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Der 2K Spritzguss

Wir sind in unserem Blog ja bereits mehrfach auf den Spritzguss bzw. das Spritzgießen als kostengünstigen Herstellungsprozess für große Stückzahlen eingegangen. Das grundlegende Prinzip ist seit den Anfängen des Spritzgießens in den 50er Jahren immer gleich geblieben. Die verschiedenartigen Kunststoffe werden aufgrund der gewünschten Eigenschaften ausgewählt und in verflüssigter Form in ein Werkzeug eingebracht.

Dieses Werkzeug gibt dem Kunststoff als Kavität die gewünschte Form. Das fertig geformte Bauteil wird nach seiner Verfestigung aus dem Werkzeug ausgeworfen und der Vorgang beginnt von vorn.

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Die Forderung nach neuen Verfahren

Jedoch werden beim Spritzguss längst nicht mehr nur relativ einfach konstruierte Formen gefertigt. Sicher sind Steckdosen, Schalter oder auch Bausteine für Kinder nach wie vor äußerst gefragt. Aber mit der Entwicklung der Technik einerseits und den Möglichkeiten zur Formen- und Materialberechnung durch komplexe Rechenprogramme andererseits sind auch die Ansprüche an den Spritzguss gestiegen. Oft werden inzwischen Eigenschaften bei ein und demselben Werkstück verlangt, die nicht mit nur einem Kunststoff und dem herkömmlichen Verfahren zu realisieren sind. Wenn wir beim Spielzeug wie einer Puppe, einem Igel oder einem Fußball bleiben, lässt sich das leicht nachvollziehen.

Die Puppe soll über einen weichen Körper mit leicht elastischen Eigenschaften verfügen, aber ihre Augen sollen hart und stabil wirken. Der Igel benötigt den stabilen Körper, aber seine Stacheln kommen eindeutig besser an, wenn sie weich und nachgiebig geformt sind. Beim Fußball wird es etwas komplizierter. Die weißen und die schwarzen Flächen zeigen unterschiedliche Eigenschaften in der Farbe und in der Nachgiebigkeit, während das Innenleben aus Kunststoff sogar luftdicht abschließend bei gleichzeitig hoher Elastizität gestaltet werden soll.

Der Mehrkomponenten-Spritzguss als Antwort

Die Lösung für solche Probleme findet sich im 2-Komponenten Spritzguss, der schon seit den 80er Jahren des letzten Jahrhunderts zum Einsatz kommt. Nach und nach hat sich auch die Zahl der Komponenten und Materialien erhöht, so dass heute Bauteile aus Spritzguss mit bis zu sechs verschiedenen Komponenten gefertigt werden können. Damit diese Komplexität jedoch wirtschaftlich lohnend und allen Qualitätsanforderungen entsprechend erreicht werden kann, haben sich die relativ einfach gebauten Spritzguss-Maschinen früherer Zeit zu hochmodernen Anlagen entwickelt. Für solche Anlagen reicht eine einfache Steuerung am Keyboard längst nicht mehr aus. Der Mehrkomponenten-Spritzguss mit verschiedenen Materialien verlangt vielmehr nach dem Einsatz der künstlichen Intelligenz, die nicht nur alle parallel ablaufenden Prozesse kontrolliert, sondern auch das Verhalten in den nächsten Sekunden oder Minuten vorausberechnen kann.

Die Herausforderungen beim Mehrkomponenten-Spritzguss

Doch reicht es im Prinzip völlig aus, sich zunächst mit den Herausforderungen des 2 Komponenten Spritzgusses zu beschäftigen, um den noch anspruchsvolleren Mehrkomponenten-Spritzguss prinzipiell nachvollziehen zu können. Die erste Frage lautet, wie man die verschiedenen Komponenten in einem Prozess so miteinander verbinden kann, dass sie später ebenso wenig auseinanderfallen wie ihre beabsichtigten unterschiedlichen Funktionen verlieren. Sicher hatte man auch bis zu dieser Entwicklung mehrere Komponenten aus dem Spritzguss miteinander kombiniert. Aber die verschiedenen Arbeitsschritte des Verschraubens oder Verklebens waren nicht nur personalaufwendig und damit teuer gewesen, sondern zeigten sich im Ergebnis anfällig für Beschädigungen oder Verletzungen beim Benutzer. Um diese Nachteile zu vermeiden, kann man zwei grundsätzlich verschiedene Methoden verwenden. Die kraftschlüssige oder die stoffschlüssige Verbindung zeigen sich beim 2K Spritzgießen einzeln oder in Verbindung ähnlich wirksam.

