Das Heißkanalsystem stellt die Verbindung zwischen dem Spritzgießaggregat und dem Anschnitt der Kavität(en) dar und fungiert so als ein Schmelzeleitsystem. Es ist Bestandteil eines Spritzgießwerkzeugs und in diesem integriert. Der thermoplastische Kunststoff „verweilt“, im Gegensatz zum erstarrenden Angießverteiler in Standardwerkzeugen [1], mindestens für die Dauer eines Spritzgießzyklus im Heißkanalsystem und bleibt schmelzflüssig. Er wird nicht mitentformt. Hieraus resultiert umgangssprachlich der Begriff „angussloses Spritzgießen“ [2].
Im Heíßkanalsystem müssen Wärmequellen installiert sein, um den zu verarbeitenden thermoplastischen Kunststoff beim Anfahren des Werkzeugs aufzuschmelzen bzw. bei der Produktion schmelzflüssig halten zu können. Für den Spritzgießprozess nicht nutzbare Wärmeenergie, die ihre Ursache in Wärmeverlusten hat, muss von der Wärmequelle kompensiert werden. Es ist zwar „thermische Homogenität“, d.h. insbesondere ein gleichmäßiges Temperaturniveau im gesamten Heißkanalsystem ohne Temperaturspitzen, anzustreben, grundsätzlich nicht vermeidbare Wärmeverluste (Verlustleistung) stehen dem jedoch mehr oder minder entgegen. Da der Wärmeverlust in seiner Höhe durch konstruktive wie auch werkstofftechnische Maßnahmen in relativ weiten Grenzen beeinflusst werden kann, können bei konsequenter Nutzung wärmetechnischer Grundlagen notwendige, plausible und durchaus auch technisch einfache Lösungen gefunden werden.
Der im Allgemeinen beheizte Heißkanal-Verteilerblock leitet die im Spritzgießaggregat aufbereitete Schmelze von der Maschinendüse über die Angießbuchse bis in den Anschnittbereich der Angießdüse(n). Die Fließkanäle haben Durchmesser, die wenige mm bis zu etwa 26 mm betragen können. Für die Herstellung von Kleinteilen, aber auch für die Verarbeitung von z.B. LCP (flüssigkristallines Polymer), sollten kleine Durchmesser gewählt werden. Großwerkzeuge und Isolierkanäle benötigen dagegen große Durchmesser. Die geometrischen Abmessungen der Fließkanäle sind von großem Einfluss auf die Verweilzeit der Schmelze im Heißkanalsystem. Der Querschnitt der Fließkanäle wird von der Art der Beheizung bestimmt. Bei Außenbeheizung ist der Querschnitt eine Kreisfläche, bei Innenbeheizung eine Kreisringfläche, Bild 3.1. Die maximal zulässige Verweilzeit ist materialabhängig.
In der instationären Aufheizphase wird der Heißkanalverteilerblock einschließlich der eingefrorenen Schmelze innerhalb der Aufheizzeit t auf Prozesstemperatur (Schmelzetemperatur) aufgeheizt. Nach Erreichen dieser Temperatur (quasi-stationäre Phase) dient die Beheizung im Wesentlichen nur noch dem Ausgleich von Wärmeverlusten durch Leitung, Konvektion und Strahlung.
Im Wesentlichen gilt für die Beheizung von Angießdüsen auch das in Kapitel 4 „Beheizung von Heißkanal-Verteilerblöcken“, Gesagte. Die Düsen bilden mit dem Heißkanal-Verteilerblock und der Kavität ein System kommunizierender Röhren. Die Beheizung der Düse muss daher ebenfalls für thermische Homogenität der Schmelze sorgen. Dabei müssen die Wärmeverluste so gering wie möglich sein, was geeignete konstruktive, aber auch werkstofftechnische Maßnahmen verlangt. Auf engstem Raum muss im Anschnittbereich eine „scharfe“ thermische Trennung zwischen der Düse und dem Werkzeug (der Kavität) erreicht werden. Die Temperaturdifferenz kann weit größer als 100 K sein.
