Niederdruck-Vergiesstechnologie

Grundsätzliches

Unter dem Begriff Niederdruck-Vergiessen versteht man ein Verfahren, bei dem ein thermoplastischer Werkstoff in geschmolzener, flüssiger aber viskosen Form in einem Werkzeug vergossen wird. Gegenüber dem bekannten Kunststoff-Spritzguss wird hierbei mit einem deutlich geringeren Druck und teilweise mit einer geringeren Schmelztemperatur gearbeitet. Durch den geringen Druck und Temperatur bietet sich dieses Verfahren gerade im Bereich der Elektronik an.

Elektronische Bauteile, Lötstellen etc. werden durch die Schmelze, bei der Wahl der richtigen Parameter, nicht beschädigt. Das Verfahren bietet sich hier vor allem an, bestückte Leiterplatten partiell oder komplett zu umgiessen. Der maximal verwendete Schmelz-Druck liegt bei 70 bis 80 bar, wobei in der Regel auch mit geringeren Drücken (ca. 20 bar) gearbeitet werden kann.

Je nach eingesetzter Maschine, kann der Einspritzzyklus ein- oder mehrstufig durchgeführt werden. Die Temperatur der thermoplastischen Schmelze liegt in der Regel bei ca. 180°C bis 220°C. Das Ausgangsmaterial (Vergusswerkstoff) liegt als Granulat vor. Dieses Granulat wird in einem Aufschmelzgerät aufgeschmolzen und bei Anforderung von der Steuerung über separat beheizbare Heizschläuche einem temperierten Heizkopf mittels Zahnradpumpe zugeführt. Der Heizkopf besitzt je nach Anwendungsfall eine oder mehrere Einspritzdüsen, die als verfahrbare Schnittstelle zum Werkzeug dienen.

Die Komponenten für die Aufbereitung, Förderung und Einspritzung sind normalerweise Bestandteil der Vergiessmaschine. Bei unseren Maschinen werden diese über den Profibus bequem angesteuert.

Für einen erfolgreichen Einsatz des Niederdruck-Vergiessens benötigt man also:

  • eine stabile Maschine, mit standardisierten Schnittstellen zur Werkzeugaufnahme
  • ein Vergiesswerkzeug, mit entsprechenden Kavitäten und Auswerfern
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Vergussmaterial

Der verwendete Werkstoff wird aufgrund seiner früheren Einsatzgebiete und seiner Eigenschaften als "Hotmelt" (oder Heisskleber) bezeichnet. Meist basieren diese Werkstoffe auf thermoplastischen Polyamiden. Vergossene Konturen bleiben meist auf Lebensdauer "zäh-elastisch" und werden kaum spröde.

In der Industrie verwendete Werkstoffe zeichnen sich vor allem durch Ihre Resistenz gegenüber äußeren Einflüssen wie Feuchtigkeit + Nässe, tiefe + hohe Temperaturen und durch Ihre mechanische Zähigkeit aus. Sie dichten gerade Leiterplatten teilweise hervorragend ab.

Zur Verarbeitung benötigt man ein speziell für den eingesetzten Werkstoff hergestelltes Werkzeug, da sich vor allem meist die "Entformbarkeit" als problematisch gestaltet. Oft dehnen sich vergossene Konturen, nach dem sie der Form entnommen wurden, minimal aus.


Werkzeug

Bei geeigneter Formgestaltung des Werkzeuges und der Wahl der richtigen Einspritz- und Vergiessparameter können am Fertigteil Toleranzen von +/- 0,1 mm problemlos und reproduzierbar eingehalten werden. Das Verfahren erlaubt es, gestalterisch großzügig auch komplexe Konturen herzustellen. Um einen reproduzierbaren und konstanten Prozess zu gewährleisten, müssen die Werkzeuge gekühlt bzw. temperiert werden. Die Werkzeugtemperaturen liegen in der Regel < 50°C. Die Peripherie hierfür ist, zumindest in unseren Anlagen, in der Vergiessmaschine integriert.

Zur leichteren Entformbarkeit/Bauteilentnahme sind im Werkzeug normalerweise verschiedene Auswerfer realsiert. Werkzeuge aus unserem Hause sind alle für die Herstellung von hohen Stückzahlen ausgelegt. Somit sind die benötigten Bauteile aus Werkzeugstahl gefertigt, zum großen Teil gehärtet und eingeschliffen. Wie bei jedem anderen hochwertigen Werkzeug, sind auch hier zeitliche Aufwendungen für die Pflege und Wartung des Werkzeuges einzuplanen und durch Fachpersonal durchzuführen.


