Spritzguss-Blog

PVC Spritzgießen

Das bekannte PVC heißt mit vollem Namen Polyvinylchlorid. Es ist praktisch der erste entdeckte Kunststoff überhaupt, allerdings war um 1835 die Zeit noch nicht reif, um die Bedeutung dieser Entdeckung zu würdigen. Als thermoplastisches Polymer entsteht PVC durch die typischische Kettenreaktion in der Kunststoffherstellung, d.h ein Monomer verbindet sich automatisch mit dem nächsten und es entsteht ein Polymer. Der Forscher Regnault hatte bei seiner Arbeit mit Chlor das Vinylchlorid entdeckt. Als er es einige Zeit in der Sonne stehen ließ, reichte die Hitze als Auslöser, und die Kettenpolymerisation zum PVC setzte ein. Es dauerte jedoch noch 90 bis 100 Jahre, bis der Stoff praktisch wiederentdeckt wurde und seinen Siegeszug um die Welt antreten konnte. Das ziemlich giftige Gas Vinylchlorid fand eine Zeitlang als Kühlmittel Verwendung, danach wurde es jedoch hauptsächlich zur Produktion von PVC eingesetzt.

Die Kunststoffe bei der Stocker Kunststoff GmbH

Geschichte des PVC

Eigentlich besitzt das Polyvinylchlorid ziemlich spröde Eigenschaften, die es für viele Einsatzgebiete unbrauchbar werden lässt. Jedoch wurde bereits früh um 1935 entdeckt, dass man die Eigenschaften des Kunststoffes mit sogenannten Additiven verändern konnte. Schon 1945 entwickelte man bei den I.G. Farben das erste Weich-PVC, mit dem die Formbarkeit des PVC nachhaltig erhöht werden konnte. Jetzt stand der Massenproduktion nichts mehr im Wege und immer neue Anwendungsmöglichkeiten begeisterten Industrie und Kunden. Das PVC war als extrem preiswerter Kunststoff so erfolgreich, dass es mit seinen vielen Eigenschaften nach dem Krieg zum meist produzierten Kunststoff der Welt avancierte. Bodenbeläge, Bauteile, Rohre, Schuhsohlen, ja selbst alle Schallplatten wurden schließlich aus diesem Material hergestellt, wenn man es dafür auch Vinyl nannte. Mit den passenden Additiven stellte man sogar Kunstleder aus Polyvinylchlorid her, das bis auf den Geruch kaum vom natürlichen Leder zu unterscheiden war. Zudem war das Polyvinylchlorid aufgrund des hohen Chlorgehalts nur schwer entflammbar. Der geringe Preis bei der Herstellung war vor allem der Natronlauge geschuldet. Natronlauge ist als Grundsubstanz für viele Seifen und Waschmittel unverzichtbar. Bei der Herstellung bzw. Verarbeitung entsteht das Chlor, mit ihm ließ sich dann billig das PVC erzeugen. Das Polyvinylchlorid ohne Zusätze wird als PVC-U bezeichnet (für unplasticized), während das veränderte PVC als PVC-P bekannt ist.

PVC als idealer Kunststoff – mit Einschränkungen

Das PVC-U ist eigentlich ein vielfältig verwendbarer Werkstoff, der besonders im Baugewerbe eingesetzt wird. Es ist säure- und laugenbeständig und lässt sich gut mit spanabhebenden Techniken bearbeiten. Jedoch behält er seine guten Eigenschaften nur bis zu ca. 60° Grad Celsius. Danach nimmt seine Instabilität und damit auch die Korrosionsneigung zu. Bei unter -5° Grad neigt das PVC-U zur Sprödigkeit, womit sich die Bruchgefahr erhöht. Um dieses zu verhindern, kommen die Additive ins Spiel, die die Witterungs- und Temperaturbeständigkeit, die Elastizität und die Zähigkeit verbessern. Jedoch stehen einige Weichmacher des PVC-P unter strenger Beobachtung. Diese sogenannten Phthalate ändern zwar die Eigenschaften des Polyvinylchlorid, sind aber nicht untrennbar mit ihm verbunden. So kommt es zur Ausdünstung und damit Freisetzung vor allem auch in Verbindung mit Fetten oder bei längerer Lagerung. Seit geraumer Zeit stehen einige dieser Phthalate im Verdacht, Krebs und andere Krankheiten auszulösen. Daher hat man in der jüngsten Vergangenheit spezielle Additive entwickelt, die sich anders verhalten. Inzwischen gibt es viele Formen des PVC auf dem Markt, deren Gruppen mit unterschiedlichen Buchstaben eingeteilt werden. Neben den Obergruppen PVC-U und PVC-P finden sich PVC-C (hoch chloriertes PVC), Mischungen mit anderen Kunststoffen wie PVC+PE-C oder PVC+NBR. Desweiteren sind PVC-E, PVC-M, PVC-HI oder PVC-S bekannt, alle mit unterschiedlichen Ausprägungen der Eigenschaften.

