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HOCHSCHULE FÜR TECHNIK

RAPPERSWIL

Kunststoffverarbeitung: Spritzgiessen

Werkzeugtechnik

Für die Herstellung von Formteilen in einem Arbeitsgang - dem

Spritzgiesszyklus - ist ein Werkzeug mit einer oder mehreren Formhöhlungen

notwendig.

Grundlegende Aufgaben des Werkzeuges:

• Schmelze aufnehmen,

• Schmelze verteilen,

• Schmelze ausformen,

• Schmelze abkühlen sowie

• das Spritzgussteil auswerfen.

Mit den folgenden Funktionskomplexen lassen sich die genannten Aufgaben

lösen:• Angussystem

• Formnest

• Entlüftung

• Temperierung

• Entformungssystem

• Führung und Zentrierung

• Maschinenaufnahme

• Kraftaufnahme

• Bewegungsübertragung

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Werkzeugfunktionen:

•Trennebene: Fläche zwischen Werkzeughälften

• Stangenanguss: zum Füllen des Formteils

• Kühlbohrungen: schnelle und homogene Kühlung

• Zentrierflansch: Positionierung des Werkzeuges

• Grundplatten sind etwas grösser zur Befestigung

durch Spannpratzen an den Maschinenaufspannplatten

(automatische Spannvorrichtungen)

• Zwischenplatte mit Kühlbohrungen

• Zwischenplatte gegen Durchbiegung (Mechanik)

• Auswerferbolzen zur Betätigung der Auswerferplatte

• Auswerfer zum Entformen des Formteils

• Rückdrückstift zur Rückführung der Auswerfer

Aufgaben des Spritzgiesswerkzeuges


[IKV]

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Grundlagen des Werkzeugbaus

Quelle: Gastrow

}Formteilgestalt, Anforderungen

Auftragsumfang, Stückzahl/Zeit

Anzahl der KavitätenAuswahl der

Spritzgiessmaschine

Ausführungsart des Werkzeugs

Standard Mehrkomponenten

Lage der Kavitäten

Sternverteilung ReihenverteilungSymmetrieverteilung

Spezial

Formteilgestalt, Anforderungen



Spritzgiessmaschine



Lage der Kavitäten


Anschnittart

Normal AbscherPunkt Film Scheibe Nadelverschluss

Temperiersysteme

Flächen Kerne

Entformungssysteme

Auswerfer Schieber

Rheologie

Schwindungsvorhersage Füllsimulation Verarbeitungsbedingungen

Formteilgestaltung Angusspositionierung

Entlüftungssysteme

Trennebene Kerneinsätze LamellenAuswerfer - Stifte

Kanäle Kanäle

Konstruktion

Werkzeugbaustoffe

Werkzeugestell Einsätze bzw. Werkzeugplatte Kerne

Durchhärtende Stähle

Einsatzstähle

Vergütungsstähle


Einsatzstähle

Nitrierstähle

Angussart

Normalanguss Heisskanal direktHeisskanal mit

Unterverteiler

Spezial

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Plattenwerkzeug

Quellen: Spritzgiesswerkzeuge (Menges), Hasco

a) Aufspannplatte SS

b) Entformungssystem

c) Formnest

d) Angusskanal

e) Aufspannplatte DS

Charakteristische Beschreibung:

- zwei Werkzeughälften

- eine Teilungsebene

- Öffnungsbewegung in eine Richtung

- Entformung durch Schwerkraft,

Hülse oder Stifte

Öffnungsrichtung:

Das Normalwerkzeug ist geeignet für Formteile aller Art ohne Hinterschneidung.

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Abstreifwerkzeug


a) Aufspannplatte SS

b) Abstreifplatte

c) Formnest

d) Angusskanal

e) Aufspannplatte DS


- Gleicher Aufbau wie das

Normalwerkzeug, jedoch Entformung

durch Abstreifplatte

Öffnungsrichtung:

Das Abstreifwerkzeug ist geeignet für becherförmige Teile ohne Hinterschneidung.

