Kunststoff Spritzguss - Kleinserien & Prototypen

Spritzguss

Was ist Spritzgießen?

Das Spritzgießen ist eine der am häufigsten eingesetzten Technologien bei der Produktion von Kunststoffen, mit der sich besonders robuste und konsistente Objekte herstellen lassen. Die Anwendungsbereiche für Kunststoff-Spritzguss sind äußerst vielfältig:

So wird das Verfahren etwa bei der Produktion von hochpräzisen Kunststoffteilen für den Maschinenbau, Interieur- und Exterieurteilen für die Automotive-Industrie, aber auch zur Erstellung von beispielsweise Gehäuseteilen für die Wehrtechnik genutzt. Spezielle Verfahren des Spritzgießens ermöglichen eine nahezu unbegrenzte Vielfalt bei der Formen- und Oberflächenstruktur. Dabei lassen sich Spritzgussteile mit Massen zwischen wenigen zehntel Gramm bis zu etwa 150 Kilogramm herstellen.

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Vorteile von Spritzgießen

Es gibt eine ganze Reihe von Gründen, die für das Spritzgussverfahren sprechen. So lassen sich mithilfe des Spritzgießens beispielsweise direkt verwertbare Formteile in hoher Stückzahl produzieren. Mit vergleichsweise geringem Zeitaufwand können Gegenstände mit enormer Genauigkeit hergestellt werden. Egal, ob die Oberfläche des Bauteils glatt sein soll oder individuelle Muster und Gravuren erforderlich sind:

Mit dem Spritzgussverfahren ist alles möglich – bis hin zu gewünschten Narbungen für berührungsfreundliche Bereiche. Dabei ist in der Regel keine oder eine nur sehr geringe Nachbearbeitung des erstellten Formteils erforderlich. Vollautomatisierte Prozesse sowie eine hohe Genauigkeit in der Wiederholbarkeit der Spritzgussfertigung zählen zu den weiteren Vorteilen des Verfahrens, das aus der Serienfertigung nicht mehr wegzudenkenden ist.

Ein genauso wichtiger Aspekt, der für die Anwendung des Spritzgussverfahrens spricht, liegt in der Vielfalt an einsetzbaren Materialien. Verarbeiten lassen sich alle Thermoplaste und Elastomere – was wiederum eine gewaltige Bandbreite an Anwendungsgebieten für Spritzgussteile ermöglicht.

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So funktioniert das Spritzgussverfahren

Das Spritzgießen basiert auf einem diskontinuierlichen Prozess. Kunststoffgranulate werden plastifiziert und unter Druck in eine Werkzeugkavität eingespritzt. Sobald der Werkstoff aufgrund von Abkühlung oder einer Vernetzungsreaktion verfestigt ist, kann das Fertigteil aus dem Werkzeug entnommen werden und steht ohne Zeitverlust zur sofortigen Verwendung zur Verfügung.

Eine Nachbearbeitung ist in der Regel nicht notwendig. Beim Verarbeiten von Thermoplasten wird das Werkzeug meistens gekühlt. Werden Elastomere und Duroplaste verarbeitet, ist hingegen eine Heizung des Werkzeugs erforderlich. Wie das Spritzgussverfahren im Detail angewendet wird, erklären wir Ihnen hier:

1. Plastifizieren und Dosieren

Beim Plastifizieren wird zunächst die zum Einsatz kommende Formmasse aus Kunststoff in einen thermoplastischen Zustand überführt. Mithilfe einer äußeren Beheizung wird der Kunststoff aufgeschmolzen. Über den Fülltrichter gelangt die Formmasse in die Einfüllöffnung. Diese befindet sich zwischen dem Zylindermantel und der Schnecke. Anschließend wird die Schnecke in Rotation versetzt, wodurch die Masse komprimiert und plastifiziert wird. Bevor das eigentliche Formteil gefertigt werden kann, muss die einzuspritzende Masse dem Bedarf entsprechend dosiert werden. Um die richtige Dosierung zu erreichen, zieht die rotierende Schnecke, deren Position während des kompletten Vorgangs kontinuierlich gemessen wird, die Formmasse ein und bewegt sich dabei nach hinten. Durch die Rückwärtsbewegung wird dem Staudruck entgegengewirkt – das Plastifizieren der Formmasse kann somit verbessert werden. Sobald sich die benötigte Masse unmittelbar vor der Schneckenspitze angesammelt hat, wird die Rotation der Schnecke gestoppt.