Entsorgung und Recycling beim PVC

Dennoch bleibt das Material etwas problematisch als Kunststoff. Seine Stabilität und Haltbarkeit lässt ihn zwar über längere Zeiträume einsetzen, jedoch die Entsorgung dieser Kunststoffe ist aufwendig. Einerseits wird bei der Lagerung auf Deponien viel Platz benötigt, andererseits lässt sich nicht ausschließen, dass nach langen Jahren nicht doch Inhaltsstoffe austreten und die Böden belasten. Wenn diese Kunststoffe verbrannt werden, lässt sich zwar daraus Energie gewinnen, jedoch entstehen giftige Gase wie der Chlorwasserstoff. Die Industrie betreibt inzwischen ein Rücknahmesystem, beim reinen Thermoplast-Recycling lassen sich durch Einschmelzen und Neuformen immerhin noch einfache Bauteile herstellen.

Das Spritzgießen von PVC

Diese lange Vorrede war in gewisser Weise nötig, um zu erklären, warum der PVC Spritzguss heute nicht von allen Unternehmen im Spritzguss-Bereich durchgeführt wird. Zwar lässt sich PVC als Thermoplast bei Temperaturen von unter 200° Grad sowohl spritzgießen als auch extrudieren. Das Extrudieren wird vor allem für die Rohre aus PVC eingesetzt. Beim Spritzgießen gelangt das PVC mit einer besonders gehärteten Schnecke ins Werkzeug, wo es erkaltet und anschließend entnommen werden kann. Das PVC hinterlässt sonst Rückstände, die die Oberfläche der Schnecke verkleben würden. Die Formung des PVC bei Temperaturen um die 150° Grad ist problematisch, da in dieser Region die Dehnbarkeit stark zurückgeht. Polyvinylchlorid zeigt somit nichtlineare Eigenschaften bei verschiedenen Temperaturbereichen. Dazu kommen die starken Unterschiede, die mit dem Einsatz der vielen verschiedenen Additive einhergehen. Die Weiterverarbeitung des Materials für zusammengesetzte oder anderweitig modifizierte Spritzgussteile ist aufwendig, da je nach Zustand Schneiden, Zerspanen, Kunststoffschweißen oder auch Spezialkleber eingesetzt werden müssen. Daher sind nur wenige Unternehmen auf das Spritzgießen verschiedenartiger Spritzgussteile aus Hart-PVC und Weich-PVC eingerichtet. Das Spritzgießen mit PVC ist heute eine häufig verwendete Technik für die Herstellung von Armaturen und ähnlichen Bauteilen. Weitaus häufiger als mit dem Spritzguss werden jedoch Hohlkörper und ähnliche Produkte aller Art durch die Extrusion erzeugt.

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Unterschied Spritzguss und Extrusion

Ganz kurz gesagt: Im Spritzguss werden dreidimensionale Körper mit Hilfe einer zweiteiligen Matrize hergestellt, die dem eingespritzten flüssigen Kunststoff vor der Abkühlung seine Form gibt. In der Extrusion wird der flüssige Kunststoff mit dem Extruder durch eine Düse gepresst und erstarrt dann zu einer eher länglichen zweidimensionalen also flachen Form, z.B. einem Profil.

Die Herstellung räumlicher und flacher Bauteile aus Kunststoff

Wenn wir bei der Stocker Kunststoff GmbH eine Führung veranstalten oder mit jüngeren Leuten in Kontakt kommen, taucht die Frage häufiger auf. Was ist eigentlich der Unterschied zwischen dem Kunststoffspritzguss und der Extrusion von Kunststoffen? Beides sind sehr erfolgreiche Verfahren zum Urformen von Kunststoffen. Als Urformen bezeichnet man die Herstellung fester geometrischer Formteile oder Körper aus Kunststoff, die heute praktisch in allen Lebensbereichen eine extrem wichtige Rolle spielen. Ohne die unendlich vielen verschiedenen Bauteile aus Kunststoff ist ein modernes Leben nicht vorstellbar. Aber es gibt eine wichtige Unterscheidung zwischen diesen Bauteilen. Die einen bilden räumliche Formen, die anderen sind eher flach. Man kann es auch dreidimensional und zweidimensional nennen. Für die Herstellung der dreidimensionalen Bauteile eignet sich der Kunststoffspritzguss am besten.

Die flachen und meist länglichen Bauteile wie Platten und Profile werden dagegen mit der Extrusion durch einen Extruder erzeugt. Für beide Verfahren dienen die Thermoplaste als am häufigsten verwendeter Kunststoff. Nur kurz zur Erinnerung: Die Thermoplaste gelangen nach ihrer Erzeugung durch Polymerisation meist als Granulat zu den kunststoffverarbeitenden Unternehmen. Hier werden sie stark erhitzt und verflüssigen sich dabei. Jetzt werden sie einem formgebenden Verfahren unterzogen und dabei in die gewünschte Form gebracht. Da sie währenddessen abkühlen, behalten sie diese Ausformung bei. Bei den Thermoplasten lässt sich anders als bei den Duroplasten dieser Vorgang in gewisser Weise wiederholen, denn durch erneutes Erhitzen wird ein Thermoplast wieder weich und damit formbar. Dann spricht man jedoch nicht mehr vom Urformen, sondern vom Umformen, denn eine erste Form war ja bereits erzeugt worden.