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Schieberwerkzeug


a) Entformungssystem

b) Steuerfinger

c) Formnest

d) Schieber

e) Angusskanal


- Gleicher Aufbau wie das

Normalwerkzeug, jedoch mit

zusätzlichem Schieber- und

Steuerfinger für Seitenbewegung

Öffnungsrichtung:

Das Schieberwerkzeug ist geeignet für flache Teile mit Hinterschneidung oder

äusserem Gewinde.

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Backenwerkzeug



b) Backenführungsplatte

c) Backe

d) Formnest

e) Angusskanal


- Aufbau ähnlich dem Normal-

werkzeug, jedoch mit zusätzlichen

Backen für Teile mit Hinter-

schneidung oder äusserem Gewinde

Öffnungsrichtung:

Das Backenwerkzeugwerkzeug ist geeignet für längliche und breite Teile mit

Hinterschneidung.

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Abschraubwerkzeug



b) Spindel

c) Zahnrad

d) Formkern

e) Formnest


- Drehbewegung des Gewindeform-

kerns durch eingebautes Getriebe

mechanisch betätigt

Öffnungsrichtung:

Das Abschraubwerkzeug ist geeignet für Teile mit innerem oder äusserem

Gewinde.

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Abreisswerkzeug (3-Plattenwerkzeug)

Quellen: Spritzgiesswerkzeuge (Menges)


b) Zuganker

c) Formnest

d) Angusskanal


- zwei Trennebenen

- Betätigung der Zwischenplatte durch

Klinkenzug oder Zuganker

- Unterteilte Öffnungsbewegung

Öffnungsrichtung:

Das Abreisswerkzeug ist geeignet für Teile mit automatischer Angussabtrennung.

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Formnestanordnung in der Trennebene


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Formnestanordnung in der Trennebene

Ungünstig ausgeführte Angussspinne

eines 24fach -Spritzgiesswerkzeugs

Günstig ausgeführte Angussspinne

eines 16fach -Spritzgiesswerkzeugs


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Quellen: Gastrow




Spritzgiessmaschine



Lage der Kavitäten


Anschnittart


Temperiersysteme

Flächen Kerne

Entformungssysteme

Auswerfer Schieber

Rheologie



Entlüftungssysteme


Kanäle Kanäle

Konstruktion

Werkzeugbaustoffe



Einsatzstähle

Vergütungsstähle


Einsatzstähle

Nitrierstähle

Angussart


Unterverteiler

Spezial

Anschnittart


Angussart


Unterverteiler}

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Angussystem

Das Angusssystem leitet die im Spritzgiesszylinder aufbereitete Schmelze in das Formteil und hat direkte

und indirekte Auswirkungen auf die Qualität des Formteiles. Vor diesem Hintergrund sollten diese

Aspekte vom Artikeldesigner und Werkzeugmacher bereits in der Konstruktionsphase berücksichtigt

werden, um einen unproblematischen Verarbeitungsprozess und eine konstante Bauteilqualität zu

garantieren.

Bei der Auslegung des Angusssystems steht das Bauteil im Vordergrund. Einflussgrößen bei der

Gestaltung des Angusssystems sind:

● Größe,

● Farbwechsel,

● zu erzielende Oberflächenqualität,

● mechanische Anforderungen,

● spezifizierter Thermoplast,

● Komplexität der Geometrie und

● Wirtschaftlichkeit.

Zu klein dimensionierte Kanäle und Angüsse führen zu einer übermässigen Belastung der Schmelze

durch hohe Scherung im Angusssystem. Dies kann im Extremfall zu einem chemischen Abbau der

Schmelze führen, der zur drastischen Reduzierung der mechanischen Leistungsfähigkeit und

Schlierenbildung im Anschnittbereich oder über das gesamte Formteil führt.

Quellen: Bayer AG

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Normalanguss

Die normalen Angusskanäle sind unmittelbar in die Werkzeugplatten, welche die Hauptrennebene bilden,

eingearbeitet. Die Temperatur entspricht daher der Werkzeugtemperatur und die im Kanal verbleibende

Schmelze erstarrt und muss bei jedem Schuss mit dem Formteil entformt werden.

Bei Thermoplasten kann das in den Verteilerkanälen erstarrte Material als Regranulat dem Prozess zum

teil wieder zugeführt werden.

