Spritzguss & Spritzgießen: Verfahren, Prozesse und Hersteller

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Autoren
Jenny Schön
Proto Labs Germany GmbH
aktualisiert am 16.03.2020 - 18:15:32
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Spritzgießen

Spritzguss ist auch bekannt als Spritzgießen oder Spritzgussverfahren. Spritzgießen ist ein Fertigungsverfahren, auch Urformverfahren genannt, welches überwiegend in der Kunststoffverarbeitung eingesetzt wird. Flexibilität und Wirtschaftlichkeit machen das Spritzgießen zu einem weit verbreiteten Verfahren bei der Massenherstellung von Kunststoffteilen an Spritzgießmaschinen.

Frage/Definition: Was ist/sind Spritzgießen?



Veranschaulichung des Prozessablaufs beim Spritzguss



Spritzgussverfahren

Mit einer Spritzgießmaschine wird das Material verflüssigt und unter Druck in das Spritzgießwerkzeug eingespritzt. Das Material härtet im Werkzeug aus oder verändert durch eine Vernetzungsreaktion den Aggregatzustand. Das Fertigteil kann nach dem Öffnen des Werkzeugs entnommen werden. Form und Oberflächenstruktur des Werkstücks werden durch den Hohlraum des Werkstücks beeinflusst. Mittlerweile ist die Herstellung von Fertigteilen mit einem Gewicht zwischen ein paar Gramm und über 100 Kilogramm möglich. Ein großer Vorteil ist die kostengünstige Herstellung von Formteilen in großer Auflage.

Der Spritzguss - und vor allem die spezielleren Verfahren - bieten eine große Auswahl an Oberflächenstruktur und Form:

  • glatte Oberflächen
  • Muster
  • Gravuren
  • Farbeffekte
  • Narbungen

Die Spritzguss-Formteile lassen sich in drei Bereiche kategorisieren. Qualitätsmerkmale aller Bereiche sind Festigkeit, Oberflächenbeschaffenheit, Formteilmaße, Formteilgewicht und Verzugserscheinungen.

  1. A-Teile = Präzisionsteile, die höchsten Anforderungen standhalten.
  2. B-Teile = Technische Formteile, die hohen Anforderungen standhalten.
  3. C-Teile = Formteile, die eine eher einfache geometrische Form aufweisen, aus Standardkunststoffen hergestellt sind und geringen Anforderungen standhalten.

Hauptsächlich werden beim Spritzguss Kunststoffe verarbeitet, die sich in die Bereiche Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere einteilen lassen.

Thermoplast-Spritzgießen

Das Thermoplast-Spritzgieß-Verfahren zeigt das grundlegende Prinzip des Spritzgießvorgangs und hat die größte wirtschaftliche Bedeutung. Daher ist es auch das am häufigsten verwendete Verfahren zur Kunststoffverarbeitung. Es werden granulatartige Kunststoffe aus dem Trichter in die Schneckengänge transportiert. Im Zylinder erfolgt die homogene Schmelze. Die Schmelze wird dann in den Hohlraum des temperierten Spritzgießwerkzeugs gedrückt. Die schmelze kühlt ab und das fertig Formteil wird mit Werkzeug befreit.

Duroplast-Spritzgießen

Duroplaste härten meistens durch Wärme aus und können danach in keine neue Form umgewandelt oder aufgeschmelzt werden. Daher unterscheidet sich dieses Verfahren vom Thermoplast-Spritzgießen bei den Betriebsparametern. Denn die noch nicht ganz ausgehärtete Masse muss mit niedriger Temperatur (30-110°C) in eine form gespritzt werden, in der sie dann mit höherer Temperatur (130-250°C) aushärtet. Das Duroplast-Spritzgießen ist besonders bei einer Realisierung von Wanddicken bis zu 50 mm geeignet.

Elastomer-Spritzgießen

Das Elastomer-Spritzgießen läuft von den Betriebsparametern ähnlich ab wie das Duroplast-Spritzgießen, da Elastomere auch durch den Einfluss von Wärme aushärten. Elastomere werden in Schneckenspritzgießmaschinen verarbeitet. Das Material wird in Form von Pulver oder Bandförmig eingeführt. Der Zylinder muss mit Wasser gekühlt werden, damit kein vorzeitiges aushärten möglich ist. Dieses Kunststoffverarbeitungsverfahren ist sehr wirtschaftlich.

