Ein anderer Ansatz zum Entlüften der Form

Neue Entlüftungsventile können dazu beitragen, die üblichen Entlüftungsbeschränkungen für Formen zu überwinden und die Leistung zu verbessern.

Eine gute Werkzeugentlüftung hat einen großen Einfluss auf die Qualität der Spritzgießteile. Während des Einspritzprozesses muss die in der Form enthaltene Luft abgeleitet werden, da sich sonst die Schmelze verdichtet und die Luft in der Kavität eingeschlossen wird. Eine Kombination aus Schmelze-Druck und hohen Temperaturen zündet dann den in der Luft enthaltenen Sauerstoff (als Dieseleffekt bezeichnet) und führt zu Verbrennungen (der Kunststoff karbonisiert durch Sauerstoffentzündung), Glanzstellen und Spannungsrissen im fertigen Kunststoffteil. Eine schlechte Entlüftung kann zusammen mit dem Dieseleffekt dazu führen, dass auch die Form an den Formtrennlinien verschleißt, wodurch es zu überschüssigen Kunststoffspritzern am Spritzteil kommt. Eine Verringerung der Einspritzgeschwindigkeit wird es ermöglichen, dass die Luft aus der Kavität entweichen kann, was jedoch zu anderen Problemen führt, wie zum Beispiel kurze Schüsse (also nicht vollständige Teile). Durch eine Verlangsamung der Einspritzgeschwindigkeit kommt es zu einer Abnahme der Temperatur des Materials. Je niedriger die Temperatur des Kunststoffs ist, desto höher ist die Schmelzeviskosität, wodurch der Kunststoff härter wird und unvollständige Teile entstehen können. Während des Einspritzvorgangs von halbkristallinen Polymeren ist es nach Beendigung des Füllvorgangs erforderlich einen Nachdruck (erhöhten Einspritzdruck) auf das Material aufzubringen. Dadurch können die Polymerketten beim Erstarren neu geordnete Bereiche bilden, wodurch die mechanischen Eigenschaften des fertigen Teils gewährleistet werden. Unterhalb der Glasübergangstemperatur wird die Bewegung der Molekülketten eingefroren. Ein Aufbau des Teils ist möglich, solange ein zentraler Kernströmungsweg der Schmelze den Druck vom Anspritzpunkt auf den gesamten Spritzling übertragen kann. Je länger die Füllzeit dauert, desto kühler wird das Material, was zu einer schlechten Verdichtung des Materials führt. Verzug und eine geringere Übereinstimmung mit dem Design der Kavität können die Folge sein. Schweiß- oder Bindenähte und andere ästhetische Eigenschaften stehen in engem Zusammenhang mit der Temperatur des Kunststoffmaterials. Daher ist die Einfüllzeit für das Erzielen korrekter Bindenähte und hochwertiger Teile unerlässlich. Durch unsachgemäße Formnestfüllung können Luftblasen zwischen zwei Kunststofffronten eingeschlossen werden. Es ist ratsam zur Kontrolle von möglichen Lufteinschlüssen eine Softwareanalyse zu machen, damit eine gute Belüftung der Form erfolgen kann. Beim Entlüften von Standardwerkzeugen werden Entlüftungsöffnungen im Bereich der mechanischen Elemente der Formen hergestellt. Zum Beispiel in den Trennebenen, durch Bearbeitung von Kernen, Auswerferstiften oder von Gleitelementen, wie Schiebern. Wenn Trennebene und Gleitelemente keine ausreichende Entlüftung zulassen, kann die Kavität in Einsätze unterteilt werden, um die Entlüftungsbereiche zu vergrößern. Materialviskosität begrenzt den Lüftungsspalt in der Trennebene. Industriestandards definieren die Lüftungsgröße anhand des eingespritzten Materials. Je niedriger die Viskosität ist, desto kleiner muss der Luftaustrittsbereich sein. Wenn der Einspritzdruck hoch ist, kann sich ein Material-Flash in der Trennebene bilden. Je höher der Druck ist, desto geringer muss der Luftaustrittsspalt ausgeführt sein, damit ein Austritt von Material möglichst vermieden wird. Zwar gibt es einige empfohlene Richtlinien für das Entwerfen und die Bearbeitung von Lüftungs-öffnungen, um die Entlüftungskapazität zu optimieren ohne eine übermäßige Fläche der Trennebene zu entfernen, doch haben herkömmliche Entlüftungssysteme eine begrenzte Entlüftungskapazität und -leistung. Gase, die sich während des Spritzgießens bilden, beeinträchtigen die Formentlüftung. Materialien wie PA, PPS, PEEK, PC + GF, PET, POM und Materialien mit Flammschutzmittel erzeugen bei der Verarbeitung Gase. Dadurch entstehen auch ölige Ablagerungen, welche die Belüftungsöffnungen, Kanäle und die Oberfläche der Kavität verunreinigen, was dann zu fehlerhaften Teilen führen kann.