Thermoplasten

Der Kunststoffspritzguss

Beim Spritzgießen wird Granulat aus einem Thermoplast erhitzt und dann über eine Schnecke verflüssigt in eine Art Matrize eingebracht. Beim Spritzguss nennt sich diese Matrize Werkzeug und ist eine Art Hohlraum, der als spiegelverkehrte Vorlage dient. Das je nach gewünschtem Formteil simple oder höchst komplex hergestellte Werkzeug besteht meist aus gehärtetem Stahl und setzt sich aus zwei Teilen zusammen. Spritzgießeinheit und Schließeinheit werden während des Einspritzens mit dem flüssigen Kunststoff gefüllt. Sobald sich der abkühlende Kunststoff genügend verfestigt hat, öffnen sich die beiden Hälften und das fertige Formteil wird ausgeworfen.

Das Bauteil hat dabei die Gestalt angenommen, die das Werkzeug ihm vorgegeben hat. Nach dem Auswerfen schließt sich das Werkzeug wieder und die nächste Ladung flüssiger Kunststoff wird eingefüllt. Dabei müssen die beiden Hälften des Werkzeugs mit großer Kraft aufeinander gepresst werden, bis die Maschinerie sie wieder auseinander zieht. Der ganze Vorgang dauert nicht lang, meist sind es um die 20 bis 30 Sekunden, die vom Einfüllen bis zum Auswerfen vergehen. Auf diese Weise können viele Tausend gleichartige Bauteile erzeugt werden. Eine große Herausforderung beim Spritzguss ist jedoch der Bau der Werkzeuge. Die Herstellung der Werkzeuge für das Spritzgießen erfolgt heute mit 3D CAD und kann aber aufgrund der teils hohen Ansprüche an die Formteile bis zu mehreren Wochen dauern. Der Bau des Werkzeugs gilt als der kostspieligste Anteil des gesamten Prozesses. Daher lohnt sich der Spritzguss in den meisten Fällen erst bei einer genügend großen Zahl von Bauteilen.

Die Extrusion

Bei der Extrusion dagegen wird kein Werkzeug benötigt, das dem flüssigen Kunststoff seine Form gibt. In einem Trichter oder Extruder wird der flüssige Kunststoff homogenisiert sowie verdichtet und über eine Schnecke durch eine Düse gepresst. Dabei entscheidet die Form der Düse über die spätere Form des Bauteils. Die Düsen können beliebig komplexe Querschnitte erzeugen. So kann mit einer runden bzw. ringförmigen Düse auch ein Rohr entstehen. Will man auf diese Weise ein Kabel produzieren, kann während des Einspritzens des Kunststoffes ein Draht durch ein Loch in der Mitte der Düse geführt werden, der vom austretenden Kunststoff ummantelt wird. Durch schlitzförmige Düsen können Platten extrudiert werden, die nach dem Austritt aus der Düse während des Abkühlens weitere Formen durchlaufen und so z.B. zu Fensterprofilen geformt werden. An diesen Prozess des Urformens kann ein Umformen angehängt werden. Dann werden Teile solcher Platten wieder erhitzt und mit Hilfe einer weiteren Schiene oder eines Unterdrucks umgeformt.

Genau wie beim Spritzguss muss bei der Extrusion also ebenfalls eine Art Urform hergestellt werden, nämlich die Düse. Obwohl mit Hilfe der modernen Verfahren mit einem Extruder extrem präzise Profile, Führungsschienen und sogar Bootskörper produziert werden können, ist aufgrund ihrer zweidimensionalen Form die Düse weit weniger komplex als das Werkzeug. Daher lässt sie sich nicht nur erheblich schneller, sondern auch wesentlich günstiger herstellen. In der Langlebigkeit bzw. Ausbeute für die Bauteile sind beide Verfahren in etwa vergleichbar. Während man beim Spritzguss von Stückzahlen spricht, die man mit einem Werkzeug beim Spritzgießen herstellen kann, wird die Produktion bei der Extrusion eher in Metern berechnet. Je nach Komplexität können mit einem Werkzeug z.B. 100.000 Bauteile produziert werden, während die Standzeit für eine Düse mit z.B. einer Million Meter angegeben wird.

Welches Verfahren wird eingesetzt?

