Neue Maschinen, Werkstoffe und Verfahren

MMS: Modulares Produktionssystem für Metall-Kunststoff-Miniaturteile

Das niederösterreichische Werkzeug- und Anlagenbau-Unternehmen MMS-Modular Molding Systems GmbH & Co KG ist seit 2008 auf die Anlagentechnik zur Großserien-Herstellung von Metall/Kunststoff-Verbundteilen fokussiert. Das charakteristische Merkmal der Anlagen ist, dass sie aus einem modularen System-Baukasten heraus ganz individuell auf die jeweilige Bearbeitungsfolge abgestimmt werden können, und das sowohl in linearer, als auch in Rundtakt-Konfiguration. Damit bietet das MMS-System alle Optionen, sowohl für die Hybridteile-Fertigung auf der Basis von Stanzstreifen, als auch auf der Basis von zugeführten Einzelteilen oder Baugruppen. Der nachstehende Technologiebericht gibt einen Überblick über dessen Potenziale und Möglichkeiten.

Abb.0 MMS-Produktbeispiel

Metall-/Kunststoff-Verbundteile werden in großer Zahl und Variantenvielfalt in nahezu allen Industriezweigen eingesetzt. Die Anlagentechnik dafür ist die Kompetenz des niederösterreichischen Unternehmens MMS. Foto: MMS

Mit Beginn des Elektronik-Zeitalters vor rund 50 Jahren begannen mechanische und elektrisch/elektronische Funktionen näher zusammenzurücken. Begünstigt wurde dies vor allem durch die parallel dazu entwickelten Kunststoff-Werkstoffe. Ihre besondere Eigenschaftskombination eröffnete bis dahin ungekannte Möglichkeiten zur Umsetzung innovativer Gerätedesigns und multifunktionaler Bauteile. Damit war der Weg für eine Miniaturisierung bei Geräten und Komponenten bereitet.

Miniaturisierung und steigende Funktionsdichte

Möglichst weitgehende Multifunktionalität ist der Megatrend der aktuellen Produktentwicklung, der nicht zuletzt von den Kostenzielen der Marketing- und Produktionsabteilungen befeuert wird. Daraus leitet sich ein Trend zu Hybridteilen ab, die die für einen Anwendungszweck best-geeigneten, Eigenschaften in sich vereinigen.Beispiele für Metall/Kunststoff-Hybridteile sind Elektro-Steckverbinder, Relais-Gehäuse, Sensoren oder Medizintechnik-Komponenten. Die Produktionstechnik für derartige Kombinationsteile, ist der Fokus des niederösterreichischen Technologieentwicklers, Anlagen- und Werkzeugbauers MMS. Abgestimmt auf die unterschiedlichen Anforderungen in dieser Teileklasse baut die MMS-Anlagentechnik auf einem umfassenden Modulsystem an Bearbeitungsstationen sowohl für die Metall-Blechstreifen-Bearbeitung als auch den Kunststoff-Spritzguss auf und ist sowohl für eine lineare, als auch eine zirkulare Prozessfolge verfügbar.

Abb.1a MMS-Produkt_Linearanlage

Abb.1a+b: Das modulare Stanz- und Spritzgießsystem ist sowohl für eine lineare, als auch kreisförmige Bearbeitungsfolge verfügbar. Hier ein Beispiel für eine Linearanlage inklusive typischem Produkt. Abbildungen: MMS

Abb.1b MMS-Linearanlage

Linearsystem für Metallband-Durchlauf

Linearsysteme nutzen für den Teiletransfer durch alle Bearbeitungsstufen das von einer Rolle zugeführte Metallband. Es wird in individuell abgestimmten Vorschubschritten (abhängig von der Fachzahl pro Arbeitstakt) durch die verketteten Bearbeitungsstationen geführt und in diesen sequenziell aber synchron bearbeitet, z.B. durch Stanzen oder Biegen, Hinzufügen von Kunststoffpartien, Beschriften, Prüfen und Verpacken in Transport-Trays. Sämtliche Bearbeitungsstationen besitzen jeweils einen eigenen Antrieb und können innerhalb eines vorgegebenen Systemrasters in beliebiger Reihenfolge kombiniert werden (Abb.1 a+b).

