Kunststoff-Zentrum in Leipzig gGmbH (KUZ)


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Geförderte Projekte: 27


Insert- und Outserttechnik – Fertigung hybrider Mikrobauteile durch Mikrospritzgießen mit angepasster Maschinentechnik


Vertikaler Maschinenaufbau mit Einlege- und Entnahmehandling sowie hybriden Spritzgießdemonstrator
Vertikaler Maschinenaufbau mit Einlege- und Entnahmehandling sowie hybriden Spritzgießdemonstrator

Projektidee

Die Herstellung hybrider Bauteile als reine Kunststoff-Verbundteile oder in der Kombination von Kunststoffen mit anderen Werkstoffen (Metalle, Gläser und anderen) im Spritzgießprozess ist in der Kunststoffverarbeitung seit langem etabliert und findet eine immer weitere Verbreitung. Mit der Forderung, in zunehmendem Maße hochintegrierte Teile in immer kleinerem Größenmaßstab zu fertigen, wird die übertragung der positiven Eigenschaften des Montagespritzgießens auf Bauteile mit kleinen Abmessungen (in der Größenordnung einiger Millimeter) interessant. Jedoch ist durch den vorherrschenden standardmäßigen Horizontalaufbau der Maschinentechnik und eine ungleichmäßige Schließbewegung des Spritzgießwerkzeuges eine Lageänderung oder sogar ein Herausfallen des Einlegers nicht auszuschließen. Dies kann zur Beschädigung der oft sehr teuren Werkzeugkavität führen. Damit besteht eine höhere Hürde zum Durchbruch als Massenprodukt für hybride Mikroteile als dies bei anderen Mikroformteilen der Fall ist.
Die angestrebten wissenschaftlichen und technischen Arbeitsziele des Projektes bestehen in der Entwicklung neuer technischer und technologischer Lösungen zum Mikrospritzgießen von hybriden Mikroteilen, die den Aufwand bis zur Markteinführung als Massenprodukt und die Ausschussquote bei der Fertigung deutlich reduzieren. Basis des Projektes bildet dabei die modulare Maschinenplattform Kolbenspritzeinheiten mit „formica Plast„, die am KuZ für das Mikrospritzgießen entwickelt wurde. Ein neuer vertikaler Maschinenaufbau soll das Einlegehandling bedeutend vereinfachen und durch die Ausnutzung der Schwerkraft ein sicheres Halten während der Schließbewegung des Werkzeuges gewährleisten.
Ergebnisse: Resultierend aus einer Recherche über die am Markt verfügbaren hybriden Mikrobaugruppen, muss die zukünftige vertikale Maschinentechnik in eine Anlage integrierbar sein, welche beispielsweise im Aufbau einem Rundtaktsystem entspricht und die barrierefreie Zuführung von Einlegeteilen oder zu umspritzenden Endlosbändern ermöglicht. Die barrierefreie Zuführbarkeit erfordert einen speziellen Maschinenaufbau in einem offenen C-Gestell-Rahmen, so dass keinerlei Säulenführungen den kleinen Werkzeugraum einschränken. Mit der Forderung der Verarbeitung von Endlosbändern besteht die Notwendigkeit einer feststehenden unteren Werkzeughälfte (auswerferseitig). Dadurch werden auch unnötige Fahrbewegungen der eingelegten Inserts vermieden, so dass die Gefahr der Lageänderung infolge der Schließbewegung des Werkzeuges nicht mehr besteht.

Die Schließeinheit wurde düsenseitig hinter der Spritzeinheit angeordnet. Damit konnte die Auswerferseite des Werkzeuges als feste Seite ausgelegt werden. Mit einem servoelektrischen Antrieb wird die Schließbewegung realisiert. Dieser Antrieb kann maximal eine Schließkraft von 26 kN aufbringen. Dies ist das 2,5-fache der bisherigen horizontalen Standardlösung. Daraufhin erfolgte die Auslegung des vertikalen Maschinengestells mittels FEM-Berechnungen.