Welchem Verfahren dann letztendlich der Vorzug zu geben ist, hängt natürlich von der Art und dem Zweck der herzustellenden Bauteile ab. Die Extrusion ist für flache Profile vor allem in unterschiedlicher Länge in jedem Fall die wirtschaftlichere Methode. Sind die Formteile dagegen immer gleich groß, eher dreidimensional geformt und bilden wie bei einem Gehäuse einen geschlossenen Körper, eignet sich das Spritzgießen besser. Beide Verfahren entstanden in ihrer heutigen Form erst mit der Erfindung der modernen Kunststoffe in den 30er bis 50er Jahren des 20. Jahrhunderts. Als Prinzip und unter Verwendung anderer Materialien sind Extrusion und Spritzguss allerdings bereits wesentlich älter. So wurde das erste Patent für die Extrusion bereits 1797 erteilt und arbeitete als Methode u.a. mit geschmolzenem Kupfer. Die Anfänge des Spritzgusses reichen bis in die erste Hälfte des 19. Jahrhunderts zurück, als man mit solch einem Verfahren Schrifttypen aus Metall für den Buchdruck herstellte. Bereits die erste Art Kunststoff, nämlich das Celluloid, wurde 1872 mit Spritzguss zu Billardkugeln geformt

Das Spritzguss Prototypenwerkzeug

In Kürze: Der Werkzeugbau ist der kostspieligste Teil beim Kunststoffspritzguss. Für außerordentlich komplexe Bauteile lohnt sich daher manchmal der Bau eines Prototypen für das Werkzeug, mit dem die Funktionsweise getestet oder eine Kleinserie hergestellt werden kann. Prototypenwerkzeuge bestehen häufig aus Aluminium, können aber auch aus dem 3D Druck flüssiger Metalle stammen.

Das Spritzgusswerkzeug

Die Fertigung im Kunststoffspritzguss läuft prinzipiell seit 150 Jahren auf die gleiche Weise ab. Ein durch Hitze verflüssigter Kunststoff wird mittels eines Kolbens oder heute eher einer Schnecke in eine Hohlform gespritzt. Die Hohlform besteht aus zwei Teilen und ähnelt im Aufbau einer Matrize. Sie gibt dem Kunststoff die geplante Form. Sobald der Kunststoff diese Ausformung und eine passende Temperatur erreicht hat, öffnet sich die obere Hälfte und das Formteil, der sogenannte Spritzling, wird ausgeworfen. Jetzt kann er abtransportiert oder weiterverarbeitet werden. Die Hohlform wird im Kunststoffspritzguss Werkzeug genannt, die beiden Hälften heißen Düsenseite und Auswerferseite.

Die Düsenseite ist der unbewegliche Teil. Düsenseite und Auswerferseite bestehen ihrerseits wieder aus mehreren Platten. Auf der Düsenseite sind das z.B. die Maschinenaufspannplatte, an der das eigentliche Werkzeug mit seiner Aufspannplatte und der Formplatte befestigt werden. Wie auf der Auswerferseite sind auf der Düsenseite die Kavitäten und Einsätze eingearbeitet, die dem Spritzling seine eigentliche Form geben. Außerdem enthält diese Seite einen Zentrierring, durch den sich die Düse exakt an das geschlossene Werkzeug und die sogenannte Angussbuchse anpresst und den Kunststoff einspritzen kann. Auf der Auswerferseite finden sich ebenfalls die Kavitäten und Einsätze als Gegenstücke.

Die Auswerferplatte enthält zudem die Auswerferbolzen und die weiteren Elemente, mit denen der Spritzling entformt, das heißt aus dem Werkzeug ausgeworfen wird. Das kann je nach Formgebung und Fertigung auf ganz unterschiedliche Weise geschehen. Ein Spritzling kann einfach mit Schiebern abgestreift oder mit Backen abgeschoben werden. Manchmal lässt er sich nur abschrauben oder mit sogenannten Einfallkernen ausgeschoben werden. Das hört sich schon kompliziert an? Warten wir es ab, jetzt kommen nämlich noch die unterschiedlichen Temperaturbereiche dazu, die benötigt werden, damit das Formteil stabil bleibt. Je nach Kunststoff kann beim Auswerfen eher die Abkühlung oder eine bestimmte, gleichbleibende höhere Temperatur nötig sein.

Fertigung von Spritzgusswerkzeugen

Je komplexer das Bauteil desto teurer das Werkzeug

Diese Beschreibung reicht allerdings nur für die wirklich einfach geformten Spritzlinge aus. Doch die Spritzlinge werden je nach Einsatzzweck beliebig komplex. Wie erstellt man zum Beispiel Hohlräume im Bauteil, die keine Verbindung nach außen haben? Wie bringt man ohne Kleber verschiedenartige Kunststoffe mit ganz unterschiedlichen Eigenschaften und Temperaturbereichen zusammen? Doch die vielen ganz verschiedenartigen Anforderungen, die an ein Werkzeug für die Fertigung gestellt werden, würden den Rahmen dieses Beitrags sprengen. Generell lässt sich sagen, dass die Standardformen der Werkzeuge aus rostfreiem Stahl hergestellt werden, der die verschiedenen Kunststoffe am wenigsten beeinflusst. Innerhalb der Standardformen lassen sich Wechselformen einbauen, die jeweils nur auf der Düsen- und Auswerferseite der Standardform eingearbeitet werden. Mit diesen Wechselformen lassen sich in der Fertigung z.B. Kleinserien herstellen, für die eine eigene Werkzeugherstellung zu teuer wäre.

