Was ist Spritzguss

Spritzguss ist ein Verfahren das in der Kunststoffverarbeitung eingesetzt wird.

Dabei wird mit einer Spritzgiessmaschine der jeweilige Werkstoff verflüssigt und in eine Form, dem Spritzgiesswerkzeug, unter hohem Druck eingespritzt. Im Werkzeug geht der Werkstoff durch Abkühlung oder eine Vernetzungsreaktion wieder in den festen Zustand über und wird nach dem Öffnen des Werkzeuges als Fertigteil entnommen.

Der Hohlraum, die Kavität, des Werkzeuges bestimmt dabei die Form und die Oberflächenstruktur des fertigen Teiles. Almoplast ist in der Lage Teile im Gewichtsbereich von wenigen Zehntel Gramm bis zu einer Grössenordnung von 1 kg herzustellen.

Mit diesem Verfahren lassen sich direkt verwendbare Formteile in grosser Stückzahl kostengünstig herstellen. Die Kosten für das Werkzeug machen einen grossen Teil der notwendigen Investitionen aus. Dadurch ist selbst bei einfachen Werkzeugen die Schwelle der Wirtschaftlichkeit erst bei einigen tausend Teilen erreicht. Andererseits können die Werkzeuge für die Herstellung von bis zu einigen Millionen Teilen verwendet werden.

Das Spritzgiessen, insbesondere erweiterte spezielle Verfahren, erlaubt eine nahezu freie Wahl von Form und Oberflächenstruktur wie z. B. glatte Oberflächen, Narbungen für berührungsfreundliche Bereiche, Muster, Gravuren und Farbeffekte. Zusammen mit der Wirtschaftlichkeit macht dies das Spritzgiessen zum weitverbreitetsten Verfahren zur Massenherstellung von Kunststoffteilen in praktisch allen Bereichen.

Unterteilung der Spritzgiessverfahren.

Beim Spritzgiessen werden fast ausschliesslich Kunststoffe verarbeitet. Diese lassen sich in Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere unterteilen. Alle drei Materialarten können im Spritzgussverfahren verwendet werden, wobei das Thermoplast-Spritzgiessen die grösste wirtschaftliche Bedeutung hat. Es ist das am häufigsten verwendete Kunststoffverarbeitungsverfahren überhaupt.

Deswegen soll im Folgenden das Verfahren zunächst für Thermoplaste erklärt werden. Das Spritzgiessen von Duroplasten und Elastomeren funktioniert prinzipiell gleich und unterscheidet sich in erster Linie nur in den Betriebsparametern (z. B. Temperaturen).

Die unten beschriebenen speziellen Verfahren stellen Erweiterungen bzw. Modifikationen des Grundprozesses für bestimmte Anwendungen dar.

Thermoplast-Spritzgiessen

Die heute übliche Schneckenkolbenspritzgiessmaschine besteht aus zwei Einheiten: der Spritzeinheit oder auch Plastifizier Einheit, welche den Kunststoff plastifiziert, aufbereitet und dosiert, und der Schliesseinheit, die das Formwerkzeug schliesst, zuhält und wieder öffnet.

Die Spritzeinheit setzt sich im Wesentlichen aus einem waagrechten Zylinder, dem Plastifizier Zylinder und einer darin befindlichen Schnecke zusammen. Die Schnecke rotiert und ist auch axial im Zylinder beweglich. An einem Ende des Plastifizier Zylinders befindet sich der Einfülltrichter zum Beschicken mit dem Rohmaterial, am anderen befindet sich die Düse, welche entweder verschliessbar oder nicht verschliessbar sein kann, Diese stellt den Übergang zur Schliesseinheit dar.

Die Schliesseinheit besteht aus dem Formwerkzeug selbst, das in zwei Hälften trennbar ist (Formtrennebene). Die Hälften sind auf zwei Aufspannplatten montiert, von denen die eine, die Düsenseite, starr und der Düse der Spritzeinheit zugewandt ist. Die andere, die Auswerfer Seite, ist beweglich. Sie kann hydraulisch oder elektromechanisch (Kniehebelmechanismus) von der Düsenseite wegbewegt oder mit Kraft auf sie gepresst werden. Sie enthält den namensgebenden Mechanismus, welcher das Spritzgussteil entformt (auswirft).

Spritz- und Schliesseinheit müssen entsprechend dem Werkstoff, Bauteil und Prozess temperiert werden (die Spritzguss Form ist ggf. temperaturgeführt). Da die beiden Einheiten unterschiedliche Temperaturen aufweisen, können sie, ausser bei Heisskanalsystemen, zur thermischen Trennung voneinander wegbewegt werden.

Bis 1956 verwendete man Kolbenspritzgiessmaschinen.

