Spritzgießen

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Wechseln zu: Navigation, Suche
Spritzguss-Prototyp einer Triola
Spritzgussteil aus Kunststoff
Spritzgießmaschine
Form
Lego-Spritzgusswerkzeug, Detail Unterseite
Lego-Spritzgusswerkzeug, Detail Oberseite

Das Spritzgießen (oft auch als Spritzguss oder Spritzgussverfahren bezeichnet) ist ein Urformverfahren, das hauptsächlich in der Kunststoffverarbeitung eingesetzt wird. Dabei wird mit einer Spritzgießmaschine der jeweilige Werkstoff verflüssigt (plastifiziert) und in eine Form, dem Spritzgießwerkzeug, unter Druck eingespritzt. Im Werkzeug geht der Werkstoff durch Abkühlung oder eine Vernetzungsreaktion wieder in den festen Zustand über und wird nach dem Öffnen des Werkzeuges als Fertigteil entnommen. Der Hohlraum, die Kavität, des Werkzeuges bestimmt dabei die Form und die Oberflächenstruktur des fertigen Teiles. Es sind heute Teile im Gewichtsbereich von wenigen Zehntel Gramm bis zu einer Größenordnung von 150 kg herstellbar.

Mit diesem Verfahren lassen sich direkt verwendbare Formteile in großer Stückzahl kostengünstig herstellen. Die Kosten für das Werkzeug machen einen großen Teil der notwendigen Investitionen aus. Dadurch ist selbst bei einfachen Werkzeugen die Schwelle der Wirtschaftlichkeit erst bei einigen tausend Teilen erreicht. Andererseits können die Werkzeuge für die Herstellung von bis zu einigen Millionen Teilen verwendet werden.

Das Spritzgießen, insbesondere erweiterte spezielle Verfahren, erlaubt eine nahezu freie Wahl von Form und Oberflächenstruktur wie z. B. glatte Oberflächen, Narbungen für berührungsfreundliche Bereiche, Muster, Gravuren und Farbeffekte. Zusammen mit der Wirtschaftlichkeit macht dies das Spritzgießen zum weitverbreitetsten Verfahren zur Massenherstellung von Kunststoffteilen in praktisch allen Bereichen.

Unterteilung der Spritzgießverfahren[Bearbeiten]

Beim Spritzgießen werden fast ausschließlich Kunststoffe verarbeitet. Diese lassen sich in Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere unterteilen. Alle drei Materialarten können im Spritzgussverfahren verwendet werden, wobei das Thermoplast-Spritzgießen die größte wirtschaftliche Bedeutung hat. Es ist das am häufigsten verwendete Kunststoffverarbeitungsverfahren überhaupt.

Deswegen soll im Folgenden das Verfahren zunächst für Thermoplaste erklärt werden. Das Spritzgießen von Duroplasten und Elastomeren funktioniert prinzipiell gleich und unterscheidet sich in erster Linie nur in den Betriebsparametern (z. B. Temperaturen).

Die unten beschriebenen speziellen Verfahren stellen Erweiterungen bzw. Modifikationen des Grundprozesses für bestimmte Anwendungen dar.

Thermoplast-Spritzgießen[Bearbeiten]

Grundsätzlicher Aufbau einer Spritzgießmaschine[Bearbeiten]

Hauptartikel: Spritzgießmaschine

Die heute übliche Schneckenkolbenspritzgießmaschine besteht aus zwei Einheiten: der Spritzeinheit oder auch Plastifiziereinheit, welche den Kunststoff plastifiziert, aufbereitet und dosiert, und der Schließeinheit, die das Formwerkzeug schließt, zuhält und wieder öffnet.

Die Spritzeinheit setzt sich im Wesentlichen aus einem waagrechten Zylinder, dem Plastifizierzylinder und einer darin befindlichen Schnecke zusammen. Die Schnecke rotiert und kann auch axial im Zylinder bewegt werden. An einem Ende des Plastifizierzylinders befindet sich der Einfülltrichter zum Beschicken mit dem Rohmaterial, am anderen befindet sich eine verschließbare Düse, die den Übergang zur Schließeinheit darstellt.

Die Schließeinheit besteht aus dem Formwerkzeug selbst, das in zwei Hälften getrennt werden kann. Die Hälften sind auf zwei Aufspannplatten montiert, von denen die eine, die Düsenseite, starr und der Düse der Spritzeinheit zugewandt ist. Die andere, die Auswerferseite, ist beweglich. Sie kann hydraulisch oder elektromechanisch von der Düsenseite wegbewegt oder mit Kraft auf sie gepresst werden.

Spritz- und Schließeinheit müssen entsprechend dem Werkstoff, Bauteil und Prozess temperiert werden. Da die beiden Einheiten unterschiedliche Temperaturen aufweisen, können sie, außer bei Heißkanalsystemen, zur thermischen Trennung voneinander wegbewegt werden.

