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.
Kühlt der Thermoplast wieder ab, behält er die ihm gegebene Form bei. Damit ist er ideal für die formgebenden Verfahren beim Spritzgießen geeignet. Zu den wichtigsten Eigenschaften der Thermoplaste gehört sicherlich, dass sich dieser Vorgang beliebig oft wiederholen lässt, solange der für den jeweiligen Thermoplast spezifische Temperaturbereich nicht überschritten wird. Mit der in so einem Fall folgenden thermischen Zersetzung zerfallen die Molekülketten und der Thermoplast verliert seine Eigenschaften. Die heute in großer Vielzahl verwendeten Thermoplaste zeichnen sich daneben durch unterschiedliche Eigenschaften aus, die sich nach mechanischen, thermischen und chemischen Fähigkeiten unterscheiden lassen.
Das heißt also, wie gut ist der Thermoplast nach der Formgebung zu bearbeiten, in welchen Temperaturbereichen behält er seine Eigenschaften bei und gegen welche chemischen Einflüsse reagiert er nicht oder in einer gewissen, gewünschten Weise. So werden die einfachsten Thermoplaste wie das Polyethylen in Millionen Tonnen als einfaches Verpackungsmaterial verwendet. Das wesentlich komplexere PMMA wird als Acrylglas dagegen zu teils höchst anspruchsvollen Produkten weiterverarbeitet.
Bei der Stocker Kunststoff GmbH spritzgießen wir jedes gängige Elastomer, darunter ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol), PA (Polyamid), PA6.0, PA6.6, PC (Polycarbonat), PE (Polyethylen), PMMA (Polymethylmethacrylat, Acrylglas), POM (Polyoxymethylene), PP (Polypropylen), PS (Polystyrol). Thermoplaste werden zumeist als Granulat gehandelt und haben aufgrund ihrer Bedeutung für die weltweite Produktion längst einen wichtigen Status an den Börsen erlangt. Mit dem Rohstoffindex für Kunststoff, dem sogenannten Plastixxx, lassen sich die Marktpreise ermitteln, für die wichtigsten Kunststoffe wie PE laufen sogar Warentermingeschäfte.
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Spritzgießen mit Thermoplast
Während für Duroplaste und Elastomere eine etwas anspruchsvollere Gestaltung der Phasen für Temperaturverteilung, Einspritzvorgang und Werkzeug-Temperierung nötig wird, stellt das Thermoplast Spritzgießen Verfahren sozusagen die Grundlage für den formgebenden Spritzguss dar. Das Prinzip ist leicht erklärt. Der Thermoplast wird als Granulat so erhitzt, dass er in flüssiger Form mit hohem Druck in eine Hohlform gespritzt werden kann, das sogenannte Werkzeug. Dieser Hohlraum oder die Kavität besteht aus zwei Teilen, von denen eines beweglich ist. Wenn das geschmolzene Granulat nach dem Abkühlen die gewünschte Form angenommen hat und beibehält, öffnet sich das bewegliche Teil und das Werkstück oder Formteil wird ausgeworfen. Dann beginnt der Vorgang aufs Neue. Diesen Vorgang erläutern wir weiter unten etwas genauer, denn ganz so einfach ist es in der industriellen Herstellung einer Kunststoff-Form dann ja doch nicht.
Nach der Erfindung des Spritzgießens und der ersten Serienproduktion für Spritzgussmaschinen im Jahre 1926 dauerte es bis in die Mitte der 50er Jahre des letzten Jahrhunderts, bis sich eine wesentliche Änderung beim Spritzguss ergab. Bei der ursprünglichen Methode des Einspritzens wurde ein Kolben bzw. Zylinder verwendet, der das erhitzte Material ins Werkzeug beförderte. Die wichtige Änderung war die bis heute so ähnlich verwendete Schnecke. Mit ihren Eigenschaften konnte die Schmelze und Bearbeitung der Kunststoffe weiter automatisiert und beschleunigt werden. Im Prinzip wird die sogenannte Schneckenkolben-Spritzgießmaschine heute genauso verwendet.
