Kunststoffspritzguss

Kunststoffspritzguss

Kunststoffspritzguss – Kurz erklärt!

Kunststoffspritzguss ist das am häufigsten angewandte Verfahren zur automatisierten Herstellung von Produkten und Werkstücken aus Kunststoffen. Das Spritzgussverfahren ermöglicht eine verhältnismäßig günstige, schnelle und äußerst präzise Produktion von Kunststoffteilen.
Die große Vielzahl einsetzbarer Kunststoff-Werkstoffe, die Möglichkeit der Verbindung verschiedener Werkstoffe (Mehrkomponententechnologie) und verschiedene Formen der Oberflächenveredelung ermöglichen eine nahezu unendliche Vielfalt an Einsatzmöglichkeiten.

Für das Kunststoffspritzguss-Verfahren wird das Rohmaterial (zum Beispiel in Form von Granulat) erhitzt und verflüssigt (plastifiziert). Die plastifizierte Masse wird mit hohem Druck in eine Form (das sogenannte Werkzeug) gepresst. Im Anschluss wird das Werkzeugteil abgekühlt, um die Masse zum Erstarren zu bringen, damit das fertige Werkstück entnommen werden kann.

Im Alltagsgebrauch und in der Industrie finden sich viele Produkte oder Produktteile, welche mit dem Kunststoff-Spritzguss-Verfahren produziert wurden.

Wir möchten auf dieser Seite die vielen Fassetten des Kunststoffspritzguss beleuchten, die Technik im Detail erklären, Unterschiede der verwendeten Werkstoffe erläutern und natürlich auch zeigen, welche speziellen Verarbeitungsschritte und Veredelungen möglich sind.


Kunststoffspritzguss – Leistungen der Gebrüder Schmidt KG

 

Spritzgussmaschinen in unserem Maschinenpark

Profitieren Sie von der großen Bandbreite unserer technischen Möglichkeiten, mit realisierbaren Teilegewichten von 1 Gramm bis 6.940 Gramm.

Wir verfügen über einen modernen Maschinenpark mit über 37 Spritzgussmaschinen namhafter Markenhersteller mit Schließkräften von 25 bis 1300 Tonnen. Damit bieten wir Ihnen hohe Flexibilität hinsichtlich der Teilefertigung. Mehrere vollautomatische Produktionsinseln sorgen für eine kostenoptimale Produktion.

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Mehrkomponenten-Technologie-Kunststoffspritzguss

Für spezielle Produkteigenschaften sind wir in der Lage mittels Mehrkomponenten-Technologie verschiedene Werkstoffe in einem Bauteil zu verbinden. Ihnen stehen dazu Spritzgussmaschinen mit Drehteller und L-Anordnung der Seitenaggregate zur Verfügung. Zusätzlich fertigen wir auch mittels Umsetz-Verfahren.


Werkstoffe zur Verarbeitung

Sie können bei uns Bauteile aus allen gängigen Kunststoff-Werkstoffen und Compounds mit hohem Glasfaser- und Talkumanteil fertigen lassen. Hierzu gehören:

  • PP (Polypropylen)
  • PE (Polyethylen)
  • ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol)
  • PS (Polystyrol)
  • ASA (Acrylnitril-Styrol-Acrylester)
  • PC (Polycarbonat)
  • POM (Polyoxymethylen)
  • PET amorph (Polyethylenterephthalat)
  • PA (Polyamid)
  • PMMA (Polymethylmethacrylat)
  • PC + ABS Blends
  • TPE-E
  • TPE-A (Thermoplastische Elastomere)
  • TPE-V (Thermoplastische Elastomere)
  • TPE-S
  • IXEF (Polyarylamid)

Lesen Sie weiter unten Details zu den einzelnen Kunststoffen.

 

Kunststoffgranulat


Die Geschichte des Spritzgießens

 

1856

Der Brite Alexander Parkes stellt das erste Zelluloid her – den ersten thermoplastischen Kunststoff – schafft es aber nicht diese Erfindung (genannt Parkesine) zu verwerten, da keine stabile Gebrauchsqualität gewährleistet war.