Nicht standardisierte Form- Entlüftungslösungen

Es gibt einige nicht standardisierte Entlüftungslösungen, die zur Entlüftung der Kavität gewählt werdenkönnen, um die Formleistung zu verbessern.

Bild 1: ECOVENT® Arbeitssystem

Poröse Sintermaterialien (sogenannte Sintered Vents) können als Entlüftung in die Oberfläche der Kavität eingebracht werden. Dies reduziert Einspritzdruck, Abfall und Ausschuss. Es ist die zu beachten, dass das Belüftungsvermögen aber umso geringer ist, je dicker das poröse Material ist. Daher müssen geeignete Belüftungskanäle zum Sammeln der Gase hergestellt werden. Eine häufige Reinigung ist notwendig, da sich Gasablagerungen bilden können, die die Entfernung von Luft und Gas aus der Kavität teilweise oder vollständig blockieren. Die Vakuumtechnik entfernt die Luft vor dem Einspritzvorgang aus der Kavität. Obwohl hiermit das Problem vorgelagert angegangen wird, führt dies zu Einschränkungen in Anwendungen und Werkzeugleistung. Um die Luft aus der Kavität zu saugen und damit ein Vakuum erzeugen zu können (keine Luft in der Kavität), muss die Kavität vollständig abgedichtet sein. Dies ist kostenintensiv und in Formen mit Schieberelementen manchmal nicht möglich. Die Vakuumtechnik kann Luftprobleme lösen, ist jedoch nicht wirksam gegen Gase, die während der Formfüllung entstehen. Das Innenventil wird vor dem Befüllen geschlossen, so dass Gase keinen Weg mehr aus der Kavität finden können. Ein Überlaufsystem (ein Bereich, der mit der Kavität über einen Kanal verbunden ist) wird durch die Herstellung einer Luftabflussmöglichkeit geschaffen, in dem man den letzten Füllpunkt einer Kavität mit einem Entlastungstunnel verbindet, der im Entlüftungsbereich mit einer Bohrung von etwa 0,1 mm endet. Um die Entlüftungsbohrung herum wird eine Nut eingestochen um die Luft zu sammeln und aus der Form herauszuleiten. Während des Form-Füllvorgangs kann Luft durch einen Schieber, einem Entlastungstunnel mit Entlüftungsbohrung und der Entlüftungsnut abfließen. Kunststoffmaterial wird im Luftabzugsbereich einfrieren und nach jedem Schuss entfernt. Die Entlüftungsgröße lässt sich am einfachsten mit Hilfe der Rheologie (Füllstudie) oder empirisch durch Versuche ermitteln. Beginnen sollte man mit einer Luftspalthöhe von 0,1 mm bei einer Länge von 10 mm, um sie dann dem Bedarf anzupassen. Der Hauptvorteil dieses Systems ist die Überwindung der Lüftungsgrenzwerte. Eingefrorenes Material im Überlaufbereich ist kein Problem, solange es nach jedem Schuss von der Kavität entfernt wird. Als Einschränkungen zählen das zusätzliche Material, das mit jedem Schuss verschwendet wird, so wie der Überlaufschneidevorgang und der erforderliche Platzbedarf. Außerdem muss sich die Lüftungsgitterposition im Formtrennbereich befinden, wodurch die sich ergebenden Probleme nicht in allen Fällen lösen lassen.

