Was ist Kunststoff-Spritzgießen? Der vollständige Leitfaden

Das Kunststoffspritzgießen ist heute eines der am häufigsten verwendeten Herstellungsverfahren. Von Autoteilen bis hin zu medizinischen Geräten und Unterhaltungselektronik machen spritzgegossene Kunststoffteile einen großen Teil der Produkte aus, die wir täglich verwenden.

Aber was genau ist Kunststoffspritzguss? Und wie werden in diesem Verfahren die Kunststoffteile hergestellt, die uns umgeben?

In diesem vollständigen Leitfaden finden Sie als Fachmann Kunststoff-Spritzguss Hersteller erfahren Sie alles, was Sie wissen müssen, unter anderem:

• Was ist Kunststoff-Spritzgießen?
• Der Schritt-für-Schritt-Spritzgießprozess
• Die verschiedenen Arten des Spritzgießens
• Kunststoff-Spritzgießmaschinen
• Vorteile und Benachteiligungen
• Konstruktionsüberlegungen und -einschränkungen
• Häufige Defekte bei Spritzgussteilen

Wenn Sie also genau wissen wollen, was Kunststoffspritzguss ist und wie er funktioniert, lesen Sie weiter.

Was ist Kunststoff-Spritzgießen?

Das Kunststoffspritzgießen ist ein großvolumiges Fertigungsverfahren, bei dem flüssiger Kunststoff unter extrem hohem Druck in eine Form gespritzt wird. Der Kunststoff kühlt dann ab und verfestigt sich zu dem fertigen Teil.

Hier ein kurzer Überblick über den grundlegenden Spritzgießprozess:

1. Kunststoffgranulat wird über einen Trichter in die Spritzgießmaschine eingefüllt
2. Die Pellets werden von einer langen, rotierenden Schnecke schrittweise vorwärts bewegt
3. Reibung und Hitze erweichen die Pellets, während sie weitergeschoben werden
4. Wenn das Granulat das Ende der Schnecke erreicht, ist es geschmolzener Kunststoff (ca. 450oF)
5. Der flüssige Kunststoff wird unter hohem Druck in eine Stahlform gespritzt
6. Es kühlt schnell ab und verfestigt sich, wenn es auf die Wände der Form trifft.
7. Die Form öffnet sich und das fertige Teil wird ausgestoßen
8. Flash- und Endbearbeitungen sind oft erforderlich

Dieses schnelle und hochautomatisierte Verfahren macht das Spritzgießen für die Großserienproduktion äußerst kostengünstig. Das Spritzgussverfahren bietet außerdem eine extreme Konsistenz und Wiederholbarkeit von Teil zu Teil, wenn es richtig ausgeführt wird.

Der Schritt-für-Schritt-Spritzgießprozess

Lassen Sie uns nun den Spritzgießprozess genauer unter die Lupe nehmen. Wir verfolgen den Weg eines Kunststoffstuhls vom Kunststoffgranulat bis zum fertigen Teil.

1. Klemmen

Unsere Spritzgießmaschine enthält zwei Hälften einer Stahlform, die in vertikaler Ausrichtung befestigt sind. Die feste Hälfte wird sicher gegen die bewegliche "Kern"-Hälfte geklemmt.

Diese beiden Formhälften bilden alle äußeren Merkmale unseres Kunststoff-Stuhlteils. Sie bleiben während des gesamten Einspritzzyklus unter Druck fest verschlossen, um ein Austreten des unter hohem Druck geschmolzenen Kunststoffs zu verhindern.

Es gibt nur kleine Lücken für Einspritzkanäle und Entlüftungsöffnungen. Wir brauchen tonnenweise Druck, um flüssigen Kunststoff in den kleinen Formhohlraum zu spritzen.

2. Die Injektionseinheit

Nun fällt das Kunststoffgranulat kaskadenförmig aus einem Überkopftrichter in die Einspritzeinheit, die aus einem beheizten Zylinder und einer sich hin und her bewegenden Schnecke besteht.