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Normalanguss

Anwendungen:

• Bei geringen Stückzahlen

• Bei thermisch empfindlichen Materialen

• Bei Prototypen- oder Vorserienwerkzeugen

Vorteile:

• Keine Düsenbeheizung und somit keine zusätzliche heisse Stellen am Werkzeug

• Keine zusätzlichen Kosten für den Heisskanal

• Schnelle Farbwechsel

Nachteile:

• Der Druckverbrauch ist je nach Material und Fliessweglänge ist sehr hoch, welcher mit

Vergrösserung des Querschnitts kompensiert wird. Dabei wird der Anguss bestimmend für

den Zyklus.

• Je nach Material oder Anteil vom Schussgewicht geht das Angussmaterial verloren.

• Geringe Temperaturunterschiede bedingen sehr grosse Unterschiede der

Viskosität, deshalb ist es praktisch unmöglich die Forderung „Formmasse

gleichen Zustandes zu gleichen Zeiten in jede Kavität“ einzuhalten.

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Heisskanalsysteme, Vor- und Nachteile

Heisskanalverteiler sind verlängerte Einspritzdüsen in Form eines beheizten,

durch Wärmesperren vom kalten Werkzeug getrennten Blocks. Darin enthalten

sind Angussbuchse, Verteilerkanäle und die Düsen. Die Temperaturen liegen im

Schmelzbereich des verwendeten Kunststoffes.

Wirtschaftliche Vorteile:

• Einsparung von Angussmaterial und der Kosten für allfällige Nachbearbeitung der Angüsse

• Kürzere Zykluszeit, keine langsam erstarrenden Angüsse, Düsenabhub ist nicht mehr notwendig

• Kleinere Maschinen, das Schussvolumen wie auch die Zuhaltekräfte ist um die Angüsse kleiner

Wirtschaftliche Nachteile:

• Sehr viel aufwändiger und erheblich teurer in der Anschaffung

• Grössere Störanfälligkeit und höhere Wartungskosten


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Technologische Vor- und Nachteile

Technologische Vorteile:

• Automatisierbarkeit des Prozesses, dank dem Wegfall der Entformung der Angüsse

• Anschnitte an optimaler Stelle, dank gleichmässiger und genau geregelter Temperierung des

Angusssystems können längere Fliesswege realisiert werden

• Minimierter Druckverlust, da die Durchmesser der Angusskanäle nicht begrenzt sind

• Gezielte Beeinflussung der Werkzeugfüllung, Nadelverschlussdüsen und deren gezielte Betätigung

ermöglichen mit dem Kaskadenangussystem eine Vermeidung von Bindenähten und das Hinterspritzen

• Geringerer Öffnungshub als bei den konventionellen Dreiplattenwerkzeugen erforderlich ist

• Längere Wirkung des Nachdruckes was eine geringere Schwindung zur Folge hat

Technologische Nachteile:

• Gefahr der thermischen Schädigung von empfindlichen Werkstoffen aufgrund langer Fliesswege und

Verweilzeiten insbesondere bei langen Zykluszeiten

• Aufwendige Temperaturführung erforderlich, denn unterschiedliche Temperierung würde zu einer

ungleichmässigen Füllung führen


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Heisskanalsystem mit fünf Düsen zur Formfüllung einer

Stossfängerverkleidung mit rückseitiger Anspritzung.

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Beispiel Nadelverschlussdüse und Heisskanal

[Ewikon]

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Undichtheit bei Heisskanalsystemen

Die meisten Probleme sind nicht die

Ursache einer schlechten Konstruktion,

sondern Prozessparameter für welche das

System nicht ausgelegt wurde.

Häufigste Stellen der Undichtheit:

• Übergang Verteiler und Düsen;

• Übergang Düse und Kavität.

Ursachen der Undichtheit:

• Fertigungstoleranzen;

• Verarbeitungsparameter

(Druck,Temperatur);

• Wartung und Unterhalt.