3. Nachdrücken und Ausformen

Nach dem Spritzvorgang kühlt die Schmelze im Werkzeug ab und erstarrt. In manchen Fällen kommt es durch die Abkühlung zu einer massiven Volumenschwindung, welche einen negativen Einfluss auf die Oberflächenqualität und die Maßhaltigkeit des Werkstücks hat. Um diese Volumenschwindung zu reduzieren, baut die Spritzgussmaschine einen reduzierten Druck auf, wodurch Material nachfließen kann.

Mit dem Nachdrücken kann die Schwindung ausgeglichen werden. Der Vorgang wird so lange fortgesetzt, bis der Ausguss erstarrt und der Siegelpunkt erreicht ist.

4. Abkühlzeit

Sobald der Nachdruck abgeschaltet ist, beginnt die eigentliche Kühlzeit. Die Schnecke wird während des Kühlvorgangs zurückgeführt, um anschließend die nächste Dosierung vornehmen zu können.

2. Spritzen bzw. Einspritzen

Das Werkzeug, mit dem die benötigten Formteile hergestellt werden, verfügt über eine so genannte Angussbuchse. Erst wenn die Düse exakt an der Buchse anliegt, kann der eigentliche Spritzvorgang beginnen.

5. Entformen

Nach dem Kühlvorgang wird das Formteil mit einem integrierten Auswerfsystem entformt. Das Werkzeug schließt erneut und die Düse bewegt sich wieder an das geschlossene Werkzeug. Eine anschließende Endbearbeitung der gefertigten Formteile ist in den meisten Fällen nicht nötig.

Materialien

Spritzgussverfahren Materialien

Beim Spritzverfahren kommen je nach Einsatzgebiet beziehungsweise zu produzierenden Formteilen verschiedene Materialien zum Einsatz. Diese werden im Folgenden jeweils kurz vorgestellt:

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Die Einteilung in Werkstoffgruppen

Eine Einteilung der Kunststoffe richtet sich nach dem Faktor der möglichen plastischen Verformbarkeit in unvernetzte und vernetzte Kunststoffe unter Anwendung von Wärme und/oder Druck. Bei vernetzten Kunststoffen findet durch Erwärmung eine irreversible Aushärtung statt. Somit ist ein erneutes Erweichen des Kunststoffs bei einem weiteren Erwärmungsvorgang ausgeschlossen.

In der Kunststoffpraxis kommt eine Einteilung nach dem thermisch-mechanischen Verhalten in drei verschiedene Kategorien zum Tragen:
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Thermoplaste und thermoplastische Elastomere
Elastomere
Duroplaste

Eine weitere Klassifizierung erfolgt bei den Thermoplasten nach dem Ordnungszustand in:
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amorphe Thermoplaste (ungeordnet) und
teilkristalline Thermoplaste (teilweise geordnet)

In der Praxis werden die Thermoplaste häufig nach deren Anwendung bzw. deren Eigenschaften unterteilt:

Hochleistungsthermoplaste
(PEEK, PPS, PPA)
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Technische Thermoplaste
(PA46, PPA, TPE, PBT, PET, PA6, PA66, PC, PMMA, SAN, POM)
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Standard-Thermoplaste
(ABS, PS-HI, PVC, PP, PE-HD, PS)

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Umspritzen von Metallteilen

Das Umspritzen von Metallteilen ist heute ein wichtiger Bestandteil der Technik, da die technischen Anforderungen an Bauteile immer größer werden. Das Umspritzen von metallischen Bauteilen mit Kunststoffen ist in vielen Bereichen eine wertvolle Lösung.

Durch das Umspritzen von Metallteilen mit Kunststoff erhalten die Metallteile besondere Eigenschaften, über die der Grundwerkstoff nicht oder nur begrenzt verfügt. Die Basis des Verfahrens bildet ein standardisiertes Kunststoff-Spritzgießverfahren. In eine speziell angepasste Spritzform werden dabei Bauteile eingelegt, die bereits in einem Vorprozess produziert wurden. Das Ergebnis sind Hybridbauteile, bestehend aus Metall und Kunststoff, die in verschiedenen Bereichen wie dem Automobilbau und der Elektroindustrie eingesetzt werden.