Wenn sich die Schnecke dreht und zurückzieht, fallen die Pellets in den leeren Raum an der Vorderseite der Schnecke. Durch die Reibungswärme des Zylinders und die Scherung zwischen den Pellets werden diese weich.

3. Aufladen des Schusses

Das Kunststoffgranulat sammelt sich vor der Schnecke und schmilzt durch die Wärmeleitung weiter. Das Volumen des flüssigen Kunststoffgranulats wächst...

Schließlich hört die Schnecke auf, sich zu drehen, und spritzt stattdessen nach vorne, um den Schuss abzugeben. Zu diesem Zeitpunkt ist unser Kunststoff etwa 500oF heiß und fast vollständig geschmolzen.

Der Einspritzhub muss schnell sein, um ein frühzeitiges Erstarren zu verhindern. Das Schussvolumen wird sorgfältig und kurz vor der Zeit geplant.

4. Einspritzen in die Form

Wenn geschmolzener Kunststoff durch Angüsse und Angusskanäle in die Form gelangt, entweicht die Luft aus dem Hohlraum. Der Einspritzdruck erreicht über 15.000 PSI!

Die Form bleibt fest eingespannt, um einen Grat zu verhindern, während sich die Kavität füllt. Bei der volumetrischen Füllung von 95% wird kurz von der Geschwindigkeitsregelung auf die Druckregelung umgeschaltet, um die Form zu füllen.

Die Schmelze kühlt beim Kontakt mit den temperaturgeregelten Formwänden schnell ab. Wenn sie erstarrt, verringert sich das Volumen leicht. Durch zusätzlichen Druck wird mehr Material eingepackt, um dies auszugleichen.

5. Abkühlung und Erstarrung

Der Druck hält nun noch einige Sekunden an, da sich der Verschluss verschließt. Nach dieser Verweilphase lässt die Einspritzschnecke ihren Druck vollständig ab.

Unser Kunststoffteil verfestigt sich in der Form, während Kühlkanäle Wasser zirkulieren lassen und die Wärme ableiten. Die Abkühlungszeit beträgt mindestens einige Sekunden, in der Regel aber Minuten, je nach Dicke des Teils und Art des Kunststoffs.

6. Teilauswurf

Schließlich trennen sich die Formhälften und geben das massive Kunststoffteil des Stuhls zum Auswerfen frei. Auswerferstifte stoßen es von der festen Formoberfläche ab. Durch geringfügiges Beschneiden werden Angüsse oder Kufen entfernt.

Und wir sind fertig! Unser fertiges Kunststoff-Stuhlteil fällt heraus und ist bereit für alle weiteren Arbeitsschritte, die Verpackung und den Versand.

Die Form schließt sich schnell wieder, und der geschmolzene Kunststoff wird erneut eingespritzt, wodurch der Spritzgießzyklus erneut beginnt. Die automatisierte Produktion ermöglicht große Stückzahlen.

Die verschiedenen Arten des Spritzgießens

Während das Standard-Spritzgießverfahren den größten Teil der Produktion ausmacht, erfordern einige Anwendungen modifizierte Techniken:

1. Mehrkomponentenspritzguss

Die Herstellung von Kunststoffteilen aus mehreren Materialien kann große Leistungsvorteile bieten. Beim Mehrkomponenten-Spritzgießen werden unterschiedliche Kunststoffe in einem einzigen Spritzgussverfahren kombiniert.

Ein gängiges Beispiel ist das Einbetten von Metalleinsätzen in ein Kunststoffformteil, wodurch eine zweite Montage entfällt. Multi-Material-Spritzguss erfordert jedoch eine komplexere Werkzeugausstattung.

2. Gasunterstütztes Spritzgießen

Durch das Einspritzen von Stickstoff unter Druck in die Schmelze entstehen hohle innere Kanäle in den Formteilen. Das Gas verdrängt den Kunststoff und dehnt die Innenräume aus.