Der Werkzeugaufbau der vertikalen Maschine wurde so konzipiert, dass er in den Kernkomponenten kompatibel zum Stammwerkzeugkonzept der horizontalen Standardmaschine ist. Infolge der Besonderheiten des vertikalen Aufbaus der Maschine und der höheren möglichen Schließkräfte mussten die Aufspannplatten auswerfer- sowie düsenseitig neu gestaltet werden. Um eine Lagefixierung des Einlegers im Werkzeugeinsatz zu erreichen, wurde ein schräg geführter Klemmschieber entworfen, der während des Einlege- und Entnahmevorgangs synchron mit dem Handling gefahren wird. In der eingefahrenen Position fixiert dieser den Einleger mechanisch außerhalb der Spritzgießkontur. Somit wird eine sichere Lagerung während der Greiferöffnung des Handlings garantiert und einer evtl. auftretenden Anhaftung an den Greiferbacken entgegengewirkt.

Auf Grund der Erfordernisse einer exakten Positionierung der Einlegeteile im Werkzeug und auch der geometrischen Abmaße wurde ein 6-achs Knickarmroboter als flexible Lösung für das Einlege- und Entnahmehandling installiert. Eine Besonderheit stellt der Greifkopf des Handlings dar, welcher drei kleine Greifelemente aufweist. Ein Miniaturgreifer dient dem Entnehmen der Einleger aus einer Entnahmestation (2 Tray`s mit je 120 Einlegern) und dem Einlegen in das geöffnete Werkzeug. Der zweite Miniaturgreifer wird nach einer 180°-Drehung des Greifkopfes für die Entnahme des gespritzten Formteiles nach Werkzeugöffnung eingesetzt. Der mit der Werkzeugöffnungsbewegung abgetrennte Angussanteil wird dabei mit einem kleinen pneumatischen Miniaturzylinder gegriffen und einzeln abgelegt.
Fazit: Eine neuartige vertikale Maschinenplattform für das Spritzen von hybriden Mikroformteilen wurde entwickelt und mit dem Bau eines Prototypen realisiert. In Spritzgießversuchen mit anwendungsnahen Formteilen wurde die Praxistauglichkeit untersucht und erfolgreich getestet. Mit einer Konstruktions-Systematik wurden die Erfordernisse des Mikrospritzgießens in den einzelnen Modulbaugruppen umgesetzt und die Besonderheiten bei der Umspritzung von Einlegeteilen mit Kunststoff berücksichtigt. Dabei konnte über Simulationsrechnungen der kraftbeanspruchten Bauteile die minimal mögliche Baugröße ermittelt werden. Die Möglichkeit des manuellen Handling aller Modulbaugruppen auf dem Maschinenrahmen begünstigt die schnelle Umrüstung der Maschine von der Standardanwendung auf spezialisierte Verfahren des Mikrospritzgießens.

Kundennutzen

Einige Gründe für den Einsatz der Hybridtechnologie sind:

  • Kombination unterschiedlicher Werkstoffe und deren spezifischer Eigenschaften zu einem funktionsintegrierten Verbundbauteil,
  • Ermöglichung gänzlich neuer Bauteilkonstruktionen,
  • hohes Rationalisierungspotenzial durch die Einsparung aufwändiger Montage-, Handling- oder Vorbehandlungsschritte,
  • einfache Integration von zum Beispiel Metall-Elementen in Kunststoffbauteile (Insert- oder Outsert-Technologie),
  • bessere mechanische Eigenschaften des Verbundbauteils durch Nutzung des Formschlusses beim Umspritzen von Einlegeteilen,
  • höhere Steifigkeit und Festigkeit, zum Beispiel durch Verstärkung von Kunststoffteilen mit Metallteilen,
  • niedrigere Endkosten des fertigen Bauteils.

