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Spritzguss
Grundlagen
Das Spritzgießverfahren eignet sich wie kaum ein anderes Urformverfahren zur Herstellung von Massenartikeln, da es in kürzester Zeit direkt vom Rohstoff zum Fertigteil führt. Die Formteile erfordern keine oder nur geringe Nacharbeit. Auch Spritzlinge komplizierter Formen lassen sich in einem Arbeitsgang vollautomatisch herstellen. Im Spritzguss werden außer Thermoplaste auch Duromere und Elastomere verarbeitet, wobei die anfallenden Aushärtungs- bzw. Vulkanisationsvorgänge im Werkzeug durchgeführt werden.

Verwendete Größen und Indices sowie deren Einheiten

Größen
p        in bar        Druck
v        in %          Geschwindigkeit (100% entspr. 160 mm/s)
T        in °C         Temperatur
t         in s            Zeit

Indizes

S                         Spritz
St                        Stau
N                         Nach
Hydr                    Hydraulik
E                          Einspritz
Nd                       Nachdruck
K                         Kühl-

Spritzgießmaschine

Wichtigste Grundtypen sind die Kolben- und die Schnecken - Spritzgießmaschine. Beide Maschinen haben als Hauptbestandteile eine Spritz und eine Schließeinheit.
Die Schließeinheit besitzt zwei Werkzeugaufspannplatten, auf denen das Spritzgießwerkzeug montiert wird, und eine mechanisch                                    oder hydraulisch wirkende Werkzeugschließvorrichtung, die über die bewegliche Werkzeugaufspannplatte das Werkzeug schließt, gegen den Einspritzdruck geschlossen hält, das Werkzeug öffnet und einen Auswerfmechanismus steuert.
Die Spritzeinheit einer Kolbenspritzgießmaschine unterscheidet sich von der einer Schneckenspritzgießmaschine. Bei der Kolbenspritzgießmaschine muss die Formmasse, ehe sie vom Trichter in den Zylinder gelangt, durch eine Volumen- oder Gewichtsdosierung abgemessen werden. Dagegen wird die Dosierung bei der Schneckenmaschine durch den Hubweg der Schnecke besorgt. Bei der Kolbenmaschine wird die Masse durch den im Zylinder hin und her beweglichen Kolben zur Spritzdüse am Zylinderende gefördert und in die Werkzeughöhlung gespritzt
In der Schneckenmaschine wird die Formmasse durch die Schneckenrotation zur Düse gefördert, wobei die Schnecke sich gleichzeitig rückwärts bewegt. Das Einspritzen der Masse erfolgt durch einen axialen Vorschub der Schnecke um einen eingestellten Hub (Dosierweg). Während die Erwärmung der Formmasse in der Kolbenmaschine fast ausschließlich durch Wärmeleitung im vorgeheizten Zylinder erfolgt, wird in der Schneckenmaschine ein erheblicher Anteil Wärmeenergie durch die Schneckenrotation als Friktionswärme in der Masse erzeugt. Dies führt zu einer besseren Temperaturhomogenisierung der Formmasse. Die Schneckenmaschine ist daher vielseitiger anwendbar und führt zu einem höheren Qualitätsniveau. Vor allem größere Formteile werden wegen der besseren Homogenisierung fast ausschließlich auf Schneckenmaschinen hergestellt. 
Weitere Formungsverfahren, die mit einer Spritzgießmaschine, jedoch urter Anwendung geeigneter Werkzeuge bzw. von Zusatzvorrichtungen durchgeführt werden können, sind:

  • Spritzprägen zur Herstellung orientierungsarmer Teile,
  • Mehrkomponentenspritzguss
  • Gasinnendruckspritzguss für hohle Formteile
  • Spritzblasen zur Herstellung von Hohlkörpern.
 
Spritzvorgang

Plastifizieren
Die meist rieselfähige Formmasse gelangt vom Fülltrichter (d) über die Einfüllöffnung in den Raum zwischen Zylindermantel (l) und Schnecke (g). Der Schneckenantrieb (a) versetzt die Schnecke in Rotation, wobei die Formmasse plastifiziert, komprimiert und in den Schmelzeraum (g) gefördert wird.

Dosieren
Durch den einstellbaren Rücklaufweg der Schnecke wird die Masse dosiert. Da das plastifizierte Material aus dem Sammelraum nicht ins Freie treten kann und die Schnecke in ihrer Längsachse beweglich gelagert ist, weicht sie solange nach hinten aus, bis der hintere Endschalter (c) betätigt wird, womit die Rotation und somit die Förderung der Schnecke beendet wird. Eine bestimmte Menge Material ist nun für den Formfüllvorgang vorbereitet.

Spritzen
Beim Formfüllvorgang (Spritzen) rückt die Schnecke vor und spritzt unter Druck (Einspritzdruck) und mit hoher Geschwindigkeit (Einspritzgeschwindigkeit) die plastische Masse in das geschlossene kalte oder temperierte Werkzeug. Das Vorrücken wird durch Einlassen von Öl in den Hydraulik - Spritzzylinder bewirkt (b). Der vordere Endschalter (c) beendet den Füllvorgang und leitet den Nachdruckvorgang ein.

