Neue Maschinen, Werkstoffe und Verfahren

Sumitomo Demag: Mit einer IML/IMD-Kombination zum Multitouch-Display

Mit innovativen Technologien und Produktionsprozessen, umgesetzt in komplexen und vollautomatisierten Spritzgießzellen, sowie mit hochpräzisen, dynamischen und energieeffizienten Spritzgießmaschinen bietet Sumitomo (SHI) Demag Systemlösungen mit hoher Wertschöpfung für die unterschiedlichsten Branchenanwendungen.

Auf der schließseitigen Werkzeugseite wird der Rahmen des 5‘‘ großen Displays mit der IMD-Einheit direkt beim Spritzgießen dekoriert (Foto: Sumitomo Demag)

Auf der schließseitigen Werkzeugseite wird der Rahmen des 5‘‘ großen Displays mit der IMD-Einheit direkt beim Spritzgießen dekoriert (Foto: Sumitomo Demag)

Erstmals präsentiert wird auf der K-Messe in Düsseldorf eine voll automatisierte IML/IMD-Produktionszelle, in der durch Spritzgießen in einem Arbeitsschritt ein 5‘‘ großes Multitouch-Display entsteht. Ebenfalls zum ersten Mal in Europa zu sehen ist das SL-Plastifiziersystem, das ohne die herkömmliche Kompressionszone arbeitet und damit Vorteile im Vergleich zu konventionellen Plastifiziersystemen bietet. Ergänzend präsentiert Sumitomo (SHI) Demag das Leistungsspektrum der vollelektrischen IntElect am Beispiel verschiedener Anwendungen.

Spritzgießzelle für Multitouch-Display – IML für die Funktion, IMD für die Dekoration

Die Herstellung eines Multitouch-Displays erstmals in 5‘‘-Größe – dies entspricht der Größe eines heutigen Smartphones – durch Spritzgießen auf einer Systec 210 (Schließkraft 2.100 kN) dokumentiert die Kompetenz von Sumitomo (SHI) Demag für komplexe, voll automatisierte Spritzgießzellen zur effizienten und prozesssicheren Serienproduktion innovativer Produkte. Bei der auf dem K-Messestand vorgeführten Serienproduktion werden spezielle, von der PolyIC GmbH & Co. KG, einem Unternehmen der Kurz-Gruppe, Fürth, entwickelte funktionale Folien im Inmold-Labeling (IML)-Verfahren mit PMMA überspritzt. Der dabei ebenfalls angespritzte schmale Rahmen wird gleichzeitig mittels Inmold-Decoration (IMD) in schwarzer Klavierlackoptik dekoriert. Alle Abläufe, vom Einlegen der IML-Folie in die Werkzeugkavität bis zur letzten der mehrere Schritte erforderlichen Nachbearbeitung zum Konfektionieren des Displays, erfolgen in der Produktionszelle unter Reinraumatmosphäre (Klasse ISO 7).

Die von PolyIC für die Spritzgießverarbeitung optimierten leitfähigen IML-Folien (sogenannte PolyTC-Folien) sind auf PET basierende, mit dünnen, metallischen Leiterstrukturen überzogene Folien. Sie können viele der heute für Touchscreens verwendeten, meist aus Indiumzinnoxid bestehenden Folien (sogenannte ITO-Folien) ersetzen. ITO-Alternativen sind nicht nur technologisch, sondern auch wirtschaftlich sehr interessant, da Indium ein seltenes und mit steigendem Bedarf zunehmend teureres Schwermetall ist. Außerdem entfällt das kostenintensive Laminieren der Folien auf den Träger. Bereits heute zeichnet sich ab, dass die Touchscreen-Technik künftig vermehrt Anwendung finden wird, nicht nur in der Kommunikationstechnik. Vielseitige Anwendungsfelder gibt es insbesondere vom Automobilbau über die Unterhaltungselektronik bis hin zur Weißen Ware für jeweils aufgabenspezifisch erforderliche diverse Bedienfunktionen.

Selbst bei ihrem individuell anpassbaren Layout lassen sich die PolyTC-Folien von PolyIC kosteneffizient als Serienprodukt herstellen. Gleichzeitig eignen sich diese funktionalen Folien als einzelne, im IML-Verfahren verarbeitbare Label. Auf diese Weise lässt sich die Touchsensor-Funktionalität direkt im Spritzgießverfahren wirtschaftlich in Großserie auf Bauteile applizieren.

Die IML/IMD-Produktionszelle mit der Systec 210 im Überblick: Für die auf der K 2013 vorgeführte IML/IMD-Kombination hat Sumitomo (SHI) Demag zusammen mit mehreren Spezialisten eine modulare Anlage rund um das hydraulische Spritzgießmaschinen-Multitalent Systec konzipiert. Partner sind neben PolyIC (für die Funktionsfolie) und der Leonhard Kurz Stiftung GmbH & Co. KG, Fürth, bei der IMD-Dekorfolie und beim IMD-Folienhandling, die HBW-Gubesch Kunststoff-Engineering GmbH, Emskirchen, als Entwickler des Spritzgießwerkzeugs, die SAR Electronic GmbH, Gunzenhausen, als Systemintegrator für die robotergestützte Automatisierung, Max Petek Reinraumtechnik, Radolfzell, für die Reinraum-Lösung sowie die Kist Maschinenbau GmbH, Dresden, als Lieferant der Module für UV-Folienaushärtung und Reinigung der fertigen Formteile.

Zentrale Schaltstelle in der Spritzgießzelle mit der Systec 210 ist ein hängend montierter Industrieroboter (TX90 von Stäubli), ausgestattet mit einem dreiseitigen Greifersystem. Er entnimmt pro Zyklus aus einem Magazin ein leitfähiges Inmold-Label (PolyTC-Label) und positioniert es exakt auf der festen Werkzeughälfte des Einkavitäten-Werkzeugs. Gleichzeitig bringt das auf der Schließseite oberhalb des Werkzeugeinbauraums montierte IMD-Vorschubgerät eine Trägerfolie mit Einzelbildern zur dekorativen Beschichtung des Formteils positionsgenau in die Kavität ein. Nach dem Schließen des Werkzeugs wird dann über einen Hilfsanguss das Display aus PMMA gespritzt; das Schussgewicht beträgt 20 g. Zum Einsatz kommt hierbei die variotherme Werkzeugtemperierung, entwickelt von der gwk Gesellschaft Wärme Kältetechnik mbH, Kierspe.

Die variotherme Werkzeugtemperierung hat insbesondere bei langen und engen Fließwegen im Werkzeug, wie bei dem spritzgegossenen Multitouch-Display, einen sehr starken Einfluss auf die reproduzierbar gleichmäßig hohe Produktqualität. Bei diesem Verfahren wird die Werkzeugwand vorübergehend auf eine Temperatur zwischen Glasübergangs- und Schmelzetemperatur des verwendeten Kunststoffs aufgeheizt. Diese erhöhte Werkzeugwandtemperatur verzögert oder unterbindet das Erstarren der Schmelze bereits beim Einspritzen, erhält deren Fließfähigkeit durch konstant niedrige Viskosität bis zur vollständigen Formfüllung und senkt so gleichzeitig den Bedarf an Einspritzdruck und damit an Schließkraft. Erst nach dem kompletten Füllen der Kavität setzt die Werkzeugkühlung ein, bis das Formteil die Entformungstemperatur erreicht hat. Beim Abkühlen lässt die gleichmäßige Formfüllung den Nachdruck durch verbesserte Druckübertragung auch in angussfernen Bereichen länger einwirken. Das sorgt überall im Werkzeug für eine erforderliche gleichlange Kühlzeit. Dadurch sinkt das Risiko für Verzug infolge Schwindung, Maßhaltigkeit und Konstanz der Spritzgussteile werden verbessert. Vorteilhaft wirkt sich das Verfahren zudem auf die Herstellung besonders glatter Oberflächen und hochwertiger Glanzoberflächen in Klavierlack-Optik aus. Alle diese Vorteile des variothermen Spritzgießens kommen auch in der Systec-Zelle beim kombinierten IML/IMD-Spritzgießen des Touchscreen-Displays mit Rahmen in Klavierlack-Optik zum Tragen.

