mini|SpritzgießmaschineRechts: Heiz- und Einspritzbaugruppe(oben Fülltrichter für Granulat).Links: Grundplatten zur Aufnahme der Formen (hinter zurückgeschobener Schutzumhausung)
Eine Spritzgießmaschine (vollständig Kunststoffspritzgießmaschine, kurz oft SGM genannt) ist eine Maschine, die aus Kunststoff in Granulat- oder Pulverform Kunststoffteile herstellt. Dazu wird in der Spritzeinheit die benötigte Formmasse aufbereitet und in eine Matrize gespritzt, die eine Negativform (Kavität) des gewünschten Kunststoffteils darstellt. Je nach verwendetem Verfahren (Thermoplast-Spritzgießen, Duroplast-Spritzgießen oder dem Elastomer-Spritzgießen) werden verschiedene Bauteile der Maschine beheizt oder temperiert.
Spritzgießmaschinen bestehen grundsätzlich aus zwei Baugruppen: Der Spritzeinheit oder auch Plastifiziereinheit, die das Rohmaterial aufbereitet und unter Druck in das Werkzeug (auch Form genannt) einspritzt, und der Schließeinheit, die das Werkzeug aufnimmt und es öffnet und schließt.
1872 erfand John Wesley Hyatt die erste Spritzgießmaschine.
Spritzeinheit (Plastifiziereinheit)
Aufbau
mini|hochkant=1.2|Prinzip: 1 Schnecke, 2 Einfülltrichter, 3 Granulat, 4 Plastifizierzylinder, 5 Heizelemente, 6 Werkzeug
Kernstück der Spritzeinheit ist eine Schneckenwelle, auch Schnecke genannt, die in einem Zylinder steckt. Der Innendurchmesser des Zylinders ist gleich dem Außendurchmesser der Schnecke. Der Zylinder wird Schneckenzylinder oder Plastifizierzylinder genannt. Im hinteren Bereich des Schneckenzylinders befindet sich entweder ein Trichter, in den das Granulat gefüllt wird und durch eine Öffnung (den Füllblock) in den Zylinder rieselt, oder ein Einzugsauge, durch das Schnurrohlinge (in der heutigen Zeit nicht mehr in Verwendung) eingezogen werden. Von einem Antrieb gedreht, rotiert die Schnecke im Schneckenzylinder und transportiert das Rohmaterial in Richtung Schneckenspitze.
Beim Thermoplast-Spritzgießen wird der Schneckenzylinder mittels elektrischer Heizbänder von außen erwärmt. Durch diese Hitze und die spezielle Geometrie der Schnecke wird das Granulat nicht nur befördert, sondern auch geschert, dabei schmilzt der Kunststoff und wird plastifiziert und homogenisiert. An der Spitze des Schneckenzylinders befindet sich eine Düse, die den Übergang zum Werkzeug bildet.
Beim Duroplast-Spritzgießen und dem Elastomer-Spritzgießen wird hingegen der Zylinder temperiert, um eine zu hohe Massetemperatur, die durch innere Reibung entsteht, zu verhindern, da sonst die Formmasse schon im Zylinder reagieren würde.
Im Laufe des Dosiervorgangs wird die Formmasse nun meist durch eine Rückstromsperre bis zur Düse transportiert und davor gestaut. Um genügend Stauraum für die Formmasse zu bieten, wird die Schnecke axial nur mit einem geringen Druck (Staudruck) beaufschlagt, so dass sie sich Richtung Einfülltrichter verschieben kann und sich so zwischen Rückstromsperre und Düse der sogenannte Schneckenvorraum bildet, in dem sich das Massevolumen befindet. Der Staudruck wirkt gegen die Schmelze, so dass die Schmelze verdichtet wird. Der Druck, den die Schmelze ausübt, bewegt die Schnecke zurück.
Bei dem Einspritzvorgang wird die Schnecke axial zur Düse hin gedrückt, wobei sich die Rückstromsperre schließt und so das Massevolumen durch die Düse in das Werkzeug gespritzt wird.
Nach der volumetrischen Füllung des Werkzeugs wird auf den Nachdruck umgeschaltet. Dabei muss im Zylinder Masse verbleiben (Restmassepolster), da sonst der Druck nicht auf die Masse wirken kann. Der Nachdruck wird benötigt, um den Volumenschwund auszugleichen.