Präzisions-Spritzguss von Kleinmengen

Abb.2 MMS-Spritzaggregat

Abb.2: Detailansicht der MMS Plastifizier-/Spritz-Einheit. Das obere 18 mmm Plastifizier-Aggregat fördert die Kunststoff-Schmelze in eine Schubschnecken-Spritzeinheit.

Einer dieser Module ist die Kunststoff-Spritzgieß-Station. Sie ist die Kompaktversion einer Vertikal-Spritzgießmaschine und besteht, wie diese, aus einer Schließeinheit und einer Plastifizier-/Spritzeinheit. Letztere besteht aus zwei unabhängigen, über Servomotoren angetriebene Schnecken-Aggregaten und ist im Standardfall in Vertikalposition auf der Werkzeugträgerplatte aufgebaut (Abb. 2).

Die Plastifizierstufe arbeitet mit einer 18-mm-Schnecke, die zur Verarbeitung von Standard-Granulaten geeignet ist. Daran schließt sich die Einspritzstufe in Form eines zweiten Schneckenkolben-Aggregats mit einem Schussvolumen von bis zu 12 cm³ an. Der Einspritzschnecken-Durchmesser kann, je nach Schussgewicht und Bauteilgröße, im Bereich von 10 bis 16 mm gewählt werden. Insgesamt sind Schussgewichte zwischen 1 und 16 g realisierbar. Verarbeitet werden können alle technischen Kunststoffe wie Polyamide oder POM, aber auch Hochleistungsthermoplaste wie LCP, PPS, PPA bis zu PEI. Die Notwendigkeit, letztere Kunststoffe verarbeiten zu können, ergibt sich aus der zunehmenden Anforderung an eine höhere Temperatur-beständigkeit sowohl im Einsatzbereich als auch bei der Weiterverarbeitung in Lötstraßen, wo aufgrund des Einsatzes bleifreier Legierungen Temperaturen von über 250°C auftreten.

Für Mehrkomponenten-Anwendungen oder den sequenziellen Montage-Spritzguss können auch zwei Spritzaggregate gleichzeitig eingesetzt werden.

Simultanhub-Schließeinheit für Linear-Anlagen

Abb.3 MMS-Schlie+ƒmodul

Abb.3: Detailansicht einer Portalrahmen-Schließeinheit mit einer vertikal angebauten Plastifizier-/Spritz-Einheit. Charakteristisches Merkmal ist, dass beide Werkzeughälften simultan öffnen und schließen, sodass der Stanzstreifen auf konstanter Höhe weitergeschoben werden kann.

Als Schließeinheit sind zwei Systeme mit jeweils 200 kN Schließkraft verfügbar. System 1 ist eine auf die Metallstreifen-Verarbeitung im Linearsystem abgestimmte Portalrahmen-Schließeinheit. Dazu MMS-Inhaber Peter Buxbaum: „Die Durchführung des Stanzstreifens durch das Spritzgießwerkzeug stellt besondere Anforderungen an die Schließeinheit. Die wesentlichste Vorgabe ist, das Metallband nach jedem Spritzzyklus direkt, d. h. ohne Ausheben, weiterschieben zu können. Um dies zu ermöglichen, müssen, anders als beim Standard-Spritzguss, beide Formplatten des Spritzgießwerkzeugs einen simultanen Öffnungshub machen. Dafür haben wir eine aus dem Stanzformenbau abgeleitete Simultan-Hub-Schließeinheit entwickelt.“ (Abb. 3).