Das kraftschlüssige Verfahren

Bei der kraftschlüssigen Verbindung wie bei den Augen unserer Puppe kann man die verschiedenen Komponenten nacheinander gießen, so dass sie eins exakt ins andere passen. Dazu benötigt man zwei Spritzaggregate, die mit den unterschiedlichen Kunststoffen aus den beiden Schnecken beschickt werden. Diese Prozesse müssen extrem genau aufeinander abgestimmt sein, damit dieser 2K Kunststoff Spritzguss funktionieren kann. Das Werkstück wird heute nicht mehr von Hand von der einen auf die andere Spritzeinheit umgesetzt. Das können inzwischen Roboter leisten, die dabei präziser vorgehen. Man spricht dabei vom Vorspritzling, der auf die zweite Düse umgesetzt wird und dann zum finalen Spritzling wird. Während dazu früher bei dieser Umsetztechnik zwei Spritzgussmaschinen nötig wurden, setzt man inzwischen ein Werkzeug ein, das selbst seine Position verändert, um der nächsten Düse den oder die anderen Hohlräume freizugeben. Dieses Verfahren wird als Moulding bezeichnet.

Die Verschiebetechnik

Mit der dritten Art, der Verschiebetechnik, werden im Werkzeug befindliche Schieber eingesetzt, die die jeweils benötigten Hohlräume zum richtigen Zeitpunkt freigeben. Wenn die erste Komponente eingespritzt wurde, ziehen sich die Schieber zurück und die zweite Komponente kommt zum Einsatz. Man kann sich leicht vorstellen, wie exakt jeder Schritt aufeinander abgestimmt werden muss, damit das Verflüssigen und der Transport des Kunststoffs beider Komponenten nur wenige Sekunden so aufeinander folgen, dass die erste Komponente Zeit genug zum Verhärten erhält.

Die Ergebnisse der kraftschlüssigen Verfahren

Je nachdem, welche Eigenschaften vom fertigen Werkstück verlangt werden, kommen ein oder auch zwei dieser Verfahren zum Einsatz. So entstehen bekannte Produkte wie die Zahnbürste mit unterschiedlich hartem Kopf und Handgriff oder verschiedenen Farben in den Komponenten. Schwieriger wird es, wenn die Komponenten nicht nur fest, sondern teils beweglich miteinander verbunden sein sollen. Vom Beispiel der Puppe kennen wir die Augen, die nicht nur hart, sondern in ihren Hohlräumen auch beweglich sein sollen. Hier hilft die sogenannte Teil-Formschluss-Verbindung, bei der sich eingesetzte Platzhalter im Werkstück sich erst nach der Aushärtung zurückziehen.

2K-Spritzgießen mit stoffschlüssigen Verfahren

Für die stoffliche Verbindung der zwei oder mehr Komponenten benötigt der Spritzgießer eine ähnlich komplex aufgebaute Spritzgussmaschine mit mehreren Düsen, Schnecken und einem flexiblen Werkzeug. Jedoch muss hier ein wesentlicher Teil der Arbeit bereits vorher in der Forschung geleistet worden sein. Es geht darum, zwei oder mehr Kunststoffe mit gänzlich unterschiedlichen Eigenschaften zu finden, die sich jedoch beim Abkühlen stoffschlüssig miteinander verbinden. Dabei soll die Verbindung einerseits fest sein, andererseits dürfen die Komponenten nicht ineinander verlaufen. Wenn diese Komponenten soweit produziert bzw. geliefert worden sind, lässt sich z.B. der zweite Kunststoff genau dann einspritzen, wenn der erste noch nicht ganz abgekühlt ist. Bei der Alternative, der Co-Injektionstechnik, werden beide Rohstoffe zwar gleichzeitig ins Werkzeug gespritzt. Dieses ist aber beim Werkzeugbau so entwickelt worden, dass sich die Kunststoffe nur an ganz bestimmten Stellen berühren und nur zu einem Teil ineinander verfließen. Auf diese oder jene Weise kann dann der o.a. Igel entstehen. Er verfügt über einen stabilen und trittfesten Körper, aus dem recht weiche Stacheln austreten. Diese sind zwar fest am Körper angebracht, verformen sich aber, wenn man im Dunkeln barfuß auf sie tritt.

Materialien für den 2K-Spritzguss

Wie schon angedeutet, beruhen diese Verfahren auf extrem genau berechnete Reaktionen unterschiedlicher Kunststoffe aufeinander. Während die stabilen Anteile oft aus Thermoplasten geformt werden, können die weichen oder elastischen Anteile des Bauteils z.B. aus Elastomeren bestehen. Die sogenannten thermoplastische Elastomere verbinden auf der molekularen Ebene bereits verschiedene Eigenschaften in sich.

Daneben werden wie mit dem Silikon teilorganische Elastomere eingesetzt. Erschwert werden diese “Mixturen” allerdings durch die ganz unterschiedlichen Anforderungen an das Einspritzverhalten z.B. aus einem Heißkanal und die Art des Abkühlens im Werkzeug. Kein Wunder, dass der Werkzeugbau und die neuen Spritzguss-Maschinen inzwischen wahre Meisterleistungen vollbringen.