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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, meist Kunststoff, in einer Spritzeinheitplastifiziert 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. Dadurch ist selbst bei einfachen Werkzeugen die Schwelle der Wirtschaftlichkeit erst bei einigen tausend Teilen erreicht. Dafür können die Werkzeuge für die Herstellung von bis zu einigen Millionen Teilen verwendet werden.
Schneckenspiel: Zwischen Schnecke und Zylinder fließt die Formmasse und schmiert. Deshalb darf die Schnecke nur kurze Zeit „trocken“ laufen.
Schneckenprofil
eingängige 3-Zonenschnecken mit Einzugs-, Kompressions- und Austragszone
Barriereschnecken meist zur Leistungssteigerung
kernprogressive PVC-Schnecken
Rückstromsperre
verhindert das Rückströmen der Schmelze aus dem Schneckenvorraum beim Einspritzen
Mehrflügelsperre
Kugel- und Kegelsperren für große Schneckendurchmesser und 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 weniger zum Kaltverschweißen (Fressen) neigen
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
Förderung direkt vom Thermolift in die Plastifiziereinheit
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
Bei schwerfließenden Fittingmaterialien insbesondere bei PVC um Überhitzungen zu vermeiden. Wird mit zunehmender Zylindergröße häufiger eingesetzt.
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 (deutlich seltener wie bei Extrusionszylindern, da sich die axial bewegliche Schnecke bei zu hoher Reibung wie ein Korkenzieher herausschrauben kann)
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)
Werkzeughöheneinstellung ist nötig, da der Schaltpunkt von Schließkraft auf Zuhaltekraft eingestellt werden muss (Werkzeugsicherung)
Spritzgussmaschine ist meist laut
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
Alle Bewegungen parallel möglich
Kein Hydrauliköl notwendig (Ölwechsel/ Umweltschutz)
Nachteile
Zuhaltekraft von Kugelgewindetrieben ist relativ begrenzt (Dieser vermeintliche Nachteil kann jedoch durch den Einsatz teurerer Rollengewindetriebe weitgehend eliminiert werden.)
Aufwendige und ungenaue Druckmessung
Teurer in der Anschaffung
Teurer Strom durch Stromspitzen beim Anfahren
hohe Anforderungen an Elektromotoren bei langen Nachdruckzeiten
Für hydraulische Werkzeugkernzüge ist ein zusätzliches Hydraulikaggregat erforderlich
Elektrische Werkzeugkomponenten sind meist teurer als hydraulische
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 bei vollelektrischen Maschinen in erster Linie positiv auf den Energieverbrauch aus.
Aufspannung von Werkzeugen
Die Aufspannung der Werkzeuge auf die Maschine erfolgt meist durch direkte Verschraubung der Aufspannplatten des Werkzeugs an den Aufspannplatten der Maschine oder mittels Spannpratzen.
Ein anderes Verfahren ist die Befestigung der Werkzeuge durch elektrische Magnete.
Dieses Verfahren ist jedoch nicht weit verbreitet und durch die geringeren Haltekräfte nur eingeschränkt verwendbar.
Auswerfereinheit (Ejection unit)
Die Auswerfereinheit ist meist ein Hydraulikzylinder, der die im Werkzeug integrierten Auswerfer antreibt.