Thermoplast Spritzgießen
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–Beim Thermoplast-Spritzgießen werden thermoplastische Kunststoffe aufgeschmolzen, unter Druck in ein Spritzgusswerkzeug eingespritzt und dort durch Abkühlung zu einem formstabilen Bauteil.
Das Verfahren eignet sich besonders für die wirtschaftliche Herstellung präziser Kunststoffteile in mittleren bis sehr großen Stückzahlen. Von einfachen Gehäusen bis zu hoch belastbaren technischen Komponenten lassen sich unterschiedlichste Geometrien mit hoher Wiederholgenauigkeit fertigen.
Der entscheidende Vorteil von Thermoplasten im Spritzguss liegt in ihrem reversiblen Temperaturverhalten: Sie werden beim Erwärmen weich beziehungsweise fließfähig und erstarren beim Abkühlen wieder. Anders als Duroplaste werden sie dabei nicht dauerhaft chemisch vernetzt. Das ermöglicht eine effiziente Verarbeitung und eröffnet grundsätzlich auch Möglichkeiten zur werkstofflichen Wiederverwertung.
Die Stocker Kunststoff GmbH verarbeitet zahlreiche Standard-, technische und Hochleistungsthermoplaste und begleitet Projekte von der Materialauswahl über das Werkzeug bis zur Serienfertigung.
Inhaltsverzeichnis
Was ist Thermoplast-Spritzgießen?
Thermoplast-Spritzgießen ist das wichtigste Spritzgießverfahren für die industrielle Herstellung von Kunststoffformteilen.
Thermoplaste bestehen aus Polymerketten, die beim Erwärmen beweglicher werden. Der Kunststoff lässt sich dadurch plastifizieren und in ein Werkzeug einspritzen. Beim Abkühlen verfestigt sich das Material wieder, ohne dass eine dauerhafte chemische Vernetzung erforderlich ist. Dieser Vorgang unterscheidet Thermoplaste grundlegend von Duroplasten und vernetzenden Elastomeren. Die Erwärmung und Abkühlung ist grundsätzlich wiederholbar, wobei zu hohe Temperaturen oder zu lange thermische Belastungen das Material schädigen können.
Zu den häufig verarbeiteten thermoplastischen Kunststoffen gehören unter anderem:
- Polypropylen (PP)
- Polyethylen (PE)
- ABS
- Polystyrol (PS)
- Polyamid (PA)
- Polycarbonat (PC)
- POM
- PMMA
- PET und PBT
- Hochleistungskunststoffe wie PEEK oder PPS
Standard-Thermoplaste wie PE, PP oder PS lassen sich besonders wirtschaftlich verarbeiten, während technische und hochtemperaturbeständige Thermoplaste gezielt für anspruchsvollere Anwendungen eingesetzt werden.
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Wie funktioniert das Thermoplast-Spritzgießen?
Plastifizieren und Einspritzen
Der Spritzgießprozess beginnt damit, dass Kunststoffgranulat in der Plastifiziereinheit der Spritzgießmaschine aufgeschmolzen und homogenisiert wird.
Das Granulat gelangt über einen Trichter in den beheizten Schneckenzylinder. Die rotierende Schnecke transportiert den Kunststoff nach vorne. Wärme aus der Zylinderheizung und die beim Scheren des Materials entstehende Reibungswärme bringen den Thermoplasten in einen fließfähigen Zustand.
Hat sich die benötigte Menge an Schmelze vor der Schneckenspitze gesammelt, bewegt sich die Schnecke axial nach vorne und presst die Schmelze in das geschlossene Spritzgusswerkzeug.
Die wichtigsten Schritte sind:
- Plastifizieren und Dosieren
- Einspritzen
- Nachdrücken
- Kühlen
- Entformen
Nachdruck, Kühlen und Entformen
Nach der Formfüllung sorgt die Nachdruckphase dafür, die Volumenschwindung des abkühlenden Kunststoffs teilweise auszugleichen.
Anschließend gibt das Thermoplast-Bauteil seine Wärme an das temperierte Werkzeug ab. Erst wenn es ausreichend formstabil ist, öffnet sich die Form und das Bauteil wird über das Auswerfersystem entnommen oder automatisch ausgeworfen.
Währenddessen kann die Maschine bereits Material für den nächsten Zyklus plastifizieren. Auf diese Weise entsteht ein weitgehend automatisierter, wiederholbarer Produktionsablauf.
Die benötigten Masse- und Werkzeugtemperaturen sind werkstoffabhängig. Deshalb sind pauschale Temperatur- oder Druckwerte für das Thermoplast-Spritzgießen wenig aussagekräftig. Herstellerdaten, Bauteilgeometrie und Werkzeugkonzept bestimmen die geeigneten Prozessparameter. Der grundlegende Zyklus aus Plastifizieren, Einspritzen, Nachdrücken, Kühlen und Entformen ist branchenweit etabliert.
Welche Thermoplaste eignen sich für Spritzguss?
