Spritzgießen

Das Spritzgießen (oft umgangssprachlich auch als Spritzguss oder Spritzgussverfahren bezeichnet) ist ein Urformverfahren, welches hauptsächlich in der Kunststoffverarbeitung eingesetzt wird.
Mit diesem Verfahren lassen sich wirtschaftlich direkt verwendbare Formteile in großer Stückzahl herstellen. Dazu wird mit einer Spritzgießmaschine der jeweilige Werkstoff, beziehungsweise die Formmasse, in einer Spritzeinheit plastifiziert und in ein Spritzgießwerkzeug eingespritzt. Der Hohlraum, die Kavität, des Werkzeugs bestimmt die Form und die Oberflächenstruktur des fertigen Teils. Es sind heute Teile von wenigen Zehntel Gramm bis in den zweistelligen Kilogramm-Bereich herstellbar.
Mit dem Spritzgießen lassen sich Gegenstände mit hoher Genauigkeit, wie zum Beispiel für die Feinwerktechnik, und/oder Massenprodukte in kurzer Zeit herstellen. Dabei kann die Oberfläche des Bauteiles nahezu frei gewählt werden. Glatte Oberflächen für optische Anwendungen, Narbungen für berührungsfreundliche Bereiche, Muster und Gravuren lassen sich herstellen.
Das Spritzgussverfahren ist (fast nur) für größere Stückzahlen wirtschaftlich sinnvoll. Die Kosten für das Werkzeug machen einen großen Teil der notwendigen Investitionen aus. Selbst bei einfachen Werkzeugen ist die Schwelle der Wirtschaftlichkeit erst bei einigen tausend Teilen erreicht. Dafür können die Werkzeuge, abhängig von der verwendeten Formmasse, für die Herstellung von bis zu einigen Millionen Teilen verwendet werden.

Verfahren

Folgende spezielle Spritzgießverfahren werden angewandt

Eine Spritzgussmaschine besteht aus drei Baueinheiten und den Werkzeugen:

Die Plastifiziereinheit (Plastification unit)

Die Schnecke

Schneckenbelastungen

Torsion = Verdrehung(beim Dosieren)
Verschleiß (Durch Glasfasern, Gesteinsmehl)
Temperaturbelastung(Einzug = Kühlung;Düse = Heizung)
Korrosion (z.B. Flammhemmer oder korrosive Abbauprodukte)

Schneckenwerkstoff

ist aus Nitrierstahl mit σB = 1000 N/mm², wenn abrasive und korrosive Beanspruchungen nicht vorliegen
durchgehärteter Kaltarbeitsstahl bis ca. 80mm Schneckendurchmesser, darüber häufig steggepanzerte Schnecken
bei sehr hohen abrasiven Beanspruchungen auch PM-Stähle
sehr korrosive Polymere (z.B. PVDF, PFA..) werden auch mit Ni-Basis Legierungen verarbeitet
ist Oberflächengehärtet
kann PVD (z.B. Titannitrit) oder Hartmetallen (z.B. Vanadium-Carbid)beschichtet sein

Schneckenspiel: Zwischen Schnecke und Zylinder fließt die Formmasse und schmiert. Deshalb darf die Schnecke nur kurze Zeit „trocken“ laufen.

Schneckenwerkstoff

eingängige 3-Zonenschnecken mit Einzugs-, Kompressions- und Austragszone
Barriereschnecken meist zur Leistungsteigerung
kernprogressive PVC-Schnecken

Rückstromsperre

verhindert das Rückstömen der Schmelze aus dem Schneckenvorraum beim Einspritzen

Mehrflügelsperre
Kugelsperre für große Schneckendurchmesser, bzw. bei leichtfließenden Kunststoffen

Der Plastifizierzylinder

Belastungen wie bei der Schnecke, jedoch fast keine Torsion

Werkstoff: Für unkritische Anwendungen aus Nitrierstahl, häufig jedoch geschleuderte Bimetallzylinder

Der Plastifizierzylinder ist härter als die Schnecke, da:
Die Schnecke leichter zu wechseln ist
Der Plastifizierzylinder die teurere Komponente ist
Ungleich harte Werkstoffe neigen weniger zum Kaltverschweißen(Fressen)

Der Einfülltrichter

Anforderungen

Absperrbar durch einen Schieber
Entleerbar
Füllstandsanzeige
Evtl. Metallabscheider(Magnet) mit Sieb
Evtl. Aufnahmen für Farbmisch- und Dosiergeräte

