Stanztechnik Verbundtechniken von Metall- und Kunststoffteilen erfordert Neuausrichtung der Prozesse

Autor / Redakteur: Ralph Schiffler / Dietmar Kuhn

Die Verbundtechnologie zwischen Metall- und Kunststoffteilen nimmt einen immer höheren Stellenwert ein. Viele Stanzer haben deshalb zwischenzeitlich ihren Horizont erweitert und zur reinen Metallverarbeitung die Kunststofftechnik addiert.

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Heute gibt es keinem größeren Stanzbetrieb mehr, der keine Verbundtechnologie anbieten kann. Dabei werden jedoch meist Technologien eingesetzt, die kritiklos direkt aus der reinen Kunststoffverarbeitung übernommen werden, ohne die Prozesse zu überdenken und von der Stanzer-Seite aus zu betrachten. Anders bei der österreichischen SBT Stanzbiegetechnik GesmbH aus Wöllersdorf, die vor einiger Zeit versucht hat, den Spritzgussprozess besser mit dem Stanzprozess zu kombinieren und dabei weg von der traditionellen Reel-to-Reel-Technologie hin zu einer kompakten Produktionszelle gewechselt ist, die beide Technologien ohne Kompromisse vereint.

„Es war schon immer unser Bestreben, unseren Kunden Komplettsysteme für die Herstellung von Stanz-, Schweiß- und Montageteilen anzubieten. Denn nur so hat der Kunden den Vorteil eines kompetenten Ansprechpartners“, erklärt Peter Buxbaum, Vertriebsleiter bei SBT.

Auf Anlagen von SBT werden Komponenten für die Elektro- und Elektronikindustrie, Telekommunikation und Automobilzulieferindustrie gefertigt. Diese Teile werden dann im Anschluss entweder in Kunststoffteile montiert oder direkt umspritzt. Somit lag natürlich der Gedanke nahe, auch die Kunststofftechnik nebst der Stanz-, Schweiß- und Montagetechnik an Bord zu nehmen. Zumal die Anwendungsgebiete vielfach sind und von der Telekommunikation über die Elektroniksparte bis hin zur Automobilindustrie reichen.

Die Problematik bei der Kombination der beiden Prozesse ist, dass der Spritzgussprozess um ein Vielfaches länger dauert als der Stanz- und Biegeprozess. Entsprechend handelt es sich bei den heute eingesetzten Verfahren meist um eine Kompromisslösung, die mit hohem Maschinen- und Personalaufwand verbunden ist. Und eben damit wollte man sich bei SBT nicht abfinden.

Nach der Entscheidung für die Entwicklung eines neuen Systems wurden intensive Gespräche mit Kunden geführt, um die wesentlichen Anforderungen an das neue System festzulegen und die momentanen Probleme aufzuzeigen. Die wesentlichen Probleme bei derzeit gängigen Verfahren sind:

– Lange Produktionsdurchlaufzeiten aufgrund getrennter Prozesse (Reel-to-Reel),

– großes Ausschussrisiko, da Fehler oft erst im letzten Prozess erkannt werden können,

– große Materialverluste aufgrund mehrerer Anstanzprozesse,

– hoher Personalanteil aufgrund der separaten Prozesse,

– Risiko der Teiledeformation bei den Spulvorgängen,

– oft nur eine geringe Stückzahl pro Spule,

– lange Vorfinanzierung der Materialien aufgrund der langen Prozessdurchlaufzeiten.

Um nun den Kunden eine maximale Flexibilität der Produktionsanlagen zu bieten, werden sämtliche Produktionsautomaten bei SBT grundsätzlich modular ausgeführt. Aufgrund des gleichen Bandlaufniveaus bei allen Modulen und aufgrund des Servomotor-Antriebssystems können sämtliche Module untereinander getauscht werden, je nach Verwendungszweck des Automaten.

