Donnerstag, 22. Januar 2015

XPress 1405

Heißkanal-Systeme


Abb. 1, Heißkanalsystem
Die Aufgabe eines Heißkanal-Systems besteht darin, das Material von der Maschinendüse bis zum Anschnitt im schmelzeflüssigen Zustand zu halten.
Die Schmelze soll möglichst isotherm bis zum Anschnitt gelangen. 

Die kritischen Bausteine in einem Heißkanal-System sind die einzelnen Düsen. 
Aufgrund langer Fließwege, zu gering dimensionierter Schmelzekanäle und hoher Schergeschwindigkeiten kann es zur thermischen Schädigung des Materials kommen. Eine unzureichende thermische Trennung zwischen der heißen Düse und dem kälteren Spritzgießwerkzeug führt zu einem stetigen Aufheizen des Werkzeugs im Prozess. Dadurch ändert sich das Erstarrungsverhalten im Anschnittbereich und damit die Qualität des hergestellten Formteils.

Eine wichtige Kenngröße in diesem Zusammenhang ist die sich einstellende transiente Wärmestromdichte [W/m²] in der Düse.

Abb. 2, Heißkanaldüse
Die Düse ist das anspruchsvolle Element innerhalb des Heißkanal-Systems.
Von besonderem Interesse ist das sich dort einstellende Temperaturfeld und dessen Einfluss auf die Schmelze.
Je nach zugeführter Energie und Verweilzeit der Schmelze in der Düse, kommt es zur Ausbildung von hohen Temperaturdifferenzen. 

Diese wirken sich negativ auf die Verarbeitungsbedingungen und die Qualität des Formteils aus.
Mit Hilfe der Simulation ist es möglich den gesamten Wärmehaushalt im Spritzgießwerkzeug zu ermitteln. 

Daraus lassen sich zum Beispiel Rückschlüsse auf die Qualität der thermischen Trennung zwischen Heißkanaldüse und Werkzeug ziehen.


Auswahl einer Heißkanaldüse

Bei der klassischen Auswahl einer Heißkanaldüse wird zuerst ermittelt, welche Art von Material verarbeitet werden soll. Dabei wird unterschieden zwischen leicht, mittel und schwer fließenden Materialien.

Beispiele dazu sind:
  • leicht fließend: LDPE, LCP, PP
  • mittel fließend: ABS, PBT, PA
  • schwer fließend: PC, PMMA, PEEK

Danach wird über die Anzahl der einzusetzenden Düsen und dem sich daraus ergebenden maximalen Schussgewicht eine Düse mit einer entsprechenden Anschnittbohrung gewählt. 

Diese Methode eignet sich, um eine erste Vorauswahl zu treffen, welche als Basis für die Durchführung einer Simulation herangezogen werden kann. 

In der Simulation wird der Wärmestrom innerhalb der Düse berechnet und deren Wechselwirkung mit dem Spritzgießwerkzeug einbezogen.

Für den Werkzeugkonstrukteur sind folgende Kenngrößen wichtig:
  • ausreichend dimensionierter Schmelzekanal
  • ausreichende Anschnittbohrung
  • Qualität der thermischen Trennung zwischen Düse und Werkzeug
  • Druckverlust im Heißkanal-System

Abbildung 1, Heißkanalsystem:
CAD Daten eines Heißkanalsystems und Simulationsergebnisse einer Heißkanaldüse.
Ist die Entscheidung für den Einsatz eines Heißkanalsystems gefallen, gilt es zuerst die richtige Position zur Anbindung am Formteil zu finden. Die Düsen können direkt oder über einen KaltkanalUnterverteiler, der seinerseits am Formteil angebunden ist, gesetzt werden. 

Ist der Einsatz einer Kaskadenschaltung geplant, lassen sich die richtigen Schaltzeiten durch eine Simulation ermitteln. Parallel dazu wird die Temperatur der Schmelzefront analysiert um Stagnationen im Schmelzefluss zu erkennen und zu beseitigen. 

Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Betrachtung der Temperaturführung im Innern der Düse. So kann z.B. am Schmelzeeintritt eine Temperatur von 300°C gegeben sein die in Düsenmitte auf 340°C ansteigt und am Anschnitt nur noch 270°C beträgt.