Quelle: Husky Injection Molding Systems, Ltd.; IWK

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Werkzeugauslegung

Rheologisch: Füllung des Werkzeugs (Druckbedarf, Schliesskraft,

Schussvolumen, Schmelzetemperatur, Scherbelastung der

Schmelze, Balancierung, …)

Thermisch: gleichmässige Temperaturverteilung an der Formteiloberfläche;

schnelle Abkühlung für kurz Zykluszeiten

Mechanisch: Berechnung einer möglichen Durchbiegung, Kernverformung, …


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Terminologie des Angusses

1 Angusskegel

2 Hauptverteiler

3 Nebenverteiler

4 Anschnitt

5 Formteile


[Stitz]Wanddickenunterschiede im Haupt- und Nebenverteiler

Was fällt im Nebenverteiler auf?

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Mehrfachangüsse

Steckdosen aus Harnstoffharz

Lampenfassung aus Harnstoffharz

Schützteile aus Phenolharz


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Auslegungskriterien für das Angusssystem: Prozessbezogen

• Gleiches Druckgefälle über dem Fliessweg (Balancierung)

• Maximal zulässiger Fülldruck darf nicht überschritten werden

• Maximal zulässige Scherung des Materials darf nicht überschritten werden

• Angusskanaldurchmesser: ausreichende Nachdruckwirkung erzielbar?

nicht Zykluszeit bestimmend!

• Entformungsaufwand und Nacharbeit minimieren

• Angussmaterial minimieren (Abfallvermeidung)


Dies wird als rheologische Auslegung bezeichnet!

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• Vorzugsweise direkter Stangenanguss in das Zentrum des Teils

• Anschnitt an die dickste Wandstärke legen

• Anschnitte an hoch belasteten Stellen vermeiden

• Verteilerdurchmesser grösser als Teilewanddicke

• Anschnittdicke mindestens 50 % der Teilewanddicke

• Freistrahlbildung durch grosse Anschnittquerschnitte und Spritzen gegen

eine Wand verhindern

• Wenn mehrere Anschnitte notwendig, Bildung von Bindenähten beachten

• Filmscharniere möglichst quer Durchfliessen und Anschnitte asymmetrisch

setzen, sodass die Bindenaht ausserhalb des Scharniers liegt.

Auslegungskriterien für das Angusssystem: Formteilbezogen


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Angussarten

Der Anguss, insbesondere seine Gestalt, seine Abmessung und auch seine

Anbindung an das Formteil, beeinflussen den Füllvorgang. Je nach Geometrie

und Dimension des Spritzgiessteils, muss für eine ideale Formfüllung ein

geeigneter Anguss gewählt werden.

Die gebräuchlichsten Angussarten sind:

• Stangenanguss

• Punktanguss

• Tunnelanguss

• Filmanguss

• Ringanguss

• Schirmanguss


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Stangenanguss

Der Stangenanguss ist geeignet für temperaturempfindliche, hochviskose

Formmassen und Präzisionsteile mit grosser Wandstärke.


[EMS Chemie]

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Punktanguss

Der Punktanguss ist für dünnwandige Spritzgussteile geeignet, bei denen keine

Nachbearbeitung erwünscht ist.


[EMS Chemie]

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Tunnelanguss

Der Tunnelanguss ist der werkzeugtechnisch billigste und ein automatisch

abtrennender Anguss. Er wird häufig bei Mehrfachformen eingesetzt, wenn das

Formteil seitlich angespritzt werden kann.


[EMS Chemie]

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Filmanguss

Der Filmanguss wird für flächige Teile, wie Platten oder Leisten verwendet, wenn

Bindenähte die bei Mehrfachanschnitten auftreten würden, nicht zulässig sind.


[EMS Chemie]

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Ringanguss

Der Ringanguss eignet sich für ring- oder hülsenförmige Teile mit

beidseitiger Kernlagerung.


[EMS Chemie]

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Schirmanguss

Der Schirmanguss eignet sich für rotationssymmetrische Teile mit einseitiger

Kernlagerung


[EMS Chemie]

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Richtige Anschnittlage

Die Anschnittlage ist ausschlaggebend für den Fliessfrontverlauf, die

Nachdruckwirksamkeit und somit für Festigkeit und Eigenschaften des Spritzlings.


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Die Auswahl des Angusses ist nicht nur von der

Bauteilgeometrie, sondern auch von der Formmasse und der

zur Verfügung stehender Spritzgussmaschine abhängig.

Neigt eine Formmasse zu Verzug, so ist

es besser einen Filmanguss, als einen

Punktanguss zu wählen.