Für den Thermoplast-Spritzguss stehen Werkstoffe von kostengünstigen Standardkunststoffen bis zu hoch belastbaren technischen Kunststoffen zur Verfügung.
| Thermoplast | Typische Eigenschaften | Häufige Anwendungen |
| PP | leicht, chemikalienbeständig, wirtschaftlich | Gehäuse, Verpackungen, technische Teile |
| PE | zäh, chemikalienbeständig, geringe Wasseraufnahme | Behälter, Verschlüsse, technische Komponenten |
| ABS | schlagzäh, gute Oberfläche, maßhaltig | Gehäuse, Konsumgüter, technische Teile |
| PS | wirtschaftlich, gut formbar | Gehäuse, Verpackungen, Konsumprodukte |
| PA | fest, zäh, verschleißbeständig | Maschinenteile, Halter, technische Bauteile |
| POM | maßhaltig, gute Gleiteigenschaften | Zahnräder, Lager, Präzisionsteile |
| PC | schlagzäh, transparente Typen verfügbar | Schutzteile, Gehäuse, Optik |
| PMMA | hohe Transparenz, gute UV-Beständigkeit | Sichtteile, Abdeckungen |
| PEEK / PPS | sehr temperatur- und chemikalienbeständig | anspruchsvolle Industrieanwendungen |
Welcher Thermoplast der richtige ist, hängt von Temperatur, mechanischer Belastung, Medienkontakt, Oberfläche, Zulassungen und den wirtschaftlichen Anforderungen des Bauteils ab. Neben unverstärkten Werkstoffen können auch glasfaser-, mineral- oder kohlenstofffaserverstärkte Thermoplaste verarbeitet werden. Sie ermöglichen deutlich höhere Steifigkeiten und eröffnen zusätzliche Einsatzfelder für technisch anspruchsvolle Spritzgussteile.
Vorteile des Thermoplast-Spritzgießens
Thermoplast-Spritzgießen ermöglicht komplexe Kunststoffbauteile mit hoher Wiederholgenauigkeit und niedrigen Stückkosten bei ausreichenden Seriengrößen.
Ist das Werkzeug einmal hergestellt und der Prozess eingerichtet, können große Stückzahlen weitgehend automatisiert produziert werden. Rippen, Dome, Schnappverbindungen, Filmscharniere oder funktionale Oberflächen lassen sich häufig direkt in das Bauteil integrieren.
Wichtige Vorteile:
- hohe Reproduzierbarkeit
- komplexe Geometrien möglich
- kurze Fertigungszyklen
- automatisierbare Produktion
- geringe Nachbearbeitung
- große Werkstoffauswahl
- Einfärbung direkt über das Material möglich
- Integration mehrerer Funktionen in ein Bauteil
Besonders wirtschaftlich wird das Thermoplast-Spritzgießen, wenn Konstruktion, Material, Werkzeug und geplante Stückzahl früh aufeinander abgestimmt werden.
Die vergleichsweise hohen Werkzeugkosten verteilen sich dann auf eine große Zahl produzierter Teile. Gleichzeitig können Funktionsintegration und automatisierte Entformung weitere Montage- oder Bearbeitungsschritte reduzieren.
Thermoplastische Spritzgussteile lassen sich je nach Werkstoff außerdem schweißen, bedrucken, lackieren, beschichten oder mit anderen Komponenten kombinieren.
Das Verfahren eignet sich deshalb sowohl für einfache Massenartikel als auch für hochpräzise technische Kunststoffteile.
Grenzen des Thermoplast-Spritzgießens
Nicht jedes Kunststoffbauteil lässt sich allein deshalb wirtschaftlich spritzgießen, weil ein geeigneter Thermoplast verfügbar ist.
Vor allem die Werkzeugkosten machen das Verfahren bei Einzelteilen oder sehr kleinen Stückzahlen häufig weniger attraktiv. Komplexe Hinterschneidungen, stark wechselnde Wandstärken oder extreme Toleranzen können zusätzlich den Werkzeug- und Prozessaufwand erhöhen.
Zu berücksichtigen sind insbesondere:
- Investition in das Spritzgusswerkzeug
- notwendige Mindeststückzahl für wirtschaftliche Fertigung
- werkstoffabhängige Schwindung
- mögliche Einfallstellen und Verzug
- Fließwege und Bindenähte
- Entformbarkeit des Bauteils
- gegebenenfalls Trocknung hygroskopischer Kunststoffe
Eine spritzgussgerechte Bauteilkonstruktion kann viele dieser Risiken bereits vor dem Werkzeugbau reduzieren.
Für Prototypen und sehr kleine Serien können deshalb zunächst additive Fertigung oder andere Kunststoffverarbeitungsverfahren sinnvoll sein. Mit steigenden Stückzahlen gewinnt das Thermoplast-Spritzgießen dagegen meist deutlich an Wirtschaftlichkeit.
Moderne Verfahren beim Thermoplast-Spritzgießen
Mehrkomponenten- und 2K-Spritzgießen
Insert Molding und Umspritzen von Einlegeteilen
Thermoplast-Schaumspritzgießen
Spritzprägen und Hybridverfahren
Materialauswahl und Konstruktion beim Thermoplast-Spritzguss
Die Materialauswahl entscheidet darüber, ob ein Thermoplast-Spritzgussteil seine technischen Anforderungen dauerhaft erfüllt.
