Mehrkomponenten-Spritzguss

Der Kunststoffspritzguss entwickelt sich beständig weiter. In unseren News haben wir Sie ja schon über die Unterstützung der Elektronik beim Spritzgießen informiert, etwa wenn beim Qualitätsmanagement die einzelnen Prozessschritte gemessen werden. Dabei geht es um die ständige Nachjustierung auch kleinster Parameter, um das Aufschaukeln von sogenannten Mikroeinflüssen zu verhindern, die ansonsten zu Schwankungen in der Produktqualität führen. Auf gut Deutsch gesagt, um den Ausschuss zu minimieren. Ein weiterer Bereich im Kunststoffspritzguss, der ständig weiterentwickelt wird, ist der Mehrkomponenten-Spritzguss. Lesen Sie heute in den News der Stocker Kunststoff GmbH eine Einführung in diese moderne Technik.

Von zwei bis zu sechs verschiedene Komponenten beim Mehrkomponenten-Spritzguss.

Beim Mehrkomponenten-Spritzguss werden verschiedene Kunststoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften nacheinander oder gleichzeitig zu einem Bauteil gegossen. Das können unterschiedliche Farben sein, die benötigt werden, aber die Materialien können sich auch nach Härte und Nachgiebigkeit oder den thermischen Eigenschaften voneinander unterscheiden. Die verschiedenen Teile werden dabei z.B. kraft- oder formschlüssig miteinander verbunden. Noch interessanter ist die stoffschlüssige Verbindung, wenn die Kunststoffe beim Spritzgießen ineinander verlaufen. Bereits vor über 40 Jahren gelang es einen 2K-Spritzguss, also ein Verfahren mit zwei Komponenten, zu entwickeln. Heute gibt es bereits spezialisierte Unternehmen, die Bauteile mit bis zu sechs Komponenten herstellen. Allein der Aufwand für die Entwicklung der entsprechenden Spritzgussmaschinen ist natürlich extrem, aber seit einigen Jahren läuft das Verfahren so gut wie reibungslos. Für die Kenner unter Ihnen sei erwähnt, dass in diesem 6K-Verfahren ein Dreiplatten-Kaltkanalwerkzeug eingesetzt wird, das mit 4 x 4 Kavitäten und einer Indexplatte mit entsprechenden Schiebern arbeitet. Dabei werden sechs verschiedene Spritz-Aggregate eingesetzt.

Wozu ein Mehrkomponenten-Spritzguss?

Der Zwei- oder Mehrkomponenten-Spritzguss wird aus einigen sehr praktischen Erwägungen durchgeführt. Zum Einen geht es natürlich um die Wirtschaftlichkeit. Es ist einfach günstiger, wenn ein Bauteil in einem Arbeitsgang hergestellt wird. Im 2K-Verfahren wird eine Spritzgussmaschine verwendet, die über zwei Spritzeinheiten verfügt, aber nur eine Schließeinheit benötigt. Das heißt, man spart sich den Aufwand für die spätere Montage und ggf. die Nachbearbeitung. Zum zweiten geht es um die Haltbarkeit und Langlebigkeit der Produkte. Wenn wie in früheren Zeiten die Kunststoffteile nach dem Spritzguss miteinander verklebt oder verschraubt wurden, bestand jederzeit die Möglichkeit eines Bruchs. Das ist aber vor allem in der Spielzeugproduktion überhaupt nicht erwünscht, denn es kann zu Verletzungen und anderen Problemen führen. Es ist auch speziell die Spielzeug- und Spielfiguren-Produktion, in der der Mehrkomponenten-Spritzguss seine größten Erfolge feiert. Denn der dritte Grund für den Einsatz dieses Verfahrens sind die unterschiedlichen Eigenschaften der Materialien, die besonders beim Spielzeug erwünscht sind. Man denke an die rollenden Augen in einem Puppenkopf, die viel härter sind als das umgebende Gesicht. Hier wird ein formschlüssiges Verfahren angewendet. Das stoffschlüssige Verfahren kommt z.B. bei einem Igel oder anderem Stacheltier in Frage, wenn zwar der Tierkörper stabil und hart sein soll, die angebrachten Stacheln jedoch nachgiebig und weich. Jeder, der schon einmal nachts durchs dunkle Kinderzimmer gegangen ist, weiß genau, wozu diese Nachgiebigkeit der Stacheln nötig ist.