1870

Die heute bekannte Bezeichnung Zelluloid geht auf die 1870 durch die Celluloid Manufacturing Company registrierte Handelsmarke “Celluloïd” zurück. Die hier hergestellten Zelluloide waren durch Patente von John Wesley Hyatt geschützt, der das Herstellungsverfahren für den thermoplastischen Kunststoff wesentlich verbesserte.

1872

John Wesley Hyatt erfindet die “Stopfmaschine” – den Vorgänger der ersten Spritzgussmaschinen. Hiermit ließen sich einfache Formteile aus Celluloid herstellen.

1926

Die erste serienmäßig gebaute Maschine wird von Eckert & Ziegler hergestellt. In einer horizontalen Bauweise nutze man einen Hebel zum manuellen Anpressen der Düse – möglich waren Schussgewichte zwischen 10 g und 50 g. (Im Vergleich dazu: in unserem Maschinenpark können wir ein Spritzgewicht zwischen 1 und 6.940 g realisieren.)Über einen Druckluftzylinder wird der Kunststoff eingespritzt.

1930

Die ersten automatisch arbeitenden Maschinen sind verfügbar, aber noch sehr teuer. Für die eher kleineren Serienanfertigungen greift man also weiterhin eher auf Handarbeit zurück.

1956

Der bis dato genutzte Kolben wird durch eine Schnecke im Zylinder ersetzt, welche axial beweglich ist. Auch heute noch treibt in der Spritzeinheit eine Schnecke die Formmasse in Richtung Einspritzdüse.

Heute

Das automatische Spritzgießen ist das am häufigsten genutzte Herstellungsverfahren für Kunststoffteile. Basis der Fertigung ist meistens Granulat oder Pulver, welches zunächst plastifiziert und daraufhin mit hohem Druck in das geschlossene Werkzeug und damit in die gewünschte Form gespritzt wird. Es bietet den großen Vorteil einer exakten Herstellung in großer Serie, da es nicht nur ein sehr schnelles Fertigungsverfahren ist, sondern auch meistens keine Nachbearbeitung braucht.

Die Auswahl der “richtigen” Spritzgießmaschine richtet sich nach Volumen und Größe des zu fertigenden Teils und nach den Abmessungen des Werkzeuges.

 

 


Kunststoffspritzguss: die Maschinen und der Prozess im Detail

Aufbau der Spritzgießmaschinen

Die Baugruppen einer Spritzgießmaschine (Schließeinheit, Spritzeinheit, Maschinenbett mit Hydraulik, Schaltschrank und Steuereinheit)

Die heutigen Spritzgießmaschinen können im Aufbau in vier “Baugruppen” unterteilt werden:

 

Schließeinheit

In der Schließeinheit werden die beiden Werkzeughälften geschlossen, zusammengedrückt (Schließkraft) und nach dem Abkühlen wieder geöffnet.

Spritzeinheit

Das über einen Einfülltrichter zugeführte Material (Kunststoff-Granulat oder Bänder) wird in der Spritzeinheit von der Schnecke nach vorne in Richtung Düse transportiert und plastifiziert (geschmolzen). Die Spritzeinheit fährt die Düse an das Werkzeug und spritzt die Masse unter hohem Druck ein.

Maschinenbett mit Hydraulik

Vereinfacht gesagt die “Basis” der Spritzgießmaschine. Meistens können verschiedene Arbeitsstellungen (vertikal oder horizontal) von Spritzeinheit und Schließeinheit eingestellt werden. Das Maschinenbett dient zudem als “Behälter” für die Maschinenhydraulik.

Schaltschrank und Steuereinheit

Über die Schalteinheit lassen sich die wichtigen Verarbeitungsparameter (Temperaturen, Drücke, Wege, Geschwindigkeiten und Zeiten) kontrollieren und einstellen.

Je nach Ausstattung können sie Thermoplaste, Duromere oder Elastomere verarbeiten. Die Größenangabe in Bezug auf eine Spritzgießmaschine bezieht sich auf die Schließkraft, welche die Maschine aufbringen kann und wird in der Einheit kN angegeben.

