Der Kunststoffspritzguss – Werkstoffe und Verfahren

Nachdem wir in unserem Blog schon mehrfach über das grundsätzliche Verfahren beim Kunststoffspritzguss geschrieben haben, wenden wir uns heute einigen speziellen Verfahren zu. Die grundsätzlichen Prinzipien finden Sie hier beschrieben. Viele Menschen haben keine genaue Vorstellung davon, was beim Spritzguss eigentlich genau passiert. Allerdings sind wir überall von den Produkten aus dem Kunststoffspritzguss umgeben. Ohne dieses Verfahren zur Kunststoffbearbeitung wäre unser modernes Leben gar nicht vorstellbar. Denn ob Sie den Scheinwerfer Ihres Autos hernehmen, den Schutzkontaktstecker Ihres PC-Anschlusses oder das Spielzeug der Kinder – der Kunststoffspritzguss ist aus unserer Welt nicht wegzudenken. Überall da, wo verlässliche Bauteile in großen Mengen benötigt werden, spielt der Kunststoffspritzguss nach wie vor die wichtigste Rolle. Sicherlich spricht alle Welt von den Errungenschaften des 3D Drucks. Doch diese moderne Technik kann den Spritzguss höchstens ergänzen, niemals aber ersetzen.

Kategorien der Bauteile im Spritzguss

Beim Kunststoffspritzguss unterteilt man drei Kategorien bei den hiermit erzeugten Formteilen. A-Teile erfordern höchste Präzision bei minimalen Größenordnungen und werden z.B. in der Lasertechnik und in der Medizin eingesetzt. B-Teile sind die technischen Produkte mit hohen Ansprüchen wie die erwähnten Autoscheinwerfer. C-Teile sind die relativ simplen Kunststoffteile, die vor allem eine lange Haltbarkeit zeigen müssen. Dazu gehören die Spielsteine, mit denen Millionen Kinder ihre ersten Häuschen bauen. In unseren früheren Blogbeiträgen haben wir schon einiges berichtet über die verschiedenen Ansprüche, die heute gesetzt werden. Lesen Sie hier unseren Bericht zur Materialauwahl für Kunststoffspritzguss.

Das Spritzgussverfahren und seine Phasen

Zur Erinnerung: Im Prinzip verlaufen alle Spritzgussverfahren ähnlich ab. Ein Kunststoff wird in Granulatform in eine rotierende Schnecke eingebracht, in der er erhitzt und geschmolzen wird. Die Schnecke treibt ihn voran und die Masse wird bei 500 bis 2000 bar durch eine Düse in den Hohlraum einer Matrize, dem sogenannten Werkzeug, gepresst. Ausgehend vom Rand des Werkzeugs kühlt die Masse ab und erstarrt. Durch starkes Nachdrücken wird die Masse zusammengepresst und der bei der Hitze entstehende Materialschwund ausgeglichen. Während einer Kühlzeit wird solange gewartet, bis auch der Kern der Masse versteift ist. Der als Auswerferseite des Werkzeugs bezeichnete Teil der gesamten Schließeinheit öffnet sich und mit Hilfe von automatisch in den Hohlraum eingeführten Stiften wird das fertige Bauteil ausgeworfen. So ein Bauteil kann heute zwischen wenigen Milligramm und bis zu 150 kg Gewicht auf die Waage bringen und per 3D CAD Systemen nahezu beliebig komplex konstruiert sein. Es versteht sich, dass ein Kunststoffspritzguss-Unternehmen wie Stocker über viele verschiedene Spritzgussmaschinen verfügen muss, um die verschiedenen Qualitäts- und Gewichtsklassen produzieren zu können. Als besonders aufwendig muss man sich die Mehrkomponenten-Teile vorstellen, bei denen Kunststoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften produziert werden. Wenn man sich aber zum Beispiel die Herstellung eines durchschnittlich schweren und nicht weiter komplexen Bauteils ansieht, dauert der Prozess in seinen Phasen etwa:

  • Werkzeug schließt sich: 2 Sekunden
  • Spritzeinheit fährt vor: 1 Sekunde
  • Einspritzen: 1 Sekunde
  • Nachdrücken: 7 Sekunden
  • Verhärten, Kühlen: 6 – 8 Sekunden
  • Entformen, Auswerfen: 2 Sekunden
  • Werkzeug öffnet sich: 1 Sekunde

Der ganze Prozess dauert also etwa 20 bis 22 Sekunden, um so ein Bauteil herzustellen. Der gesamte Kühlprozess beginnt natürlich schon direkt nach dem Einspritzen und läuft über den größten Teil des Vorgangs hinweg ab.