Denn das Werkzeug muss nicht nur äußerst präzise und stabil hergestellt werden, damit die komplexen Vorgänge beim Öffnen und Schließen sowie der sehr hohe Druck bei der Produktion tatsächlich über viele Tausend Abläufe hin komplikationslos ausgehalten werden. Dazu kommen die teilweise extrem diffizilen Einbauten oder fast Intarsien, die teilweise in der Komplexität mit dem Aufbau eines mechanischen Uhrwerks verglichen werden können. Für solche Berechnungen wird das 3D CAD eingesetzt, mit dem alle Abläufe auch virtuell getestet werden können. Wenn schon der Werkzeugbau so kompliziert erscheint, wie leistungsstark und komplex müssen dann erst die Werkzeuge sein, mit denen der Werkzeugbau durchgeführt wird? Stanzwerkzeuge oder 5-Achs-Fräsen, die gehärteten Stahl auf Hundertstel Millimeter genau bearbeiten, sind nicht gerade billig.

Aluminium für den Spritzguss

Billiger dagegen ist die Bearbeitung von Aluminium. Aluminium ist ein hochwertiges Material, das leichter zu bearbeiten, allerdings auch nicht so haltbar und stabil ist wie der gehärtete Werkzeugstahl. Spritzgusswerkzeuge aus Aluminium werden daher zum Beispiel mit dem High Speed Cutting Verfahren hergestellt und für die Produktion kleiner Serien eingesetzt oder dienen eben als Prototypenwerkzeuge zu Testzwecken, bevor ein “echtes” Werkzeug aus gehärtetem Stahl hergestellt wird. Doch damit ist die Verwendung des Wortes Prototypenwerkzeug noch längst nicht erschöpft. Denn der Begriff des Prototypen wird auch im Kunststoffspritzguss recht unterschiedlich verwendet.

Sehr interessant ist die Herstellung der Prototypenwerkzeuge über die additive Fertigung im 3D Druck. Während Kleinstserien von Kunststoff-Bauteilen schon länger kostengünstiger und ganz ohne Werkzeug im 3D Drucker produziert werden, können jetzt auch Werkzeuge für den Spritzguss selbst auf diese Weise erzeugt werden. Dabei werden Metalle verwendet, die zunächst in flüssiger Form vorliegen und dann aushärten. Sicherlich wird hier nicht die Stabilität erreicht, die normalerweise für die Fertigung verlangt wird, aber für einige 100 Stück eines einfachen und kleinen Formteils aus ABM wird eben keine so lange Standzeit benötigt.

Prototypen – das ist immer auch Definitionssache

Oft werden Werkzeuge auch als Prototypen bezeichnet, wenn sie nur aus Einsätzen bestehen, die, wie schon beschrieben, in größere Standardwerkzeuge eingebaut werden. Sie sind schnell herzustellen, lassen sich auf Bestellung einbauen und wieder entfernen und finden so zum Beispiel Verwendung bei der Herstellung von Kleinserien, die in größeren zeitlichen Abständen benötigt werden. Andere Spritzguss-Experten haben sich zur Gänze auf die Herstellung von Aluminium-Werkzeugen spezialisiert. Sie identifizieren den Unterschied zwischen einem Prototypen und einem Produktions-Werkzeug anhand der Anforderungen, die der Kunde an das Formteil bzw. den Spritzling stellt. So kann ein Prototypenwerkzeug ein Element sein, das ursprünglich nur einige Teile spritzgießen sollte.

Durch eine plötzliche Auftragsänderung müssen jetzt jedoch so viele Spritzlinge wie möglich geliefert werden. Bis zur Fertigstellung des eigentlich Produktions-Werkzeugs muss jetzt also der Prototyp herhalten. Das kann schon mal ein paar Wochen oder Monate dauern. Das Prototypenwerkzeug fungiert jetzt also als Produktionswerkzeug. Jetzt werden aber zusätzliche Arbeiten verlangt, die vorher nicht nötig waren. Dazu gehört die Messung vieler Komponenten beim Spritzguss selbst, die erweiterten Kontrollen im Qualitätsmanagement und die Erstellung einer Dokumentation zum Nachweis des QM-Prozesses. Und so würde sich praktisch qua Definition das Prototypenwerkzeug sozusagen über Nacht in ein Produktionswerkzeug verwandeln.

PET Spritzguss

In unserem Blog über Spritzgussverfahren haben wir uns in gewisser Weise schon mit dem PET beschäftigt. Das Polyethylenterephthalat gehört nämlich zu den Thermoplasten. Und wenn Sie sich näher mit dem Spritzgießen der Thermoplasten beschäftigen möchten, empfehlen wir Ihnen diesen Blogbeitrag dazu. Generell über die Thermoplasten haben wir auch schon hier geschrieben. Warum die Thermoplaste so interessant sind, dass wir so häufig darüber schreiben? Das ist kein Wunder, schließlich bilden die Thermoplaste sozusagen das Rückgrat im Kunststoffspritzguss. Mit den Thermoplasten als früh entdeckte Kunststoffe begann das Spritzgießen seine unaufhaltsame Karriere als eines der wichtigsten Produktionsverfahren in der Geschichte.