 

Was bedeutet “Zykluszeit”?

Die Zykluszeit (auch Taktzeit oder Schlusszeit genannt) gibt die Zeit an, innerhalb der das Spritzgießteil gefertigt werden kann.

Zur Berechnung der Herstellungskosten ist die Zykluszeit ein wichtiger Faktor. Unsere Facharbeiter optimieren diese Zeit, um die Kosten zu senken bzw. im Rahmen zu halten.

Welcher Vorgang läuft im Detail innerhalb einer Zykluszeit ab?

Das Werkzeug besteht aus zwei Formteilen, von denen eines fest und das andere beweglich ist. Dieses geteilte Werkzeug wird geschlossen (hierbei wird die Schließkraft aufgebraucht), die Düse des Spritzaggregates bewegt sich an das Werkzeug und baut die Düsenanlagekraft auf. Der Formhohlraum wird nun mit verflüssigtem Kunststoff gefüllt, welcher sich vor der Schneckenspitze befindet und mit hohem Druck durch die Düse eingespritzt wird.

Befindet sich die Formmasse im Werkzeug, wird ein Nachdruck aufgebaut, um den Volumenschwund auszugleichen, welcher beim Abkühlen der Masse entsteht. Während der Gesamtkühlzeit des Spritzteils schwindet das Material, daher muss ein Massepolster vorhanden sein.

Ist der Nachdruck abgelaufen (Restkühlzeit), wird durch die Schneckendrehung wieder neues Material aufdosiert.

Nachdem das Spritzgießteil abgekühlt ist, öffnet sich die Form, das Teil wird durch den Auswerfer gestoßen und zuletzt schließt sich die Form wieder, so dass ein neuer Zyklus beginnen kann!

 

Der Ablauf des Spritzgussverfahrens im Detail

Der Zyklus des Spritzgießens

Plastifizieren

Zunächst wird das zu verarbeitende Rohmaterial als Pulver, in Form von Granulat oder bandförmig (Kautschuk und Polyester) über den Einfülltrichter in den hinteren Teil der Spritzgießmaschine, der sogenannten Plastifizier- bzw. Spritzeinheit, zugeführt.
Das Kernstück der Spritzeinheit stellt die in einem Zylinder montierte Schneckenwelle dar. Deren Außendurchmesser entspricht stets dem Innendurchmesser des Zylinders, um eine Beförderung der Masse unter ausreichendem Druck zu gewährleisten.

Der Zylinder wird in den meisten Fällen von außen beheizt (Zylinderheizung), sodass es im Laufe des Transports zum Schmelzen des Materials (Plastifizierung) und Homogenisierung kommt.

Durch das stetige Rotieren der Schneckenwelle wird der Kunststoff nicht nur gleichmäßig plastifiziert, sondern auch nach vorne zum Schneckenvorraum transportiert. Vor der hier verschlossenen Düse wird die Masse gestaut, so dass sich ein Druck aufbaut

Querschnitt Kunststoffspritzgussmaschine - PLastifizierung

 

Einspritzen

Den Abschluss des Zylinders bildet eine Düse, welche zudem den Übergang zum Werkzeug respektive der Form darstellt. Bevor die Formmasse in die Form eingelassen wird, wird sie vor der verschlossenen Düse so lange gestaut, dass sie sich verdichtet (Dosiervorgang).

Der Staudruck drängt die Schnecke zunächst zurück und der Einspritzvorgang startet. Die Schneckenwelle wird axial zur Düse hingedrückt, welche sich öffnet und die Masse mit einem Druck von etwa 500 bis 2000 bar in das Werkzeug spitzt.

Einspritzen der Kunststoffmasse in das Werkzeug.


