Beim Herstellen medizintechnischer Formteile spielt die Auswahl des Heißkanalsystems eine entscheidende Rolle: Sie kann die Abnahme der Konstruktion beschleunigen, die Qualität der Formteile erhöhen und die Stückkosten reduzieren.
Das Heißkanalsystem ist ein komplexer Bestandteil von Spritzgießanlagen für medizintechnische Formteile. Heutzutage stehen dem Heißkanalhersteller viele Hilfsmittel und Produkte zur Verfügung, um erfolgreiche Spritzgießsysteme für die Medizintechnik zu entwickeln. Die frühzeitige Beteiligung des Heißkanalherstellers an einem Spritzgießprojekt wird letztlich die Konstruktion der Teile verbessern, die Serienreife beschleunigen und die Stückkosten senken. Wenn dieser ein Full-Service-Anbieter ist, kann er mit seinen Dienstleistungen auch die Prozessentwicklung und die Produktoptimierung unterstützen.
Ein Spritzgießunternehmen aus der Medizintechnik hatte sich an Husky Injection Molding Systems SA, Dudelange/Luxemburg, mit der Anfrage nach einem Etagenwerkzeug mit hoher Kavitätenzahl gewandt. In diesem sollte ein kleines Formteil aus einem technischen Polymer gespritzt werden. Husky führte eine detaillierte Anwendungsanalyse durch, die auch einen Polymertest und eine Fließsimulation umfasste. Aufgrund der Eigenschaften des Polymers empfahlen die Experten aus Luxemburg, den gesamten Prozess anhand eines 4-fach-Prototypenwerkzeugs einschließlich Heißkanalsystem zu beurteilen. Die Analyse ergab außerdem, dass bei dieser Anwendung aufgrund der Verweilzeit der Schmelze im Heißkanalverteiler von einer Etagenwerkzeugkonstruktion abzuraten war. Die Etagenbauweise hätte dazu geführt, dass die Schmelze vor dem Eintritt in die Kavitäten fast 8 min lang im Verteiler verbleiben müsste. Der Polymertest von Husky zeigte, dass sich der Kunststoff bei einer Verweilzeit von länger als 4 min verfärben würde.
Der Kunde entschied sich daher anstelle des Etagenwerkzeugs für ein Zweiplattenwerkzeug mit hoher Kavitätenzahl. Um die Verteilerkonstruktion des Heißkanalsystems zu optimieren, führte Husky anhand der Daten aus den Prototypentests eine genaue Fließanalyse durch, deren Ergebnisse dann im realen Prozess bestätigt wurden.
Auswahl und Konstruktion des Heißkanalsystems sind kritische Leistungsfaktoren für das Spritzgießwerkzeug. Auch wenn sich ein Heißkanalsystem für fast jede Anwendung bauen lässt, kann das frühzeitige Hinzuziehen des Heißkanalherstellers Projektzeit und Ressourcen sparen: Für Fließ-, Temperaturprofil- und Strukturanalysen werden technische Hilfswerkzeuge eingesetzt.
Softwareprogramme ermöglichen dem Heißkanalkonstrukteur, die Leistungsfähigkeit des Spritzgießsystems zu berechnen. Um die Produktleistung zu ermitteln und den Spritzgießprozess zu optimieren, setzen die Hersteller medizintechnischer Produkte nicht selten Prototypenwerkzeuge ein.
Je kleiner und dünnwandiger die Formteile, um so höher der erforderliche Einspritzdruck zum Füllen. Kleinteile erfordern zudem kleinere, darauf abgestimmte Fließkanäle und Düsen. Spritzgießmaschinen sind heute in der Lage, Schmelzedrücke von weit über 3000 bar aufzubauen, um den Anforderungen dünnwandiger Formteile zu entsprechen. Nur optimierte Heißkanalsysteme können diesen Drücken Hunderttausende von Zyklen lang fehlerfrei standhalten.
Der Verteiler ist ein geheizter Stahlblock, durch den die Schmelze von der Maschinendüse zu den Heißkanaldüsen fließt. Scherwirkung und Beheizung dürfen dabei den Zustand der Schmelze nicht beeinträchtigen. Die meisten Hersteller fertigen Verteiler, indem sie die Fließkanäle in eine Stahlplatte bohren. Die Heizelemente werden dann auf oder in die Platte montiert. In der Mehrzahl der Anwendungen verfügt der Verteiler über mehrere Heizzonen mit von einander unabhängiger Temperaturregelung.
Für beste Ergebnisse sollte im Rahmen der Verteilerkonstruktion eine detaillierte Analyse der Anwendung stattfinden. Stückgewicht, Polymerart und Prozessbedingungen – wie erforderliche Drücke, und angestrebte Zykluszeit – sind Schlüsselfaktoren für die Konstruktion des Verteilers und Wahl des Verteilertyps. Darüber hinaus wirkt sich die Bauweise des Verteilers unmittelbar auf die Qualität und Funktionalität der Formteile aus. Schlecht konstruierte Verteiler, beispielsweise mit unterschiedlich langen Fließwegen zu jeder Düse, erzeugen ein unausgewogenes Füllverhalten von Kavität zu Kavität, sodass bei den Teilen Maßabweichungen auftreten. Komplexere Verteilerkonstruktionen ermöglichen den Einsatz der Heißkanaltechnologie auch für Mehrkomponententeile und für das Spritzgießen mit Etagen- oder Familienwerkzeugen.
Die Düsen des Heißkanalsystems sind die Verbindung zwischen dem Verteiler und den Werkzeugkavitäten. Für das Spritzgießen von Anwendungen in der Medizintechnik werden vorwiegend Nadelverschlussdüsen eingesetzt. Diese basieren auf der mechanischen Bewegung einer Verschlussnadel zum Öffnen und Schließen der Düse am Anschnitt. Die Verschlussnadeln werden normalerweise über Druckluftkolben und -zylinder betätigt. Alternativ dazu bietet die moderne Technologie auch elektrische Servoantriebe. Da das Öffnen und Schließen am Anschnitt ein kontrollierter mechanischer Vorgang ist, zeigen Nadelverschlusssysteme eine bessere Balancierung und Wiederholgenauigkeit. Auch die Anschnittmarkierung – ein Materialrest, der am Anschnitt des Formteils zurückbleibt – ist häufig ein Argument für die Präferenz von Nadelverschlussdüsen in medizintechnischen Anwendungen. Denn bei der offenen, thermisch geregelten Düse sind abstehende Anschnittreste am Formteil wahrscheinlicher. Die mechanischen Nadelverschlussdüsen hingegen hinterlassen eine kaum sichtbare Markierung an dem Punkt, an dem die Verschlussnadel mit der Oberfläche des Teils in Berührung kommt.
Bill Gunn, Market Manager Medical Nordamerika, Husky Injection Molding Systems
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