Eine dünnwandige Revolution bahnt sich an – vorsichtig

Dieses von StackTeck erstmals in einer Netstal Synergy-Maschine gezeigte Single-Cavity-Entwicklungstool von StackTeck verkürzte die Zykluszeit für einen 200-ml-Dünnwandbecher um mehr als die Hälfte und verbrauchte dabei weniger Material. Im-Pak verwendet einen Shot-Pot auf der stationären Platte zur kontrollierten Injektion. Der volle Schuss tritt ein, während sich die Form schließt, und formt einen Knüppel. Der Schließkern zwingt Material an den Seitenwänden hoch. Der Formschluss begrenzt den Durchfluss. Im-Pak sagt, dass L/T-Verhältnisse länger, Wände und Boden dünner und der Rand und die Stapelschulter dicker sein können, ohne sich zu verformen.

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Im-Pak und sein Entwicklungspartner, der Formenbauer StackTeck (Brampton, ON), achten darauf, es nicht zu übertreiben. Ein kurzes Beispiel: Ein von StackTeck gebautes Einkavitäten-Entwicklungswerkzeug fertigt mit herkömmlicher Technologie in 3 bis 3,5 Sekunden einen 200-ml-PP-Trinkbecher. Mit der Technologie von Im-Pak kann es mit 2 Sekunden laufen und verbraucht dabei deutlich weniger Material pro Tasse.

In eine Schließform

Die Technologie von Im-Pak verwendet einen Spritztopf auf der stationären Formplatte, um beim Schließen der Kernseite einen vollen Schuss Material in die Kavität einzuspritzen. Das Material bildet einen Knüppel in der Basis des Kerns und wird dann durch die Kraft des eintretenden Kerns mit hoher Geschwindigkeit an den Seiten der Form nach oben gedrückt. Die Form schließt, bevor Material durch die Oberseite schießen kann.

David Chiddy, Leiter Vertrieb und Marketing bei Im-Pak, sagt, der Prozess sei wie der Bewegungsablauf einer Kniehebelmaschine: schnelle Beschleunigung, Verlangsamung im letzten Moment, Schließen. Um eine präzise Befüllung zu gewährleisten, hat jede Kavität ihren eigenen Shot-Pot, und Chiddy sagt, dass die Anzahl der Kavitäten theoretisch unbegrenzt ist, da die Shot-Pots die Notwendigkeit beseitigen, die Heißkanäle auszugleichen.

Der Einspritzdruck beträgt etwa 500 bar (7250 psi), verglichen mit etwa 2400 bar (34.800 psi) beim herkömmlichen Formen. Die Materialverarbeitung kann bei einer viel niedrigeren Temperatur erfolgen als beim herkömmlichen Formen. Standard-PP kann bei etwa 165 °C verarbeitet werden statt bei den normaleren 230 °C, und es kann ein Harz mit niedrigerem MFI verwendet werden.

Chiddy beschreibt den Prozess als selbstzentrierend und sagt, dass er die Kernverschiebungs- und Konzentrizitätsprobleme eliminiert, die dem Hochgeschwindigkeits-Formen von dünnwandigen Behältern eigen sind. Das Material wirkt als Dämpfer, um den Kern im Hohlraum zentriert zu halten. Die Bewegung des Materials an den Seitenwänden hinauf ist gleichmäßig und das Füllen ist gleichmäßig, selbst bei Tests mit kontrollierten kurzen Schlägen.

Viele Gründe warum

Wenn wir über die Vorteile der Technologie von Im-Pak sprechen, könnte dies mit der Reduzierung der Zykluszeit beginnen, aber es gibt noch mehr. Ein Polypropylen-Eimer, der vor zwei Jahren noch in 8,5-Sekunden-Zyklen geformt wurde, braucht jetzt mit Im-Pak nur noch 3 Sekunden. Darüber hinaus wurde es von einer 150-Tonnen-Maschine auf ein 90-Tonnen-System umgestellt, und das Gewicht des Endprodukts wurde um 28 % von 76 g auf 55 g reduziert.

Da Materialien 80 % oder mehr der Kosten für dünnwandige Teile ausmachen und die Materialpreise weiter steigen, könnte die Verwendung von weniger Kunstharz kürzere Zykluszeiten auf der Motivationsliste übertreffen. Im-Pak weist darauf hin, dass Materialeinsparungen, Zykluszeitverkürzungen und andere Einsparungen je nach Teil unterschiedlich sind.

Chiddy hilft gerne mit einer Kostenanalyse für ein potenzielles Teil. Es geht normalerweise zu Gunsten von Im-Pak, unterstützt durch andere Vorteile wie:

• Dünnere Behälterwände (ein Eimer mit 1-mm-Wänden ging auf 0,8 mm).
• Stärkerer Behälterrand und Stapelschulter ohne Verformung.
• Dünnerer Behälterboden, da er kein Kanal für Material ist, um die Wände zu erreichen.
• Bis zu 50 % längeres Verhältnis von Fließlänge zu Dicke (L/T).
• Bessere Pack-out- und Wandkonsistenz.
• Kein Schrumpfen von Kavitätenwänden weg.
• Reduzierter Werkzeugverschleiß durch sanfteres Schließen und geringeren Druck.
• Reduzierte Kosten für Harze mit niedrigerem MFI (vielleicht sogar Extrusionsqualitäten).