Gas-Assist ist hilfreich, um Einfallstellen in sehr dicken Kunststoffteilen zu reduzieren. Außerdem werden die Teile dadurch erheblich leichter. Das unter Druck stehende Gas verdichtet den Kunststoff, was ebenfalls zu einer verbesserten Festigkeit führt.

3. In-Mold-Dekoration

Bei der In-Mold-Dekoration wird die gedruckte Dekoration direkt während des Spritzgießens auf die Oberfläche des Kunststoffteils aufgebracht, wodurch eine sekundäre Verarbeitung entfällt. Gängige Techniken sind In-Mold-Labeling, Beschichtungen oder Folien.

Da das Dekor unter einer durchsichtigen Kunststoffschicht eingebettet und versiegelt wird, ermöglicht das In-Mold-Dekorieren sehr haltbare Oberflächengrafiken, die gegen Abnutzung, Absplittern oder Abblättern resistent sind.

Kunststoff-Spritzgießmaschinen

Für die hohen Drücke und die präzise Steuerung des Spritzgießens sind hochentwickelte Maschinen erforderlich. Hier sind die wichtigsten Arten von Spritzgießmaschinen, die Sie kennenlernen werden:

Hydraulische Spritzgießmaschinen

Seit den Anfängen des Spritzgießens dominieren hydraulische Pressen. Eine Hydraulikflüssigkeit drückt auf einen Kolben, um eine Schließkraft zu erzeugen. Ein elektrischer Schneckenmotor treibt die Einspritzschnecke direkt an.

Die Hydraulik ist zwar robust und zuverlässig, aber aufgrund ineffizienter Pumpen und Motoren im Betrieb sehr kostspielig. Auch die Nachahmung eines vollelektrischen Modells ist schwierig.

Hybrid-Spritzgießmaschinen

Hybridmaschinen nutzen hydraulische Kraft für die Schließeinheit, kombiniert mit elektrischem Schneckenantrieb. Dies bietet eine deutlich verbesserte Energieeffizienz und Einspritzkontrolle.

Hybride schließen die Lücke zwischen Hydraulik und Vollelektrik. Sie sind erschwinglicher als rein elektrische Maschinen, sparen aber dennoch Betriebskosten.

Vollelektrische Spritzgießmaschinen

Wie der Name schon sagt, verwenden vollelektrische Spritzgießmaschinen Elektromotoren für 100% ihrer Antriebsfunktionen - Schließen, Plastifizieren und Einspritzen.

Praktisch jede Bewegung lässt sich mit elektrischen Maschinen präzise programmieren. Schnelle Beschleunigungen, sofortige Richtungsänderungen und eine exakte Steuerung der Kunststoffschmelztemperatur sind möglich.

Vollelektrische Spritzgießmaschinen sind zwar sehr effizient, haben aber deutlich höhere Anschaffungskosten. Eine präzise Prozesssteuerung muss den Preisaufschlag in Ihrer Anwendung rechtfertigen.

Vorteile des Kunststoffspritzgießens

Hier sind einige der wichtigsten Vorteile, die das Kunststoffspritzgießen gegenüber anderen Herstellungsverfahren bietet CNC-Bearbeitung oder 3D-Druck:

Extrem schnelle Produktionsgeschwindigkeiten - Sobald eine Spritzgießmaschine Teile produziert, kann sie Hunderte oder sogar Tausende von Einheiten pro Stunde herstellen. Die Automatisierung ermöglicht eine Produktion rund um die Uhr.

Hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht - Durch die Wahl von glas- oder kohlenstoffgefüllten Kunststoffen entstehen sehr steife und leichte Teile, deren Festigkeit mit der von bearbeitetem Aluminium konkurriert.

Große Genauigkeit und Teilekonsistenz - Ordnungsgemäß gewartete Spritzgießmaschinen produzieren eine äußerst konstante Leistung. Strenge Prozesskontrollen führen zu identisch dimensionierten Teilen.

