Spezielle Spritzguss-Verfahren
Spritzgießen ist entscheidend für die moderne Gesellschaft
Wir haben schon einige Male über das Spritzgießen und die grundsätzlichen Verfahren geschrieben. In diesem Blogbeitrag wenden wir uns daher einigen speziellen Spritzgussverfahren zu. Die grundsätzlichen Prinzipien finden Sie in dem Blogbeitrag „Die verschiedenen Spritzgussverfahren“ beschrieben. Viele Menschen haben keine genaue Vorstellung davon, was beim Spritzguss eigentlich genau passiert. Allerdings sind wir überall von den Produkten aus Kunststoffen umgeben. Ohne das Spritzgießen, diesem inzwischen schon traditionellen Verfahren zur Kunststoffverarbeitung wäre unser modernes Leben nicht vorstellbar. Denn ob Sie Fabrikate wie den Scheinwerfer Ihres Autos hernehmen, den Schutzkontaktstecker Ihres PC-Anschlusses oder das Spielzeug der Kinder – das Spritzgießen und seine verschiedenen Methoden gehören zum Alltag dazu. Überall da, wo verlässliche Bauteile in großen Mengen benötigt werden, spielt das Thermoplast Spritzgießen oder das Spritzgießen der Elastomere nach wie vor die wichtigste Rolle. Sicherlich sind die Fortschritte beim 3D Druck in aller Munde. Doch der 3D-Druck kann als moderne Technik die Erzeugnisse aus dem Spritzguss höchstens ergänzen, niemals aber ersetzen.
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Das Verfahren beim Spritzgießen und seine Phasen
Zur Erinnerung: Im Prinzip verlaufen alle Spritzgussverfahren in der Herstellung von Bauteilen ähnlich ab. Ein Kunststoff wie z.B. ein Thermoplast wird in Form von Granulat in eine rotierende Schnecke eingebracht, in der er erhitzt und geschmolzen wird. Die Schnecke treibt die flüssigen Kunststoffe in dieser Spritzeinheit voran. Dann wird die Masse bei einem Druck von 500 bis 2000 bar durch eine Düse in den Hohlraum einer Matrize, dem sogenannten Werkzeug, gepresst. Ausgehend vom Rand des Werkzeugs kühlt die Schmelze ab und erstarrt. Durch starkes Nachdrücken werden die flüssigen Kunststoffe zusammengepresst und so der bei der Hitze entstehende Materialschwund ausgeglichen.
Während einer Kühlzeit im Werkzeug wird solange gewartet, bis auch der Kern der Schmelze 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 die fertige Form aus der Schließeinheit ausgeworfen. So ein Bauteil aus Kunststoff 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.
Die Phasen beim Spritzgießen
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-Formteile 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 aus Kunststoff ansieht, dauert der Prozess in seinen Phasen etwa:
- Werkzeug schließt sich: 2 Sekunden
- Spritzeinheit fährt vor: 1 Sekunde
- Einspritzen der Kunststoffe in die Schnecke: 1 Sekunde
- Nachdrücken in der Schnecke: 7 Sekunden
- Verhärten, Abkühlen: 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 als fertige Form herzustellen. Der gesamte Kühlprozess beginnt natürlich schon direkt nach dem Einspritzen der Kunststoffe und läuft über den größten Teil des Vorgangs in der Spritzgießmaschine hinweg ab.
Besondere Verfahren beim Spritzgießen von Kunststoff
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 und 250 Grad Celsius 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 dieser Verfahrensweise müssen die verschiedenen Temperaturen von Spritzeinheit, Schließeinheit und eingespritzter Masse ebenfalls genau beachtet werden.
Mehrkomponenten-Spritzguss
Beim schon erwähnten Mehrkomponenten-Spritzguss können z.B. beim In-Mold (Injection Molding) 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 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.
Spritzgießen mit Hohlräumen
In einer weiteren Vorgehensweise aus dem Spritzguss werden Gase oder wässrige Bestandteile mit ins Werkzeug eingeführt, die nach dem Spritzgießen entweichen oder abfließen. Auf diese Weise 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. Diese Methode wird als Schmelzkern-Spritzgießen bezeichnet, da das eingelegte Metall sich später im wieder erhitzten Kunststoff verflüssigt und ablaufen kann.
Extrusionsspritzguss
Die letzte hier vorgestellte Methode ist eines der häufigsten Spezial-Verfahren im Spritzguss, dient es doch zur Herstellung z.B. der PET-Flaschen. Dieses Verfahren in der Kunststoffverarbeitung wird als Exjection oder auch als Extrusionsspritzguss bezeichnet. Die Extrusion ist schon seit über 200 Jahren aus der Keramik und dem Strangpressen bekannt. Eine flüssige Masse, die an der frischen Luft schnell aushärtet, wird unter hohem Druck durch eine schmale, häufig runde Düse bzw. einem Schlitz gepresst und nimmt dadurch die Form des Werkstücks an, das von der Öffnung umgeben ist. Aber sie bildet dabei die Form als Hohlraum ab. Beim Kunststoffspritzguss wird dieses Prinzip um das Einspritzen des flüssigen Kunststoff erweitert. Das erfordert eine relativ komplexe Bauweise für die Spritzgießmaschine. Die Kavität, also die Matrize des Werkzeugs, wird dabei durch einen Schlitten hergestellt, in dem 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 auf die 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 haben die Formteile Zeit zum Abkühlen und können zum Schluss entnommen werden.