Je nach dem wie die Spritzeinheit auf der

Spritzgussmaschine angeordnet ist, muss

der Anguss senkrecht oder horizontal

angeordnet werden.

Quellen: Der Spritzgiesswerkzeugbau (Gastrow)


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Kaskadenspritzgiessen

Bei der Kaskadenanspritzung werden Nadelverschlussdüsen so geöffnet und

geschlossen werden, dass die Fliessfront stets von der zuletzt erreichten Düse

gespeist wird.

Dies ermöglicht:

• Vermeidung von Bindenähten

• Hinterspritzen

• Mehrfachwerkzeuge mit geometrisch und volumenmässig unterschiedlichen

Formnestern

• Gesteuerte Volumenbalancierung Verschieben der Bindenaht


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Düse 1 Düse 3Düse 2

Ohne Kaskadensteuerung

Mit Kaskadensteuerung

Düse 1 Düse 3Düse 2Durch das konventionelle Spritzgiessen entsteht eine Bindenaht

mit Lufteinschluss am Zusammenfluss zweier Schmelzefronten.

Formteilfüllung ohne Kaskadensteuerung


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Eine Kaskadensteuerung der Nadelverschlussdüsen ergibt

eine einheitliche Schmelzfront ohne Bindenähte im Formteil.

Mit Kaskadensteuerung

Düse 1 Düse 3Düse 2

1. Öffnen der mittleren Düse und

Füllen der Form

2. Öffnen der beiden äusseren Düsen

und Restfüllung der Form

3. Nachdruckphase und Verschliessen

der Düsen


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Quellen: Gastrow




Spritzgiessmaschine



Lage der Kavitäten


Anschnittart


Temperiersysteme

Flächen Kerne

Entformungssysteme

Auswerfer Schieber

Rheologie



Entlüftungssysteme


Kanäle Kanäle

Konstruktion

Werkzeugbaustoffe



Einsatzstähle

Vergütungsstähle


Einsatzstähle

Nitrierstähle

Angussart


Unterverteiler

Spezial

}

Temperiersysteme

Flächen Kerne

Entformungssysteme

Auswerfer Schieber

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Temperierung und Kühlung von

Spritzgiesswerkzeugen

Je nach Art des zu verarbeitenden Werkstoffes muss dem

Spritzgiesswerkzeug Wärme zu- und abgeführt werden. Diese Aufgabe wird

von der Werkzeugtemperierung übernommen.

[Stitz]

Wärmestrombilanz am Werkzeug:

UHFTM QQQQ

Alle Fragen zum Thema Wärmehaushalt im

Spritzgiesswerkzeug werden in der thermischen

Werkzeugauslegung behandelt!

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Ziele der thermische Werkzeugauslegung


• Werkzeugtemperatur so tief wie möglich, aus wirtschaftlichen Gründen

• Werkzeugtemperatur so hoch wie nötig für eine ausreichende

Formteilqualität

• Gleichmässige Abkühlung des Formteils unter Berücksichtung der

Wanddicken

• Zeitliche Konstanz der Werkzeugtemperaturen

• Niedrige Herstell- und Betriebskosten

Die Erfahrung zeigt, dass sich durch eine optimierte Werkzeugkühlung

Einsparpotentiale von 10-40 % im Spritzgießprozess erzielen lassen

Quelle: Bayer MaterialScience AG

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Temperiersystem

Das Temperiersystem besteht aus drei Komponenten:

Temperierkanalsystem im Werkzeug,

Kühlmittel und

Temperiergerät.

Zur Erzielung einer optimalen Werkzeugtemperierung

müssen die drei Komponenten bestimmte Bedingungen

erfüllen:

• Lage der Temperierkanäle

• Größe der Temperierkanäle

• Temperaturdifferenz

• Kühlmittel und Temperiergerät

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Werkzeugkühlung

Quellen: EMS-Grivory

Die Werkzeugkühlung hat zum Ziel, eine möglichst gleichmässige Temperatur-

verteilung über die Kavitätsoberfläche zu garantieren. Nur durch eine gute

thermische Auslegung des Spritzgiesswerkzeuges lässt sich eine hohe Formteil-

qualität bei kurzen Spritzzyklen erreichen.