Auch wenn das Wesentliche des Verfahrens im Spritzgießprozess selbst liegt, tragen die in der Zykluszeit von 40 s außerhalb des Werkzeugs ablaufenden Nachfolgeschritte erheblich zur Bauteilqualität und zur Wirtschaftlichkeit bei. Nachdem der Sechsachs-Roboter einen gespritzten Displayrahmen aus dem Werkzeug entnommen und ein neues Label eingelegt hat, legt er das Bauteil auf einem Werkstückträger ab. Von dort gelangt es in eine gekapselte Laser-Trennstation, wo ein CO2-Laser mit Absaugung den Filmanguss sauber und bruchfrei entfernt. Anschließend überführt der Roboter das Display in eine UV-Aushärteeinheit, um den Decklack der Dekorfolie auszuhärten. Für den letzten Bearbeitungsschritt übergibt er das Bauteil schließlich an die unterhalb der UV-Station angeordnete Reinigungsstation. Hier sorgen Bürsten für das sorgfältige und schonende Abreinigen von IMD-Folienresten; von den Kanten abgelöste Partikel werden rückstandsfrei abgesaugt.

Für die zuverlässige Funktionsfähigkeit des Multitouch-Displays ist die Produktion unter Reinraumbedingungen unerlässlich. Hierzu reinigt ein Laminar-Flow-Modul die angesaugte Außenluft und verhindert über eine FFU-Einheit (Filter Fan Unit) das Eindringen von Partikeln. Erzielt wird so eine Luftreinheit der Reinraumklasse ISO 7. Das Gesamtkonzept der Zelle geht jedoch deutlich über die Grundanforderungen mit Reinraummodul über der Spritzeinheit und leicht zu reinigenden Profilen und Oberflächen für die Schutzeinhausung hinaus. So erfolgen sämtliche Nacharbeitsschritte wie Angussabtrennung, UV-Härtung und Reinigung in abgekapselten und durch Schotten gegen den Werkzeugeinbauraum der Spritzgießmaschine verschlossenen Anlagenmodulen.

Die gesamte Fertigungszelle ist modular aufgebaut. Dadurch ist es möglich, bei gleicher Grundausstattung je nach gewünschtem Automationsgrad Module zu- oder abzuwählen. Für kurze Inbetriebnahmezeiten und hohe Flexibilität sorgt zudem eine standardisierte Schnittstelle zwischen Spritzgießmaschine und Automation. Zur schnellen Inbetriebnahme und Reduzierung der Anlagenkomplexität trägt auch bei, dass ein einziger Industrieroboter sämtliche Handlingaufgaben in der gesamten Produktionszelle übernimmt. Durch die hängende Anordnung des Sechsachsers und die kompakte Automationseinhausung kommt die komplette Zelle mit einer sehr geringen Stellfläche aus.

Vorteile für Prozessstabilität und Produktqualität durch neues SL-Plastifiziersystem

Das wesentliche Merkmal, mit dem sich das von Sumitomo (SHI) Demag auf der K 2013 vorgestellte neue SL(Spiral Logic)-Plastifiziersystem von konventionellen Plastifiziersystemen einer Spritzgießmaschine abhebt, ist eine unterfüttert betriebene Plastifizierschnecke ohne Kompressionszone. Das Material wird mit einer vorgeschalteten Dosierschnecke kontrolliert zugeführt. Der optimale Füllgrad ergibt sich aus den Materialeigenschaften und den Prozessparametern. Aufgeschmolzen wird das zudosierte Granulat nahezu ausschließlich durch gut kontrollierbare Wärmezufuhr über die Zylinderheizung der Plastifiziereinheit.

Im Vergleich zu konventionellen Plastifziersystemen bietet das SL-System deutliche Vorteile. Maßgebend hierfür ist, dass mit der kontrollierten Betriebsweise eine sehr homogene Schmelze ohne Viskositätsschwankungen entsteht. Hierdurch lassen sich Prozessschwankungen und damit Schwankungen in der Produktqualität deutlich reduzieren. Durch die unterfütterte Betriebsweise und ohne Kompressionszone werden u.a. Pfropfbildung und hohe Druckspitzen im Feststoffbereich vermieden, wie sie mit konventionellen Schnecken in der Übergangszone insbesondere beim Verarbeiten teilkristalliner Kunststoffe wie Polyamiden und PBT (Polybutylenterephthalat) häufig auftreten. Gleichzeitig sinkt durch die verminderte Reibung beim SL-System auch der Verschleiß im Feststoffbereich des Plastifiziersystems deutlich. Weitere Vorteile der schonenden Materialbehandlung sind ein geringerer Materialabbau, bei fasergefüllten Materialien ein geringerer Abbau der Faserlängen, längere Reinigungsintervalle des Werkzeugs und energetische Vorteile.