Modernes Spritzgießen mit Thermoplasten
Das Granulat wird durch einen Trichter in die erhitzte Schnecke in einem Zylinder eingeführt. Bei der Drehung der Schnecke wird das Kunststoffgranulat geschert und sozusagen gemahlen. Dabei entsteht zusätzliche Reibungswärme bzw. Friktionswärme, mit deren Einfluss die Verflüssigung einsetzt.
Wenn das verflüssigte Granulat die Einspritz-Düse erreicht hat, zieht sich die Schnecke Stück für Stück zurück. Dabei melden Messinstrumente den Füllstand zurück, damit die Füllphase rechtzeitig unterbrochen wird. Das Kunststoffgranulat vor der Schnecke ist jetzt als Schmelze verflüssigt und kann das Werkzeug füllen. Für diese Einspritzphase ist die Homogenität der Schmelze ein entscheidender Faktor, sonst entstehen Fehler bzw. Hohlräume im Formteil. Daher wird ein hoher mechanisch oder hydraulisch erzeugter Druck eingesetzt, der zwischen 500 und 2.000 Bar je nach Material beträgt.
Die flüssigen Thermoplaste durchqueren eine Rückstromsperre und passieren die Düse. Von dort gelangen sie über einen erhitzten Kanal ins Werkzeug. Ein gewisser restlicher Druck wird auch nach dem Einspritzen aufrecht erhalten, damit nachträgliche Verwerfungen aber vor allem die durch den Kühlvorgang entstehende Reduzierung des Volumens aufgefüllt und ausgeglichen werden können.
Auskühlen und Auswerfen beim Spritzgießen
Während die zurückgezogene Schnecke sich für den nächsten Schub an Kunststoffgranulat wieder zu drehen beginnt, kann das Material im Hohlraum abkühlen, bis alles erstarrt ist. Dazu wird das Werkzeug auf einer Temperatur zwischen 20° und ca. 100° Grad gehalten, während die flüssigen Kunststoffe 200° bis 300° Grad heiß sind. Diese Werte schwanken je nach Eigenschaften der Thermoplaste und müssen exakt aufeinander abgestimmt sein.
Ein zu kaltes Werkzeug würde die gleichmäßige Verteilung der Kunststoffe stören, ein zu heißes den Abkühlvorgang in die Länge ziehen. Meist wird auch die Düse und die Kavität voneinander getrennt, um die jeweilige Temperatur besser aufrecht zu erhalten. So kann das Abkühlen gleichmäßig erfolgen, bis selbst der Kern, “die Seele” des Formteils erstarrt ist. Nach dem Abkühlvorgang wird das Formteil ausgeworfen und kann eingesetzt oder zur weiteren Verarbeitung abtransportiert werden.
Die Vorteile im modernen Spritzguss
Die Vorteile des Spritzgießens in dieser Form liegen auf der Hand. Es lassen sich Millionen gleichartige und gleichwertige Elemente zu geringen Stückkosten produzieren. Mit den weiterentwickelten Werkzeugen oder aber mit Multi-Werkzeug-Spritzgießmaschinen lassen sich verschiedenartige Kunststoffe miteinander verbinden, ohne dass sie geschweißt oder geschraubt werden müssten. Bis zu fünf oder gar sechs Komponenten können heute blitzartig kombiniert werden, wobei eine KI die komplette Prozess-Steuerung bei gleichzeitiger Qualitätskontrolle übernimmt.
Diese Kombination verschiedener Kunststoffe birgt allerdings auch den Nachteil der schwierigeren Wiederaufbereitung. Kunststoffe, die aus dem gleichen Material bestehen, wie beispielsweise PE, lassen sich relativ problemlos recyceln. Dazu müssen sie allerdings sortenrein gesammelt werden, denn eine maschinelle Trennung verschiedener Kunststoffarten ist derzeit noch sehr schwierig. Fast gänzlich unmöglich ist das Recycling von Werkstücken oder Bauteilen, die aus verschiedenen Kunststoffen zusammen hergestellt worden sind.