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Arten von Temperierkanälen

• Konventionelle Kühlbohrungen

• Einsätze aus Kupfer-Beryllium oder

Wärmeleitstiften

• Gefräste Kühlkanäle

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• Konventionelle Kühlbohrungen

• Einsätze aus Kupfer-Beryllium

oder Wärmeleitstiften

• Gefräste Kühlkanäle

[Stitz]

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Temperiersystem

Einfluss von Temperaturdifferenzen

Quellen: Bayer MaterialScience AG

Wärmebilder nicht optimal temperierter Werkzeuge

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Selective Laser Melting: Schichtweiser Einsatzaufbau mit konturnaher

Temperierung

x-y Scanner Laser

Laser Beam

Levelling System

Inert

Gas

Window

Metal Powder

Part

Retractable

Platform

Part

Laser Beam

Powder

x-y Scanner Laser

Laser Beam

Levelling System

Inert

Gas

Window

Metal Powder

Part

Retractable

Platform

x-y Scanner Laser

Laser Beam

Levelling System

Inert

Gas

Window

Metal Powder

Part

Retractable

Platform

Part

Laser Beam

Powder

[ILT, MCP]

[FH St. Gallen]

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Bauzeit: 15 h

Härte: 54 HRC

Selective Laser Melting

Prozessablauf

1) Das .stl – File (3D Daten) wird in 30 m dicke Schichten aufgeteilt.

2) Der ND-YAG Laser schmilzt eine Metall-pulverschicht auf und verschweisst diese mit dem bereits aufgebauten Untergrund (Stahl, in Zukunft Titan, Aluminium).

3) Nach jeder Schicht wird die Bauplattform um eine Schichtdicke nach unten verfahren und eine neue Pulverschicht aufgetragen.

Einsatz für Spritzgiesswerkzeug

[FH St. Gallen]

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Werkzeugkühlung


Serienkühlung durch

Trennblech

Parallelkühlung durch

Sprudler

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Werkzeugkühlung


Kühlkreis der Kernkühlung eines Kühlschrankboxwerkzeugs

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Auswerfer und Entformungsarten

Quellen: Spritzgiessen (Menges)

Die Art der Auswerfer ist von der Formteilgestaltung abhängig. Dabei sollte die

Flächenpressung auf die auszuwerfende Formteilpartie so gering wie möglich

sein, um Deformationen zu vermeiden.

Zur Entformung werden folgende Auswerferarten verwendet:

• Auswerfstifte

• Flachauswerfer

• Auswerfhülsen

• Abstreifplatten, Abstreifringe, Abstreifleisten

• Schieber-Backen

• Teller- oder Pilzauswerfer

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Entformung mittels Auswerferstiften

a) Auswerferbolzen

b) Auswerferplatten

c) Auswerferstifte

Spritzgiesswerkzeug mit Auswerfstiften

Quellen: Kunststoffverarbeitung (Schwarz)

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Entformung mittels Abstreifring

1) Auswerferbolzen

2) Auswerferplatten

3) Abstreifring

4) Spritzgussteil

5) düsenseitige

Werkzeughälfte

Spritzgiesswerkzeug mit Auswerfvorrichtung in Form

eines Abstreifringes


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Entformung mittels Druckluft

1) Lufteintritt

2) Luftaustritt

Mit Druckluft arbeitendes Auswerfsystem am Beispiel

eines Becherwerkzeugs


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Abhängigkeit des Entformungsprinzip

Durch die Konizität des linken Spritzgussteils ist eine Entformung durch Öffnen

des Werkzeuges in einer Richtung gegeben. Die Hinterschneidungen des rechten

Spritzgussteils machen eine zusätzliche Entformungsbewegung erforderlich. Mit

dem Öffnen des Werkzeuges geben die seitlich angeordneten Schieber die

Hinterschneidungen frei.


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Entformungsarten


Zum Entformen von Hinterschnitten sind im allgemeinen Schieber notwendig.

Innere Hinterschneidungen lassen sich durch Faltkerne entformen. Um Gewinde

zu entformen verwendet man:

• Backen

• Faltkerne

• Schraubkerne

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