Parallel zu den Vorgängen in der Spritzeinheit sind auch die Funktionen der Schließeinheit zu erklären:

In der Schließeinheit sitzen eine feste und eine bewegliche Aufspannplatte. Auf diesen Aufspannplatten werden die beiden Werkzeughälften (Formhälften) – meist durch Aufschrauben –befestigt. Je nach Maschine unterscheiden sich die möglichen Größen, die das Werkzeug haben kann. Es gibt zwei verschiedene Schließ- und Zuhaltesysteme, um die nötige Schließkraft aufzubringen: Die formschlüssige Verriegelung über Kniehebel, welche ein sehr schnelles Schließen des Werkzeugs ermöglicht und die kraftschlüssige Verriegelung durch Hydraulikzylinder, welche sehr große Schließkräfte bis zu 55 000 kN schaffen.

Die Schließkraft wird für jede Produktion bzw. jedes Werkzeug individuell berechnet und eingestellt. Sie ist die Kraft, die das Spritzgießwerkzeug zusammendrückt. Für einen optimalen Spritzgießprozess und eine gute Qualität der Spritzgussteile ist es wichtig, dass die Schließkraft korrekt berechnet und eingestellt wird. Ist sie zu niedrig, kann das zur Gratbildung am Werkstück führen – ist sie zu hoch, stört das die Entlüftung des Werkzeugs, es kann beschädigt werden und der Energieverbrauch steigt.

Nachdrücken

Beim Auskühlen und Abhärten verliert die Kunststoffmasse an Volumen. Daher ist es wichtig, dass direkt an das Einspritzen und der Füllung des Werkzeuges der Nachdruck folgt. Vor der Schneckenspitze liegt ein Massepolster, welchen so in die Form nachfließen kann. Durch das Nachdrücken wird der Volumenschwund ausgeglichen, wodurch Fehler (Einfallstellen und Hohlräume / Lunker) beim Spritzguss vermieden werden und das Spritzgussteil eine optimale Oberfläche erhält.

 

Abkühlen

Um den Abkühlvorgang des Spritzteils zu beschleunigen, wird das Werkzeug zusätzlich gekühlt. Hierbei kommt häufig Wasser zum Einsatz.

Entformen & Auswerfen

Um das Spritzteil nach dem Abkühlen aus dem Werkzeug zu entfernen, wird ein automatisches Entformungssystem benötigt. Je nach Form kann das Werkstück natürlich auch automatisch aus der Form fallen, aber oft wird es auf der Schließseite (dem beweglichen Formteil) gehalten. Es gibt verschiedene Auswerfsmöglichkeiten wie zum Beispiel:

  • Auswerferstangen
    Hinter der beweglichen Formhälfte ist ein Auswerfergehäuse mit hydraulisch bewegbaren Auswerferstangen befestigt, welche sich durch die Form schieben und das Spritzgießteil ablösen.
  • Abstreifplatte oder Abstreifring
    Die Abstreifplatte sitzt quasi zwischen den beiden Formteilen und streift das Spritzgießteil nach dem Aushärten ab. Hierbei wird oftmals unterstützend Druckluft eingesetzt.

Spritzgießteil entformen

Wichtige Parameter bei der Verarbeitung im Spritzgießverfahren

Massetemperatur

Die Massetemperatur ist vereinfacht gesagt die Temperatur, welche die Kunststoffmasse erreicht haben muss, um verarbeitet zu werden. Sie unterscheidet sich je nach Kunststoffart – liegt aber immer über 100 Grad Celsius.
Bei den Einstellungen der Maschine ist zu beachten, dass die Massetemperatur vor der Schneckenspitze nicht der eingestellten Zylindertemperatur entspricht, da durch die Reibung innerhalb der Spritzeinheit zusätzliche Wärme entsteht. Auf die Wärme durch Friktion (Reibung) hat wiederum die Schneckenart, Schneckendrehzahl, der Staudruck, die Kunststoffart und die Massetemperatur Einfluss.,

Schneckendrehzahl

Die Schneckendrehung befördert die Masse in den Schneckenvorraum. Da der beste Zeitraum zum Einspritzen direkt nach dem Dosieren ist, wird die Drehzahl der Schnecke so gering wie möglich gehalten. Dadurch erreicht man auch einen konstanten Dosierweg.

Staudruck

Der Staudruck wird während des Dosierens (Stauen der Masse vor der Schneckenspitze) auf die Schnecke gebracht. Er ist wichtig, um die Masse zu verdichten und die Homogenität zu steigern. Je leichter die Kunststoffmasse fließt, desto niedriger kann der Staudruck eingestellt werden.