2K-Spritzguss

Mit dem 2K-Spritzgussverfahren können zwei Werkstoffe, welche über unterschiedliche Eigenschaften verfügen, in ein Teil integriert werden. Ein 2K-Spritzgussteil kann somit zwei verschiedene Komponenten enthalten. Das können zum Beispiel harte und weiche oder verstärkte und gleitoptimierte Komponenten sein. Selbst Kunststoffe mit gegensätzlichen Eigenschaften können über das Verfahren miteinander verbunden werden. Das Ergebnis sind beispielsweise steife und dennoch biegsame Teile, die sich im Alltag als extrem bruchfest erweisen.

Die 2K-Kunststoffspritzgussteile werden von Beginn an als ein Stück mit komplexer Teilgeometrie entwickelt. Nur so kann die enorme Flexibilität der Teile erreicht werden.

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Das richtige Werkzeugmaterial für den Spritzguss

Beim Werkzeugbau kommen grundsätzlich zwei verschiedene Materialien infrage: Aluminium und Stahl.

Beide Materialien haben ihre eigenen Vor- und Nachteile. Bei der Entscheidung sollten mehrere Faktoren berücksichtigt werden. Die wichtigsten sind dabei die Kosten des Produktionsprozesses, die Anforderung an die Qualität der produzierten Teile und das Entwicklungsstadium des jeweiligen Projektes.

Aluminiumwerkzeuge sorgen für einen schnelleren und kostengünstigeren Produktionsprozess. So sind die Werkzeugformen mittels Fräsen und Erodieren schnell und unkompliziert hergestellt.

Gleichzeitig hat Stahl ein ganz anderes Wärmeausdehnungsverhalten als Aluminium. So weist Stahl eine höhere Formstabilität und Standzeit auf. Auch was die Flexibilität angeht, kann Stahl punkten. So können in Entwicklungsprojekten einfache und ressourcensparende Korrekturen vorgenommen werden. Ist das Projekt also noch nicht über die Entwicklungsphase hinausgegangen, kann es sinnvoll sein, das Werkzeug für den Spritzguss aus Stahl fertigen zu lassen. Verlangen komplexe Artikelgeometrien nach aufwändigen Werkzeugschiebern oder soll eine Standzeit-Erhöhung durch nachträgliches Nitrieren möglich bleiben, sollten Produktionsunternehmen auf Stahl setzen. Auch bei Bauteilmaterialien, welche glas- oder kohlefaserverstärkte Füllstoffe beinhalten, ist Stahl das Material der Wahl.

Insgesamt gehören die zu produzierende Jahresstückzahl und die Materialeigenschaften zu den entscheidenden Faktoren bei der Materialwahl des Spritzguss-Werkzeugs. Ist bereits von Anfang an klar, dass die zu produzierende Jahresstückzahl zwischen wenigen hundert bis wenigen tausend Stück pro Jahr liegen und das Material der zu produzierenden Teile kein Problem darstellt, ist Aluminium die kostengünstigere und somit zu bevorzugende Variante. Sind bei der Produktion größere Mengen geplant oder stellen die zu produzierenden Teile besondere Anforderungen an das Werkzeugmaterial oder die Baugeometrie, sollte auf Stahl gesetzt werden.

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Spritzguss in der Industrie

In der Kunststoffindustrie gehört Spritzguss zu den wichtigsten Verfahren überhaupt. Jedes Jahr verarbeiten Spritzguss-Firmen weltweit etwa 55 Millionen Tonnen Kunststoff zu den verschiedensten Formteilen. Das leichte Gewicht und die hohe Flexibilität in Größe und Form gehören zu den wohl bedeutendsten Vorteilen des Spritzgusses.

Der bedeutendste Absatzmarkt für Spritzguss-Produkte ist die Verpackungsindustrie. Becher, Dosen, Schalen und Schachteln schützen hier insbesondere Nahrungsmittel. Im Vergleich zu anderen Materialien bietet Spritzguss vielfältige Vorteile.

Hierzu gehören insbesondere das niedrige Gewicht, die geringe Bruchanfälligkeit, die Resistenz gegenüber Chemikalien sowie die mögliche Transparenz der Verpackung. Der zweitgrößte dynamische Absatzmarkt sind Produkte für die Fahrzeugindustrie.