Bis 1956 verwendete man Kolbenspritzgießmaschinen.

Verfahrensablauf[Bearbeiten]

Prinzip: 1. Schnecke 2. Einfülltrichter 3. Granulat 4. Plastifizierzylinder 5. Heizelemente 6. Werkzeug

Plastifizieren und Dosieren[Bearbeiten]

Der thermoplastische Kunststoff rieselt in Form eines Granulats in die Gänge der rotierenden Schnecke ein. Das Granulat wird Richtung Schneckenspitze gefördert und durch die Wärme des Zylinders und die Friktionswärme, die beim Zerteilen und Scheren des Materials entsteht, erwärmt und aufgeschmolzen. Die Schmelze sammelt sich vor der Schneckenspitze, da die Düse zu diesem Zeitpunkt geschlossen ist. Da die Schnecke axial beweglich ist, weicht sie durch den Druck zurück, auch schraubt sie sich ähnlich einem Korkenzieher aus der Masse heraus. Die Rückwärtsbewegung wird durch einen Hydraulikzylinder oder elektrisch gebremst, so dass sich in der Schmelze ein Staudruck aufbaut. Dieser Staudruck in Verbindung mit der Schneckenrotation verdichtet und homogenisiert das Material.

Die Schneckenposition wird gemessen und sobald sich eine für das Werkstückvolumen ausreichende Materialmenge angesammelt hat, ist der Dosiervorgang beendet und die Schneckenrotation wird eingestellt. Ebenso wird die Schnecke aktiv oder passiv entlastet, so dass die Schmelze dekomprimiert wird.

Einspritzen[Bearbeiten]

In der Einspritzphase wird die Spritzeinheit an die Schließeinheit gefahren, mit der Düse angedrückt und die Schnecke rückseitig unter Druck gesetzt. Dabei wird die Schmelze unter hohem Druck (meist zwischen 500 und 2000 bar) durch die geöffnete Düse und den Anguss bzw. das Angussystem des Spritzgießwerkzeugs in den formgebenden Hohlraum gedrückt. Die Rückstromsperre verhindert dabei ein Zurückströmen der Schmelze Richtung Einfülltrichter.

Nachdrücken und Abkühlen[Bearbeiten]

Da das Werkzeug kälter (typischerweise 20 bis 120 °C) als die Kunststoffmasse (typischerweise 200 bis 300 °C) ist, kühlt die Schmelze in der Form ab und erstarrt bei Erreichen des Gefrierpunktes. Das Abkühlen geht einher mit einer Volumenschwindung, die 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. Dieses Nachdrücken kann solange erfolgen, bis der Siegelpunkt erreicht ist, also der Angusses erstarrt ist.

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, kann dann von der Schließeinheit wegbewegt werden, da kein Kunststoff mehr aus dem Anguss austreten kann. Dies dient dazu, einen Wärmeübergang von der wärmeren Düse auf den kälteren Anguss zu verhindern.

Entformen[Bearbeiten]

Zum Entformen öffnet sich die Auswerferseite der Schließeinheit und das Werkstück wird durch in die Kavität hineindringende Stifte ausgeworfen und fällt entweder herunter (Schüttgut) oder wird durch Handlinggeräte aus dem Werkzeug entnommen und geordnet abgelegt oder gleich einer Weiterverarbeitung zugeführt.

Der Anguss muss entweder durch separate Bearbeitung entfernt werden oder wird beim Entformen automatisch abgetrennt. Auch angussloses Spritzgießen ist mit Heißkanalsystemen, bei denen das Angusssystem ständig über der Erstarrungstemperatur bleibt und das enthaltene Material somit für den nächsten Schuss verwendet werden kann, möglich.

Nach dem Entformen schließt sich das Werkzeug wieder und der Zyklus beginnt von neuem.

Typische Zeiten für die Vorgänge in Werkzeug, Spritzeinheit und beiden Einheiten gemeinsam
Schritte 1 s 2 s 3 s 4 s 5 s 6 s 7 s 8 s 9 s 10 s 11 s 12 s 13 s 14 s 15 s 16 s 17 s 18 s 19 s 20 s 21 s 22 s
Werkzeug schließen
Spritzeinheit vor
Einspritzen
Nachdrücken
Plastifizieren
Dekomprimieren
Spritzeinheit zurück
Restkühlen
Entformen
Pause
Physikalische Kühlzeit

Verwendete Kunststoffarten und Produkte[Bearbeiten]

Spritzgussteile können mit Massen zwischen einigen Milligramm und ca. 150 kg hergestellt werden. Die verarbeiteten thermoplastischen Kunststoffe werden durch Additive und Füllstoffe für die Spritzgießverarbeitung und die spätere Verwendung modifiziert. Darunter sind auch sehr harte anorganische Füllstoffe wie Glaskugeln oder sehr oft Glasfasern.