Vergiessmaschine

Zur Aufnahme der Vergiesswerkzeuge und der Peripherie werden spezielle Maschinen benötigt. Die Maschinen müssen mindestens folgende vier Forderungen erfüllen:

  • Ausreichende Stabilität, ansonsten ist kein reproduzierberer Prozess realisierbar
  • Komponenten, die ausreichend große Schliesskräfte aufbringen
  • Standardisierte Schnittstellen zum Werkzeug, damit möglichst alle Arten von Werkzeugen im Hause verwendet werden können. Der Werkzeugwechsel muß schnell und einfach durchzuführen sein.
  • Die Maschine muss es ermöglichen, mehrstufige Einspritzzyklen durchzuführen.
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Vergießwerkzeuge und -maschinen

Grundsätzliches

Die Vergiessmaschine ist modular aufgebaut. Eine Komplettmaschine, für den Betrieb von 2 Werkzeugen, besteht aus einem Grundmodul und einem Anbaumodul. Die Module sind über Flanschplatten miteinander verbunden.

Bei geringen Stückzahlen empfehlen wir, nur das Grundmodul alleine einzusetzen. Sollte die Stückzahl steigen kann innerhalb kurzer Zeit ein Anbaumodul an das Grundmodul montiert werden. Die Steuerung, Elektrik, Pneumatik und die Peripheriegeräte sind im Grundmodul soweit vorbereitet und verfügbar, dass eine Maschinenerweiterung durch Anbau des Anbaumoduls problemlos kurzfristig bei nur kurzer Maschinenstillstandszeit möglich ist.

Sind die Stückzahlen entsprechend hoch liefern wir eine komplette Maschine, bestehend aus Grund- und Anbaumodul.

Vergiessanlage

Aufbau

Unsere Vergiessmaschinen sind auf einem stabilen Schweißgestell, bestehend aus Profil- Stahlrohren und verschweißten Anschraubplatten, aufgebaut.

Dieser robuste Aufbau ist Grundlage für die industrielle Großserienfertigung von präzisen Teilen. Maschinenverlagerungen mit Flurförderfahrzeugen sind problemlos möglich.

Die einzusetzenden Werkzeuge sind zweiteilig und bestehen aus einem Unterteil und einem Oberteil. (Detaillierte Angaben zu den Werkzeugen finden Sie weiter unten.)

Hotmelt - Vergiessmaschine

Auf einer Komplettmaschine (Grund- und Anbaumodul) werden zwei Werkzeuge eingesetzt, d.h. jedes Modul wird mit einem kompletten Werkzeug ausgerüstet. Durch dieses Konzept ist es möglich, die Module unabhängig voneinander zu betreiben, was folgende Vorteile für Sie bedeutet:

  • sind beide Werkzeuge identisch:
    hoher Durchsatz, Tandembetrieb, d.h. während Werkzeug A bestückt wird, wird im Werkzeug B umgossen
  • unterschiedliche Werkzeuge:
    Variantenfertigung im Tandembetrieb möglich, Werkstoff identisch
  • Wartungsarbeiten Werkzeuge:
    Kein kompletter Maschinen- bzw. Werkzeugstillstand, während z.B. Werkzeug A gewartet wird, kann Werkzeug B weiterbetrieben werden, z.B. auch in Verbindung mit der Variantenfertigung.

Der Maschinenaufbau erfolgt auf einer 20mm dicken Stahlplatte (oberflächenbehandelt).

Werkzeugober- und -unterteil sind jeweils auf wassergekühlten Kühlplatten (2x Zylinderstifte + 4x Schrauben M8) montiert. Dadurch ist eine genaue und reproduzierbare Temperierung des Werkzeugs möglich.

Das Werkzeugoberteil ist über die obere Kühlplatte mit dem Schließzylinder verbunden. Als Schließzylinder verwenden wir pneumo-hydraulische Zylinder.

Das Kraftmodul ist über 4 Säulen mit Kopfplatte montiert. Schließkräfte von 1 bis 8 t sind je Notwendigkeit realisierbar.