Neue dynamische alternative Belüftungslösung

Bei dynamischen Entlüftungsventilen handelt es sich um eine neue alternative Entlüftungslösung, die sowohl extern (über einen Verteiler, als auch Entlastungstunnel, falls das Werkzeug einen hat) und intern direkt mit der Kavität verbunden sein kann. Sie sind so konzipiert, dass der Luftinhalt der Kavität inkl. der Ausgasungen des Materials den Formeinsatz schnell verlassen. Die Oberfläche des Entlüftungskanals beträgt einige mm² um die geometrischen Möglichkeiten von Standard-Entlüftungen zu überwinden. Das jetzt gezeigte dynamische Formbelüftungsventil (Bild 1) besteht aus einem Grundkörper, welcher mit einer Führung für ein Schieberelement ausgestattet ist. Beide (ECOVENT® System genannt) (Bild 2) sind so ausgelegt, dass sie einen konischen Verschluss gewährleisten, wenn sich das Schieberelement zurückbewegt. Eine passend abgestimmte Feder hält den Schieber in geöffneter Position und erzeugt damit ein erhöhtes Entlüftungsvolumen für die Formkavität. Das Gehäuse enthält breite Lüftungskanäle, die mit dem Lüftungsbereich zwischen Gehäuse und Schieber verbunden sind.

Bild 2: Dynamisches Entlüftungssystem ECOVENT®

Das ECOVENT® Element ist durch eine Nut mit der Kavität oder einem Verteilerkanal (Bilder 3, 4 und 5) verbunden, sodass dort Luft über das Ventil ausströmen kann. Wenn der Massestrom das Schieberteil der ECOVENT® Entlüftung erreicht, drückt dieser, nachdem die Luft frei entweichen konnte, auf das gefederte Element, wodurch die Abluftkanäle verschlossen werden und das Kunststoffmaterial nicht in das Verschlussventil eindringen kann. Die Entlüftungsnuten von ECOVENT® sind dann über in die Form eingebrachte Kanäle mit der offenen Atmosphäre verbunden. Die Abflusskanäle der Luft sollten so gerade wie möglich sein, um die Entlüftungsleistung des Ventils zu maximieren. Das Ventil kann in verschiedenen Positionen in der Form platziert werden, was zu interessanten Vorteilen und Formleistungen führt. Der Hauptvorteil die dynamischen Entlüftungen außen an den Verteilerkanalenden zu positionieren ist die Fähigkeit, die Luft während des Spritzgießprozesses ausströmen zu lassen. Gas wird in der Regel mit Kunststoff in die Kavität gedrückt. Wo der Luftwiderstand geringer ist können Gase mit einem dynamischen Entlüftungsansatz (Bernoulli) fließen. Am Ende des Verteilerkanals ist der Luftwiderstand sehr gering, verglichen mit dem Luftwiderstand in der Kavität, in der die Entlüftungsmöglichkeiten begrenzt sind. Ein sicheres Entlüften der Kavität von den durch die Schmelze erzeugten Gasen kann die Häufigkeit der Formreinigung und die Kontamination der Kavität verringern helfen.

Bild 3: ECOVENT® Anwendung im Verteiler (3 Platten-System)
Bild 4: ECOVENT® Anwendung im Verteiler
Bild 5: ECOVENT® am letzten Punkt der Füllung

Durch dynamisches Entlüften des Verteilerkanals reduziert sich auch der Gegendruck, da das Luftvolumen aus Verteiler und Angussbereich anstatt in die Kavität gedrückt, vollständig ausgestoßen wird. (nach Bernoulli folgt einer Erhöhung der Geschwindigkeit eines Fluids eine Abnahme des Pressdrucks) Durch die Erhöhung der Geschwindigkeit, mit der die Luft in Richtung des ECOVENT® Ventils strömt, ergibt sich ein Unterdruck durch Luftansaugung, so dass das vorhandene Luftvolumen aus dem Formnest ebenfalls über den Verteiler zum größten Teil mit abgeführt wird.