Schnecke
Bei der Thermoplastverarbeitung wird häufig die Dreizonenschnecke verwendet. In der sogenannten Einzugszone wird das Kunststoffgranulat eingezogen und in die nächste Zone, der Kompressionszone gefördert, wo der Kunststoff plastifiziert und verdichtet (entgast) wird. Die Schmelze wird danach in der Meteringzone homogenisiert und schließlich durch die Rückstromsperre vor die Schnecke gedrückt, welche sich als Folge des zunehmenden Staudruckes im Zylinder axial nach hinten bewegt.
Schubschnecken unterscheiden sich hinsichtlich der Geometrie (Kompressionsverhältnis, Gangtiefen, Steigung und Zonenaufteilung) und der Werkstoffausführung. Schnecken aus Nitrierstahl mit σB = 1000 N/mm² werden eingesetzt, wenn abrasive und korrosive Beanspruchungen nicht vorliegen. Durchgehärteter Kaltarbeitsstahl kommt bis etwa 80 mm Schneckendurchmesser zum Einsatz, darüber häufig steggepanzerte Schnecken. Bei sehr hohen abrasiven Beanspruchungen werden auch pulvermetallurgisch hergestellte Schnecken verwendet. Sehr korrosive Fluor-Polymere (z. B. PVDF, PFA) werden auch mit Ni-Basis-Legierungen verarbeitet.
Es gibt Barriereschnecken, wobei ein zweiter Schneckengang mit Barrieresteg die Schmelze vom Restgranulat trennt. Dadurch werden speziell bei Polyolefinen höhere Plastifizierleistungen erzielt. Misch- und Scherteile werden eingefügt um eine bessere Homogenisierung der Schmelze zu erzielen.
Spezielle Beschichtungen dienen außerdem dazu, die Eigenschaften zu der Schnecke zu verbessern. Unter anderem die Multilagen-Chrom- oder PVD-Beschichtungen (z. B. Titannitrid), die für transparente Kunststoffe wie PC oder PMMA eingesetzt werden. Dabei wird vor allem die Haftung des Kunststoffs auf der Schneckenoberfläche reduziert. Aufgrund der hohen Härte werden PVD- oder mittels HVOF aufgebrachte Hartmetallspritzschichten (z. B. Vanadiumcarbid) auch als Verschleißschutz eingesetzt.
Die Schnecke wird durch die Torsion beim Dosieren, den Verschleiß durch Füllstoffe wie Glasfasern und Gesteinsmehl, Temperaturgradienten (kalter Einzug, warme Düse), Temperaturwechsel, speziell im Einzugsbereich durch Schneckenbewegung beim Einspritzen und Dosieren, und Korrosion (z. B. Flammhemmer oder korrosive Abbauprodukte) belastet und in ihrer Lebensdauer begrenzt.
Die Schnecke kann wie die Schließeinheit elektromechanisch oder hydraulisch angetrieben werden.
Die axiale Schneckenbewegung beim Einspritzen ist kraft- und positionsgeregelt und damit hochdynamisch, genau und reproduzierbar. Hochwertige hydraulische Spritzeinheiten besitzen bei der Produktion von technischen Teilen ähnliche Präzisionswerte wie elektrische Spritzeinheiten. Bei Dünnwand-Anwendungen besitzen die elektrischen Spritzeinheiten jedoch einen Präzisionsvorteil.
Die Dosierbewegung ist drehzahl- und positionsgeregelt. Ein elektrischer Dosierantrieb wirkt sich bei elektrischen Spritzgießmaschinen in erster Linie positiv auf den Energieverbrauch aus. Bei hydraulischen Maschinen kann ein elektrischer Dosierantrieb den Energieverbrauch aber auch durchaus erhöhen (parallel anfallende Leerlaufenergie der Hydraulikpumpen).
Plastifizierzylinder
Die Oberfläche des Zylinders hat eine größere Reibung als die Schneckenoberfläche, sonst würde sich die Formmasse auf der Stelle drehen. Um die Reibung am Zylinder zusätzlich zu erhöhen, verwendet man auch genutete Zylinder. Dies aber deutlich seltener als bei Extrusionszylindern, da sich die axial bewegliche Schnecke bei zu hoher Reibung wie ein Korkenzieher herausschrauben kann. Die Formmasse darf in der Einzugszone nicht aufschmelzen, sonst wird die Reibung am Zylinder kleiner und es entstehen Brücken. Deshalb wird der Tragkörper mit Wasser gekühlt.