Verfügbares Kunststoffsortiment - Hunderte von Kunststoffen reichen von steifem, glasgefülltem Nylon bis zu weichem, flexiblem Vinyl. Das Spritzgussverfahren eignet sich für sie alle.

Geringere Kosten bei Produktionsvolumina - Spritzgussformen sind zwar sehr kostspielig (oft fünfstellige Beträge), aber die zusätzlichen Kosten für die Teile sind extrem niedrig. Die Fixkosten amortisieren sich schnell über das Produktionsvolumen.

Minimale sekundäre Operationen - Nachbearbeitungen wie das Bohren oder Gewindeschneiden von Löchern werden überflüssig. Stattdessen erzeugt die Form alle benötigten Merkmale.

Vielfalt der Oberflächenausführungen - Von strukturierten Griffen bis hin zu Hochglanzinstrumenten, das Einspritzen in polierten Formstahl oder Nickel ermöglicht ein schönes Erscheinungsbild.

Nachteile und Beschränkungen

Natürlich ist das Spritzgießen auch kein Allheilmittel für die Herstellung. Hier sind einige Nachteile zu beachten:

Sehr hohe Werkzeugkosten - Wie bereits erwähnt, werden für Spritzgussformen häufig fünfstellige Beträge verlangt. Eine Steigerung des Produktionsvolumens ist die einzige Möglichkeit, dies aufzufangen.

Begrenzte Geometrien - Hinterschnittene Oberflächen und extreme Wandstärkenschwankungen sollten vermieden werden. Tiefe Aussparungen erfordern einklappbare Kerne, was die Werkzeugkosten stark erhöht.

Toleranzen über +/- 0,005 Zoll sind schwierig - Die maschinelle Bearbeitung von Kunststoffteilen nach dem Spritzgießen ist für Präzisionsanwendungen wie Lager, Buchsen oder medizinische Teile erforderlich.

Bestimmte Detailbeschränkungen - Schmale Rippen mit einer Dicke von weniger als 0,015 Zoll oder Radien, die enger als 0,010 Zoll sind, werden nicht zuverlässig gefüllt. Diese feinen Details erfordern zusätzliche Überlegungen.

Mögliche molekulare Degradation - Wiederholte Verarbeitungszyklen und Mahlgut können die mechanische Leistung im Laufe der Zeit beeinträchtigen, da sich die Polymerketten verkürzen.

Farbänderungen erfordern Spülung - Ein Wechsel des Kunststoffs oder der Farbe erfordert eine gründliche Spülung des Zylinders, um Verunreinigungen zu vermeiden. Diese Ausfallzeit reduziert die Produktion, bis sich die Farbe stabilisiert hat.

Designüberlegungen und Regeln

Eine frühzeitige und sorgfältige Planung Ihrer Kunststoffteile und Spritzgussformen kann spätere Probleme vermeiden.

Im Folgenden finden Sie einige Best-Practice-Designrichtlinien, die ein effektives Spritzgießen ermöglichen:

Einheitliche Wandstärken - Wie bereits erwähnt, führen drastische Dickenänderungen zu ungleichmäßiger Abkühlung und problematischer Schrumpfung. Für kurze Zykluszeiten sollten die Wände und Rippen nicht dicker als 0,125 Zoll sein.

Großzügige Radius-Ecken - Scharfe Ecken wirken sowohl als Spannungskonzentratoren als auch als Füllungshindernisse. Alle Ecken sollten einen Radius von mindestens 10% der Wanddicke aufweisen.

Entnahmewinkel für leichteres Auswerfen - Vertikale Oberflächen erfordern einen Mindestverzugswinkel von 1-2°, um sauber aus der Form zu ziehen. Größere Entformungswinkel verbessern die Leistung der Form und den Verzug der Bauteile weiter.

Vermeiden Sie Schwankungen von mehr als +/- 0,003 Zoll - Konsistente Abmessungen ermöglichen eine vollständige Ausfüllung des Hohlraums. Konturen und Wände sollten über die gesamte Teilegeometrie hinweg konstant bleiben.