Thermoplast Spritzgiessen

Geschichte des Polyethylenterephthalat

Schon 1941 wurde z.B. das PET erfunden, wenn das Patent wegen des Krieges zunächst auch geheim gehalten werden musste. Später erlangten die Fasern aus diesem Material weltweite Verwendung, nämlich als Trevira, Dacron oder Diolen. Viele unserer Eltern und Großeltern mussten noch Pullover, Hosen und Strümpfe aus diesem Kunststoff tragen, der einfach billig und haltbar war. Dennoch war die Anwendung als Kleidungsstoff sicherlich nicht die ideale Form, um PET einzusetzen, denn so angenehm fühlte es sich vor allem beim Schwitzen denn doch nicht an. Das änderte sich, als man bei der weiteren Forschung die Möglichkeiten in der speziell behandelten Funktionswäsche entdeckte, wenn sie schnell trocknen sollte. Denn das PET nimmt kaum Wasser auf und lässt es schnell verdunsten. Aber immerhin ein wenig, was für seine Verarbeitung als Kunststoff im Spritzguss wichtig ist, wie wir noch sehen werden.

Eigenschaften des PET

Das PET hat seinen weltweiten Siegeszug vor allem bei den Plastikflaschen und dem Verpackungsmaterial angetreten. Das hat ihm in den letzten Jahren auch einen sehr schlechten Ruf eingebracht. Zwar kann das PET nichts dafür, aber das Wegwerfverhalten der Menschen hat für eine massive Umweltverschmutzung der Meere gesorgt und dabei spielt PET die Hauptrolle. Dabei hat PET so ausgezeichnete Eigenschaften, dass man es praktisch einsetzen muss. Nur eben mit mehr Bedacht.

  • PET ist lebensmittelecht und gegen viele Chemikalien beständig
  • PET ist reißfest, knitterungsfrei und witterungsbeständig
  • PET ist nahezu vollkommen durchsichtig
  • Seine bestehende Gasdurchlässigkeit kann durch eine Beschichtung z.B. aus Siliciumdioxid aufgehalten werden.
  • PET ist ausgezeichnet gewebeverträglich und wird sogar als Bestandteil von Prothesen für Gefäße eingesetzt.

Die wichtigste Eigenschaft des PET ist jedoch sicher seine ausgezeichnete Recyclebarkeit. Sortenreines PET kann zu nahezu 100% wiederverwendet werden, wenn man es beim Recyceln richtig behandelt. Dabei wird um die 60% weniger CO2 erzeugt, als wenn man “frisches” PET herstellt. Mit seiner Dimensionsstabilität (Beibehalten der Eigenschaften) lässt es sich auch recycelt gut in Elektrogeräten oder Automobilen einsetzen. Doch kein Licht ohne Schatten. Bei der Herstellung von PET können Acetaldehyd und Antimontrioxid entstehen, die sich bei zu hohen Temperaturen und zu langer Lagerung ablösen können. Dann schmeckt das Mineralwasser nicht mehr so optimal, wenn es von der Wissenschaft auch als nicht gesundheitsschädlich angesehen wird.

Das PET beim Spritzgießen der Produkte wie der PET-Flaschen

Im Prinzip ist der Einsatz beim Spritzgießen einfach. Das verwendete Granulat wird erhitzt, bis es bei ca. 280° Celsius so weich ist, dass es als homogene Masse verflüssigt in das gekühlte Werkzeug eingespritzt werden kann. Bei der Abkühlung schon beim Einspritzen kann das PET nicht kristallisieren und behält seine Durchsichtigkeit. Je nachdem, welche Form der Kunststoff beim Spritzguss annehmen soll, kühlt das Werkzeug das PET so weit herunter, dass es den Bereich seiner stabilen Eigenschaften erreicht und ausgeworfen werden kann. Bei Thermoplasten kann dieser Vorgang beliebig oft wiederholt werden, solange man nicht durch Überschreiten der Grenzwerte die Ordnung der Molekülketten zerstört. Das ist vor allem bei der Produktion von Flaschen interessant. Denn diese wird von vielen Spritzguss-Betrieben mittlerweile in zwei Schritten vorgenommen. Im ersten Schritt entsteht aus dem Kunststoff ein kompakter Rohling. Der abgekühlte Rohling wird zusammen mit Tausenden anderen weitergeleitet zum Betrieb des Auftraggebers. Dieser verfügt über eigene Maschinen, die wesentlich einfacher als Spritzgussmaschinen gebaut sind und für diesen einen Zweck konzipiert sind. Sie erhitzen den PET-Rohling auf ca. 110° Grad Celsius und strecken ihn auf alle Richtungen aus. Dazu wird der Rohling oder die “Preform” auf eine Negativform der Flasche gezogen und dann mit Druckluft ausgeblasen, bis er die Grenzen der Form ausfüllt. Dann kann er sofort seinen Weg zur Abfüllanlage antreten.

