Spritzgießen ist ein Verfahren, um geformte Produkte zu erhalten, indem durch Wärme geschmolzene Kunststoffmaterialien in eine Form eingespritzt und dann abgekühlt und verfestigt werden.
Das Verfahren eignet sich für die Massenproduktion von Produkten mit komplizierten Formen und nimmt einen großen Teil im Bereich der Kunststoffverarbeitung ein.
Prozesszyklus
Der Prozesszyklus beim Spritzgießen ist sehr kurz, typischerweise zwischen 2 Sekunden und 2 Minuten, und besteht aus den folgenden vier Phasen:
Klemmung - Vor dem Einspritzen des Materials in das Werkzeug müssen die beiden Werkzeughälften zunächst durch die Schließeinheit sicher geschlossen werden. Jede Hälfte der Form wird an den Spritzgussmaschinen befestigt und eine Hälfte kann gleiten. Die hydraulisch angetriebene Schließeinheit drückt die Formhälften zusammen und übt genügend Kraft aus, um die Form sicher geschlossen zu halten, während das Material eingespritzt wird. Die Zeit, die zum Schließen und Spannen der Form benötigt wird, hängt von der Maschine ab – größere Maschinen (solche mit größeren Schließkräften) benötigen mehr Zeit. Diese Zeit kann anhand der Trockenlaufzeit der Maschine abgeschätzt werden.
Injektion - Das Kunststoff-Rohmaterial, meist in Form von Granulat, wird den Spritzgussmaschinen zugeführt und von der Spritzeinheit in Richtung Werkzeug befördert. Dabei wird das Material durch Hitze und Druck geschmolzen. Der geschmolzene Kunststoff wird dann sehr schnell in die Form gespritzt und der Druckaufbau verdichtet und hält das Material. Die eingespritzte Materialmenge wird als Schuss bezeichnet. Die Einspritzzeit ist aufgrund des komplexen und sich ändernden Flusses des geschmolzenen Kunststoffs in die Form schwer genau zu berechnen. Die Einspritzzeit kann jedoch anhand des Schussvolumens, des Einspritzdrucks und der Einspritzleistung geschätzt werden.
Kühlung - Der geschmolzene Kunststoff im Inneren der Form beginnt abzukühlen, sobald er mit den inneren Oberflächen der Form in Kontakt kommt. Wenn der Kunststoff abkühlt, verfestigt er sich in der Form des gewünschten Teils. Während des Abkühlens kann es jedoch zu einer gewissen Schrumpfung des Teils kommen. Das Packen von Material in den Spritzgussstufen ermöglicht, dass zusätzliches Material in die Form fließt und die sichtbare Schrumpfung reduziert wird. Die Form kann erst nach Ablauf der erforderlichen Abkühlzeit geöffnet werden. Die Abkühlzeit kann aus mehreren thermodynamischen Eigenschaften des Kunststoffs und der maximalen Wandstärke des Teils abgeschätzt werden.
Auswurf - Nach ausreichender Zeit kann das abgekühlte Teil durch das Auswerfersystem, das an der hinteren Formhälfte angebracht ist, aus der Form ausgeworfen werden. Wenn die Form geöffnet wird, wird ein Mechanismus verwendet, um das Teil aus der Form zu drücken. Zum Auswerfen des Teils muss Kraft aufgewendet werden, da das Teil während des Abkühlens schrumpft und an der Form haftet. Um das Auswerfen des Teils zu erleichtern, kann vor dem Einspritzen des Materials ein Formtrennmittel auf die Oberflächen des Formhohlraums gesprüht werden. Die Zeit, die zum Öffnen der Form und zum Auswerfen des Teils erforderlich ist, kann anhand der Trockenzykluszeit der Maschine abgeschätzt werden und sollte die Zeit beinhalten, die das Teil benötigt, um sich aus der Form zu lösen. Sobald das Teil ausgeworfen ist, kann die Form für den nächsten einzuspritzenden Schuss geschlossen werden.
Nach dem Spritzgusszyklus ist typischerweise eine Nachbearbeitung erforderlich. Während des Abkühlens erstarrt das Material in den Kanälen der Form an dem Teil. Dieses überschüssige Material muss zusammen mit jeglichem Grat, der aufgetreten ist, von dem Teil abgeschnitten werden, typischerweise unter Verwendung von Schneidwerkzeugen. Bei einigen Materialarten, wie z. B. Thermoplasten, kann das aus diesem Beschneiden resultierende Abfallmaterial recycelt werden, indem es in eine Kunststoffmühle gegeben wird, die auch Mahlmaschinen oder Granulatoren genannt wird, die das Abfallmaterial wieder zu Pellets zerkleinert. Aufgrund einer gewissen Verschlechterung der Materialeigenschaften muss das Mahlgut mit dem Rohmaterial im richtigen Mahlgutverhältnis gemischt werden, um im Spritzgussverfahren wiederverwendet zu werden.