Besondere Verfahren im Kunststoffspritzguss

Das oben beschriebene Standardverfahren für den Kunststoffspritzguss gilt für die meist verwendeten Thermoplaste, die durch Erhitzung weich werden. Die Duroplaste dagegen verhärten sich, wenn die Hitze zunimmt. Sie werden also bei mittlerer Temperatur flüssig eingespritzt und härten dann bei einer hohen Temperatur zwischen 130 bis 250 Grad aus. Zur dritten Art der Werkstoffe im Spritzguss gehört z.B. das Naturkautschuk. Diese Elastomere vulkanisieren bei größerer Hitze, ihre Moleküle verschmelzen zu elastischen Bauteilen. Bei diesem Verfahren müssen die verschiedenen Temperaturen von Schließeinheit und eingespritzter Masse ebenfalls genau beachtet werden.

Mehrkomponenten-Spritzguss

Beim schon erwähnten Mehrkomponenten-Spritzguss können z.B. beim In-Mold Verfahren Komponenten nacheinander gefertigt werden, wobei die zweite Komponente auf die bereits ins Werkzeug eingelegte erste Komponente trifft. Mit genauer Temperatur-Planung kommt es an den Rändern beider Komponenten ggf. unterstützt von Haftvermittlern zu einer Art Schweißvorgang. Dadurch entstehen z.B. bei hochwertigen Fahrradhelmen sehr stabile Strukturen. Der Mehrkomponenten-Spritzguss kann auch mit sogenannten Tandem-Werkzeugen ausgeführt werden. Diese Art doppeltes Werkzeug verfügt über zwei Hohlräume, die getrennt voneinander gefüllt werden können. So kann ein Werkstoff bereits kühlen, während der zweite ggf. mit einer anderen Temperatur eingespritzt wird. Eine Abart des Mehrkomponenten-Spritzgusses ist das Hinterspritzen von Kunststoff mit Metallfolien. Dabei werden extrem dünne Metallfolien mit Haftvermittler so in das Werkzeug eingelegt, dass sie in den eingespritzten Kunststoff hineingepresst werden und dessen Form annehmen. Das erzeugt die beim Konsumenten beliebte metallische Haptik und sorgt gleichzeitig für eine gewisse Stabilisierung des eigentlichen Bauteils.

Spritzguss mit Hohlräumen

In einem weiteren Verfahren aus dem Kunststoffspritzguss werden Gase oder wässrige Bestandteile mit ins Werkzeug eingeführt, die nach dem Spritzguss entweichen oder abfließen. Dadurch werden genau berechnete Hohlräume erzeugt. Werden diese Gase mit bestimmten Treibern großflächig im Kunststoff verteilt, entsteht eine Struktur wie beim Schaumstoff. Mit diesem Thermoplast-Schaumgießen erhält man Bauteile, die durch Zusammenpressen ihr Volumen verringern. Hohlräume im Spritzguss lassen sich auch durch eingelegte Metalle erzeugen, die einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweisen als der gespritzte Kunststoff selbst. Dieses Verfahren wird als Schmelzkerngießen bezeichnet, da das eingelegte Metall sich später im wieder erhitzten Kunststoff verflüssigt und ablaufen kann.

Extrusionsspritzguss

Das letzte hier vorgestellte Verfahren ist eines der häufigsten Sonder-Verfahren im Spritzguss, dient es doch zur Herstellung z.B. der PET-Flaschen. Dieses Verfahren wird als Exjection oder auch als Extrusionsspritzguss bezeichnet. Die Extrusion ist schon seit über 200 Jahren aus der Keramik und hier dem Strangpressen bekannt. Eine flüssige Masse, die an der frischen Luft schnell aushärtet, wird unter hohem Druck durch eine schmale, häufig runde Öffnung bzw. einem Schlitz gepresst und nimmt dadurch die Form des Werkstücks an, das von der Öffnung umgeben ist, bildet sie aber als Hohlraum ab. Beim Kunststoffspritzguss wird dieses Prinzip um das Einspritzen des Flüssigen Kunststoff erweitert, was eine relativ komplexe Bauweise für die Spritzgießmaschine erfordert. Die Kavität, also der Hohlraum des Werkzeugs, wird dabei durch einen Schlitten hergestellt, in den die gesamte Geometrie des Bauteils bereits vorgeformt ist. Der Schlitten bewegt sich während der Einspritzphase an der Einspritzdüse vorbei. Dabei muss die Schlittenbewegung extrem genau mit der Fließgeschwindigkeit des Kunststoffs abgestimmt sein. Wenn der Schlitten das Ende seiner Fahrt erreicht hat, wird der Endbereich mit einem weiteren Spritzvorgang befüllt und ausgeprägt. Beim Zurückfahren des Schlittens kühlt das gesamte Bauteil aus und kann zum Schluss entnommen werden.