Umschaltpunkt

Zu Beginn des Einspritzens wird der Hohlraum in dem Werkzeug ohne Nachdruck konturmäßig (volumetrisch) zu etwa 80% gefüllt. Nun ist der Umschaltpunkt für den Nachdruck erreicht. Die Nachdruckzeit muss exakt austariert sein, um Einfallstellen oder Materialschwindungen am Kunststoffteil zu verhindern.

Einspritzgeschwindigkeit

Um die Zykluszeit zu verringern, wird die Einspritzgeschwindigkeit so hoch wie möglich gestellt und wie es das zu füllende Formteil zulässt. Der Kunststoff sollte sich gleichmäßig ausbreiten können.
Die Einspritzgeschwindigkeit muss fein justiert werden, da sowohl zu schnelles als auch zu langsames Einspritzen zu Fehlern führen kann.

Siegelpunkt

Nach dem Umschaltpunkt wird die Nachdruckzeit hinzugeschaltet, bis das Teilgewicht nicht mehr zunimmt. Der Siegelpunkt ist erreich und es kann keine Masse mehr vor oder zurück.

 

Das Spritzgusswerkzeug – Erklärung eines einfachen Aufbaus

Bevor eine Serienfertigung von Spritzgussteilen in Betrieb gehen kann, muss zunächst das passende Werkzeug angefertigt werden. Nicht nur das herzustellende Formteil, sondern auch die Materialart, die Anzahl der Teile, die Bauart der Spritzgießmaschine und auch die Kundenwünsche haben Einfluss auf die Werkzeuggestaltung.

Wir übernehmen für Sie das komplette Werkzeugmanagement (Werkzeugkonstruktion, Werkzeugbetreuung und Werkzeugbeschaffung).

Werkzeugmanagement durch die Gebrüder Schmidt KG

 

Illustration eines einfachen Spritzgießwerkzeuges: 

 

Die Aufgaben des Werkzeuges bestehen darin, das plastifizierte Material in die Kavitäten (Hohlräume) zu leiten und die Masse bis zur Entformungstemperatur abzukühlen. Zudem beinhaltet das Werkzeug eine entsprechende um die Spritzgießteile zu entformen.

 


 

Fertigungsverfahren im Kunststoffspritzguss

Es gibt drei verschiedene Kunststoffarten, welche maßgeblichen Einfluss auf das Fertigungsverfahren haben. Welcher Kunststoff gewählt wird, hängt natürlich von der Gestaltung, Form und Art des zu fertigenden Teiles ab.

Daraus resultieren drei klassische Fertigungsverfahren für:

  • Thermoplaste
  • Elastomere
  • Duromere

Zusätzlich gibt es einige Sonderverfahren wie z.B.:

  • Mehrkomponentenverfahren
  • Insert-Technik
  • Montagespritzgießen
  • Thermoplastschaumspritzgießen
  • u.v.m.

Thermoplast-Spritzgießen

Thermoplaste sind Kunststoffe, die bei Erwärmung weich bis zähflüssig werden und dadurch im Spritzgießverfahren gut urgeformt werden können. Das Thermoplastspritzgießen ist damit das am häufigsten angewandte Fertigungsverfahren, welches wir auch unter “Der Ablauf des Spritzgussverfahrens im Detail” bereits ausführlich beschrieben haben.

Zu den Thermoplasten zählen unter anderem folgende Kunststoffarten:

  • Polyamide PA
  • Polycarbonat PC
  • Polystyrol PS
  • Polyethylen PE-HD
  • Polymethylmethacrylat PMMA
  • Polyvinylchlorid PVC

Die Schmelztemperatur ist je nach Kunststofftyp unterschiedlich.