Zwei- und Mehrkomponenten Spritzguss mit klar getrennten Elementen

Es ist völlig klar, dass schon beim 2K-Spritzguss höchste Anforderungen an die ausgewählten Kunststoffe, das speziell produzierte Werkzeug und die Maschine gestellt werden müssen. Schließlich erhöht sich mit jeder Komponente die Anzahl der aufeinander abzustimmenden Prozessschritte in der Herstellung. Es haben sich verschiedene Techniken herausgebildet, mit denen die zwei oder mehr Komponenten nacheinander gegossen werden. In den ersten Ansätzen für die Herstellung von Mehrkomponenten-Bauteilen wurde in der ersten Maschine ein sogenannter Vorspritzling produziert, der dann von Hand in die zweite Maschine, das zweite Spritzaggregat und entsprechend das zweite Werkzeug umgesetzt wurde.

Drei Techniken für klar getrennte Komponenten

Heute lassen sich die Vorspritzlinge natürlich per Roboter umsetzen. Logischerweise spricht man hierbei von der Umsetztechnik. Die zweite Komponente wird dann mit dem sogenannten Moulding über den Vorspritzling gespritzt. Bei der Drehtechnik wird das Werkzeug innerhalb der Maschine gedreht. Dabei werden auf dem unbeweglichen Teil des Werkzeugs durch das Drehen nacheinander die verschiedenen Kavitäten, also die Hohlräume freigelegt, in die der flüssige Kunststoff eingespritzt wird. Bei der dritten Technik, die als Kernrückzug oder Verschiebetechnik bezeichnet wird, kommt entweder ein beweglicher Kern oder die oben erwähnten Schieber zum Einsatz. Wenn sich der Kern nach dem ersten Spritzgang zurückzieht, gibt er einen Hohlraum für den zweiten Spritzvorgang frei. Im Fall der Schieber befinden sich bewegliche Teile im Werkzeug, die bei der ersten Einspritzung bestimmte Bereiche versperren.

Nach einer ausreichenden Kühlzeit ziehen sich diese Schieber zurück und die zweite Komponente kann eingespritzt werden. Für das letzte Verfahren sind besonders hohe Ansprüche an die Berechnung der verschiedenen Geometrien nötig, damit das aufwendig konstruierte Werkzeug diese Aufgaben erledigen kann. Je nach der geplanten Form und den Eigenschaften des Bauteils wird eines der drei Verfahren herangezogen. So entstehen Bauteile mit unterschiedlichen Farben wie z.B. Rücklichter oder mit unterschiedlichen Härtegraden wie z.B. Bürsten. Falls die verschiedenen Komponenten fest miteinander verbunden sein sollen, wird die Kraftschlussverbindung vorgezogen, bei beweglichen Komponenten muss eine ausgeklügelte Formschlussverbindung hergestellt werden. Dann kann eine Spielfigur auch die Arme bewegen, die z.B. anders gefärbt sind als der restliche Körper.

Mehrkomponenten-Spritzguss mit stofflicher Verbindung

Bei dem oben erwähnten Igel ist es für das natürlich am besten, wenn die weicheren Stacheln praktisch aus dem festeren Körper sozusagen herauswachsen. Dann kann das Kind sie nicht versehentlich oder mutwillig ablösen. Dafür braucht es dann eine stoffliche Verbindung zwischen zwei Kunststoffen. Diese Verbindung wird erzeugt, in dem die zweite Komponente eingespritzt wird, bevor die erste erstarrt ist. Dieses Verfahren eignet sich auch, wenn man kostengünstiger produzieren möchte. Dann wird beispielsweise für das Innere des Bauteils ein preiswertes Trägermaterial verwendet, um das herum dann ein preisintensiver Kunststoff gespritzt wird, der sich durch ganz bestimmte Eigenschaften auszeichnet. Dieses Verfahren wird auch als Sandwichverfahren bezeichnet. Die stoffliche Verbindung ist heute vor allem bei der Produktion von Automobilen, Haushaltsgeräten oder Sportgeräten gefragt.