Die Belastungen sind gleich wie bei der Schnecke, jedoch kommt fast keine Torsion vor. Für unkritische Anwendungen werden die Plastifizierzylinder aus Nitrierstahl gefertigt, häufig werden jedoch geschleuderte Bimetallzylinder eingesetzt. Der Plastifizierzylinder ist härter als die Schnecke, da die Schnecke leichter zu wechseln ist, der Plastifizierzylinder die teurere Komponente ist und ungleich harte Werkstoffe weniger zum Kaltverschweißen (Fressen) neigen.
Rückstromsperre
Die Rückstromsperre (RSP) verhindert beim Einspritzen und Nachdrücken, dass das Massevolumen vor der Schnecke zurück in die Schneckengänge fließt, sodass die Schnecke als Kolben fungiert. Die Rückstromsperre sitzt am Schneckenende und besteht gewöhnlich aus drei Teilen: Der Spitze oder auch Schneckenspitze genannt, dem Sperrring und dem Druckring. Der Sperrring sitzt auf der Schneckenspitze und vor dem Druckring und beide gemeinsam fungieren als Anschlag. Wird dosiert, so drückt die Schmelze den Sperrring an die Schneckenspitze, sodass ein Spalt zwischen dem Sperrring und dem Druckring entsteht (Sperrringhub), durch den die Schmelze fließen kann. Wird eingespritzt, presst sich der Sperrring an den Druckring und verschließt so die Schneckengänge. Der Abstand zwischen dem Sperrring und dem Zylinder wird als Schneckenspiel bezeichnet. Es gibt verschiedene Ausführungen der RSP. Sperrring oder Druckring wird über Flügel (3 oder 4 Füsschen) abgestützt, oder das Verschließen des Schmelzestroms über eine (Ein-Kugel-RSP) oder mehrere Kugeln (Mehr-Kugel-RSP) gelöst.
Einfülltrichter
Der Einfülltrichter ist durch einen Schieber absperrbar, entleerbar und verfügt über eine Füllstandsanzeige. Eventuell sind auch Metallabscheider (Magnet) mit Sieb, Aufnahmen für Farbmisch- und Dosiergeräte und Vorrichtung zum Ableiten statischer Ladungen vorhanden.
Für pulverige, schlecht rieselnde Formmassen werden Trichter mit elektromagnetischen Vibratoren oder Trichter mit Rührwerk eingesetzt.
Für (hygroskopische) Kunststoffe (z. B. PC, PA, PET, PBT) eignen sich heizbare Trichter mit einer Förderung direkt vom separat stehenden Trockner in die Plastifiziereinheit oder der Trockner wird direkt auf der Maschine montiert.
Trichter mit Stopfvorrichtung dienen der Verarbeitung nicht rieselfähiger Formmassen.
Temperierung
Der Plastifizierzylinder wird zur Unterstützung des Aufschmelzens von Thermoplasten mit Heizbändern erwärmt. Eine Flüssigkeitstemperierung mit einer niedrigeren Temperatur wird für vernetzbare Kunststoffe eingesetzt.
Im Einzugsbereich kann eine Kühlung mit Wasser erfolgen, um Pfropfen- oder Brückenbildung zu vermeiden. Auch bei schwerfließenden Fittingmaterialien, insbesondere PVC, wird gekühlt um Überhitzungen zu vermeiden. Mit zunehmender Zylindergröße steigt die Notwendigkeit einer Kühlung.
Die Temperierung kann an das Werkzeug zur Herstellung der Kunststoffformteile, insbesondere an dessen Kontur, angepasst sein.
Kolbenspritzgießmaschine
Statt einer Schnecke kann ein einfacher Kolben eingesetzt werden. Dieses Verfahren hat viele Nachteile, z. B. eine langsamere und ungleichmäßigere Erwärmung, ebenso wie eine hier nötige separate Dosierung des Granulats, aber Vorteile beim Mikrospritzgießen besonders wärmeempfindlicher Kunststoffe. Ebenso sind marmorierte Teile mit Kolbenmaschinen leichter zu produzieren. Kolbenspritzgießmaschinen sind wegen der Seltenheit der durch sie besser zu erledigenden Aufgaben eher Nischenprodukte, welche jahrzehntelang praktisch nicht erhältlich waren. Bis 1956 waren sie aber die Standardspritzgießmaschinen. Inzwischen kann man wieder kleine Geräte erwerben. Bei diesen wird allerdings das Plastifizieren gelegentlich von einer Schnecke übernommen, während der Kolben nur für das Einspritzen und Nachdrücken zuständig ist.
Schließeinheit
mini|Eingespannte Spritzgussform
Aufbau