miniatur|Spritzguss-Prototyp einer Triola miniatur|Spritzgussteil aus Kunststoff miniatur|Spritzgießmaschine ohne Gießwerkzeug miniatur|Form miniatur|Lego-Spritzgusswerkzeug, Detail Unterseite miniatur|Lego-Spritzgusswerkzeug, Detail Oberseite mini|Spritzguss-Teile, links Anguss und Teile getrennt mini|Alle Spritzgussrahmen für einen Plastik­modellbausatz der Junkers JU 52 im Maßstab 1:48, 170 Teile

Das Spritzgießen (oft auch als Spritzguss oder Spritzgussverfahren bezeichnet) ist ein Urformverfahren, das hauptsächlich in der Kunststoffverarbeitung eingesetzt wird. Dabei wird mit einer Spritzgießmaschine der jeweilige Werkstoff verflüssigt (plastifiziert) und in eine Form, dem Spritzgießwerkzeug, unter Druck eingespritzt. Im Werkzeug geht der Werkstoff durch Abkühlung oder eine Vernetzungsreaktion wieder in den festen Zustand über und wird nach dem Öffnen des Werkzeuges als Fertigteil entnommen. Der Hohlraum, die Kavität, des Werkzeuges bestimmt dabei die Form und die Oberflächenstruktur des fertigen Teiles. Es sind heute Teile im Gewichtsbereich von wenigen zehntel Gramm bis zu einer Größenordnung von 150 kg herstellbar.

Die Spritzgießwerkzeuge werden meist im Formenbau durch Funkenerodieren hergestellt.

Mit diesem Verfahren lassen sich direkt verwendbare Formteile in großer Stückzahl kostengünstig herstellen. 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. Allerdings haben sich durch kostengünstige Rapid-Prototyping-Verfahren inzwischen auch wirtschaftliche Lösungen für kleinere Stückzahlen etabliert, etwa durch den Einsatz von 3D-Druck oder additiver Werkzeugfertigung. Konventionelle Werkzeuge eignen sich wiederum für die Produktion von bis zu mehreren Millionen Teilen.

Das Spritzgießen, insbesondere erweiterte spezielle Verfahren, erlaubt eine nahezu freie Wahl von Form und Oberflächenstruktur wie z. B. glatte Oberflächen, Narbungen für berührungsfreundliche Bereiche, Muster, Gravuren und Farbeffekte. Zusammen mit der Wirtschaftlichkeit macht dies das Spritzgießen zum meist verbreiteten Verfahren zur Massenherstellung von Kunststoffteilen in praktisch allen Bereichen.

Metallische Bauteile werden stattdessen durch vergleichbare Urformverfahren wie das Metallpulverspritzgießen oder Druckgießen hergestellt. Verfahren zur Herstellung von linearen Bauteilen wie Extrusion bzw. Strangpressen oder Umformverfahren wie das Gesenkschmieden erlauben demgegenüber geringere Gestaltungsfreiheiten.

Die Formteile, die mit Spritzgießen hergestellt werden, lassen sich wie folgt kategorisieren: A-Teile – Präzisionsteile mit höchsten Anforderungen, B-Teile – technische Teile mit hohen Anforderungen und C-Teile – geometrisch einfache Formteile aus Standardkunststoffen mit geringen Anforderungen. Alle Kategorien besitzen unter anderem folgende wesentliche Qualitätsmerkmale: Formteilmaße und -gewicht, Festigkeit, Verzugserscheinungen und Oberflächenbeschaffenheit.

Unterteilung der Spritzgießverfahren

Beim Spritzgießen werden fast ausschließlich Kunststoffe verarbeitet. Diese lassen sich in Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere unterteilen. Alle drei Materialarten können im Spritzgussverfahren verwendet werden, wobei das Thermoplast-Spritzgießen die größte wirtschaftliche Bedeutung hat. Es ist das am häufigsten verwendete Kunststoffverarbeitungsverfahren überhaupt.

Deswegen soll im Folgenden das Verfahren zunächst für Thermoplaste erklärt werden. Das Spritzgießen von Duroplasten und Elastomeren funktioniert prinzipiell gleich und unterscheidet sich in erster Linie nur in den Betriebsparametern (z. B. Temperaturen).

Die unten beschriebenen speziellen Verfahren stellen Erweiterungen bzw. Modifikationen des Grundprozesses für bestimmte Anwendungen dar.

Thermoplast-Spritzgießen

Grundsätzlicher Aufbau einer Spritzgießmaschine

Die heute übliche Schneckenkolbenspritzgießmaschine besteht aus zwei Einheiten: der Spritzeinheit oder auch Plastifiziereinheit, welche den Kunststoff plastifiziert, aufbereitet und dosiert, und der Schließeinheit, die das Formwerkzeug schließt, zuhält und wieder öffnet.