Im Fahrzeugbau werden Polyolefine, hauptsächlich Polypropylen für Armaturenbretter und Stoßstangen im Spritzguss verwendet. Plexiglas (PMMA) und Polycarbonat (PC) werden für transparente Gegenstände (KFZ-Scheinwerfer, Rückleuchten) verwendet. Polystyrol (PS) und dessen Copolymere (ABS = Acrylnitril-Butadien-Styrol) werden größtenteils für Spielzeug (z. B. Lego) und Haushaltsgeräte benutzt. Polyamid (PA), Polyoxymethylen (POM) und viele weitere technische Kunststoffe werden ebenfalls im Maschinenbau und der Elektrotechnik eingesetzt, allerdings in wesentlich geringeren Mengen für meist hochpreisige Teile.

Beim Naturfaser-Spritzguss, werden mit Naturfasern gefüllte Thermoplaste verwendet.

Duroplast-Spritzgießen[Bearbeiten]

Verfahren[Bearbeiten]

Das Duroplast-Spritzgießen unterscheidet sich vom Thermoplast-Spritzgießen in seinen Betriebsparametern. Duroplaste härten durch Einwirken von Wärme aus. Nach dem Aushärten ist ein erneutes Aufschmelzen nicht mehr möglich, nur ein Recycling. Die noch nicht ausgehärtete Masse muss deshalb mit einer vergleichsweisen niedrigen Temperatur (je nach Material ca. 30 bis 110 °C) in die Form, eingespritzt und dort durch eine höhere Temperatur (je nach Duroplast zwischen 130 °C und 250 °C) ausgehärtet werden.

Die aufbereitete Formmasse fließt u. a. wegen der hohen Füllstoffanteile schlechter als Thermoplastschmelzen. Auf diese Besonderheiten muss der Spritzgießvorgang abgestimmt werden.

Die Spritzgießmaschine arbeitet mit einer Förderschnecke, die wenig Scherwärme erzeugt. Die erzielbaren Drücke betragen bis zu 2500 bar. Das Formteil wird heiß entformt. Angussloses Spritzgießen ist mit Kaltkanalsystemen, dem Pendant zum Heißkanalsystem, bei dem der Anguss gekühlt und so eine Vernetzung verhindert wird, möglich.

Mit dem Duroplast-Spritzgießen können sehr große Wanddicken der Teile von bis zu 50 mm realisiert werden.

Anwendung[Bearbeiten]

Ein typisches Anwendungsgebiet für Duroplaste (BMC) sind Fahrzeugscheinwerfer, genauer deren Reflektoren, bei denen die gute Maßhaltigkeit und Temperaturbeständigkeit von Duroplasten zum Tragen kommt. Bei Wanddicken bis ca. 4 mm allerdings sind die Zykluszeiten der Duroplastverarbeitung meist länger als die bei Thermoplasten, so dass Duroplaste, wenn auf ihre besonderen elektrischen und mechanischen Qualitäten verzichtet werden kann, im Wirtschaftlichkeitsvergleich trotz ihres im Allgemeinen günstigeren Materialpreises meist gegenüber den Thermoplasten verlieren.

Elastomer-Spritzgießen[Bearbeiten]

Dieser Artikel oder nachfolgende Abschnitt ist nicht hinreichend mit Belegen (beispielsweise Einzelnachweisen) ausgestattet. Die fraglichen Angaben werden daher möglicherweise demnächst entfernt. Bitte hilf der Wikipedia, indem du die Angaben recherchierst und gute Belege einfügst. Näheres ist eventuell auf der Diskussionsseite oder in der Versionsgeschichte angegeben. Bitte entferne zuletzt diese Warnmarkierung.

Elastomere wie Naturkautschuk vulkanisieren analog zu den Duroplasten durch den Einfluss von Wärme. Das Werkzeug muss also auch hier heißer als die Formmasse beim Einspritzvorgang sein. Eine Ausnahme bilden die thermoplastischen Elastomere.

Das Spritzgießen von Elastomeren erfolgt auf Schneckenspritzgießmaschinen. Elastomere können in Form von rieselfähigen Pulvern oder bandförmig von einer speziellen Förderschnecke, die wenig Scherung in die plastifizierte Masse einbringt, eingezogen werden. Der Zylinder wird meist mit einer Flüssigkeit auf ca 80 °C temperiert (Wassertemperierung), um Überhitzung zu vermeiden, was ein vorzeitiges ausvulkanisieren des Elastomers zufolge hätte. Weiters stellt auch das gratfreie Spritzgießen von Elastomeren eine besondere Herausforderung dar, da Elastomere im Fließbereich (genau so wie Duroplaste) sehr dünnflüssig sind, so ist auch der Aufwand bei der Werkzeuggestaltung etwas höher als bei Thermoplastwerkzeugen.