Doch damit nicht genug. Die Synchronisation der ungleich schnelleren Metallbearbeitung mit dem Kunststoff-Spritzguss stellte eine zusätzliche Herausforderung dar, wie Peter Buxbaum erläutert: „Um die Zykluszeitunterschiede überbrücken zu können, haben wir eine patentierte Betriebsweise, das sogenannte „Multihub-Prinzip“, entwickelt. Dabei werden mit den Metallbearbeitungsstationen jeweils nur so viele Stanzhübe gemacht, die der Fachzahl des Spritzgießwerkzeugs entsprechen. Gestanzt wird ausschließlich in der Pausenzeit zwischen zwei Spritzgießzyklen und zwar mit Hochgeschwindigkeit auf Präzisions-Folgeschnitt-Werkzeugen. Nach jedem Arbeitstakt wird das Metallband bei geöffnetem Spritzgießwerkzeug so weit vorgeschoben, bis dessen Fachzahl erreicht ist. Nach dem Schließen des Spritzgießwerkzeugs steht die Stanzeinheit bis zum Start des nächsten Spritzgießzyklus still. In dieser Stillstandszeit können aber weitere vor- und nachgelagerte Bearbeitungen am Stanzstreifen, wie Schweißen, Biegen, Beschriften, Montieren,Prüfen und/oder Verpacken durchgeführt werden. Insgesamt schaffen wir dadurch sehr kurze Zykluszeiten.“

Abb.4 MMS-SG-Modul

Abb.4: Detailansicht des Spritzgießmoduls für die Rundtaktanlage mit 3-Säulen-Schließeinheit mit unten liegendem Hubantrieb und vertikal oben positioniertem Spritzaggregat. Foto: Technokomm

System 2 ist eine auf die Rundtakt-Verarbeitung abgestimmte 3- oder 4-Säulen-Schließeinheit, durch die ein ringförmiger Rundtisch mit zwei oder mehr Werkzeug-Unterteilen geführt wird (Abb. 4).

Rundtaktanlagen mit konzentrisch positionierten Bearbeitungsstationen

Abb.5 MMS-Zirkularanlage

Abb.5: Schematische Darstellung einer Rundtakt-Anlage. Zentrale Komponente ist ein Rundtisch mit Servomotor-Antrieb, auf dem sich Werkstückträger und/oder Spritzgießwerkzeuge befinden. Rund um den Rundtisch sind Bearbeitungsmodule positioniert. Den Teiletransfer zwischen den Bearbeitungs- und Transportstationen übernehmen Servo-Roboter. Der Vorteil des Konzeptes ist seine Platz sparende Bauweise. Grafik: MMS

Rundtaktsysteme sind auf die Verarbeitung von vorgefertigten oder vormontierten Einzelteilen oder Platinen ausgerichtet. Zentrales Element ist ein Ein- oder Mehrstationen-Rundtisch mit Servomotor-Antrieb, wie er beispielsweise auch in Vertikal-Spritzgießmaschinen eingesetzt wird. Konzentrisch um diesen sind die modularen Bearbeitungsstationen positioniert. Den Teiletransfer übernehmen bei diesem Anlagenkonzept ein oder mehrere Handling-Roboter.

Abb.6 MMS-Anlage-Detail

Abb.6: Detailansichten des ringförmigen Rundtisch-Moduls mit zwei 8-Kavitäten-Spritzgießwerkzeug-Unterteilen. Foto: Technokomm

Abb.7 MMS-Anlage-Gesamtansicht-4

Abb. 7 zeigt die Kombination des Rundtisches mit den außen positionierten Metallbearbeitungs-Stationen. Den Teiletransfer übernehmen jeweils Handling-Roboter. Foto: Technokomm

Als verarbeitete Metallteile kommen entweder bereits vorgefertigte Einzelteile, die mittels Paletten und Roboter eingeschleust werden oder die von einer, unmittelbar der Rundtaktanlage vorgelagerten, Stanzstation produziert werden. Nach dem Spritzgießen werden die Teile wieder mittels Roboter entnommen und anschließend an eine Prüf- bzw. eine Palettier- und/oder Verpackungsstation weitergegeben (Abb. 5, 6 und 7). Der beschriebene Arbeitsablauf ist nur ein mögliches Ausführungsbeispiel. Auch die Kombination mehrerer Spritzgießmodule innerhalb einer Transferanlage ist möglich, um Metallteile in zwei Stufen bzw. mit zwei unterschiedlichen Materialien umspritzen zu können.