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Spritzguss in der Wehrtechnik

Auch im Bereich der Wehrtechnik ist das Spritzgussverfahren nicht mehr wegzudenken. Gerade die Verteidigungstechnik profitiert von der enormen Widerstandsfähigkeit, dem geringen Gewicht und der langen Lebensdauer, die Bauteile aus dem Spritzgussverfahren bieten.

Komponenten mit wehrspezifischen Anforderungen, wie hohen mechanischen Belastungen, enormen Temperaturschwankungen oder einem permanenten Kontakt mit Salzwasser, sind prädestiniert für den Spritzgussformenbau.

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Spritzguss für Prototypen

Anschließend an die Planung und Konstruktion eines Kunststoffspritzgussteils folgt die Fertigung eines Prototyps. Dieser Schritt ist von höchster Wichtigkeit. Würde man sofort mit der Serienfertigung beginnen und anschließend feststellen, dass die einzelnen Kunststoffteile nicht den Vorstellungen entsprechen, wäre das nicht nur sehr teuer, sondern würde auch eine erhebliche Zeitverzögerung bedeuten.

Mit der Produktion eines Prototyps können Design und Konstruktion des Kunststoffteils vor der Massenherstellung genauestens auf ihre Form, Ästhetik und Funktionalität überprüft werden. Bei fehlerhaften Prototypen wird der Vorgang so lange wiederholt, bis ein fehlerfreier Prototyp vorliegt, der den individuellen Ansprüchen bei der Herstellung genügt. Anschließend kann es dann an die Serienproduktion gehen.

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Spritzguss für Kleinserien

Mit der Produktion einer Kleinserie gehen folgende Vorteile einher: Schnellere und kostengünstigere Produktion, komplexe und funktionale Modelle, flexibler Produktionsprozess, große Materialauswahl und hohe Reproduzierbarkeit.
Kleinserien sind für folgende Einsatzgebiete denkbar:
- Maschinen- und Anlagenbau
- Sondermaschinenbau
- Modellbau
- Medizintechnik
- Baumaschinen
- Landmaschinen
- Nutzfahrzeuge
- Sport- & Freizeitindustrie
- Bauindustrie
- Wehrtechnik
- Automotive
- Motorsport
- uvm.

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Rapid Tooling und Spritzgusswerkzeuge

Rapid Tooling bezeichnet das schnelle Herstellen von Werkzeugen, die im Spritzguss eingesetzt werden. Die erstellten Werkzeuge finden Einsatz bei der Produktion von Prototypen und Kleinserien. Die formgebenden Werkzeugeinsätze werden mit der modernen HSC-Technik (High Speed Cutting) aus Aluminium oder Stahl gefräst. Dieser Prozess nimmt nur wenig Zeit in Anspruch. Anschließend kann das Werkzeug direkt an die Kunststoffspritzerei übergeben werden. Die Bauteile lassen sich somit gleichermaßen schnell wie auch sehr präzise herstellen. Die Produktion ist sowohl für Prototypen, Vorserienteile als auch Serienteile möglich.

Rapid Tooling bietet vielfältige Vorteile:

- Schnelle und kostengünstige Werkzeugkonstruktion
- Kosten für die formgebenden Teile nur anteilig für den Formenbau
- Große Materialauswahl
- Fräsbearbeitung durch Roboteranbindung möglich,
- wodurch die Fräsarbeit ohne Pausen sieben Tage die Woche und 24
- Stunden am Tag durchgeführt werden kann
- Optimal für die Herstellung von Prototypen und Kleinserien geeignet
- Hohe Qualität
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Fazit zum Kunststoff-Spritzguss

In der Kunststoffproduktion ist das Spritzgießen eine der am häufigsten eingesetzten Technologien. Erst durch Spritzgießen können die produzierten Kunststoffteile in die benötigte Form gebracht werden. Vom Maschinenbau über Wehrtechnik bis hin zur Automotive-Industrie kommt das Spritzgussverfahren in den unterschiedlichsten Branchen zum Einsatz. Die unmittelbare Verwendbarkeit der Teile, die Möglichkeit der Erstellung hoher Stückzahlen mit im Vergleich zu anderen Verfahren niedrigen Teilekosten sowie die außergewöhnliche Prozessstabilität gehören zu den bedeutendsten Vorteilen des Verfahrens.

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