Von den genannten Besonderheiten abgesehen, verläuft der Spritzgießvorgang prinzipiell auch hier ähnlich wie beim Thermoplast-Spritzgießen ab. Die Schnecke knetet und mischt die Formmasse, die dadurch homogen aufbereitet wird. Dadurch lässt sich z. B. gegenüber dem Pressen, bei dem durch die Wärmezufuhr von außen eine inhomogene Temperaturverteilung entsteht, eine Qualitätsverbesserung der hergestellten Formteile erzielen. Einige mechanische Eigenschaften können bis zu 30 % höher liegen als bei gepressten Elastomeren.

Beim Strömen in der Düse und in den Angusskanälen entsteht Reibungswärme. Dies verkürzt die Vulkanisierzeit. Dadurch wird der Spritzgießprozess besonders wirtschaftlich. Die hohe Materialviskosität macht relativ große Angussquerschnitte erforderlich. Auch bei Elstomeren sind Kaltkanalsysteme einsetzbar.

Man verwendet beim Elastomerspritzgießen oft Spritzgießmaschinen mit mehreren Schließeinheiten für mehrere Werkzeuge und unterschiedlicher Teile, da die Vulkanisierzeit erheblich größer ist als die Aufbereitungszeit in der Spritzeinheit.

Spezielle Verfahren[Bearbeiten]

Das oben beschriebene Grundverfahren lässt sich für spezielle Anwendungszwecke modifizieren bzw. erweitern.

So erlaubt das Mehrkomponenten-Spritzgießen die Herstellung von Teilen aus unterschiedlichen Kunststoffen in einem Arbeitsgang. Beim In-Mold-Verfahren werden in das Spritzgießwerkzeug eingelegte Materialien hinterspritzt, z. B. der Hartschaum eines Sporthelmes oder beschriftete Folien (In-Mould-Labeling, IML). Alternativ kann bei der In-Mould Decoration (IMD) auch nur eine bedruckte Folie, die später entfernt wird, eingelegt werden, so dass nur die Farbe auf dem Teil verbleibt. Das Metallfolienhinterspritzen dient der Herstellung von Kunststoffteilen mit Metallfolienüberzug.

Wird der Werkstoff in eine nicht ganz geschlossene Form eingespritzt und die Form erst danach vollends geschlossen, so spricht man vom Spritzprägen. Dieses kann zum Quellflussprägen erweitert werden, indem dabei Materialien hinterspritzt werden, analog zum In-Mold-Verfahren.

Beim Innendruck-Spritzgießen (auch Fluidinjektionstechnik (FIT) genannt, aufteilbar in Gasinnendruck-Spritzgießen (GID) und Wasserinnendruck-Spritzgießen(WID)) wird zusätzlich ein Gas oder Wasser injiziert, welches nach dem Erstarren oder Aushärten entweicht, so dass ein Hohlraum entsteht. Dagegen dient beim Gashinterdruck-Verfahren (GHD) das zwischen Werkzeugwand und Formteil eingebrachte Gas dem festen Anpressen an die gegenüberliegende Wand, um u. a. eine hohe Oberflächenqualität zu erreichen. Gase können auch mit Treibmitteln verteilt im Kunststoff erzeugt werden, was einen Schaumstoff ergibt (Thermoplast-Schaumgießen, TSG).

Beim Schmelzkern-Spritzgießen wird ein niedrigschmelzendes Metall eingegossen, das nachher im Heizbad ausgeschmolzen wird, um ebenfalls einen Hohlraum zu schaffen.

Das Pulverspritzgießen (Powder Injection Molding (PIM)) erlaubt die Herstellung von Metall- und Keramikteilen, indem Metall- und Keramikpulver mit einem Bindemittel spritzgegossen, das Bindemittel danach entfernt und das verbleibende Pulver schließlich gesintert wird.

Die Exjection oder Extrusionsspritzgießen stellt eine Kombination aus Spritzgießen und Extrusion dar. Beim Spritzstreckblasen wird ein spritzgegossener Rohling, z. B. ein PET-Rohling für Flaschen einem anschließenden Streck- und Blasformprozess unterzogen.

Die Tandem-Werkzeuge ähneln einem klassischen Werkzeug. Es befindet sich jeweils eine Kavität an jeder der zwei Trennebenen. Die Angüsse können je nach Belieben heiß oder kalt ausgeführt sein. Durch die Dopplung ist es möglich, die erste Kavität zu spritzen; während diese abkühlt, wird die andere Kavität gefüllt. So ist es möglich die nicht genutzte Zeit der ersten Erkaltung, produktiv zu nutzen.

Literatur[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Spritzgießen – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien