Spritzguss und Spritzgussverfahren
1. Was ist Spritzguss?
Der Spritzguss wird hauptsächlich in der Kunststoffverarbeitung eingesetzt und dient der Herstellung von Klein- und Prototypen aus fast ausschließlich Kunststoffen. Das Spritzgießen ist die gängigste Herstellungsart für Prototypen und zur Kleinserienproduktion von Teilen für Endverbraucher. Im Spritzguss-Verfahren findet ein Mechanismus statt, bei dem thermoplastische oder duroplastische Polymere in einen Hohlraum eingespritzt werden und dann als fertiges Teil erstarren. Anschließend wird das erstarrte Material aus der Form ausgestoßen. Mit diesem Spritzguss-Verfahren lassen sich in großen Mengen wirtschaftlich direkt verwendbare Formteile herstellen. Eine Spritzguss-Maschine fertigt diese Gegenstände zudem mit hoher Genauigkeit in kurzer Zeit. Der jeweilige Werkstoff, meist Kunststoffgranulat, wird verflüssigt (plastifiziert) und mit hohem Druck in den Hohlraum im Spritzguss-Werkzeug eingespritzt. Dieser Hohlraum bestimmt die Form und die Oberflächenstruktur des fertigen Teils. Heutzutage lassen sich Teile von wenigen Zehnteln Gramm bis in den zweistelligen Kilogramm-Bereich herstellen. Zudem kann man beim Spritzguss die Oberfläche des Bauteiles nahezu frei wählen. Das Spritzguss-Verfahren dient der Herstellung von glatten Oberflächen, Narbungen, Mustern und Gravuren. Nachdem die Kunststoffmasse im Spritzguss-Werkzeug abgekühlt ist, lässt sich das Werkzeug öffnen, um das Kunststoffbauteil entnehmen zu können. Beim Abkühlen ist der Werkstoff wieder in einen festen Zustand übergegangen.
Das Spritzguss-Verfahren ist für größere Stückzahlen wirtschaftlich sinnvoll. Die Kosten für den Werkzeugbau machen einen großen Teil der notwendigen Investitionen aus. Dadurch lohnt sich selbst bei einfachen Werkzeugen die Investition erst nach der Herstellung von einigen tausend Teilen. Das Spritzguss-Werkzeug kann für die Herstellung von bis zu einigen Millionen Teilen verwendet werden. Dies macht das Spritzgießen zum meistverbreiteten Verfahren zur massenhaften Herstellung von Kunststoffobjekten. Dem Spritzgießen steht Werkzeugbau voran, um Spritzguss-Formen für verschiedene Spritzgussverfahren herzustellen.
Die durch die Spritzguss-Herstellung entstandenen Kunststoff-Formteile ordnet man wie folgt in Kategorien ein: A-Teile sind sehr präzise Teile mit höchsten Anforderungen, zu den B-Teilen gehören technische Kunststoff-Teile mit hohen Anforderungen und als C-Teile bezeichnet man geometrisch einfache Formteile aus Kunststoff mit geringen Anforderungen.
Alle Kategorien besitzen unter anderem folgende wesentliche Qualitätseigenschaften: Formteilmaße und -gewicht, Oberflächenstruktur, Festigkeit und Verzugserscheinungen.
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2. Aufbau einer Spritzguss-Maschine
Die Schneckenkolben-Spritzguss-Maschine besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen. Die Spritzeinheit oder auch Plastifiziereinheit, plastifiziert den Kunststoff, bereitet ihn auf und dosiert ihn, und die Schließeinheit schließt, behält und öffnet das Formwerkzeug.
Die Spritzeinheit setzt sich hauptsächlich aus dem Plastifizierzylinder, einem waagerechten Zylinder, und einer Schnecke zusammen, die sich darin befindet. An einem Ende des Plastifizierzylinders befindet sich ein Trichter zum Befüllen mit dem Rohmaterial, am anderen befindet sich eine Düse, welche entweder verschließbar oder nicht verschließbar sein kann. Sie befindet sich zwischen Plastifizierzylinder und Schließeinheit und dient als Übergang.
3. Welche Spritzgussverfahren gibt es?
Das Material, das beim Spritzgießen verarbeitet wird, lässen sich in Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere unterteilen. Alle drei Kunststoffarten können für das Spritzgießen verwendet werden. Das Verfahren, das am häufigsten für die Kunststoffverarbeitung verbreitet ist, ist jedoch das Thermoplast-Spritzgießen, da es die größte wirtschaftliche Bedeutung hat. Das Spritzguss-Verfahren von Duroplasten und Elastomeren funktioniert im Prinzip wie das Verfahren von Thermoplasten und unterscheidet sich hauptsächlich nur in den Parametern, wie zum Beispiel Temperaturen.
Im Folgenden sind weitere Spritzgussverfahren aufgelistet:
- Thermoplast-Spritzgießen
- Elastomer-Spritzgießen
- Duroplast-Spritzgießen
- Thermoplast-Schaumgießen (TSG)
- Mehrkomponenten-Spritzgießen
- Pulverspritzgießen(PIM: Powder Injection Molding)
- Wasserinnendruck-Spritzgießen(WID)
- Schmelzkern-Spritzgießen
- Spritzprägen
- In-Mold-Verfahren
- Gasinnendruck-Spritzgießen(GID)
- Gashinterdruck-Verfahren(GHD)
- Exjection® (ExM®)
3.1. Thermoplast-Spritzguss
Der thermoplastische Kunststoff rieselt als Granulat in die rotierende Schnecke ein. Das Granulat wird durch die Wärme im Werkzeug erwärmt und aufgeschmolzen. Das geschmolzene Granulat sammelt sich vor der Schneckenspitze an, da die Düse noch geschlossen ist.
In der Einspritzphase wird die Plastifiziereinheit an die Schließeinheit gefahren, mit der Düse angedrückt und die Schnecke unter Druck gesetzt. Dabei wird der geschmolzene Kunststoff unter hohem Druck durch die geöffnete Düse formgebenden Hohlraum gedrückt. Dabei wird durch die Rückstromsperre ein Zurückströmen der Schmelze verhindert.
Während des Einspritzens wird die Schmelze im Werkzeug dort, wo sie die kühlte Werkzeugwand berührt, sofort abgekühlt und erstarrt dort. Der nachrückende Kunststoff wird durch den dadurch verjüngten Schmelzkanal mit noch höherer Geschwindigkeit gedrückt. Die hohe Einspritzgeschwindigkeit erzeugt in der Schmelze eine Schergeschwindigkeit, welche die Schmelze leichter fließen lässt. Trotzdem ist ein stets schnelles Einspritzen nicht anzustreben, denn durch die hohe Schergeschwindigkeit wird auch der Molekülabbau verstärkt. Auch die Oberfläche, das Aussehen und der Orientierungszustand werden durch die Einspritzphase beeinflusst.
Da das Werkzeug kälter als die Kunststoffmasse ist, kühlt die Schmelze in der Form ab und erstarrt bei Erreichen des Gefrierpunktes. Durch das Abkühlen verringert sich auch das Volumen, was sich nachteilig auf Maßhaltigkeit und Oberflächenqualität des Werkstückes auswirkt. Um diese Schwindung teilweise zu kompensieren, wird auch nach Füllung der Form ein reduzierter Druck aufrechterhalten, damit Material nachfließen und die Schwindung ausgleichen kann.
Nach Beendigung des Nachdrückens kann die Düse geschlossen werden und in der Spritzeinheit bereits der Plastifizier- und Dosiervorgang für das nächste Formteil beginnen. Das Material in der Form kühlt in der Restkühlzeit weiter ab, bis auch die Seele, der flüssige Kern des Werkstückes, erstarrt ist und eine zum Entformen hinreichende Steifigkeit erreicht ist.
Die Spritzeinheit wird dann von der Schließeinheit wegbewegt (abgehoben), da kein Kunststoff mehr aus dem Anguss austreten kann. Dies dient dazu, einen zu starken Wärmeübergang von der wärmeren Düse auf das kältere Werkzeug zu unterbinden und vermeidet so ein zu starkes Abkühlen der Düse (Einfrieren).
Zum Entformen öffnet sich die Schließeinheit und das Werkstück durch Stifte ausgeworfen. Es fällt dann entweder heraus oder wird durch bestimmte Geräte aus dem Werkzeug entnommen. Nach dem Entformen schließt sich das Werkzeug wieder und der Zyklus beginnt von neuem.
3.2. Duroplast-Spritzguss
Im Vergleich zum Thermoplast-Spritzgießen härtet das Duroplast-Spritzgießen meistens durch Einwirken von Wärme aus. Nachdem Duroplast aushärtet, ist ein erneutes Aufschmelzen nicht mehr möglich. Duroplast kann jedoch recycelt werden. Die noch nicht ausgehärtete Masse muss deshalb mit einer niedrigeren Temperatur in die Form eingespritzt werden und dort dann durch eine höhere Temperatur aushärten. Mit dem Duroplast-Spritzguss lassen sich sehr große Wanddicken der Teile von bis zu 50 mm formen.
Duroplaste werden unter anderem typischerweise für Fahrzeugscheinwerfer angewendet. Obwohl der Materialpreis der Duroplaste im Allgemeinen günstiger ist, verlieren sie im Wirtschaftlichkeitsvergleich meist gegenüber den Thermoplasten. Bei Wanddicken bis ca. 4 mm sind die Zykluszeiten der Duroplast-Verarbeitung nämlich meist länger als die bei Thermoplasten.
3.3. Elastomer-Spritzguss
Elastomere vulkanisieren wie Duroplasten durch Wärmeeinfluss. Das Werkzeug muss also beim Einspritzvorgang ebenfalls heißer als die Formmasse sein. Eine Ausnahme bilden die thermoplastischen Elastomere.
Elastomere können in Form von rieselfähigen Pulvern oder bandförmig von einer speziellen Förderschnecke eingezogen werden. Der Zylinder wird meist durch eine Wassertemperierung auf ca. 80 °C temperiert erwärmt um Überhitzung zu vermeiden. Da geschmolzene Elastomere sehr dünnflüssig sind, ist der Aufwand bei der Werkzeug-gestaltung höher als bei Thermoplast-Werkzeugen. Abgesehen von den Besonderheiten verläuft der Spritzgießvorgang grundsätzlich ähnlich wie beim Thermoplast-Spritzgießen ab.
Beim Elastomer-Spritzgießen werden oft Spritzgießmaschinen mit mehreren Schließeinheiten für mehrere Werkzeuge und unterschiedlicher Teile benutzt, da die Vulkanisierzeit um Einiges größer ist als die Aufbereitungszeit in der Spritzeinheit.
4. Welche Vorteile bietet das Spritzgießen?
Das Spritzgießen dient der Herstellung von Kleinserien und bietet eine hohe Wirtschaftlichkeit bei komplexen, kleinen Werkzeugen gegenüber einer langwierigen, konventionellen Herstellung. Des Weiteren bieten wir kurze Herstellungszeiten und daraus folgend geringere Endkosten der Herstellung. Durch das Spritzgießen erhält man zudem serienidentische Präzisionsteile. Darüber hinaus müssen die Spritzgussteile nicht oder nur kaum nachgearbeitet werden. Nach dem Werkzeugbau für den Spritzguss und der Installation aller Komponenten, läuft das Verfahren automatisch ab – somit ist keine andauernde Überwachung von Nöten.
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