Werkzeuge
Beim Spritzgussverfahren werden Formen, typischerweise aus Stahl oder Aluminium, als kundenspezifische Werkzeuge verwendet. Die Form hat viele Komponenten, kann aber in zwei Hälften geteilt werden. Jede Hälfte wird innerhalb der Spritzgießmaschine befestigt und die hintere Hälfte kann gleiten, so dass die Form entlang der Trennlinie der Form geöffnet und geschlossen werden kann. Die beiden Hauptbestandteile der Form sind der Formkern und der Formhohlraum. Wenn die Form geschlossen ist, bildet der Raum zwischen dem Formkern und dem Formhohlraum den Teilehohlraum, der mit geschmolzenem Kunststoff gefüllt wird, um das gewünschte Teil zu erzeugen. Teilweise werden Mehrkavitätenwerkzeuge verwendet, bei denen die beiden Werkzeughälften mehrere identische Teilkavitäten bilden.
Der Formkern und der Formhohlraum werden jeweils an der Formbasis montiert, die dann an den Platten innerhalb der Spritzgießmaschine befestigt wird. Die vordere Hälfte der Formbasis umfasst eine Stützplatte, an der der Formhohlraum befestigt ist, die Angussbuchse, in die das Material von der Düse fließt, und einen Positionierungsring, um die Formbasis mit der Düse auszurichten. Die hintere Hälfte der Formbasis umfasst das Auswerfersystem, an dem der Formkern befestigt ist, und eine Stützplatte. Wenn die Schließeinheit die Formhälften trennt, betätigt die Auswerferleiste das Auswerfersystem. Die Auswerferstange schiebt die Auswerferplatte im Inneren des Auswerferkastens nach vorne, der wiederum die Auswerferstifte in das Formteil drückt. Der AuswerferStifte drücken das erstarrte Teil aus dem offenen Formhohlraum.
Damit der geschmolzene Kunststoff in die Formnester fließen kann, sind mehrere Kanäle in das Formdesign integriert. Zunächst gelangt der geschmolzene Kunststoff durch den Anguss in die Form. Zusätzliche Kanäle, sogenannte Läufer, führen den geschmolzenen Kunststoff vom Anguss zu allen zu füllenden Kavitäten. Am Ende jeder Rinne tritt der geschmolzene Kunststoff durch einen Schieber, der den Fluss lenkt, in den Hohlraum ein. Der geschmolzene Kunststoff, der sich in diesen Kanälen verfestigt, haftet am Teil und muss getrennt werden, nachdem das Teil aus der Form ausgeworfen wurde. Manchmal werden jedoch Heißkanalsysteme verwendet, die die Kanäle unabhängig voneinander beheizen, wodurch das enthaltene Material geschmolzen und vom Teil gelöst werden kann. Eine andere Art von Kanälen, die in die Form eingebaut werden, sind Kühlkanäle. Diese Kanäle lassen Wasser durch die Formwände neben dem Hohlraum fließen und kühlen den geschmolzenen Kunststoff.
Neben Angusskanälen und Anschnitten gibt es viele andere Designaspekte, die bei der Gestaltung der Formen berücksichtigt werden müssen. Erstens muss die Form es dem geschmolzenen Kunststoff ermöglichen, leicht in alle Hohlräume zu fließen. Ebenso wichtig ist das Entfernen des erstarrten Teils aus der Form, daher muss an den Formwänden ein Entformungswinkel angebracht werden. Das Design der Form muss auch alle komplexen Merkmale des Teils berücksichtigen, wie Hinterschnitte oder Gewinde, die zusätzliche Formteile erfordern. Die meisten dieser Vorrichtungen gleiten durch die Seite der Form in den Formhohlraum und sind daher als Gleiter oder Seitenbewegungen bekannt. Die häufigste Art der Seitenwirkung ist ein Seitenkern, der das Formen einer äußeren Hinterschneidung ermöglicht. Andere Vorrichtungen treten durch das Ende der Form entlang der Trennrichtung ein, wie z. B. innere Kernheber, die eine innere Hinterschneidung bilden können. Um Gewinde in das Teil einzuformen, wird eine Ausschraubvorrichtung benötigt, die nach dem Einformen der Gewinde aus der Form herausdrehen kann.