Spritzgießen – der Ablauf

In der Schule lernt man heute manches über Kunststoffe und eventuell kommt auch das Spritzgießen zur Sprache. Doch, wenn man bedenkt, welchen riesigen Stellenwert der Spritzguss und die mit dieser Methode erzeugten Kunststoffteile für unser Leben haben, wird das Thema erstaunlich knapp behandelt.

Beim Spritzgießen mit Kunststoff werden wohl die meisten Bauteile hergestellt, die uns im täglichen Leben umgeben. Praktisch alles, was in unserer Umgebung aus Kunststoff besteht und eine feste Form besitzt, ist im Spritzguss-Verfahren entstanden. Die moderne Form des Spritzgießens ist etwa 70 Jahre alt und hat sich technisch gesehen stark weiterentwickelt. Heutige Spritzguss-Maschinen sind teilweise bereits KI-gesteuert und leisten Erstaunliches.

Das Verfahren im Spritzguss

Der Ablauf beim Spritzgießen ist im Prinzip derselbe geblieben. Stark vereinfacht ausgedrückt läuft der Spritzguss so ab: Ein Kunststoff, meist ein Thermoplast, wird in Granulatform geliefert. Der Kunststoff wird beim Dosieren über einen Trichter in ein Rohr gefüllt und durch Erhitzung verflüssigt. Im Rohr befindet sich eine Art Schnecke aus Metall, die den Kunststoff zum Werkzeug befördert. Das Werkzeug besteht aus zwei Teilen, die zusammengefügt als Hohlraum die Matrize ergeben, die dem Kunststoff die erwünschte Form gibt. Wenn der Kunststoff mit starkem Druck in diese Kavität gespritzt worden ist, muss noch ein wenig nachgedrückt werden, weil beim Abkühlen der Schmelze ein gewisser Schwund entsteht. Das Abkühlen durch Wasser oder andere Kühlmittel lässt den Kunststoff in seiner gewünschten Form erstarren. Die beiden Teile der Kavität werden geöffnet (Schließeinheit, Auswerfereinheit) und das fertige Bauteil wird herausgezogen oder herausgeschoben. Währenddessen hat sich die Schnecke wieder zurückgezogen und transportiert schon die nächste Ladung Kunststoff als Schmelze in der Spritzgießmaschine. Mit diesem Verfahren werden heute extrem kleine und hochpräzise Bauteile von 0,001 Gramm ebenso erzeugt wie große und sperrige Gegenstände bis zu 100 Kilogramm und mehr. Wenn beim Spritzgießen mit Duroplasten oder Elastomeren gearbeitet wird, muss das Werkzeug zum Erstarren der Kunststoffe nicht gekühlt, sondern vielmehr in Maßen erhitzt werden. So wird die Vernetzung der Moleküle eingeleitet, die für die Formgebung und Verfestigung der Kunststoffe zuständig ist.

Die Werkzeuge beim Spritzgießen

Entscheidend für die Größe, Komplexität und Präzision der Bauteile ist das Werkzeug. Die Herstellung dieses komplexen Elements ist der bei weitem teuerste Bestandteil dieses Prozesses. Mit dem modernen Spritzguss lassen sich heute bis zu 6 verschiedene Kunststoffe in einem Arbeitsgang spritzgießen. Dabei werden Hohlräume und verschiedene Ebenen im Gussteil gebildet und das Gussteil wird mehrmals in das gleiche oder auch in unterschiedliche Werkzeuge eingebracht. Die benötigte Komplexität des Werkzeugs kann dementsprechend nur per 3D CAD-Konstruktion erreicht werden. Für die Herstellung des fertig konstruierten Werkzeugs werden extrem leistungsstarke CNC-Maschinen benötigt. Damit so eine Kavität die Tausende bis Hunderttausende Durchgänge der Produktionszahlen übersteht, wird sie aus gehärtetem Stahl hergestellt. Die Herstellung eines Werkzeugs bewegt sich preislich zwischen einigen Tausend Euro und bis zu 150.000 Euro.

Die Spritzgießmaschinen

Ähnliches gilt für die Spritzgießmaschinen. Im Prinzip werden sie nach dem Druck unterteilt, den sie für das Schließen der Werkzeuge aufbringen können. Dieser wird elektrisch oder hydraulisch über Pumpen erzeugt und bewegt sich üblicherweise zwischen 25 und 300 Tonnen. Über dem Maschinenbett befindet sich die Schließeinheit und der Werkzeughalter, in den das Werkzeug eingeschraubt wird. Daneben befindet sich das Plastifizieraggregat mitsamt der o.a. Schnecke. Die sogenannte Temperiereinrichtung sorgt für die richtigen Temperaturen. Natürlich ist so eine Spritzgießmaschine eine hohe Investition. Wenn man sich dann allerdings einen Apparat vorstellt, bei dem eine auf mehreren Achsen bewegliche Schließeinheit sich in hoher Geschwindigkeit auf vier fünf oder gleich sechs Werkzeuge zubewegt und dabei das Spritzgussteil trägt, verwundert es nicht, dass der Preis dafür dann in die Millionen geht. Die Steuerung der Verfahren erfolgt dann über eine KI, da weder der Mensch noch eine simple Software imstande ist, auf die vielen verschiedenen Variablen beim Spritzgießen angemessen zu reagieren.