Spritzguss – wie funktioniert das nochmal?

Auf unserer Webseite haben wir den Prozess des Spritzgießens natürlich schon behandelt, aber im Gespräch mit Besuchern stellen wir doch immer wieder fest, dass Interesse an den Grundlagen der Spritzgießmaschine besteht. Daher fassen wir hier gerne noch einmal einige der Grundbegriffe und den groben Ablauf im Kunststoffspritzgießen zusammen.

Die Spritzgießmaschine

Laut Definition handelt es sich bei einer Spritzgießmaschine um eine Anlage zur diskontinuierlichen Erzeugung von Formteilen, die aus verschiedenartigen Kunststoffen bestehen. Diese werden meist in Granulatform angeliefert. Die am häufigsten verwendeten Kunststoffe stammen aus der Gruppe der Thermoplaste. Thermoplaste werden bei Erhitzung flüssig, und erstarren in der angenommenen Form bei Abkühlung. Dieser Vorgang ist wiederholbar. Weniger oft verwendet werden Duroplaste und Elastomere. Diese beiden Kunststoffarten vernetzen sich beim Erstarrungsprozess so sehr, dass sie danach nicht mehr erweicht werden können. Zudem bestehen größere Unterschiede beim Spritzgießen in Bezug auf Druck und Temperaturverteilung. Für die Beschreibung der Spritzgießmaschine nehmen wir die Verwendung eines der einfache Elastome

Thermoplast Spritzgießen

Im Prinzip werden Kunststoffe soweit erhitzt, dass sie sich verflüssigen. Anschließend werden die Thermoplaste mittels einer Schnecke in eine Werkzeug genannte Matrize gefüllt, zusammengepresst und abgekühlt. Danach hat sich die gewünschte Form verfestigt und kann entnommen werden. Der ganze Vorgang verläuft eng getaktet, so dass das Granulat für das nächste Bauteil schon in die Schnecke gefüllt wird, während der Kühlvorgang noch läuft. Auf diese Weise können Tausende von Bauteilen in einer relativ kurzen Zeitspanne produziert werden. Die Spritzgießmaschine besteht aus zwei Baugruppen, nämlich der Plastifiziereinheit und der Schließeinheit.

Die Spritzeinheit oder Plastifiziereinheit

In der Spritzeinheit oder Plastifiziereinheit werden die Kunststoffe meist in Granulatform durch einen Einfülltrichter eingeführt und für das Spritzgießen aufbereitet. Dazu müssen sie erhitzt, verflüssigt und homogenisiert werden. Die wie ein Zylinder geformte Spritzeinheit der Maschine wird von außen durch Heizschlangen oder -bänder erhitzt. Eine darin rotierende Schnecke ist so bemessen, dass sie genau in den Zylinder passt. Während das Granulat von der Schnecke nach vorne in Richtung Düse transportiert wird, wird es auch durch die Reibung erhitzt, gemahlen und gemischt bzw. verteilt. Der auf diese Weise gleichmäßig verflüssigte Kunststoff wird beim Erreichen der Düse durch eine Rückstromsperre am Rückfließen gehindert. Dadurch baut sich ein gewisser Druck auf, mit dem der Kunststoff verdichtet wird. Gleichzeitig wird die Schnecke zurückgedrückt, um dann mit einer erneuten Vorwärtsbewegung den Kunststoff durch die Düse zu pressen. Die Düse nimmt gleichzeitig auch die Dosierung vor, in dem sie sich genau berechnet schließt und damit das Einspritzen unterbricht. Anschließend wird die Schnecke zurückgefahren, um die nächste Ladung Granulat zu bearbeiten. In dieser Einspritzphase wird das Material unter einem sehr hohen Druck bis 2000 Bar in die Schließeinheit gepresst. Die Geschwindigkeit beim Einfüllen muss natürlich extrem genau berechnet werden, damit sich kein Hohlraum oder Risse im Werkstück bilden.

Die Schließeinheit

Die Schließeinheit enthält u.a. das formgebende Werkzeug. Dieses Werkzeug ist in zwei senkrecht stehende Platten montiert. Das Werkzeug bildet den mehr oder weniger komplex aufgebauten Hohlraum, also die Matrize, in dem die neue Form des Kunststoffs entsteht. Eine unbewegliche Platte mit der einen Hälfte des Werkzeugs ist an der Plastifiziereinheit mit der Schnecke befestigt. Durch ein Loch in der Mitte dieser sogenannten Aufspannplatte wird die Düse eingeführt. Die zweite bewegliche Aufspannplatte wird meist auf waagrechten Holmen an die erste Platte herangeführt, bevor der Kunststoff eingespritzt wird. Sie trägt die zweite Hälfte des Werkzeugs. Eine dritte Platte sorgt für den Andruck der beiden Aufspannplatten und ist per Hydraulikzylinder, Elektromotor oder dem mechanischen Kniehebel mit der beweglichen Platte verbunden. Die beiden Aufspannplatten sind zunächst so erhitzt, wie es der flüssigen Masse entspricht. Beim Einspritzen wird zusätzlicher Druck erzeugt, der dem flüssigen Kunststoff im Werkzeug die Form verleiht. Dazu ist ein gewisser Nachdruck erforderlich, um den Volumenverlust des Kunststoffs auszugleichen, der sich durch das Abkühlen bzw. Erhärten einstellt. Daher muss nach der eigentlichen Befüllung immer noch etwas flüssiger Kunststoff nachgeschoben werden, bis das Werkstück formvollendet ist. Nach einer kurzen Abkühlphase bewegt sich die die bewegliche Platte als Auswerferseite von der Düsenseite weg. Das in ihr enthaltene Spritzgussteil wird anschließend ausgeworfen.

Das Werkzeug stellt wie gesagt die Matrize dar, die dem späteren Spritzgussteil seine Form gibt. Je nach Auftrag kann es sich hierbei um einen relativ einfach gebauten Legostein oder ein hochkomplexes Funktionsteil z.B. einer Maschine handeln. In jedem Fall muss das Werkzeug aus bestem Metall bestehen, um die Vorgänge auf Dauer auszuhalten. Hierzu wird meist gehärteter Stahl verwendet. Nur in Ausnahmefällen und bei z.B. kleinen Serien setzen manche Hersteller Aluminium-Werkzeuge ein. Das Werkzeug wird mit größter Präzision hergestellt, heutzutage meist per 3D CAD Vorgabe. Es ist die Herstellung dieses Werkzeugs, die den Löwenanteil der Kosten beim Spritzgießen erfordert.

Bei Stocker Kunststoff arbeiten wir mit verschiedenen Spritzgießmaschinen

Je nach Werkstück wählen wir eine unserer neun verschiedenen Spritzgießmaschinen aus. Diese modernsten Apparate unterscheiden sich von der Spezifikation auf verschiedene Techniken, den erzeugbaren Schließdruck (25 bis 100 Tonnen), sowie in Bezug auf die Größe der herzustellenden Teile. Das können Winzlinge sein, die nicht schwerer als 0,01 Gramm sind, aber auch richtige „Brocken“, die mit 250 Gramm zu Buche schlagen. Es versteht sich, dass die Maschinen und Schneckenkolben unterschiedlich konstruiert sein müssen, um solche Größenunterschiede erzeugen zu können.

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