Trichter Arten

Für Pulverige Formmassen (rieseln schlecht)

Trichter mit elektromagnetischen Vibratoren
Trichter mit Rührwerk

Für Luftfeuchtigkeitsaufnehmende Kunststoffe (z.B. PC, PA, PET)

Heizbarer Trichter
Direkt vom Thermolift in die Plastifiziereinheit fördern
Direkte Montage des Trockners auf der Maschine

Für nicht rieselfähige Formmassen

Trichter mit Stopfvorrichtung

Heizung

Dient zur Unterstützung des Aufschmelzens der Formmassen
mit Heizbändern für Thermoplaste
mit Flüssigkeitstemperierung für vernetzbare Kunststoffe

Kühlung

Im Einzugsbereich mit Wasser, um Propfen- oder Brückenbildung zu Vermeiden
Über den Gesamten Zylinder mit Luft, um die Temperatur konstanter zu halten (selten)

Werkzeugentlüftung

Beim Füllvorgang muss die Schmelze die im Werkzeug befindliche Luft verdrängen können. Ist dies nicht der Fall so kann die eingeschlossene Luft eine vollständige Füllung des Werkzeuges verhindern. Darüber hinaus kann die Luft in Folge der Verdichtung so heiß werden, dass die umgebene Schmelze beschädigt wird (Dieseleffekt). Im weitern Verlauf kann auch das Werkezeug durch Korrosion und Abrasion /Abschabung, Abtragung durch den einströmenden Kunststoff)irreparabel geschädigt werden. Um diesen Dieseleffekt zu vermeiden muss das Werkzeug entlüftet werden. Man unterscheidet zwischen aktiver und passiver Entlüftung. Passive Entlüftung : Sie ist die gebräuchlichste Entlüftungsform. Hier entweicht die Luft an den Auswerferstiften oder an der Werkzeugtrennebene . Hier muss die Werkzeugtrennebene eine bestimmte Rauigkeit aufweisen. Aktive Entlüftung : Diese Art der Entlüftung wird bei extrem dünnflüssigen Kunststoffschmelzen verwendet. Mit Hilfe einer Vakuumanlage wird dem Werkzeug die Luft entzogen

Vorgänge im Plastifizierzylinder

Fördern der Formmassen bei Wandhaftenden Thermoplasten

Die Oberfläche der Schnecke hat eine kleinere Reibung als die Zylinderoberfläche, sonst dreht sich die Formmasse auf der Stelle.
Die Schnecke schabt das geschmolzene Material vom Zylinder, dabei wird es vermischt (homogenisiert). Zusätzlich wird noch Staudruck zum Homogenisieren benötigt.
Die Formmasse darf in der Einzugszone nicht aufschmelzen, sonst wird die Reibung am Zylinder kleiner und es entstehen Brücken (siehe oben). Deshalb wird der Tragkörper mit Wasser gekühlt.
Um die Reibung am Zylinder zusätzlich zu erhöhen verwendet man auch genutete Zylinder

Antrieb des Plastifizierzylinders

Der Plastifizierzylinder kann wie die Schließeinheit elektromechanisch oder hydraulisch angetrieben werden.

Schließeinheit (Clamping unit)

Hydraulische Schließeinheit

Sie besteht aus 2 Einheiten

der Formschlusshydraulik (Großer Weg / Kleine Kraft)
der Zuhaltehydraulik (Kleiner Weg / Große Kraft)

Kraftarten

Schließkraft - Schließt und Öffnet das Werkzeug
Zuhaltekraft - Kraft, die das Werkzeug gegen Einspritzen und Nachdrücken zuhält (= Hochdruck)

Gegenüberstellung Mechanische/ Hydraulische Schließeinheit

Vorteile der Hydraulik

Werkzeughöheneinstellung ist nicht nötig
Genauer einstellbare Drücke

Nachteile der Hydraulik

Sind lauter
Höherer Energiebedarf, da große Ölmengen bewegt werden Starke Erwärmung bei kurzen Zyklen
Leckageverluste

Elektromechanische Schließeinheit und Maschine

arbeitet mit Servomotoren, die z.B. über Kugelumlaufspindeln oder Rollengewindetriebe den Kniehebel, die Schnecke, den Auswerfer usw. antreiben