Die Spritzeinheit setzt sich im Wesentlichen aus einem waagerechten Zylinder, dem Plastifizierzylinder und einer darin befindlichen Schnecke zusammen. Die Schnecke rotiert und ist auch axial im Zylinder beweglich. An einem Ende des Plastifizierzylinders befindet sich der Einfülltrichter zum Beschicken mit dem Rohmaterial, am anderen befindet sich die Düse, welche entweder verschließbar oder nicht verschließbar sein kann, sie stellt den Übergang zur Schließeinheit dar.

Die Schließeinheit besteht aus dem Formwerkzeug selbst, das in zwei Hälften trennbar ist (Formtrennebene). Die Hälften sind auf zwei Aufspannplatten montiert, von denen die eine, die Düsenseite, starr und der Düse der Spritzeinheit zugewandt ist. Die andere, die Auswerferseite, ist beweglich. Sie kann hydraulisch oder elektromechanisch (Kniehebelmechanismus) von der Düsenseite wegbewegt oder mit Kraft auf sie gepresst werden. Sie enthält den namensgebenden Mechanismus, welcher das Spritzgussteil entformt (auswirft).

Spritz- und Schließeinheit müssen entsprechend dem Werkstoff, Bauteil und Prozess temperiert werden (die Spritzgussform ist ggf. temperaturgeführt (siehe auch: Spritzgießmaschine #Temperierung)). Da die beiden Einheiten unterschiedliche Temperaturen aufweisen, können sie, außer bei Heißkanalsystemen, zur thermischen Trennung voneinander wegbewegt werden.

Bis 1956 verwendete man Kolbenspritzgießmaschinen.

Verfahrensablauf

miniatur|hochkant=1.2|Prinzip: 1. Schnecke 2. Einfülltrichter 3. Granulat 4. Plastifizierzylinder 5. Heizelemente 6. Werkzeug

Plastifizieren und Dosieren

Der thermoplastische Kunststoff rieselt in Form eines Granulats in die Gänge der rotierenden Schnecke ein. Das Granulat wird Richtung Schneckenspitze gefördert und durch die Wärme des Zylinders und die Friktionswärme, die beim Zerteilen und Scheren des Materials entsteht, erwärmt und aufgeschmolzen. Die Schmelze sammelt sich vor der Schneckenspitze, da die Düse zu diesem Zeitpunkt geschlossen ist. Weil die Schnecke axial beweglich ist, weicht sie durch den Druck zurück, auch schraubt sie sich ähnlich einem Korkenzieher aus der Masse heraus. Die Rückwärtsbewegung wird durch einen Hydraulikzylinder oder elektrisch gebremst, so dass sich in der Schmelze ein Staudruck aufbaut. Dieser Staudruck in Verbindung mit der Schneckenrotation verdichtet und homogenisiert das Material.

Die Schneckenposition wird gemessen und sobald sich eine für das Werkstückvolumen ausreichende Materialmenge angesammelt hat, ist der Dosiervorgang beendet und die Schneckenrotation wird eingestellt. Ebenso wird die Schnecke aktiv oder passiv entlastet, so dass die Schmelze dekomprimiert wird.

Einspritzen

In der Einspritzphase wird die Spritzeinheit an die Schließeinheit gefahren, mit der Düse angedrückt und die Schnecke rückseitig unter Druck gesetzt. Dabei wird die Schmelze unter hohem Druck (meist zwischen 500 und 2000 bar) durch die geöffnete Düse und den Anguss bzw. das Angusssystem des Spritzgießwerkzeugs in den formgebenden Hohlraum gedrückt. Die Rückstromsperre verhindert dabei ein Zurückströmen der Schmelze Richtung Einfülltrichter.

Während des Einspritzens wird versucht, ein möglichst laminares Fließverhalten der Schmelze zu erreichen. Das heißt, die Schmelze wird im Werkzeug dort, wo sie die gekühlte Werkzeugwand berührt, sofort abgekühlt und bleibt erstarrt „kleben“. Die nachrückende Schmelze wird durch den dadurch verjüngten Schmelzkanal mit noch höherer Geschwindigkeit und noch mehr Scherdeformation gedrückt und vorne an der Schmelzfront zum Rand hin dehndeformiert. Es überlagert sich Wärmeabfuhr über die Werkzeugwand und Wärmezufuhr durch Schererwärmung. Die hohe Einspritzgeschwindigkeit erzeugt in der Schmelze eine Schergeschwindigkeit, welche die Schmelze leichter fließen lässt. Dennoch ist ein stets schnelles Einspritzen nicht anzustreben, denn durch die hohe Schergeschwindigkeit wird auch der Molekülabbau verstärkt. Auch die Oberfläche, das Aussehen und der Orientierungszustand werden durch die Einspritzphase beeinflusst.Christian Bonten: Kunststofftechnik Einführung und Grundlagen, Hanser Verlag, 2014.