Die Verwendung von Im-Pak könnte die grundlegende Produktionsstrategie eines Formers ändern. Je nachdem, wie viel Zykluszeit verkürzt wird, könnte ein Spritzgießer beispielsweise mit einem 16-fach-Werkzeug in einer 150-Tonnen-Presse genauso viel Ausbeute erzielen wie mit einem 24-fach-Werkzeug in einer 250-Tonnen-Maschine.

Anwendungen und Überlegungen

Zu den potenziellen Anwendungen, die Im-Pak für die Technologie sieht, gehören Getränkebecher, Eimer, Nudel- und Suppenbecher, medizinische Einwegartikel und Lebensmittelverpackungen wie Joghurt und Desserts sowie Lebensmittelbehälter zum Mitnehmen. Chiddy sagt, dass das Verfahren es den Formern ermöglichen könnte, den Thermoformern Jobs wegzunehmen, indem der Abfall beseitigt wird, der beim Schneiden von Behältern aus extrudierten Kunststoffplatten anfällt.

Zu den zu behandelnden Problemen gehören natürlich die Kosten für die speziell entworfene Form. Im-Pak verkauft keine Formen, sondern lizenziert seine Multipatent-Technologie an die Eigentümer der Formen. StackTeck ist der bevorzugte Formenbauer, aber auch andere Werkzeugbauer sind involviert. Die Lizenzkosten von Im-Pak sind eine einmalige Gebühr plus Lizenzgebühren basierend auf den Einsparungen. Chiddy sagt, dass bei einer typischen Anordnung ein Drittel der Einsparungen an Im-Pak und zwei Drittel an den Benutzer gehen.

Die Technologie ist nicht komplex, sagt Chiddy, aber bestimmte Elemente müssen berücksichtigt werden. Die Maschinensteuerungssoftware muss im Allgemeinen modifiziert werden, um die Nadelverschluss-Heißkanal- und Shot-Pot-Timings zu sequenzieren. Andere Faktoren umfassen die Notwendigkeit einer zusätzlichen Formhöhe von 2 bis 3 Zoll im Vergleich zum normalen Einspritzen. Die Spritztöpfe sitzen auf der feststehenden Formplatte oder im Falle einer Etagenform auf der feststehenden Mittelplatte. In jedem Fall passen sie zwischen die Holme. Im-Pak sagt, dass das Kostendelta in der Form 20 % bis 30 % pro Kavität beträgt.

Laut Henry Rozema, Vizepräsident für kommerzielle Operationen und Innovationen bei StackTeck, passt das Im-Pak-Projekt zur F&E-orientierten Strategie des Werkzeugherstellers, neue Technologien auf den Markt zu bringen, und zielt außerdem auf dünnwandige Verpackungen a Markt StackTeck kennt sich gut aus.

StackTeck kombiniert seine Innovation und Entwicklung mit einem konservativen Marktstil. Es entwickelt ständig neue Technologien, bringt sie aber erst dann auf den Markt, wenn sowohl die Technologie als auch der Markt bereit sind. Das Unternehmen entwarf und baute das Single-Cavity-Entwicklungstool Im-Pak, mit dem die Technologie im Jahr 2003 vorgestellt wurde, und arbeitet seitdem damit.

Rozema sagt, dass die Zyklusverkürzung und die Materialeinsparungen vielversprechend sind, sogar konservativ ausgedrückt. Er spricht von 25 % kürzeren Zyklen (nicht 50 %) und betont, wie viel vom jeweiligen Teil abhängt. Er stellt jedoch auch fest, dass die Fähigkeit von Im-Pak, eine konstante Dicke in einem Becherrand zu halten, das L/T-Verhältnis zu erhöhen und Material vom Boden eines Behälters zu schneiden, echte Marktvorteile sind.

Über den Tellerrand blicken

Der Erfinder des Im-Pak-Verfahrens und Firmengründer ist Peter Clarke, ein 36-jähriger Veteran der Kunststoffbranche, der als Werkzeugmacher im Unternehmen seiner Familie begann. Zuvor entwickelte er das Coralfoam-Verfahren ( siehe „Selective Foaming for Strength and Speed“, Januar 1997, IMM ), das das Schäumen ausgewählter Bereiche eines Teils während des Formzyklus ermöglicht.

Clarke kann als Serieninnovator in formen- und prozessbezogenen Technologien beschrieben werden. Wie es sich gehört, erweitert er bereits das Spritzprägesystem Im-Pak um die Barrieretechnologie. Bisherige Ergebnisse zeigen, dass, wenn der Materialbarren im Boden des Hohlraums mehrschichtig ist, die Schichtverteilung aufrechterhalten werden kann, wenn sich Material an den Seitenwänden nach oben bewegt.

Im-Pak hat gute Ergebnisse bei der Herstellung von dreischichtigen Strukturen aus PP, einer Verbindungsschicht und EVOH erzielt. Clarke geht die Barriere-Idee einen großen Schritt weiter und entwickelt eine Technologie für Behälter mit einer 7- bis 12-µm-Folien-Innenschicht als Barriere.

Clarke und Im-Pak haben eine weitere Entwicklung für das Formen von PET-Vorformlingen unter Verwendung der Spritzgusstechnologie für die Vorformlinge und das Blasen derselben in Flaschen innerhalb desselben Systems. Der Hebel liegt auch hier in der kurzen Zykluszeit. Die Tests haben bereits 10 Sekunden für eine fertige Flasche erreicht und laut Im-Pak sind 5 bis 7 Sekunden machbar. Das ist etwa doppelt so schnell wie die heutigen integrierten Preform-/Blasformsysteme, sagt Chiddy, und wohl schnell genug, um in einem Hochgeschwindigkeits-Füllsystem integriert zu sein.