Daraus resultierte letztlich die Überlegung, auch die Spritzgießtechnik als eigenen Modul anzubieten, das auf Standardanlagen von SBT eingesetzt werden kann. Das größte zu überwindende Problem waren dabei die extrem unterschiedlichen Prozesszeiten beim Stanzen und Spritzgießen. Während beim Stanzen über Millisekunden gesprochen wird, sind bei der Kunststoffverarbeitung immer noch die Sekunden gefragt.

Natürlich wurde versucht, speziell aufgrund der Erfahrung mit Schnellläuferanlagen den Spritzgussprozess im Ganzen zu optimieren. Jedoch stößt man dabei unweigerlich auf physikalische Grenzen, speziell bei der Verarbeitung von technischen Thermoplasten.

Lösung der Prozesszeitenproblematik liegt im Wesentlichen in der Antriebstechnik

Die Lösung der Prozesszeitenproblematik war dann allerdings recht einfach und liegt im Wesentlichen in der Antriebstechnologie. Da bei SBT jedes einzelne Modul über einen separaten Servomotor angetrieben wird, können diese separat angesteuert werden. Und so entstand das so genannte Multistroke-Prinzip (Patent angemeldet), bei dem die schnelleren Stanz-, Schweiß- oder Nietmodule eine entsprechende Anzahl an Hüben durchführen, abhängig von der Anzahl der Kavitäten im Spritzgusswerkzeug. Die Stanzhübe können somit in der gewohnt hohen Leistung durchgeführt werden. Nach dem letzten Vorschub schließt das Spritzgusswerkzeug und es wird x-fach umspritzt.

Dieses System hat den Vorteil, dass das Band in einer Ebene liegen bleiben kann und keine Schlaufe notwendig ist. Je nach Bedarfsfall kann selbstverständlich auch mit einem zusätzlichen Vorschubapparat und einer Schlaufe gearbeitet werden. Diese Schlaufe beträgt jedoch dann maximal zwei Spritzgussvorschübe und kann sogar in die Anlage integriert werden. In diesem Fall übernimmt dann der Spritzgussmodul die Master-Funktion und bestimmt Start und Stopp der Stanzmodule.

War man ursprünglich von nur einem Modultyp ausgegangen, so kristallisierte sich im Zuge der Projektierung sowie bei Gesprächen mit Kunden jedoch schnell heraus, dass es zwei Modultypen geben muss:einen Universalmodul für mittelgroße Verbundteile sowie einen Mikromodul für kleine Präzisionsverbundteile.

Stanzwerkzeugbau braucht spielfrei geführte Maschinen

Ein wesentlicher Faktor bei der Entwicklung der Module war die Präzision. Im Stanzwerkzeugbau werden präzise, spielfrei geführte Maschinen für Präzisionswerkzeuge vorausgesetzt. Niemand, oder zumindest die Wenigsten, würden ein wirkliches Präzisionsteil an einer C-Presse stanzen, da dies einerseits das Werkzeug belastet, andererseits die Qualität der Teile beeinflusst. Bei den Spritzgießmaschinen wurde dies nie berücksichtigt, speziell bei den horizontalen Maschinen, bei denen die Werkzeuge auch noch gegen die Gravitation arbeiten müssen. Dadurch entstanden riesige Werkzeuge, die eine mangelnde Präzision der Maschinen kompensieren mussten. Auch bei den Vertikalmaschinen wurde darauf nicht viel Wert gelegt.

SBT Spritzgussmodule wurden da ganz anders konzipiert. Man sieht auf den ersten Blick, dass hier der Werkzeugbau dominiert. Ein besonderes Augenmerk wurde auf die Stößelführung gelegt, die ähnlich eines Hochleistungs-Stanzautomaten ausgeführt ist und somit nicht abkippen kann. Die Bewegungen werden über wälzgelagerte Nockenwellen angesteuert – dies sichert schnelle und präzise Bewegungen.