Ein günstiger Standardkunststoff ist nicht automatisch die wirtschaftlichste Lösung, wenn das Bauteil später unter Wärme, Chemikalienkontakt oder mechanischer Belastung versagt. Umgekehrt ist ein Hochleistungskunststoff unnötig teuer, wenn seine zusätzlichen Eigenschaften gar nicht benötigt werden.
Zu prüfen sind deshalb:
- mechanische Belastung
- Einsatztemperatur
- Chemikalienkontakt
- Feuchtigkeit
- UV-Belastung
- Oberflächenanforderungen
- elektrische Eigenschaften
- Recyclinganforderungen
Spritzgussgerechte Konstruktion
Auch ein optimal ausgewählter Thermoplast kann seine Vorteile nur ausspielen, wenn das Bauteil spritzgussgerecht konstruiert ist.
Wandstärken sollten möglichst gleichmäßig gestaltet und Materialanhäufungen vermieden werden. Rippen können Steifigkeit schaffen, ohne massive Wandquerschnitte zu benötigen. Ausreichende Entformungsschrägen erleichtern das sichere Auswerfen.
Angussposition, Bindenähte und Schwindungsverhalten werden idealerweise bereits vor dem Werkzeugbau berücksichtigt. Bei komplexen Bauteilen kann eine Spritzgießsimulation helfen, Füllverhalten, Druckbedarf oder potenziellen Verzug frühzeitig zu beurteilen.
Thermoplast-Spritzgießen mit Rezyklaten
Thermoplastische Kunststoffe lassen sich grundsätzlich erneut aufschmelzen und sind deshalb besonders interessant für geschlossene Materialkreisläufe.
In der industriellen Verarbeitung werden sowohl Produktionsrezyklate (PIR) als auch Post-Consumer-Rezyklate (PCR) eingesetzt. Voraussetzung ist, dass Materialqualität, Reinheit und Eigenschaften zu den Anforderungen des jeweiligen Bauteils passen.
Gerade bei technischen Spritzgussteilen muss geprüft werden, ob Schwankungen bei Farbe, Fließverhalten oder mechanischen Eigenschaften zulässig sind. Nicht jede Anwendung lässt den gleichen Rezyklatanteil zu.
Aktuelle Entwicklungen konzentrieren sich unter anderem auf:
- hochwertige Rezyklate
- biobasierte Thermoplaste
- recyclinggerechte Bauteilkonstruktion
- Monomaterial-Konzepte
- geschlossene Produktionskreisläufe
- energie- und materialeffiziente Prozesse
ARBURG beschreibt Thermoplaste ausdrücklich als Werkstoffe, bei denen sortenrein aufbereitete PIR- und PCR-Materialien wieder in den Wertstoffkreislauf zurückgeführt werden können. Auch Fraunhofer ICT nennt Rezyklate und biobasierte Thermoplaste als aktuelle Entwicklungsschwerpunkte thermoplastischer Spritzgießprozesse.
Häufig gestellte Fragen zum Thermoplast-Spritzgießen
Was ist Thermoplast-Spritzgießen?
Welche Thermoplaste eignen sich für Spritzguss?
Was ist der Unterschied zwischen Thermoplast und Duroplast?
Warum werden Thermoplaste so häufig spritzgegossen?
Können Thermoplaste mehrfach aufgeschmolzen werden?
Können Rezyklate im Thermoplast-Spritzguss verarbeitet werden?
Welche Vorteile hat Thermoplast-Spritzguss gegenüber 3D-Druck?
Welche Stückzahlen lohnen sich beim Thermoplast-Spritzgießen?
Thermoplast-Spritzgießen bei Stocker Kunststoff
Ein wirtschaftliches Thermoplast-Spritzgussteil beginnt mit der richtigen Kombination aus Werkstoff, Konstruktion und Werkzeug.
Stocker Kunststoff begleitet Projekte deshalb bereits bei der Materialauswahl und der spritzgussgerechten Gestaltung der Bauteile. Verarbeitet werden zahlreiche Standard- und technische Thermoplaste für unterschiedlichste industrielle Anwendungen.
Von der Entwicklung bis zur Serienfertigung werden die einzelnen Prozessschritte auf die Anforderungen des späteren Kunststoffteils abgestimmt. Dabei können neben klassischen Thermoplasten auch modifizierte, verstärkte oder besonders leistungsfähige Werkstofftypen eingesetzt werden.
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Quellen und weiterführende Informationen
- Kunststoffe.de / Carl Hanser Verlag: Grundlagen des Spritzgießens
- ARBURG: Verarbeitung von Standard-Thermoplasten
- Fraunhofer ICT: Spritzgießen und Fließpressen: Thermoplastische Spritzgießprozesse, TSG, Hochleistungskunststoffe und Rezyklate
- KraussMaffei: Kunststoffverarbeitung und Spritzgießtechnik
- Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV), RWTH Aachen
- CAMPUS: Werkstoffdaten thermoplastischer Kunststoffe
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