So ist der bekannte Fußball heutzutage ein 3K-Spritzguss Produkt mit drei unterschiedlichen Komponenten. Viele Schalter, Bedienhebel und andere Bauteile müssen unterschiedliche Härtegrade, Farben oder weitere Eigenschaften aufweisen, sollen aber dennoch unzertrennbar miteinander verbunden sein. Das zweite Verfahren nennt sich Co-Injektionstechnik. Bei dieser Variante werden die Kunststoffe nicht nacheinander, sondern gleichzeitig in die Kavität des Werkzeugs eingespritzt. Durch eine spezielle Geometrie des Werkzeugs berühren sich die flüssigen Kunststoffe nur an den vorbestimmten Bereichen und verschmelzen dort miteinander zu einem Gemisch. Hierbei müssen die thermischen Eigenschaften der Kunststoffe gut zusammenpassen. Bei der Marmorierung als dem dritten Verfahren werden die Komponenten über eine Drehtechnik abwechselnd genau dosiert eingebracht. So entstehen Formen und Muster, in denen beide Materialien sichtbar sind, wie man es häufig bei bestimmten Schmuckformen oder Kunstgegenständen findet.

Die Materialien für den Mehrkomponenten-Spritzguss

Für die verschiedenen Materialien bieten sich einerseits die am häufigsten verwendeten Thermoplaste an. Sie sind gut bekannt und beherrschbar und finden vor allem in den härteren Komponenten Verwendung. Herkömmliche Elastomere, thermoplastische Elastomere und teilorganische Elastomere wie das Silikon werden für die weicheren Komponenten eingesetzt. Dabei stellen die herkömmlichen Elastomere höhere Ansprüche an die Technik der Werkzeuge (Heißkanal). Thermoplastische Elastomere bestehen aus gemischten Molekül-Arten, die die Eigenschaften beider Werkstoffe auch beim Spritzguss miteinander verbinden.

Hochgerüstete Maschinen für den Spritzguss mit mehr Komponenten

Spritzgussmaschinen, die für die Mehrkomponententechnik geeignet sind, werden heute häufig über den zusätzlichen Einbau von Spritz-Aggregaten so aufgerüstet, dass sie die hohen Ansprüche erfüllen. Dabei kommen unterschiedliche Prinzipien zur Anwendung. Für die oben erwähnte Drehtechnik muss das teils hochkomplexe Werkzeug mit hoher Geschwindigkeit gedreht und punktgenau wieder zum Stillstand gebracht werden, keine ganz leichte Aufgabe für die Hydraulik oder den Direktantrieb der Maschine. Denkt man an einen Mehrkomponenten Spritzguss mit mehr als zwei oder drei Komponenten kommen ganz verschiedene Winkel für das Einspritzaggregat und die je nach Material verwendeten Kalt- oder Heißkanäle hinzu. Bei einem solchen Produktionsvorgang kann man sich vorstellen, wie sich die ganze Konstruktion in höchster Geschwindigkeit dreht, den Winkel ändert und wieder zurückfährt.

Nachhaltigkeit durch Recycling 

Eine weitere Besonderheit beim Mehrkomponenten-Spritzguss sind die sogenannten Angüsse. Sie wirken bei vielen Bauteilen der Materialschwindung entgegen und ermöglichen erst die endgültige Formgebung. So wird bei dem 3K-Fußball zunächst ein runder Körper mit Angussmaterial gespritzt, auf den dann als zweite Komponente die schwarzen Flächen und zum Schluss die weißen Fünfecke zu einer Form verbunden werden. Der Anguss wird dann wieder entfernt. Er hat den größten Anteil an Material verbraucht. Das ist bei vielen Mehrkomponenten-Bauteilen der Fall. So benötigt das 6K-Modell eines bestimmten Spielzeugs mit unterschiedlichen Farben und Eigenschaften die dreizehnfache Menge Anguss wie die Figur letztendlich verbraucht. Doch in einem modernen Spritzgussbetrieb wird so ein Anguss natürlich nicht weggeworfen, sondern ganz im Sinn der Nachhaltigkeit recycelt. Dabei werden die Angüsse erst sortenrein sortiert, dann gemahlen und letztendlich wieder zu Granulat aufbereitet.