Das Werkzeugunterteil ist über die untere Kühlplatte mit 2 stabilen Maschinenführungen (2 Linearführungen mit 4 Laufwagen; pro Werkzeugunterteil) verbunden. Durch einen pneumatischen, kolbenstangenlosen Antrieb wird das Werkzeugunterteil in die Bestückungs-Position oder Umgießposition bewegt. Die exakte Positionierung des Werkzeugunterteils zum –oberteil beim Schließvorgang wird über zwei 20mm Führungssäulen realisiert.

Als Komponenten für das Aufheizen und den Umgießprozess als solches, verwenden wir z.B. Geräte aus dem Hause ROBATECH. Der Umgießprozess ist hinsichtlich der Umgießparameter von der zentralen Maschinensteuerung (Siemens S7-300 DP) über ein Siemens Anzeige-/Bediengerät programmierbar und bauteilspezifisch speicherbar.

Die Vernetzung der Steuerungskomponenten über Profibus DP® ermöglicht es, schnell und problemlos zusätzliche Komponenten, wie beispielsweise ein automatisches Einlege- und Entnahmehandling zu integrieren.

Hotmelt - Vergiessmaschine - Werkzeuge

Je Werkzeug kommen i.d.R. 2 Einspritzdüsen, die auf einem gemeinsamen Düsenhalter (beheizt) montiert sind, zum Einsatz. D.h. mit unseren Maschinen und Werkzeugen können, abhängig von der Bauteilgröße, normalerweise 4 Kavitäten (pro Düse 2 Stück, über geteilten Anguß) bearbeitet werden.

Die Maschine, und nicht das Werkzeug, besitzt pneumatische Betätiger für die Auswerfer im Werkzeugunterteil und Werkzeugoberteil. Das bedeutet, dass bei einem Werkzeugwechsel keine Pneumatikschläuche, etc. zu entfernen oder zu wechseln sind.


Ablauf

Der Bediener bestückt das Werkzeug, betätigt dann die 2-Handbedienung. Das Werzeugunterteil wird in die Umgießposition bewegt. Der Schließzylinder bewegt sich nach unten und über die 2 Führungssäulen im Werkzeugoberteil wird das Werkzeugunterteil zentriert.

Ist der Schließvorgang abgeschlossen, kann die 2-Handbetätigung gelöst werden. Der Bediener kann nun Werkzeug 2 entladen und neu bestücken.

Die Einspritzdüsen werden pneumatisch in den Angusskanal bewegt, der parametrierbare, teilweise mehrstufige Umgiess-/ Einspritzprozess startet.

Meist ist ein mehrstufiger Einspritzzyklus erforderlich, um die Kavität voll auszufüllen, Einfallstellen zu vermeiden, die Maßhaltigkeit zu gewähren etc.

Die mehrstufigen Zyklen sind vom Ablauf her vergleichbar mit dem Kunststoffspritzguss. Beispielsweise wird manchmal nach dem eigentlichen Füllen der Kavität ein "Nachdrücken" bei deutlich höherem Druck durchgeführt. Natürlich müssen in diesem Fall die Schliesskräfte der Maschine ausreichend groß sein.

Durch Variation der Prozessparameter ist es möglich, direkt Maße zu beeinflussen, manche Maße können "größer" bzw. "kleiner" gespritzt werden.

Nach Ablauf einer programmierbaren Kühlzeit öffnet das Werkzeug selbstständig (inkl. Auswerfer oben), das Unterteil wird automatisch langsam in die Bestückungsposition bewegt. Die Entnahme des umspritzen Teiles aus der Kavität sowie des Angusses erfolgt durch Betätigen eines Fußpedals, das die pneumatischen Auswerfer unten ansteuert.

Taktzeiten: je nach Anwendung 10–30 Sekunden


Werkzeuge

Wir konstruieren und bauen die Werkzeuge selbst.

Die Werkzeuge sind grundsätzlich aus Stahl (Formenbaustahl 1.2767, 1.2379, 1.2842) gefertigt. Bauteile die besonderen Belastungen ausgesetzt sind, z.B. die Kavitäten, sind auf HRC56+ gehärtet.

In den Werkzeugen sind die Auswerferkomponenten (z.B. Flächenauswerfer oder Auswerferstifte) montiert. Die Betätigung erfolgt durch die pneumatischen Auswerferzylinder an der Maschine.

Pro Werkzeug sind i. d. R. mehrere Formnester realisiert, normalerweise 2 – 6 Stück.