Anguss wird in anschließender Station abgetrennt

Beim kleineren der beiden realisierten Spritzgussmodule, dem SPM-196x120, erfolgt die Öffnungs-/Schließbewegung über eine unten liegende Nockenwelle, die Auswerfereinheit wird über eine separate Nocke angesteuert. Diese kann zeitlich beliebig zur Hauptbewegung verstellt werden. Wie die Bezeichnung schon aussagt, ist dieses Modul für Spritzgusswerkzeuge mit den Grundabmessungen 196 mm × 120mm (Länge × Breite) ausgelegt. Bei diesem Modul wird üblicherweise direkt in die Trennebene eingespritzt. Der Anguss wird dann in einer anschließenden Station abgetrennt. Für Servicezwecke kann der komplette Moduloberteil einfach hochgekurbelt werden, das Werkzeug bleibt in Position und kann somit einfach gereinigt werden.

Der größere Spritzgussmodul SPM-246x246 bietet eine Besonderheit für die Bandverarbeitung. Dieses Modul hat zwei Öffnungsebenen, das heißt, das Werkzeug öffnet nach oben und nach unten. Daher kann das Band in einer Ebene bleiben und muss nicht aus der Kavität herausgehoben werden. Aufgrund der breiteren Werkzeuge, und um dabei noch mehr Steifigkeit zu erhalten, wurde dieses Modul mit je zwei Doppelexzenterwellen ausgestattet. Dadurch wird der Einspritzdruck auf vier Druckpunkte verteilt, somit ideal aufgenommen und ein Abkippen des Werkzeugs letztlich verhindert. Da die oberen und die unteren Exzenterwellen über separate Servomotoren angetrieben werden, lässt sich das Timing für das Öffnen und Schließen der Werkzeughälften individuell je nach Anwendung ansteuern.

Werkzeuge am Spritzgussmodul SPM-246x246 mit Heißkanaldüsen ausgestattet

Werkzeuge am Spritzgussmodul SPM-246x246 sind üblicherweise mit Heißkanaldüsen ausgestattet. Da jeder Kunde andere Präferenzen hat, wurde bei den Platzverhältnissen besonders darauf geachtet, dass Heißkanalsysteme der gängigen Anbieter, und dabei speziell Düsen zur Verarbeitung von Hochleistungsmaterialien, eingesetzt werden können. Wenn mit Unterverteilern gearbeitet wird, so können diese entweder direkt am Spritzgussmodul oder im nachgeschalteten Folgeverbundwerkzeug entfernt werden.

Ein weiters Argument für die Modulbauweise ist die Beheizung der Werkzeuge. Abhängig vom Material und der geforderten Oberfläche beziehungsweise Wandstärke, kann diese bei temperaturbeständigen Materialien bei bis zu 160 °C im Bereich der Kavitäten liegen. Aus diesem Grund sollte der Spritzgussvorgang immer lokal vom Stanzvorgang getrennt sein, da einerseits mit minimalen Schneidspalten gearbeitet wird und anderseits die Wärme benötigt wird, um Hochleistungskunststoffe zu verarbeiten. Die entstehende Wärmestrahlung kann auch durch Isolationsplatten nicht komplett gedämmt werden und hat somit großen Einfluss auf die Qualität des Stanzprozesses.

So mancher Hersteller kommt ins Grübeln, wenn auf der Teilezeichnung einerseits die Gratrichtung angegeben ist, andererseits aber auch der Anspritzpunkt definiert ist, beziehungsweise nicht anders gesetzt werden kann. Da in der Regel von oben eingespritzt wird, gibt es meist keine andere Möglichkeit als das Band zu drehen respektive von unten zu Stanzen.

Dies ist jedoch mit dem Problem der Abfallabführung verbunden, das im Wesentlichen dann auftritt, wenn vor dem Umspritzen freigeschnitten werden muss. SBT Spritzgussmodule wurden hingegen so konstruiert, dass sie mit einfachen Umbauarbeiten (das Spritzaggregat muss 180° gedreht montiert werden) um 180° gedreht werden können. Dies wird unter anderem durch den flexiblen Servomotorantrieb möglich.