Alternativ zum Werkzeugtransport auf drehenden oder oszillierenden Rundtischen besteht auch die Möglichkeit, nur die leichteren Formeinsätzeallein zu Bearbeitungsstationen zu transportieren. Dazu werden die Formeinsätze aus dem Stammwerkzeug, das fix in der Spritzstation verbleibt, auf Werkstückträger auf dem Rundtisch übergeben, dann zu weiteren Bearbeitungsstationen transferiert und zum Umspritzen wieder in das Spritzgießwerkzeug rückgeführt.

Abb.8 MMS-Anlage - Steuerung Spritzgie+ƒmodul

Abb. 8: Die Maschinensteuerung bietet eine übersichtliche Bedienoberfläche für alle Anlagenmodulen ebenso, hier am Beispiel der Spritzgießstation, wie für das Gesamtsystem. Frafik: Technokomm

Insgesamt erlaubt das modulare System eine nahezu unbeschränkte Folge von Arbeitsvorgängen und damit eine hohe Flexibilität bei der Konzeption, aber auch bei einer allfälligen Umrüstung auf andere Produktvarianten.Gemeinsamer Vorteil allerRundtaktanlagen ist die hohe Funktionsdichte und die daraus resultierende Platz sparende Bauweise, die den Produktionsflächenbedarf minimiert.

Modulare Arbeitsstationen – eine Anlagensteuerung

Abb.9 MMS-Peter Buxbaum

Abb. 9: Peter Buxbaum, Inhaber und Geschäftsführer des Anlagenbau-Unternehmens MMS kann nach drei Jahren Entwicklungsarbeit die Ausbaustufe Zwei seines modularen Hybrid-Teile-Produktionssystems präsentieren. Foto: Technokomm

Jeder Bearbeitungsmodul besitzt, wie bereits oben erwähnt, einen eigenen Antrieb. Deren sequenzieller Betrieb, ob in der Linear- oder der Rundtaktanlage, wird in der Anlagen-steuerung zentral synchronisiert und gesteuert. Zur Optimierung des Arbeitsablaufs in jeder Arbeitsstation stehen dafür jeweils eigene Bedienoberflächen zur Verfügung (Abb. 8). Die Steuerung ist ebenfalls modular erweiterbar, d.h. Zusatzfunktionen oder ganze Produktionspakete können mit wenigen „Klicks“ ergänzt werden.

MMS-Geschäftsführer Peter Buxbaum fasst zusammen (Abb. 9): „Gemäß unserem Selbstverständnis als Technologie-Entwickler haben wir unser, erstmals auf der „Hybridica 2010“ vorgestelltes Linearsystem um ein alternatives System erweitert, das auf die Weiterverarbeitung von Metall-Einzelteilen ausgerichtet ist. Es ist ein Rundtakt-System, das noch flexibler auf Bearbeitungsprozesse abgestimmt werden kann und darüber hinaus auch noch weniger Produktionsfläche beansprucht. Auch bei der Spritzgießtechnik selbst haben wir einen entscheidenden Schritt nach vorne gemacht und unsere Spritzaggregate fit für die Verarbeitung aller wesentlichen Hochtemperatur-Kunststoffe gemacht. Der umfassenden Serienanwendung ist damit der Weg bereitet. Erste Anlagen haben sich bereits bei namhaften Produzenten von Automobil- und Elektrotechnik-Komponenten bewährt. Unsere nächste Zielrichtung ist die Weiterführung der Miniaturisierung unserer Bearbeitungsmodule, mit der wir unseren Industriepartnern die richtige Technik zur Herstellung der immer kleineren und komplexeren Hybridbauteile zukünftiger Gerätegenerationen in die Hand geben wollen.“

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