Qualitätsmanagement beim Spritzgießen der Produkte

Das hört sich alles ziemlich einfach an. Im Prinzip wäre es das auch, wenn es sich um einen Prozess mit wenigen Bauteilen aus Kunststoff handeln würde. Jedoch zählt beim Spritzguss natürlich die Wirtschaftlichkeit als oberstes Gebot und die ist eben nur mit hohen Stückzahlen zu erreichen. Alle um die 200 verschiedenen Parameter einer Spritzgussanlage während der Herstellung müssen nicht nur genau justiert, sondern während der Herstellung der Produkte ständig überprüft werden. Dies geschieht natürlich mit der Hilfe der Elektronik und bei komplexen Bauteilen sogar mit dem Einsatz der Künstlichen Intelligenz. Dennoch gibt es lange Listen von Fehlermöglichkeiten, die für das Qualitätsmanagement beim Spritzgießen eine große Rolle spielen. Hier nur ein paar von ihnen, damit Sie sich eine Vorstellung machen können, wie unsere tägliche Arbeit bei der Stocker Kunststoff GmbH aussieht.

  • PET nimmt in geringem Maße Feuchtigkeit auf. Diese muss vor der Verwendung des Granulats entfernt werden, sonst ändern sich die Eigenschaften beim Spritzgießen. Die Trocknung muss mit einer genau bemessenen Temperatur erfolgen und dauert im Schnitt 4 Stunden bei ca. 170° Celsius. Je nach Materialbeschaffenheit können beim Trocknen Fehler auftreten, die nur durch genaue Messungen erkannt werden.
  • Diese Fehler können u.a. durch zu lange Lagerzeiten unter ungünstigen Bedingungen auftreten. Das gilt auch für die Lagerung der Rohlinge oder Preforms. Durch Fehler in der Trocknung kann es auch zu geänderten Temperaturanforderungen beim Spritzgießen kommen. Werden diese nicht erkannt oder das Material nicht ausgetauscht, kann es zu Kristallisationen, Schrumpfungen oder Blinkern kommen.
  • Druck- und Temperaturabweichungen während des Spritzgießens können eine ganze Reihe von Problemen nach sich ziehen, die vom Verstopfen der Einspritzdüsen über Abschabungen auf dem Boden des Rohlings bis hin zu Fadenbildung bei den Flaschen führen. Verschmutzungen durch schlechte Lagerung oder Transportprobleme bilden sich natürlich ebenfalls in den Produkten ab.

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Die Schließkraft beim Spritzguss

Als Schließkraft wird im Spritzguss die Kraft bezeichnet, die die Werkzeughälften aneinander presst. Da die maximale Höhe der Schließkraft u.a. über die Größe von Werkzeug und Bauteil entscheidet, dient sie als wichtige Kenngröße zur Einordnung von Spritzgießmaschinen. Die Schließkraft wird in Kilonewton (kN) angegeben.

Viele Komponenten beim Spritzguss

Viele Komponenten und Stellgrößen wirken beim Spritzguss zusammen, bis perfekte Bauteile in großer Zahl hergestellt werden können. Es braucht eine gediegene Ausbildung und jahrelange Erfahrung, bis man die Zusammenhänge all dieser Stellgrößen so verinnerlicht hat, dass ein fehlerfreier Ablauf von der Bedarfsbeschreibung des Kunden bis zur Auslieferung der Bestellung möglich wird. An anderer Stelle haben wir bereits über den grundsätzlichen Aufbau der Spritzgießmaschine berichtet.

Aufbau der Spritzgießmaschine


Die Vorgänge und Einheiten in der Spritzgießmaschine

Zum besseren Verständnis für den Laien haben wir die Beschreibung dieser Vorgänge stark vereinfacht dargestellt. Die Fachleute unter unseren Lesern mögen uns das nachsehen.

Plastifiziereinheit

Einfach zusammengefasst werden Kunststoffe meist in Granulatform in verflüssigtem Zustand über eine Schnecke in die Kavität, also das sogenannte Werkzeug gespritzt. Der dafür zuständige Teil der Spritzgießmaschine wird als Plastifiziereinheit bezeichnet und besteht aus der besagten Schnecke, dem Plastifizierzylinder, dem Einfülltrichter sowie einer Heizung und einer Kühlung. Die Schecke unterliegt bei ihrer Arbeit der Abschabung und Weiterleitung des schmelzenden Granulats durch den Zylinder hohen Torsions- und abrasiven Kräften und besteht daher z.B. aus durchgehärtetem Kaltarbeitsstahl.

Spritzeinheit und Werkzeug

Die Spritzeinheit wird mit einem Servomotor auf eine hohe Drehzahl beschleunigt und bringt mit genau berechneter Kraft und Dosierung das geschmolzene Granulat in das Werkzeug ein. Das Werkzeug bildet mit einer unteren und oberen Hälfte die Hohlform, die dem Bauteil oder Werkstück während des Abkühlens (oder bei bestimmten Kunststoffen der Vulkanisation) seine genaue Form gibt. Die Herstellung des Werkzeugs ist der aufwendigste und kostspieligste Prozess beim Spritzguss, da der Aufbau, verschiedene Komponenten und die beabsichtige Funktionsweise des Bauteils eine beliebige Komplexität annehmen können. Die Konstruktion und Herstellung des Werkzeugs ist daher ein ganz eigener Prozess im Spritzguss.