In Kombination mit einer schaltbaren Rückströmsperre wirkt sich das kompressionslose Plastifizieren besonders positiv bei der Produktion von technischen Präzisionsformteilen aus. Vorteile bietet das SL-Plastifiziersystem auch, wenn hohe Anforderungen an die Reinheit der Produkte gestellt werden, beispielsweise beim Spritzgießen von Optikteilen. Durch den Wegfall der Kompressionszone können die sonst unvermeidbaren Ablagerungen auf der Schnecke drastisch reduziert werden, die dann durch unkontrolliertes Ablösen von abgebautem Material als schwarze Punkte in den Formteilen sichtbar werden. Durch längere Reinigungsintervalle steigt neben der reduzierten Ausschussquote auch die Maschinenverfügbarkeit für Anwendungen, selbst bei hohen Anforderungen an die Reinheit der Formteile.

Gehäuseteile für ein Smartphone aus einem ABS/PC-Blend, hergestellt auf einer vollelektrischen SE 180 EV, ausgerüstet mit dem neuartigen SL-Plastifiziersystem. Das System arbeitet mit einer komplett beheizten Plastifizierschnecke ohne Kompressionszone (Screw); die Materialzuführung übernimmt eine vorgeschaltete Dosierschnecke (GS Loader) (Foto: Sumitomo Demag)

Gehäuseteile für ein Smartphone aus einem ABS/PC-Blend, hergestellt auf einer vollelektrischen SE 180 EV, ausgerüstet mit dem neuartigen SL-Plastifiziersystem. Das System arbeitet mit einer komplett beheizten Plastifizierschnecke ohne Kompressionszone (Screw); die Materialzuführung übernimmt eine vorgeschaltete Dosierschnecke (GS Loader) (Foto: Sumitomo Demag)

Serienmäßig verfügbar ist das SL-Plastifiziersystem zurzeit als Option für die vollelektrischen Maschinen der Baureihe SE-EV, die Sumitomo (SHI) Demag im Schließkraftbereich von 500 bis 1.800 kN anbietet. Vorgeführt wird das neue System auf dem K-Messestand am Beispiel Präzisionsspritzguss auf einer SE 180 EV (Schließkraft 1.800 kN). Mit einem Zweifachwerkzeug entstehen darauf Gehäuseteile für ein Smartphone aus einem ABS/PC-Blend; das Schussgewicht beträgt 45 g, die Zykluszeit 25 s.

Präzisionsspritzguss – eine Domäne der vollelektrischen IntElect

Sicherheit, Prozesskonstanz und Präzision bei anspruchsvollen Aufgaben mit engsten Toleranzen sind charakteristische Merkmale der vollelektrischen Baureihe IntElect. Wie bei der SE-Baureihe kommen auch bei der IntElect die von Sumitomo (SHI) Demag selbst entwickelten, für den Spritzgießprozess optimierten und auch selbst produzierten elektrischen Direktantriebe zum Einsatz. Gegenüber riemengetriebenen elektrischen Antrieben bieten diese Direktantriebe einen höheren energetischen Wirkungsgrad und sorgen mit ihrem schnelleren Reaktionsvermögen für höhere Präzision, höhere Wiederholgenauigkeit und darüber hinaus für einen Zykluszeitvorteil. So erfüllen elektrische Maschinen von Sumitomo (SHI) Demag insbesondere die Anforderungen beim Spritzgießen von Präzisionsartikeln in Großserie.