Verfahrensablauf

 

Prinzip: 1. Schnecke 2. Einfülltrichter 3. Granulat 4. Plastifizier Zylinder 5. Heizelemente 6. Werkzeug

Plastifizieren und Dosieren

Der thermoplastische Kunststoff rieselt in Form eines Granulats in die Gänge der rotierenden Schnecke ein. Das Granulat wird Richtung Schneckenspitze gefördert und durch die Wärme des Zylinders und die Friktionswärme, die beim Zerteilen und Scheren des Materials entsteht, erwärmt und aufgeschmolzen. Die Schmelze sammelt sich vor der Schneckenspitze, da die Düse zu diesem Zeitpunkt geschlossen ist. Da die Schnecke axial beweglich ist, weicht sie durch den Druck zurück, auch schraubt sie sich ähnlich einem Korkenzieher aus der Masse heraus. Die Rückwärtsbewegung wird durch einen Hydraulikzylinder oder elektrisch gebremst, so dass sich in der Schmelze ein Staudruck aufbaut. Dieser Staudruck in Verbindung mit der Schneckenrotation verdichtet und homogenisiert das Material.

Die Schneckenposition wird gemessen und sobald sich eine für das Werkstückvolumen ausreichende Materialmenge angesammelt hat, ist der Dosiervorgang beendet und die Schneckenrotation wird eingestellt. Ebenso wird die Schnecke aktiv oder passiv entlastet, so dass die Schmelze dekomprimiert wird.

Einspritzen

In der Einspritzphase wird die Spritzeinheit an die Schliesseinheit gefahren, mit der Düse angedrückt und die Schnecke rückseitig unter Druck gesetzt. Dabei wird die Schmelze unter hohem Druck (meist zwischen 500 und 2000 bar) durch die geöffnete Düse und den Anguss bzw. das Angusssystem des Spritzgiesswerkzeugs in den formgebenden Hohlraum gedrückt. Die Rückstromsperre verhindert dabei ein Zurückströmen der Schmelze Richtung Einfülltrichter.

Während des Einspritzens wird versucht, ein möglichst laminares Fliessverhalten der Schmelze zu erreichen. Das heisst, die Schmelze wird im Werkzeug dort, wo sie die gekühlte Werkzeugwand berührt, sofort abgekühlt und bleibt erstarrt „kleben“. Die nachrückende Schmelze wird durch den dadurch verjüngten Schmelzkanal mit noch höherer Geschwindigkeit und noch mehr Scherdeformation gedrückt und vorne an der Schmelzfront zum Rand hin dehndeformiert. Es überlagert sich Wärmeabfuhr über die Werkzeugwand und Wärmezufuhr durch Schererwärmung. Die hohe Einspritzgeschwindigkeit erzeugt in der Schmelze eine Schergeschwindigkeit, welche die Schmelze leichter fliessen lässt. Dennoch ist ein stets schnelles Einspritzen nicht anzustreben, denn durch die hohe Schergeschwindigkeit wird auch der Molekülabbau verstärkt. Auch die Oberfläche, das Aussehen und der Orientierungszustand werden durch die Einspritzphase beeinflusst.

Nachdrücken und Abkühlen

Da das Werkzeug kälter (typischerweise 20 bis 120 °C) als die Kunststoffmasse (typischerweise 200 bis 300 °C) ist, kühlt die Schmelze in der Form ab und erstarrt bei Erreichen des Gefrierpunktes. Das Abkühlen geht einher mit einer Volumenschwindung, die sich nachteilig auf Masshaltigkeit und Oberflächenqualität des Werkstückes auswirkt. Um diese Schwindung teilweise zu kompensieren, wird auch nach Füllung der Form ein reduzierter Druck aufrechterhalten, damit Material nachfliessen und die Schwindung ausgleichen kann. Dieses Nachdrücken kann solange erfolgen, bis der Siegelpunkt erreicht ist, also der Anguss erstarrt ist.

Nach Beendigung des Nachdrückens kann die Düse geschlossen werden und in der Spritzeinheit bereits der Plastifizier- und Dosiervorgang für das nächste Formteil beginnen. Das Material in der Form kühlt in der Restkühlzeit weiter ab, bis auch die Seele, der flüssige Kern des Werkstückes, erstarrt ist und eine zum Entformen hinreichende Steifigkeit erreicht ist.

Die Spritzeinheit wird dann von der Schliesseinheit wegbewegt (abgehoben), da kein Kunststoff mehr aus dem Anguss austreten kann. Dies dient dazu, einen zu starken Wärmeübergang von der wärmeren Düse auf das kältere Werkzeug zu unterbinden und vermeidet so ein zu starkes Abkühlen der Düse (Einfrieren).

Entformen

Zum Entformen öffnet sich die Auswerfer Seite der Schliesseinheit und das Werkstück wird durch in die Kavität hineindringende Stifte ausgeworfen und fällt entweder herunter (Schüttgut) oder wird durch Handling Geräte aus dem Werkzeug entnommen und geordnet abgelegt oder gleich einer Weiterverarbeitung zugeführt.

Der Anguss muss entweder durch separate Bearbeitung entfernt werden oder wird beim Entformen automatisch abgetrennt. Auch angussloses Spritzgiessen ist mit Heisskanalsystemen, bei denen das Angusssystem ständig über der Erstarrungstemperatur bleibt und das enthaltene Material somit für den nächsten Schuss verwendet werden kann, möglich.

Nach dem Entformen schliesst sich das Werkzeug wieder und der Zyklus beginnt von neuem.

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