Hinterschneidungen minimieren - Bei einspringenden Geometrien müssen die Kernkomponenten zusammengeklappt werden, um das Kunststoffteil freizugeben, was die Werkzeugkosten erheblich in die Höhe treibt.

Gates für einfachste Befüllung lokalisieren - Die Position der Anschnitte hat großen Einfluss auf das Füllmuster. Die Platzierung der Anschnitte an der dicksten Stelle ermöglicht die schnellste Einspritzgeschwindigkeit ohne frühes Einfrieren.

Häufige Defekte bei Spritzgussteilen

Trotz aller Bemühungen weisen spritzgegossene Bauteile immer noch häufig kleinere Fehler auf. Hier sind einige der häufigsten:

Blitzlicht - Überschüssiges Material, das entlang der Trennebene der Form austritt, bevor diese richtig geschlossen wird. Blitzlicht deutet auf unzureichende Tonnage oder Ausrichtungsprobleme hin.

Sinkende Markierungen - Örtliche Vertiefungen aufgrund von Abkühlungsschrumpfung in dickeren Kunststoffabschnitten. Senken entstehen dort, wo das Materialvolumen mit zunehmender Dichte abnimmt.

Verzug - Verwindungsverzug durch ungleichmäßige Schrumpfung der Spritzgussteilgeometrie während der Abkühlung.

Schweißnähte - Sichtbare Markierung entlang der Schmelzfronten von zwei Einspritzstellen. Die Schweißlinien unterscheiden sich im Aussehen von den umliegenden Bereichen, beeinträchtigen aber kaum die Leistung.

Wasserstrahlen - Sichtbare Fließfrontwellen, die durch höhere Einspritzgeschwindigkeiten verursacht werden. Jetting tritt auf, wenn Met in einen plötzlichen Hohlraum innerhalb der Form fließt.

Brandflecken - Verfärbte oder verkohlte Stellen durch übermäßig heißen Kunststoff. Zersetzung deutet auf zu hohe Fasstemperaturen für ein bestimmtes Harz hin.

Kurzer Schuss - Unvollständige Formfüllung. Kurz geschossene Teile legen die Bindenaht frei und weisen auf unzureichenden Fülldruck oder Schließkraft hin.

Durch eine sorgfältige Form- und Bauteilkonstruktion lassen sich diese Fehler minimieren. Wenn jedoch unweigerlich Probleme auftreten, können viele Probleme durch eine Änderung des Einspritzdrucks, der Füllraten und der Werkzeugtemperaturen behoben werden.

Schlussfolgerung

Das Kunststoffspritzgießen bietet eine unübertroffene Fertigungseffizienz für extrem hohe Produktionsmengen. Es ermöglicht die schnelle, kosteneffiziente Herstellung von Kunststoffteilen mit strenger Maßkontrolle über Millionen von Zyklen.

Das Spritzgießen ist zwar nicht für Kleinserien geeignet, bietet aber sowohl Präzision als auch Wirtschaftlichkeit in großem Maßstab. Beachten Sie einfach die Grenzen Ihres Designs, und Spritzgussteile werden Ihre Anwendung hervorragend unterstützen!

Beim Spritzgussverfahren werden Thermoplaste mit Hilfe von Spezialmaschinen geschmolzen und unter hohem Druck in ein Stahlwerkzeug eingespritzt. Dieses automatisierte, kontinuierliche Verfahren ermöglicht die Herstellung von Kunststoffteilen mit präziser Maßhaltigkeit in großen Produktionsmengen.

Ich hoffe, dieser Leitfaden hat Ihnen ein hilfreiches Verständnis dafür vermittelt, was Kunststoffspritzguss genau ist und wie er weltweit zu einer wichtigen Fertigungstechnologie geworden ist. Lassen Sie mich wissen, wenn Sie weitere Fragen zum Spritzgießen haben, die ich beantworten kann!