ABS - Hygienespender - Beispiel Spritzguss mit Thermoplasten

Beispiel Elastomere - Dichtung

Beispiel Spritzguss Elastomere ©Adobe Stock #475892931

Spritzgießen von Elastomeren

Elastomere zeichnen sich durch ein gummielastisches (können sich durch Zug oder Druck verformen, gehen danach aber wieder in ihre ursprüngliche Form zurück) Verhalten aus und werden zum Beispiel für Dichtungen oder Membrane verwendet. Das Spritzgussverfahren mit Elastomeren ähnelt dem des thermoplastischen Spritzgießens. Die größten Unterschiede liegen in den Temperaturen von Material und Werkzeug. Bei Elastomeren ist das Werkzeug heißer als die Schnecke um die Vulkanisation (Vernetzung/Formgebung) zu ermöglichen.

Außerdem werden Elastomere meistens als Walzfellstreifen und nicht als Granulat in die Spritzeinheit gegeben. Im Zylinder wird das Material dann thermisch und mechanisch zu einer homogenen Masse verarbeitet.

Duroplast Spritzguss

Kunststoffbauteile aus Duromeren (Duroplasten) erfüllen eine höhere Temperaturbeständigkeit und werden zum Beispiel in der Elektrotechnik eingesetzt.

Duromere werden nahezu ausschließlich mit Füll- und Verstärkungsstoffen eingesetzt. Da in der zum Spritzgießen verwendeten rieselfähigen Formmasse bereits Substanzen zum Aushärten vorhanden sind, kann diese nur zwischen 6 und 24 Monaten gelagert werden.

Das Spritzgussverfahren mit Duromeren ähnelt dem Spritzgießen von Elastomeren sehr, allerdings hat die Schnecke keine Rückstromsperre und ist eine reine “Förderschnecke”. Die Plastifizierung von Duroplasten erfolgt bereits bei Temperaturen zwischen 55 °C und 115 °C. Die Werkzeugtemperatur liegt hingegen zwischen 150 °C und 200 °C, um das Material so schnell wie möglich zu vernetzen (vulkanisieren).

Beispielprodukt Duroplast-Spritzgießen

Beispielprodukt Duroplast-Spritzgießen ©Adobe Stock #83215535

Mehrkomponentenverfahren beim Kunststoffspritzgießen

Innerhalb eines Spritzgieß-Zyklus können Teile aus unterschiedlichen Materialien mit verschiedenen Eigenschaften zu einem Formteil produziert werden. Je nach Kundenwunsch und mit Blick auf die Wirtschaftlichkeit wird die Anzahl der Komponenten bestimmt.

Am häufigsten wird allerdings das Zweikomponentenspritzgießen (2K-Spritzguss) angewendet, welches die Materialverdrängung oder die Technik des Umspritzens nutzt.

Die Technik für Drei- oder Vierkomponentenspritzen funktioniert ähnlich – die Vorspritzlinge müssen hier allerdings umgesetzt werden. Entweder werden die Vorspritzlinge aus der ersten Kavität (Hohlraum der Form) per Hand oder Roboter entnommen und in die zweite Kavität gesetzt, oder sie werden mittels Dreheinheit, Drehkern oder drehbarer Mittelplatte in unterschiedliche Positionen gedreht.

Materialverdrängung:
Zunächst wird das Material für die Außenhaut als Teilfüllung eingespritzt. Dieser erste Kunststoff sollte flüssiger (niedrigviskoser) sein als der zweite, damit er besser ausweichen kann. In einem zweiten Schritt wird nämlich das dickflüssigere Material (in der Regel ein preiswerterer Kunststoff) eingespritzt, verdrängt den ersten Werkstoff nach außen und bleibt quasi als Kern kompakt erhalten.

Umspritzung:
Das Schwenken einer Drehplatte ermöglicht es, zunächst einen Vorformling zu erstellen, welcher nach dem Umschwenken mit einem zweiten Kunststoff umspritzt werden kann. Das Werkzeug dreht sich und ein neuer Zyklus kann beginnen.

 


 

Kunststoffe – die wichtigsten Rohstoffe für den Spritzguss kurz erklärt

 

Wir möchten hier eine Auswahl von Kunststoffen genauer erklären und auf Vor- und Nachteile eingehen.

 

PC


PS


PE-HD


PMMA


PVC