Die dynamische Formentlüftung im letzten Füllbereich (Bilder 6 und 7) eines Teils mit einem richtig gestalteten Kanal ermöglicht eine maximale Entlüftungsleistung. Während die Schmelze vorwärts fließt, entströmen Luft und Gase aus dem Formnest durch das Ventil. Dank des niedrigen Luftgegendrucks in der Kavität können Einspritzparameter in einem größeren Fenster verwaltet werden. Dies optimiert die Einspritzzeit, die Ästhetik und die mechanischen Eigenschaften der Teile. Externe dynamische Entlüftung erzeugt einen kleinen Plastiküberstand (TAP), der von dem Spritzteil entfernt werden muss. Um dies zu vermeiden, verwenden Sie eine Entlastungs-Tunnellösung (siehe Bild 6), wodurch diese Nacharbeit automatisiert und damit entfallen kann. Ein im Verbund mit dem Formnest einsetzbares dynamisches Entlüftungsventil verwendet ein mechanisches System, durch das das Gas aus einer Entlüftungsbohrung entweichen kann, das sich automatisch unter dem Druck und direktem Kontakt durch die einströmende Kunststoffmasse schließt. Dieses Ventil kann in der Kavität dort angeordnet werden, wo nach einem Füllmuster Gaseinlagerungen im letzten Füllbereich erzeugt werden oder auch auf der Verteilerseite. Der Entlüftungsquerschnitt hat nur eine Oberfläche von wenigen mm², daher können Ablagerungen es nicht verstopfen. Dank der hohen Entlüftungskapazität nimmt der Luftdruck in der Kavität drastisch ab, was ein größeres Fenster für die Einspritzparameter ermöglicht. Die Ventile bestehen aus einer äußeren Hülse, einem Schließschieber und einem zentralen Stift. Während des Befüllens drückt eine richtig ausgelegte Feder (Länge, Drahtdurchmesser und Vorspannung) den Schließschieber in die „OFFEN-Position“. In geöffneter Position können Luft und Gase durch den zentralen Hohlraum und entlang der breiten internen Entlüftungskanäle strömen. Sobald die Kunststoffmasse auf das Ventil trifft, übt diese einen Druck auf die Schieberoberfläche aus, der die Feder zusammenpresst und das Ventil schließt. In der geschlossenen Position dichtet der zentrale Stift die Entlüftungsöffnung ab, um sicherzustellen, dass das Material nicht in das Ventil eindringt. Die korrekte Funktion des Ventils wird durch eine genaue Dimensionierung der Entlüftungsöffnung, der Sicherheitszone und der Federvorspannung sichergestellt. Durch diese Parameter kann das Ventil schließen, bevor die Schmelze den breiten Entlüftungskanal füllt. Die Konstruktion des Ventils (Bild 7) erfordert, dass der Schieber in der offenen Position in der Hülse steckt. Dies gewährleistet offene Entlüftungskanäle. Das Ventil besteht aus einer äußeren Hülse und einem zentralen Gleitelement. Dieses Element kann sich für einen definierten Hub auf und ab bewegen. Der Systemhub kann, bezogen auf die Teile-Wandstärke, kurz sein. Je kürzer der Hub ist, desto länger ist der Kunststoffvorsprung „N“. Der Gleitelement-Hub kann Einfluss auf das Füllmuster des Formnestes haben. Je dünner die Wandstärke des Teils ist, desto kürzer sollte der Hub sein. Die Teilestärke und die ästhetischen Anforderungen bestimmen die Ventilgröße. Die hier vorgestellten dynamischen Entlüftungsventile können im Luft- und Gasabfluss- Hohlraum einen Durchmesser von mindestens 4 mm aufweisen.

Bild 6: ECOVENT® am letzten Füllbereich Tunnel-Anguss-Verbindung
Bild 7: Dynamisches Ventilsystem Arbeitsprinzip