Multikavitätenwerkzeuge ausbalanciert: Auf dem K-Messestand produziert eine IntElect 100-340 (Schließkraft 1.000 kN) aus einem PC/ABS-Blend den kompletten Teilesatz für ein Schlüsselgehäuse (Smart Key); die Zykluszeit beträgt 30 s, das Schussgewicht 33 g. Die besondere Anforderung besteht darin, dass ein Familienwerkzeug mit zum Teil sehr großem Unterschied im Kavitätenvolumen von Schuss zu Schuss prozesssicher zu füllen ist. Daher kommt hier zusätzlich der Technologiebaustein activeFlowBalance zum Einsatz. Auf dem Messestand wird anschaulich vorgeführt, wie sich das Ab- und Zuschalten von activeFlowBalance auf das Ausformen der Teile in den einzelnen Werkzeugkavitäten auswirkt. Das Sechsfach-Werkzeug ist jeweils zweifach für Gehäuseober- und Gehäuseunterteil sowie den deutlich kleineren Betätigungsknopf ausgelegt.

Mit activeFlowBalance kann eine ungleichmäßige und schwankende Balancierung von Multikavitäten-Werkzeugen erfolgreich ausgeglichen werden, was sonst häufig zu negativen Effekten wie Gratbildung, Unterfüllung und Werkzeugbeschädigungen führt. Diese Maschinenfunktion nutzt dazu beim Übergang von Spritz- auf Nachdruck die Expansion der komprimierten Schmelze, wodurch sich teilgefüllte Kavitäten durch ihren geringeren Gegendruck stärker füllen. Die Füllstände balancieren sich so auf natürliche Weise aus, ohne die Zykluszeit zu verlängern.

Für den Reinraum geeignet: Auf einer IntElect 50-45 (Schließkraft 500 kN) werden aus MABS Bauteile für einen peripheren Venenverweilkatheter (auch als „Braunüle“ bekannt) in einer Zykluszeit von 9 s spritzgegossen. Diese Anwendung dokumentiert gleichzeitig zum Präzisionsspritzguss mit Heißkanalanbindung und Multikavitätenwerkzeug auch noch die Reinraumeignung der IntElect. Die Anforderungen der Reinraumklasse ISO 7, wie sie für die Produktion von Medizinprodukten häufig gestellt werden, lassen sich auf einfache Weise prozesssicher einhalten. Erforderlich sind lediglich die Ausstattung mit einer Laminar-Flow-Box über der Schließeinheit und die Aufstellung der Maschine in einer sauberen Umgebung (Sauberraum).

Die IntElect 50-45 ist im Verbund mit drei weiteren Maschinen auf dem K-Messestand mit der von T.I.G. Technische Informationssysteme GmbH, Rankweil/Österreich, entwickelten neuen MAS-Software ausgestattet, um damit selbst bei einer großen Zahl von Maschinen in Echtzeit die Betriebs-, Produktions- und Prozessdaten zu erfassen, zu visualisieren, auszuwerten und zu überwachen. Bei dieser Neuentwicklung, die auf der K-Messe erstmals vorgestellt wird, hat Sumitomo (SHI) Demag partnerschaftlich mitgewirkt. Die Traceability-Funktionen der Software gestatten dem Anwender, produktionsrelevante Informationen bis zu jedem einzelnen hergestellten Produkt zurückzuverfolgen. Speziell in der Medizin- und Automobilindustrie wird dies immer mehr zur Notwendigkeit.

Auf Partnerständen vertreten: Mit zwei weiteren vollelektrischen Maschinen ist Sumitomo (SHI) Demag auch auf Partnerständen vertreten. Eine IntElect 100-340 (Schließkraft 1.000 kN) produziert auf dem Messestand von Yushin Precision Equipment Co. Ltd., Kyoto/Japan, Halle 13 Stand C04, Blisterverpackungen aus PP. Auf dem Stand der Stieler Kunststoff Service GmbH, Goslar, Halle 10 Stand J48, dient eine IntElect 50-110 (Schließkraft 500 kN) zur Produktion einer Radioblende für den Pkw-Innenraum. Der Fokus liegt dabei auf der Oberflächenqualität dieses anspruchsvollen Sichtteils. Zum Einsatz kommt eine spezielle, von Stieler entwickelte Kombination verschiedener Spritzgießtechnologien (Wechseltemperierung, Gasaußendrucktechnik und CO2-Kühlung). Mit diesem Verfahren können hochwertige Oberflächen prozesssicher hergestellt werden.

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