Die Regelung ist ein Vorgang, bei dem die vorgegebene Temperatur fortlaufend durch Eingriff auf Grund von Messungen dieser Größe hergestellt und aufrechterhalten wird (DIN 19226). Durch die Anwendung einer Regelung lässt sich die Temperatur einstellen und selbsttätig einhalten (Störgrößen werden „ausgeregelt“). Die Regelung ist eine Erweiterung der Steuerung: die geregelte Temperatur wirkt in einem geschlossenen Wirkungskreis auf den Eingang (Stellglied) zurück. Das Hauptmerkmal einer Steuerung ist dagegen der offene Wirkungskreis, d.h. die Ausgangsgröße wirkt, anders als bei der Regelung, nicht auf die Eingangsgröße zurück. Störgrößen können somit Einfluss auf die Temperaturführung haben. Von wenigen Ausnahmen abgesehen, wird die Temperatur im Heißkanal-Verteilerblock und in den Düsen gemessen und geregelt (Ausnahme: innenbeheizte Systeme, die häufig gesteuert werden). Indirekt beheizte Düsen (z.B. Klemmdüsen) sind nicht direkt regelbar. Die Temperatur ist hier individuell nicht einstellbar.
Durch „Kerben“ werden die Spannungsverteilung und der Spannungszustand (ein- oder mehrachsig) in einem beliebigen Bauteil verändert. Kerben sind Bereiche plötzlicher Querschnittsänderungen oder Stellen, an denen das Bauteil verhältnismäßig scharf(-kantig) in einer geänderten Richtung verläuft [1]. Beispiele für unterschiedliche Kerben zeigt Bild 7.1.
Die Korrosion ist eine von der Oberfläche eines Bauteils ausgehende Zerstörung metallischer Werkstoffe, die durch chemische oder elektrochemische Vorgänge hervorgerufen wird. Bei der Verarbeitung von Kunststoffen in einem Heißkanalsystem muss in Hinblick auf das Korrosionsverhalten ausschließlich der chemische Angriff eines vor allem schmelzeführenden Bauteils beachtet werden, dessen Oberfläche stets die schwächste Zone ist. Sie hat insoweit eine erhebliche Bedeutung für den Gebrauchswert eines Heißkanalsystems.
Einzelkomponenten des Heißkanalsystems werden häufig miteinander verschraubt. Als Werkstoff für die Schrauben wird üblicherweise die Festigkeits-klasse 12.9 (z.B. Stahlsorte 37 Cr 4) bis zu einer maximalen Einsatztemperatur von ϑ = 300 °C eingesetzt. Es muss beachtet werden, dass Streckgrenze, Zugfestigkeit und der E-Modul mit zunehmender Temperatur abnehmen, Bild 9.1. Werden kraftschlüssig beanspruchte Schrauben der Festigkeitsklasse 12.9 beispielsweise bei Temperaturen über 350 °C eingesetzt, reduziert sich die Vorspannkaft nach 1000 h Belastungsdauer auf ca. 50% (sog. Relaxation) [1].
Es sollen nachfolgend einige wichtige kunststoffspezifische Eigenschaften diskutiert werden, die für die Verarbeitung mit einem Heißkanalsystem von Bedeutung sind.
Eine regelmäßige Überprüfung und Wartung von Heißkanalwerkzeugen ist notwendig. Während eines turnusgemäß durchgeführten Wartungsintervalls – etwa alle zwei bis drei Monate – sollten an einem Spritzgießwerkzeug und dem Heißkanalsystem folgende Arbeiten durchgeführt und in einer dazugehörigen Werkzeugkarte dokumentiert werden:
Prüfung des gesamten Systems auf Verschmutzung, Undichtigkeit und Beschädigungen (Installation z.B. eines Inspektionsfensters, heißkanalseitig [1] kann von Vorteil sein).
Ausbau aller Verteiler, um insbesondere die Düsen überprüfen zu können, Die Ursache ggf. von Leckage zwischen Düse und Heißkanal-Verteilerblock – z.B. hervorgerufen durch zu geringe Vorspannung – muss beseitigt werden (Hinweis: die Wärmeleitfähigkeit von Kunststoff ist gegenüber der von Luft ca. eine Zehnerpotenz größer, was zu erhöhten Wärmeverlusten und damit zu thermischer Inhomogenität vor allem im Heißkanal-Verteilerblock führen kann). Verschmutzungen im Anschlussbereich der Düsen müssen entfernt werden. Dies gilt insbesondere für thermisch abgebauten (verkokten) Kunststoff, der elektrisch leitfähig und Ursache von Heizelementversagen sein kann.
In diesem Kapitel werden einige nicht alltägliche Heißkanalanwendungen besprochen, die den schöpferischen Ideenreichtum und den hohen Stand der Technik auf diesem Gebiet verdeutlichen sollen.