Nachdrücken und Abkühlen Da das Werkzeug (mit typischerweise 20 bis 120 °C) kälter als die Kunststoffmasse (mit typischerweise 200 bis 300 °C) ist, kühlt die Schmelze in der Form ab und erstarrt bei Erreichen des Gefrierpunktes. Das Abkühlen geht einher mit einer Volumenschwindung, die sich nachteilig auf Maßhaltigkeit und Oberflächenqualität des Werkstückes auswirkt. Um diese Schwindung teilweise zu kompensieren, wird auch nach Füllung der Form ein reduzierter Druck aufrechterhalten, damit Material nachfließen und die Schwindung ausgleichen kann. Dieses Nachdrücken kann so lange erfolgen, bis der Siegelpunkt erreicht ist, also der Anguss erstarrt ist.

Nach Beendigung des Nachdrückens kann die Düse geschlossen werden und in der Spritzeinheit bereits der Plastifizier- und Dosiervorgang für das nächste Formteil beginnen. Das Material in der Form kühlt in der Restkühlzeit weiter ab, bis auch die Seele, der flüssige Kern des Werkstückes, erstarrt ist und eine zum Entformen hinreichende Steifigkeit erreicht ist.

Die Spritzeinheit wird dann von der Schließeinheit wegbewegt (abgehoben), da kein Kunststoff mehr aus dem Anguss austreten kann. Dies dient dazu, einen zu starken Wärmeübergang von der wärmeren Düse auf das kältere Werkzeug zu unterbinden und vermeidet so ein zu starkes Abkühlen der Düse (Einfrieren).

Entformen

Zum Entformen öffnet sich die Auswerferseite der Schließeinheit und wird das Werkstück durch in die Kavität hineindringende Stifte ausgeworfen. Es fällt dann entweder herunter (Schüttgut) oder wird durch Handlinggeräte aus dem Werkzeug entnommen und geordnet abgelegt oder gleich einer Weiterverarbeitung zugeführt.

Der Anguss muss entweder durch separate Bearbeitung entfernt werden oder wird beim Entformen automatisch abgetrennt. Auch angussloses Spritzgießen ist mit Heißkanalsystemen möglich, bei denen das Angusssystem ständig über der Erstarrungstemperatur bleibt und das enthaltene Material somit für den nächsten Schuss verwendet werden kann.

Nach dem Entformen schließt sich das Werkzeug wieder und der Zyklus beginnt von neuem.

Typische Zeiten für die Vorgänge in Werkzeug, Spritzeinheit und beiden Einheiten gemeinsam Schritte 1 s 2 s 3 s 4 s 5 s 6 s 7 s 8 s 9 s 10 s 11 s 12 s 13 s 14 s 15 s 16 s 17 s 18 s 19 s 20 s 21 s 22 sWerkzeug schließen Spritzeinheit vor Plastifizieren Einspritzen Nachdrücken Dekomprimieren Spritzeinheit zurück Restkühlen Entformen Pause Physikalische Kühlzeit

Verwendete Kunststoffarten, Ersatzmaterialien und Produkte

Spritzgussteile können mit Massen zwischen einigen Milligramm und ca. 150 kg hergestellt werden. Die verarbeiteten thermoplastischen Kunststoffe werden durch Additive und Füllstoffe für die Spritzgießverarbeitung und die spätere Verwendung modifiziert. Darunter sind auch sehr harte anorganische Füllstoffe wie Glaskugeln oder sehr oft Glasfasern.

Im Fahrzeugbau werden Polyolefine, hauptsächlich Polypropylen für Armaturenbretter und Stoßstangen im Spritzguss verwendet. Plexiglas (PMMA) und Polycarbonat (PC) werden für transparente Gegenstände (Kfz-Scheinwerfer, Rückleuchten) verwendet. Polystyrol (PS) und dessen Copolymere (ABS = Acrylnitril-Butadien-Styrol) werden größtenteils für Spielzeug (z. B. Lego) und Haushaltsgeräte benutzt. Polyamid (PA), Polyoxymethylen (POM) und viele weitere technische Kunststoffe werden ebenfalls im Maschinenbau und der Elektrotechnik eingesetzt, allerdings in wesentlich geringeren Mengen für meist hochpreisige Teile.