MIM - Metal Injection Moulding oder auch Metallpulverspritzguss

Ein weiteres Gussverfahren ist der Druckguss.

Vorteile

  • sehr schnelles Verfahren vom Rohstoff zum fertigen Kunststoffteil
  • optimal für Präzisionsteile
  • Herstellung kleiner Serien oder Einzelteile
  • keine Nachbearbeitung notwendig
  • Nachhaltig
  • Automatisierbar

Prozessablauf / Verfahren Spritzgießen

Plastifizieren und Dosieren

Das Kunststoffgranulat wird über einen Trichter in die rotierende Schnecke gefüllt. Dort wird das Granulat durch die Rotation der Schnecke sowie Wärme geschmolzen und in Richtung Schneckenspitze gefördert. Die Schnecke bewegt sich axial und beschreibt sich zunächst rückwärts aus der geschmolzenen Masse heraus. Die Rotation der Schnecke sorgt dafür, dass sich die Kunststoffschmelze verdichtet und homogenisiert. Ist das Volumen für das zu fertigende Werkstück erreicht, stellt sich die Rotation der Schnecke ein und der Dosiervorgang wird beendet.

Einspritzen

Nach dem Abschluss des Dosiervorgangs wird das Einspritzen eingeleitet. Hierbei wird die Spritzeinheit an die Schließeinheit herangefahren. Durch den dabei entstehenden Druck wird die Schmelze durch die Düse und das Angusssystem des Werkstückes in dessen Hohlraum gedrückt. Der Hohlraum dient als Formgeber für das fertige Werkstück. Die Rückstromsperre verhindert, das Schmelze zurück läuft. Die Schmelze wird beim Einlaufen in das Werkzeug, direkt an dem Ort, an dem sie die Werkzeugwand berührt, gekühlt. Sie bleibt dann direkt dort kleben. Durch den immer kleiner werdenden Schmelzkanal wird die nachrückende Schmelze mit größerer Geschiwndigkeit in das Werkstück gedrückt. Die dadurch erzeugte Schergeschwindigkeit lässt die Schmelze leichter fließen.

Abkühlen und Nachdrücken

Beim Spritzgussverfahren hat die Schmelze eine Temperatur von 200 bis 300° Celsius. Das formgebende Werkzeug hat eine Temperatur von 20 bis 120° Celsius und ist damit deutlich kühler als die Schmelze. Dadurch kühlt die Schmelze in der Form ab. Da sich das Volumen beim Erkalten verringert, wird Schmelze - auch nachdem die Form vollständig gefüllt ist - nachgedrückt. Der Volumenrückgang wirkt sich auf Maßhaltigkeit und Oberflächenqualität des Werkstücks aus.Das Nachfüllen kann bis zum Siegelpunkt (also bis der Anguss erstarr ist) durchgeführt werden.

Ist das Nachdrücken und Abkühlen beendet wird die Düse der Schnecke geschlossen, so kann keine Schmelze mehr austreten. Zudem kann so im Schneckenzylinder die Plastifizierung und Dosierung für das nächste Werkstück beginnen. Das Material kühlt in der Form so lange ab, bis auch der innere Kern ausgehärtet ist.

Entformen

Der letzte Prozess des Spritzgießen ist das Entformen. Beim Entformen wird das erkaltete Werkstück aus der Form geworfen (Schüttgut) oder mit Handlinggeräten herausgenommen und ist zur Weiterverarbeitung bereit. Bei nahezu allen Werkstücken muss der Anguss noch entfernt werden. Alternativ ist auch angussloses Spritzgießen möglich. Das Werkzeug wird nach dem Entformen wieder geschlossen und für den nächsten Einsatz bereit.