Sämtliche Thermoplaste mit einer Verarbeitungstemperatur von bis zu 400 °C können verarbeitet werden

Bei den Spritzaggregaten ist seitens SBT vor allem darauf geachtet worden, dass sämtliche Thermoplaste mit einer Verarbeitungstemperatur von bis zu 400 °C verarbeitet werden können. Also auch hochtemperaturbeständige Materialien wie LCP, PEEK, Stanyl (PA4.6) oder Ryton (PPS). Aufgrund der kompakten Bauweise befinden sich immer nur 30 bis 50 g plastifiziertes Material im Spritzaggregat, den thermischen Abbau im Material und letztlich die Ausschusskosten beim Lehrspritzen reduziert. Das Einspritzen des Kunststoffs erfolgt über einen Kolben mit 16 mm Durchmesser, wodurch ein Einspritzdruck von 1850 bar erreicht wird.

Die Steuerung der Spritzaggregate befindet sich in einem separaten Schaltschrank. Dadurch wird gewährleistet, dass die Module jederzeit auf SBT-Anlagen nachgerüstet werden können. Auch eine Integration der Module in Montageanlagen ist so möglich. Die Werkzeugerprobung kann maschinenunabhängig im Werkzeugbau durchgeführt werden, ohne Verwendung des Produktionsautomaten. Somit wird die Stillstandzeit des Automaten reduziert, und zeitaufwendiges Pendeln zwischen Produktion und Werkzeugbau ist nicht mehr notwendig.

Sämtliche Verbindungen von der Steuerung zum Spritzaggregat sind steckbar ausgeführt. Die Bedienung erfolgt über ein übersichtliches Display. Sämtliche Parameter wie Temperaturkreise, Massepolster, Zykluszeit sowie Öldruck sind ständig überwacht. Zudem lassen sich bei Bedarf der Forminnendruck sowie die Werkzeugparallelität überwachen.

Mehrkomponentenanwendungen sind ein wichtiges Thema in der Kunststoffverarbeitung geworden. Denn immer mehr Anwendungen fordern zwei verschiedene Kunststoffe, im technischen Bereich meist einen stabilen Körper oder Gehäuseteil mit einer flexiblen Komponente (beispielsweise zum Abdichten). Diese Lösungen werden meist über sehr teure und aufwendige Mehrkomponentenmaschinen gelöst.

Module sind symmetrisch ausgeführt

Bei der Konstruktion der SBT Spritzgussmodule wurde schon vorab darauf geachtet, die Module symmetrisch auszuführen. Dadurch können die Spritzaggregate sowohl rückseitig (Standard) als auch vorne am Modul platziert werden. Mithin ist es möglich, entweder zwei verschiedene Kunststoffe zu verarbeiten oder aber ein breites Band von beiden Seiten anzuspritzen.

Die Spritzgusstechnologie erfordert in manchen Bereichen andere Peripheriegeräte als die Stanztechnik. SBT liefert als Komplettanbieter auch die entsprechenden Peripheriegeräte, wobei man mit Systempartner zusammenarbeitet. Im Bereich der Materialtrocknung setzt SBT beispielsweise auf Trockengeräte von Fasti, die aufgrund ihrer kompakten Bauweise und effektiven Materialtrocknung ideal integriert werden können. Für das Ab- und Aufwickeln der Bänder werden Bandhaspeln von TF Wickeltechnik eingesetzt. Auch für Werkzeugbeheizung, Kühlung sowie Heißkanalsysteme stehen bestimmte Systemlieferanten zur Verfügung, wobei die Auswahl meist in Abstimmung mit dem Kunden erfolgt.

Die Verbundtechnologie von Metallverarbeitung und Kunststofftechnik wird ein immer größeres Marktsegment. SBT hat versucht, den Prozess von der Stanztechnik her aufzurollen und hinsichtlich wirtschaftlicherer Fertigung zu kombinieren. Dies ist den Österreichern, nicht zuletzt dank dem Mitwirken von Kunden und Lieferanten, überzeugend gelungen. So ist SBT heute in der Lage, das komplette Fertigungsequipment, von der Stanztechnik über die Schweißtechnik bis hin zur Kunststoffverarbeitung, aus einer Hand zu liefern. Dies erspart dem Kunden Schnittstellenprobleme und sorgt für einen reibungslosen Projektablauf.

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