Vorteile

Ist leiser
Geringer Energiebedarf bei langen Zyklen
Schnellere Bewegungen
Kein Hydrauliköl (Ölwechsel)

Nachteile

Zuhaltekraft von Kugelgewindetrieben ist relativ begrenzt (Dieser vermeintliche Nachteil kann jedoch durch den Einsatz teurerer Rollengewindetriebe weitgehend eliminiert werden.)
Aufwendige und ungenaue Druckmessung
Teuerer in der Anschaffung
Teuerer Strom durch Stromspitzen beim anfahren

Verriegelungsarten der Schließeinheit

Mechanische Verriegelung mit Kniehebel (formschlüssig):

Das Werkzeug ist bei leicht abgeknicktem Kniehebel geschlossen. Der Restweg des Kniehebels erzeugt die Zuhaltekraft. Restweg = Holmdehnung

Hydromechanische Verriegelung (formschlüssig)

Schließen des Werkzeugs mit dem Schließzylinder
Verriegeln der Schließeinheit
Aufbau der Zuhaltekraft mit dem Zuhaltezylinder

Dabei wir die Werzeugauftriebskraft über das Rohr des Schließzylinders von der Verriegelung aufgenommen. Damit reichen kleinere Schließzylinder für große Maschinen

Die Spritzeinheit (Injection unit)

Einspritzachse

kennzeichnend für Spritzeinheiten sind der elektrische Antrieb der Einspritzachse
bei der Einspritzbewegung wird die hohe Drehzahl des Servomotors mittels eines Gewindetriebes direkt und hochdynamisch in die lineare Bewegung umgesetzt
die Gewindespindeln sind mit einem speziellen Kühl-Schmier-System ausgestattet, das einen hohen Wirkungsgrad bei geringem Serviceaufwand und höchster Lebensdauer sichert.

Dosierachse

die rotatorische Dosierbewegung wird über eine Getriebestufe und einen Gewindetrieb mit einem hohen Drehmoment umgesetzt

Die Servomotoren der Einspritz- und Dosierachse sind flüssigkeitsgekühlt und mit einem Absolut-Wegmesssystem ausgestattet, so dass sich ein Referenzverfahren erübrigt.

Einspritzregelung

Die Schneckenbewegung ist kraft- und positionsgeregelt und damit hochdynamisch, genau und reproduzierbar. Durch die hohe Positioniergenauigkeit und die hochdynamische Beschleunigung in Verbindung mit der Lageregelung der Schneckenbewegung kann die Folgegenauigkeit bei den Spritzteilen positiv beeinflusst werden. Die Dosierbewegung ist drehzahl- und positionsgeregelt. Der elektrische Dosierantrieb wirkt sich in erster Linie positiv auf den Energieverbrauch aus.

Aufspannung von Werkzeugen

Die Aufspannung der Werkzeuge auf die Maschine erfolgt durch Verschraubung der Aufspannplatten des Werkzeugs an den Aufspannplatten der Maschine. Das Aufspannen der Spritzgießwerkzeuge geschieht überwiegend noch mit mechanischen Spannelementen z.B. Spannpratzen. Ebenso können zur Befestigung der Werkzeuge Schnellspanner verwendet werden (Spannzangen). Der Vorteil ist die Zeitersparnis beim Rüstvorgang und somit eine Kostenerparnis. Ein anderes Verfahren ist hier die Befestigung der Werkzeuge durch elektrische Magnete. Dieses Verfahren ist jedoch noch nicht sehr weit verbreitet.

Auswerfereinheit (Ejection unit)

Die Auswerfereinheit treibt die im Werkzeug integrierten Auswerfer an.

Das Werkzeug

In Bezug auf das Einspritzverfahren werden folgende Werkzeugarten unterschieden:

Der mechanische Aufbau des Werkzeuges, der in erster Linie der Entformbarkeit des Werkstückes und teilweise der besseren Ausnutzung der Spritzgiessmaschine angepasst ist, unterscheidet sich in:

Abstreiferwerkzeug
Schieberwerkzeug
Backenwerkzeug
Ausdrehwerkzeug
Dreiplattenwerkzeug
Fallkernwerkzeug
Etagenwerkzeug

Literatur

Friedrich Johannaber: Die Entwicklung des Spritzgießens. Kunststoffe 5/2005, S. 33 -42 (2005), ISSN 0023-5563

Wikilinks

Commons: Spritzgießen – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

Weblinks

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