl laut Materialspezifikation eine Umfangsgeschwindigkeit von 0,3 m/s für das eingesetzte PMMA zulässig ist, zeigen die Versuche, dass eine noch langsamere Plastifizierung die optische Qualität deutlich verbessert.

Beim Einspritzen der Kunststoffschmelze in das Werkzeug dagegen führt eine höhere Geschwindigkeit zunächst zu einer besseren Lichtleiterqualität. Wird die Einspritzgeschwindigkeit jedoch weiter erhöht, fällt die Qualität wieder ab. Dies liegt daran, dass mit zunehmender Geschwindigkeit auch der Druck und damit die Scherbelastung ansteigen.

Dass die Werkzeugtemperatur Einfluss nimmt, bestätigen die Versuche ebenfalls. Eine höhere Werkzeugtemperatur verbessert die Abformung der Oberfläche, was die CCT-Konstanz steigert. In Bezug auf die Peripherie ist vor allem der positive Einfluss der Entstaubung zu erwähnen. Je kleiner der Staubanteil im Granulat und in der Schmelze, desto geringer ist auch die Streuung im Lichtleiter (Bild 6).

Der neu entwickelte Plastifzierprozess von Engel eröffnet der Beleuchtungstechnik neue Möglichkeiten. Durch Unterfüttern in Kombination mit einer optimierten Prozessführung lässt sich eine sehr hohe optische Qualität von langen und komplex geformten Lichtleitern erzielen. Dies kann mithilfe eines Inline-Messsystems beurteilt und dauerhaft abgesichert werden.

Für die Herstellung von Lichtleitern werden vor allem vollelektrische Spritzgießmaschinen eingesetzt, weshalb sich Engel in diesem Entwicklungsprojekt für die Baureihe e-motion entschied. Die neue Plastifiziertechnik kann prinzipiell jedoch mit Spritzgießmaschinen der unterschiedlichsten Bautypen und Antriebstechnologien kombiniert werden. Auf Kundenwunsch integriert Engel die dazugehörigen Peripheriesysteme ins Anlagenkonzept. Die Technologie ist nicht an Peripheriesysteme einer bestimmten Marke gebunden.

Engel Austria GmbH  

https://www.engelglobal.com

Competence Center CHASE GmbH  

https://www.chasecenter.at

Ausgabenartikel

Bild 1. Ziel der Entwicklung war es, für lange und komplex geformte Lichtleiter eine hohe optische Qualität zu erzielen. Die feinen Strukturen an der Oberseite der Demonstrationsbauteile (rechts) ienen zum Auskoppeln des Lichts

Die Transformation des Automobils betrifft auch stark den Fahrzeuginnenraum. Licht gewinnt als Designelement an Bedeutung

16:9

Bild 2. In einem Familienwerkzeug wurden drei unterschiedlich lange und unterschiedlich geformte Lichtleiter produziert 

Bild 3. Der Schlüssel zu einer hohen Lichtausbeute liegt im Unterfüttern des Massezylinders 

Bild 4. Die Inline-Qualitätsprüfung erfasst den CCT-Wert des Lichtleiters sowohl nahe als auch in weiter Entfernung der Lichtquelle

Bild 5. Die Unterfütterung beeinflusst die Qualität des Lichtleiters positiv. Die besten Ergebnisse werden mit einem Füllgrad des Massezylinders von 65 % erzielt. Zudem erhöht die Spülung der Einzugszone mit Stickstoff die Reinheit der Schmelze. Je kleiner die Veränderung der korrelierten Farbtemperatur CCT, desto höher ist die Qualität des Lichtleiters

Bild 6. Zur Optimierung des Verarbeitungsprozesses wurden weitere Parameter variiert und mit der optischen Qualität des Lichtleiters korreliert.  Den größten Einfluss auf das Spritzgießergebnis nehmen die Umfangsgeschwindigkeit der Plastifizierschnecke, die Einspritzgeschwindigkeit der Schmelze, die Werkzeugtemperatur und die Entstaubung des Granulats

Engel - Hauptartikel

Dr. Klaus Fellner ist Kunststofftechniker bei der Engel Austria GmbH in St. Valentin/Österreich; <a href="mailto:klaus.fellner@engel.at">klaus.fellner@engel.at</a>

DI János Birtha ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Competence Center CHASE in Linz/Österreich; <a href="mailto:janos.birtha@chasecenter.at">janos.birtha@chasecenter.at</a>

DI Erich Hochreiter leitet die Entwicklung und Konstruktion von Plastifiziersystemen von Engel in St. Valentin; <a href="mailto:erich.hochreiter@engel.at">erich.hochreiter@engel.at</a>

Prof. Dr.-Ing. Georg Steinbichler ist Leiter Forschung und Entwicklung Technologie von Engel in Schwertberg/Österreich, und Vorstand des Instituts für Polymerspritzgießtechnik und Prozessautomatisierung an der Johannes Kepler Universität in Linz/Österreich; <a href="mailto:georg.steinbichler@engel.at">georg.steinbichler@engel.at</a>