Schließeinheit und Auswerfereinheit

Das Werkzeug wird in der sogenannten Schließeinheit aufgespannt, d.h. meist werden die Aufspannplatten des Werkzeugs an den Aufspannplatten der Schließeinheit festgeschraubt. Die Schließeinheit ist der sozusagen mächtigste Teil der Spritzgießmaschine. Hier wird mit der Schließkraft der Druck aufgebaut, der die beiden Hälften des Werkzeugs aneinander presst. Diese Schließkraft kann entweder hydraulisch oder elektromechanisch hergestellt werden. Beide Verfahren haben ihre Vor- und Nachteile. So erreicht die Hydraulik eine höhere Schließkraft, während die Elektromechanik schnellere Vorgänge ermöglicht. Dafür ist sie teurer in der Anschaffung, während für die Hydraulik ein zusätzliches Hydraulikaggregat samt Hydrauliköl benötigt wird. Nachdem die Werkzeughälften aneinander gepresst worden sind, wird die Schließeinheit mechanisch per Kniehebel oder hydro-mechanisch per Zuhalte-Zylinder verriegelt. Nach Beendigung des Zyklus wird das Spritzteil mit der hydraulisch angetriebenen Auswerfereinheit aus dem Werkzeug ausgeworfen.


Schließkraft vs. Zuhaltekraft

Während die Schließkraft die Kraft von z.B. 100 Tonnen, also ca. 980 Kilonewton bezeichnet, mit der die Schließeinheit die Werkzeughälften schließt, ist während des Spritzguss-Verfahrens eine weitere Kraft erforderlich, damit das Vorhaben gelingt. Die eingespritzten Kunststoffe entwickelt je nach Art und Verfahren eine eigene Kraft, einen Druck, der gegen den oberen und unteren Teil des Werkzeugs erzeugt wird. Dieser Druck wird als Werkzeugauftriebskraft bezeichnet. Das Werkzeug muss also zugehalten werden. Die sogenannte Zuhaltekraft muss immer etwas höher sein als die eingesetzte Schließkraft.

Als Faustregel gelten 10%, jedoch wird in einem Unternehmen wie der Stocker Kunststoff GmbH sicher nicht mit Faustregeln gearbeitet. Schließkraft und Zuhaltekraft sind regulierbar und müssen je nach Kunststoff und Werkzeug genau justiert werden. Wenn die Schließkraft zu hoch eingestellt ist, steigt nicht nur der Energieverbrauch dramatisch an, sondern das Werkzeug an sich ist gefährdet. Wenn die Zuhaltekraft zu hoch eingestellt ist, kann das Auswirkungen auf Komponenten wie den maximalen Innendruck des Werkzeugs, die Verdichtunsgrate und die Abkühlrate haben.

Außerdem sind mit einer zu hohen Zuhaltekraft Schäden an den Einsätzen des Werkzeugs oder der Verschluss der Kanäle zur Entlüftung möglich. Bei der Berechnung der exakt benötigten Zuhaltekraft muss der unterschiedliche hohe Werkzeuginnendruck in der Nähe des Angusses und am Ende der Hohlform hinzugezogen werden. Außerdem bildet das Gewicht des Spritzteils einen wichtigen Faktor. Da alle Vorgänge beim Spritzgießen sich immer innerhalb gewisser Toleranzgrößen abspielen, spielt die Zuhaltekraft immer dann eine Rolle, wenn die kritischen Maße für ein Bauteil im oberen oder unteren Toleranzbereich liegen.

Thermoplast Spritzgießen

In unserer kleinen Reihe über die Materialien beim Kunststoff-Spritzguss sind wir nun endlich beim bekanntesten und am häufigsten eingesetzten Kunststoff angelangt. Ein Thermoplast oder auch Plastomer genannt, ist ein Kunststoff, der mit Einfluss von Wärme erst weich und formbar wird und dann verflüssigt.

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Spritzguss mit PMMA

Unser heutiger Blogbeitrag beschäftigt sich mit den Eigenschaften, der Geschichte und der Anwendung von PMMA als Kunststoff im Spritzguss. PMMA ist den meisten Menschen viel eher unter seinem geschützten Namen Plexiglas® bekannt. Daneben kennt man es aber auch als Acrylglas.

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Elastomer Spritzgießen

Nachdem wir im letztem Blog auf das Duroplast Spritzgießen eingegangen sind, beschäftigen wir uns in diesem Blog mit den Elastomeren.

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Duroplast Spritzgießen

Wir berichten in unserem Blog häufiger über die Spritzgussverfahren und den entsprechenden Kunststoff, da wir unsere Leser, Freunde und natürlich die Kunden gerne näher mit den Verfahren des Spritzgießens und den jeweiligen Kunststoffen vertraut machen möchten.

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Mehrkomponenten-Spritzguss

Der Kunststoffspritzguss entwickelt sich beständig weiter. In unserem Blog 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. Zum Blogbeitrag »