Nachdrücken 
Infolge des Übergangs der Masse vom flüssig - plastischen in den festen Zustand sowie der Abkühlung schrumpft die im Werkzeug befindliche Masse. Zum Ausgleich dieser Volumenkontraktion, die zur Bildung von Einfallstellen und Lunkern führen würde, drückt man unter weiterem Vorlaufen der Schnecke bis fast in die vorderste Stellung unter der Wirkung des Nachdrucks weitere Masse in das Werkzeug.
Nach Ablauf der gewählten Nachdruckzeit läuft die Schnecke unter Aufbau des Staudrucks rotierend im Zylinder zurück und beginnt die für den nächsten Schuss notwendige Masse zu plastifizieren. Zugleich wird die Formmasse im Werkzeug abgekühlt bzw. ausgeheizt. Am Ende der gewählten Kühl- bzw. Heizzeit wird das Werkzeug geöffnet und das Formteil entnommen oder ausgeworfen. Nach erneutem Schließen des Werkzeugs durch die Schließeinheit kann der nächste Schuss erfolgen, wenn inzwischen die Spritzeinheit genügend plastische Masse dafür aufbereitet hat.
Phase 1: Einspritzen der vor der Schneckenspitze gesammelten plastifizierten Formmasse durch axiale Verschiebung der Schnecke. Unter hohem Druck, bis über 1000 bar, strömt die Schmelze durch Düse und Angießkanal in das gekühlte Werkzeug, das sich vom Anschnitt her füllt. Die Schließkraft der Schließeinheit verhindert, dass sich das Werkzeug unter der Wirkung des hohen Einspritzdrucks öffnet
.
Phase 2: Die Schmelze hat die Werkzeughöhlung gefüllt und erstarrt durch die Abkühlung. Zum Ausgleich der dabei entstehenden Volumenverringerung der Formmasse wird unter der Wirkung des Nachdrucks Schmelze aus dem Spritzzylinder in das Werkzeug nachgefördert.
Am Ende der Nachdruckzeit, während der Spritzling weiter abkühlt, beginnt die Schnecke zu rotieren und zu plastifizieren, bis sich vor der Schneckenspitze wieder genügend Schmelze für den nächsten Einspritzvorgang angesammelt hat.
Phase 3: Die Schließeinheit öffnet das Werkzeug. Der fertige Spritzling (Formteil und Anguss) wird ausgeworfen. Die Schnecke hat den hinteren Dosierendschalter erreicht, der den Schneckenantrieb abschaltet und damit das Volumen der plastifizierten Schmelze begrenzt.
Das Werkzeug schließt sich für einen neuen Arbeitszyklus.
a Motor für die Drehbewegung der Förderschnecke, b hydraulischer Druckantrieb für Vorwärts und Rückwärtsbewegung der Schnecke, c Schaltvorrichtung für den taktweisen Spritzvorgang, d Fülltrichter mit granulierter kalter Masse, e Förder-, Plastizier- und Spritzschnecke f Heizbänder am Zylindermantel, g plastifizierte heiße Masse, h Spritzdüse, i gekühltes Formwerkzeug, k kaltes erstarrtes Formteil.
Spritzgießverfahren, auf Schneckenmaschinen, Arbeitstakte 1 bis 3

Bedeutung des Nachdrucks

Die Schmelze soll schnell in die Form gespritzt werden. In dieser Zeit braucht man also einen möglichst hohen Druck. Kurz bevor die Form gefüllt ist, sollte der Druck aber reduziert werden, damit sich nach der Formfüllung kein zu hoher Druck in der Form aufbaut. Sonst werden die Formhälften auseinandergetrieben, und das Spritzgussteil erhält möglicherweise zu hohe innere Spannungen. Einen gewissen Druck brauchen wir aber noch im Zylinder, um durch Nachschub von Schmelze die Schwindung das Massevolumen soweit wie möglich auszugleichen, die mit der Abkühlung der Schmelze in der Form Hand in Hand geht. Diesen Nachdruck braucht man so lange, bis die Schmelze versiegelt ist. Die Nachdruckzeit muss lang genug sein, dass der Spritzling keine Einfallstellen mehr bekommt, aber nicht so lang, dass er sich beim Entformen verzieht. Diese Zeit wird rein empirisch ermittelt und dann durch eine Zeituhr gesteuert
Bedeutung des Staudrucks
Wie weiter vor erwähnt, ist die Schnecke axial verschiebbar und weicht nach hinten zurück, wenn der Kunststoff den Sammelraum füllt. Mit der Förderung des Materials nach vorn verdrängt sich die Schnecke selbst nach hinten. Um des besseren Plastizierens willen, soll ein gewisser Druck im Sammelraum und im vorderen Teil des Schneckenkanals herrschen.
Nach dem Spritzen befindet sich der Kolben vorn im Zylinder, d. h. der Hydraulikzylinder ist noch mit Öl gefüllt. Wenn die Schnecke beim Rotieren von der Masse im Sammelraum zurückgedrängt wird, muss sie das Öl aus dem Hydraulikzylinder herausdrücken. Die Schmelze findet zunächst einfach aus diesem Grunde schon einen Widerstand, der aber noch nicht groß genug ist. Um den notwendigen Staudruck zu erzeugen, wird der Abfluss des Öls mit einem Drosselventil noch weiter verzögert. (s. Bild 604) Die Höhe des Staudrucks ist begrenzt. Man braucht zwar einen gewissen Staudruck damit die Schmelze gleichmäßig wird und kein halbaufgeschmolzenes Granulat in den Sammelraum gelangen kann. Erhöht man den Staudruck aber zu stark, dann wird die Massetemperatur zu hoch, und das Material kann thermisch geschädigt werden.
 
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