Spritzgiessverfahren

Thermoplast-Spritzgiessen

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 waagrechten Zylinder, dem Plastifizierzylinder und einer darin befindlichen Schnecke zusammen. Die Schnecke rotiert und kann auch axial im Zylinder bewegt werden. An einem Ende des Plastifizierzylinders befindet sich der Einfülltrichter zum Beschicken mit dem Rohmaterial, am anderen befindet sich eine verschließbare Düse, die den Übergang zur Schließeinheit darstellt.

Die Schließeinheit besteht aus dem Formwerkzeug selbst, das in zwei Hälften getrennt werden kann. 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 von der Düsenseite wegbewegt oder mit Kraft auf sie gepresst werden.

Spritz- und Schließeinheit müssen entsprechend dem Werkstoff, Bauteil und Prozess temperiert werden. Da die beiden Einheiten unterschiedliche Temperaturen aufweisen, können sie, außer bei Heißkanalsystemen, zur thermischen Trennung voneinander wegbewegt werden.

Bis 1956 verwendete man Kolbenspritzgießmaschinen.

Verfahrensablauf

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. Da 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.

Nachdrücken und Abkühlen
Da das Werkzeug kälter (typischerweise 20 bis 120 °C) als die Kunststoffmasse (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 solange 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 kann dann von der Schließeinheit wegbewegt werden, da kein Kunststoff mehr aus dem Anguss austreten kann. Dies dient dazu, einen Wärmeübergang von der wärmeren Düse auf den kälteren Anguss zu verhindern.

Entformen
Zum Entformen öffnet sich die Auswerferseite der Schließeinheit und das Werkstück wird durch in die Kavität hineindringende Stifte ausgeworfen und fällt 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, bei denen das Angusssystem ständig über der Erstarrungstemperatur bleibt und das enthaltene Material somit für den nächsten Schuss verwendet werden kann, möglich.

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

Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Spritzgiessen#Duroplast-Spritzgiessen

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