Material zum Spritzgießen

Es werden beim Spritzguss thermoplastische Kunststoffe durch Additive oder Füllstoffe modifiziert. Füllstoffe sind teilweise auch Glasfasern oder sogar Glaskugeln. Die verschiedenen Kunststoffarten werden für verschiedene bereiche eingesetzt:

  • Polypropylen (PP) für Stoßstangen oder Armaturen
  • Polycarbonat (PC) oder Plexiglas (PMMA) für transparente Teile, wie Fahrzeug-Scheinwerfer oder Rückleuchten
  • Polystyrol (PS) und dessen Copolymere werden bei Spielzeug, wie Lego-Steinen, oder bei Haushaltsgeräten
  • Polyamid (PA), Polyoxymethylen (POM) werden im Maschinenbau und Elektrotechnik eingesetzt

Speziellere Spritzgussverfahren

Die spezielleren Verfahren sind Erweiterungen der oben erläuterten Grundverfahren.

  • Mehrkomponenten-Spritzgießen (In-Moid-Verfahren) Herstellung von teilen aus unterschiedlichen Kunststoffen in einem Workflow.
  • Innendruck-Spritzgießen
  • Schmelzkern-Spritzgießen
  • Pulverspritzgießen
  • Extrusionsspritzgießen

Problematik beim Spritzguss

Je nach Wahl des Verfahrens und Werkstoffes können folgende Probleme auftreten:

  • Angusshöfe, die eine abweichende Oberflächenstruktur haben. Grund dafür kann eine zu hohe Einspritzgeschwindigkeit oder geringe Prozesstemperatur sein.
  • Einfallstellen, oder Verzug kann beim Abkühlen entstehen.
  • Lufteinschlüsse entstehen durch schlecht gewählte Bauteilgeometrie.

Arbeitsschutz

Beim Umrüsten oder Instandhalten sowie beim Entnehmen von Proben und Auftreten von Leckagen kann es zu Verschmutzung der Luft an der Maschine kommen. Dies ist dann für die Mitarbeiter, die die Instandhaltungsmaßnahmen verüben, eine Gefahr. Außerdem gibt es heiße Oberflächen oder erhitzte Kunststoffe, die in der Gefährdungsbeurteilung berücksichtigt werden müssen.

Anbieter

Protolabs
Das Unternehmen Protolabs bietet Kunststoff-Spritzguss, Spritzgießen mit Flüssigsilikon und 2K-Spritzguss und umspritzen von Einlegeteilen an.
Lösch
Die Firma Lösch stellt Einzelstücke oder Serienfertigungen im Spritzguss her, z.B. Silikonspritzgussteile, Kunststoffspritzteile und optische Bauelemente aus Silikon und Kunststoffen.
Hintsteiner Group
Die Hintsteiner Group fertigt u.a. Prototypen und Kleinstserien aus Carbon oder Kunststoff an. Die Herstellung erfolgt mit Technologien wie den Spritzguss, Vakuumguss oder Aluminiumdruckguss. Zu den Leistungen der Hintsteiner Group zählt Bauteil Engineering, Moldflow-Simulation, Werkzeugkonstruktion, Formenbau / Werkzeugbau und Teilefertigung.
Igus
Igus bietet Rapid-Tooling für Spritzgusswerkzeuge an. Die Spritzgussteile können online berechnet und angefragt werden.

Automation beim Spritzguss

Verschiedene Hersteller haben sich darauf konzentriert im Rahmen der Medizintechnik oder Automobiltechnik Automationslösungen für den Spritzguss zu entwickeln. Dabei gibt es verschiedene Prozesse in der Automatisierung.

  1. vorgelagerte Automation: Schneiden, Vereinzeln, Zuführen, Vormontieren, Stanzen, Biegen & mehr
  2. Einlage & Entnahme: Automatisierung von Handarbeitsschritten in der Einlegetechnik sowie Entnahme mit besonderem Schutz der Werkzeuge und Teile
  3. nachgelagerte Automation: weiterverarbeitende Schritte nach der Entnahme wie Montage, Gruppierung, Schweißen, Prüfen, Beschriften oder Etikettieren

Gesetzliche Regelungen wie ISO 9001, GMP, GAMP5 und FDA sind dabei einzuhalten.

Hekuma
Hekuma ist Hersteller von Hochleistungsautomationslösungen für Spritzgießprozesse, darunter hauptsächlich Greifer.
Waldorf Technik
Waldorf Technik bietet Automationslösungen für medizintechnische Spritzgießproduktionen mit seinen Highspeed-Automationen in Herstellungsprozessen an.

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