Die Hybridtechnologie wird zukünftig für viele mikromechanische oder elektronische Baugruppen an Bedeutung zunehmen. Hier zählen dieselben Vorteile wie beim Mehrkomponentenspritzguss von Mikrobauteilen. Hauptsächlich kann ein kompletter aufwändiger Montagezyklus bei der Herstellung von komplexen Baugruppen eingespart werden. In vielen Fällen kann eine überwachung der Spritzgießparameter eine 100 %ige Online-Prüfung der montierten Baugruppe ersparen. Ein bedeutender Vorteil ist der hohe Grad der Raumausnutzung, um 2 unterschiedliche Materialien miteinander zu kombinieren. Es entfallen sonst notwendige konstruktive Verbindungselemente, wie z. B. Rastnasen. Die Kontur des Spritzlings kann dem zufolge einfacher gestaltet werden.

Die Zielmärkte für hybride Mikroformteile kommen vor allem aus den Anwendungsgebieten Medizin- und Kommunikationstechnik, dem Automobilbau, der Elektrotechnik oder auch der Anlagentechnik. Es ist in den letzten Jahren zu beobachten, dass die Innovationen der Bereiche Mikrotechnik / Mikrosystemtechnik deutlich zu den Umsatzsteigerungen und zu der Wettbewerbsfähigkeit dieser Branchen beitragen und damit auch eine standortsichernde Funktion erfüllen.

Ausblick

Die Realisierung einer Serienproduktion von kleinen Baugruppen erfordert aus handhabetechnischen Gründen den Einsatz von Rundtaktsystemen, welche signifikant die Zykluszeiten bei der Bauteilmontage senken. Aus diesem Grund ist eine vertikale Anordnung der Spritzgießmaschine optimal für eine bessere Integration in das Rundtaktsystem. Eine Kombination mehrerer Spritzgießanlagen um einen Rundtisch angeordnet ermöglicht die Fertigung von hybriden Mehrkomponententeilen. Denkbar wären dazu noch Prüf- und Montagestationen um den Rundtisch verteilt. Auch eine Kombination der vertikalen Mikrospritzgießmaschine mit einer vorgeschalteten Stanzeinheit zur Fertigung von Einlegeteilen oder Endlosstreifen in einer Fertigungsstraße ist vorstellbar. Ein weiteres Konzept verfolgt die Optimierung der Zykluszeit des Spritzgießprozesses. Um ein gleichzeitiges Spritzen und Bestücken des Werkzeuges zu ermöglichen wurde ein Drehteller für die auswerferseitige Aufspannplatte entworfen. Auf dem Drehteller sind zwei Werkzeughälften befestigt. Eine Werkzeughälfte ist dabei in der Spritzachse positioniert, während die andere, um 180° versetzt, außerhalb des Werkzeugraums mit dem Einlegehandling bestückt werden kann. Nach erfolgten Spritzgießzyklus erfolgt der Schwenk um 180° zur Entnahme der Formteile aus dem bespritzten Werkzeug und erneutem Bestücken mit Einlegern, während gleichzeitig die vorher bestückte Werkzeughälfte bespritzt wird. Es ist mit diesem Konzept eine Zykluszeitverkürzung um ca. 50 % möglich.

Bei etablierten Produkten wird die Effizienzsteigerung der Produktionstechnik verlangt. Hierzu trägt erstens die Präzision der Spritzeinheiten mit einer minimierten Ausschussquote bei, zweitens erlauben die miniaturisierten Maschinenkomponenten eine sehr flexible Maschinenkonfiguration. Zusammengefasst steht nach dem Projektende erstmalig ein vertikales Mikrospritzgießmaschinenkonzept mit einem optimal angepassten, aufgabenspezifisch konfigurierbaren Handling für hybride Mikroformteile zur Verfügung, welches sowohl einen Markeintritt als auch die Produktionsausweitung zum Massenprodukt erlaubt.

Stand: 10.01.2014
Projektdaten aktualisiert: 01.12.2013

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