Flexible Farbgebung beim Spritzguss

Sollen Farben variieren, ist es wirtschaftlicher, flüssige Farbe in den geschmolzenen Granulatstrom einzubringen. Damit diese innerhalb einer Charge konstant bleibt, ist eine hochgenaue Dosierung der flüssigen Farbe notwendig, manchmal sogar im Mikroliterbereich. Die in der Dosierpumpe eingesetzten Antriebe müssen dazu auch bei niedriger Drehzahl einen rastmomentfreien Gleichlauf und ein hohes Drehmoment liefern.
Gegenstände aus Kunststoff finden wir in unserem Alltag in den verschiedensten Bereichen. Das liegt nicht zuletzt daran, dass sich Kunststoff per Spritzgussverfahren einfach und kostengünstig in die unterschiedlichsten Formen bringen lässt. Dazu wird das Rohmaterial Kunststoffgranulat erhitzt, bis es fliessfähig ist, und anschliessend in eine Form gespritzt. Bei Bedarf müssen noch Grate und Angussstellen entfernt werden und schon ist ein neues Kunststoffteil entstanden. Für beliebige Produktfarben wird unterschiedlich eingefärbtes Granulat verwendet.

Fein dosieren, schneller Farbwechsel
Wo kleinere Mengen von Kunststoffteilen einer Farbe hergestellt werden, ist es jedoch wirtschaftlicher, das Granulat während des Spritzgussprozesses einzufärben. Dazu wird flüssige Farbe direkt in den Granulatstrom am Einzug der Förderschnecke eingebracht, also beim sogenannten Aufdosieren der Spritzgiessmaschine. Bei diesem Vorgehen wird im Zylinder das Granulat gleichzeitig erhitzt, durchmischt und durch die rotierende Schnecke zum Werkzeug befördert. Das gleichmässige Verteilen der Farbe in das Granulat übernimmt ein Dosiersystem. Die Schnecke der Spritzgiessmaschine sorgt dann im Zusammenspiel mit dem Staudruck für eine gründliche Durchmischung. Für die Farbqualität ist die präzise Dosierung entscheidend. Je nach Anwendungsfall kann die beigemischte Farbmenge sehr gering sein.
HNP Mikrosysteme in D-19053 Schwerin entwickelt, produziert und vertreibt weltweit Pumpen, die kleine Flüssigkeitsmengen schnell und präzise dosieren. «Wir haben unser kompaktes Dosiersystem colorDoS speziell für Prozesse entwickelt, in denen es um einen schnellen Farbwechsel geht», erklärt Olaf Lang vom Technischen Vertrieb bei HNP Mikrosysteme. «Es kann zwischen 0,02 und 100 g Farbe pro Schuss dosieren.» Die ausgefeilte Technik des Dosiersystems sorgt nicht nur für eine hochpräzise Dosierung der einzelnen Farbportionen, sondern verhindert auch die sogenannte Farbverschleppung. Dank dem besonderen Design der Dosierdüse und der Schlauchkupplungen kann man schnell, sauber und ohne Reinigungszeit zwischen verschiedenen Farben wechseln.

Präzision dank hoher Wiederholgenauigkeit
Für die feine Dosierung ist eine Mikrozahnringpumpe zuständig, eine miniaturisierte Gerotorpumpe mit einem Aussen- und einem Innenrotor. Dabei hat der Zahnring auf dem Innenrotor einen Zahn weniger als der äussere Zahnring. Es entstehen also Kammern mit einem fest definierten Verdrängungsvolumen. Die gewünschte Farbmenge wird volumetrisch über die Veränderung der Drehzahl dosiert. So lässt sich bei gleichbleibender Dosierzeit die Farbmenge einstellen. «Die Farbmenge hängt also von der Drehzahl und der Dosierzeit ab», erläutert Olaf Lang. «Je schneller sich die Rotoren drehen, desto mehr Farbe wird in derselben Zeit gefördert, wobei die Drehzahl der Pumpe an die Dosierzeit der Spritzgiessmaschine angepasst wird. Die Taktzeit beinhaltet auch das Auskühlen und Auswerfen des Werkstücks. Währenddessen steht die Pumpe kurz still. Die Farbdosierung ist also ein sehr dynamischer Prozess.» Gleichzeitig kommt es bei der Dosierung auf die Wiederholgenauigkeit an. Damit die Produkte immer dieselbe Farbe haben, muss auch die Farbmenge pro Schuss immer exakt gleich sein.
Im colorDoS wird eine modulare Pumpe vom Typ mzr-7245 eingesetzt. Deren kleinste Dosiermenge beträgt 20 Mikroliter je Schuss. Das ist weniger als ein Regentropfen, aber durch die spezielle Dosierdüsengeometrie kann diese sehr kleine Menge mit hoher Präzision und Reproduzierbarkeit abgegeben werden. «Hier spielt die Qualität des Pumpenantriebs eine entscheidende Rolle und darin kommt es neben dem Motor besonders auf die analogen Hallsensoren an», betont Lutz Nowotka, Antriebspezialist bei HNP Mikrosysteme. «Wir beziehen bereits seit vielen Jahren Kleinstmotoren aus Schönaich. Für colorDoS haben wir uns für einen bürstenlosen DC-Servomotor der Serie BX4 von Faulhaber entschieden.»

Guter Gleichlauf und hohes Drehmoment
Zu den Stärken des Motors mit der Bezeichnung 3268…BX4 CS gehören neben dem hohen Drehmoment von 96 mNm auch der kleine Bauraum, eine besonders lange Lebensdauer und die integrierte, hochpräzise Positionsregelung. «Die analogen Hallsensoren im Motor ermöglichen eine exakte Positionierung des Antriebs und somit auch der Rotoren an 3000 Positionen pro Umdrehung. So dosiert unsere Pumpe auch im Mikroliterbereich hochpräzise», erklärt Lutz Nowotka. «Hier kommt es auf einen guten Gleichlauf und ein hohes Drehmoment selbst bei sehr niedriger Drehzahl an. Der kleinste Bewegungsimpuls muss ohne Rucken und Rasten umgesetzt werden.»
Die Anwender profitieren darüber hinaus von weiteren Stärken des colorDoS Systems. In der Farbcodeverwaltung kann man wiederkehrende Farbrezepturen hinterlegen. Ein Alarmmanager warnt bei niedrigem Farbfüllstand und stoppt bei einer Störung den Spritzgiessprozess. Die Displaysteuerung kommuniziert direkt mit der Spritzgiessmaschine und zeigt zum Beispiel die Restlaufzeit bis zum nächsten Gebindewechsel an. Als ebenso kommunikativ erweist sich der Antrieb für die Farbdosierung: Alle Informationen über den Motor, wie Stromaufnahme, Drehzahl, Position, Abweichung und Temperatur werden hochgenau erfasst und über eine serielle Schnittstelle an die Steuerung übergeben, die den Spritzguss-Prozess steuert. Die Daten stehen aber auch für die vorbeugende Instandhaltung bereit, um Wartungsbedarf lange vor einem Ausfall zu erkennen. Damit sind sowohl die exakte Dosierung der Farbe als auch der zuverlässige Betrieb gewährleistet. Kein Wunder, dass HNP die vom Faulhaber-Motor angetriebene Mikrozahnringpumpe aus eigener Konstruktion als das Herzstück von colorDoS bezeichnet.

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