Spritzgießen: Unterschied zwischen den Versionen

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Spritzgießen

Einleitung

Beim Spritzgießen werden überwiegend Thermoplaste¹ im plastifizierten, fließfähigen Zustand in geteilte und Temperierte Stahlformen eingespritzt. Nach einer bestimmten Abkühlzeit werden die meist gebrauchsfertigen Spritzlinge aus dem Werkzeug entfernt.

Dieses Verfahren hat sich besonders bei der Herstellung von Massenartikeln als äußerst werkstoff- und arbeitssparend erwiesen. Werden an Spritzgießteilen erhöhte Verschleiß- und Festigkeitsanforderungen gestellt, so können an bestimmten Stellen geeignete Metallteile mit eingebettet werden oder der Werkstoff wird mit Zusätzen wie Glasfasern oder -kugeln verstärkt.

¹Thermoplaste:

Die Thermoplaste bestehen aus fadenförmigen Makromolekülen, die keine gegenseitigen Vernetzungsstellen besitzen (Bild 1). Ihre Festigkeit erhalten diese Kunststoffe aus den Reibungskräften und der Verschlingung der Makromoleküle. Bei Raumtemperatur sind die Thermoplaste hart. Mit zunehmender Temperatur werden sie elastisch und bei weiterer Erwärmung plastisch weich und schließlich flüssig. Da diese Kunststoffe beim Erwärmen weich werden, nennt man sie Thermoplaste (von griechisch thermo= wärme). Sie zersetzten sich beim überschreiten der Grenztemperatur. Die Thermoplaste stellen mengenmäßig die größte Kunststoffgruppe dar, das liegt an ihrer leichten verarbeitbarkeit. Sie sind warmumformbar und Schweißbar.

Vorgänge beim Spritzgießen

Vor dem Spritzvorgang wird die geteilte Spritzgießform geschlossen und die Düse der Spritzgießmaschine an den Anguss der Spritzform gepresst (Bild 1a).

Die in verarbeitungsfähigen, plastifizierten zustand gebrachte Formmasse wird unter hohem Druck, bis zu 1600 bar, in die Formhöhlung eingepresst (Bild 1b).

Im Werkzeug kühlt der Werkstoff so weit ab, das nach dem öffnen der beiden Formhälften das fertige Spritzgießteil ausgeworfen wird (Bild 1c und Bild 1d).

Danach wird die Form erneut geschlossen und ein weiterer Fertigungsablauf beginnt.

Werkstoffverhalten

Die Plastifizierte Formmasse sollte so schnell wie möglich in den Formhohlraum eingesprizt werden, damit Druck und Temperatur im Hohlraum überall gleich sind. Tritt dieser idealfall ein, ist eine gleichmäßige Struktur des Werkstoffes und ein gleichmäßiges Schwindungsverhalten im ganzen Spritzgießteil gewährleistet, sodass keine Spannungen und kein Verzug auftreten.

Dieser ideale Vorgang lässt sich leider nicht realisieren. Fließwiederstände im Werkzeug und in der Düse bewirken einen Druckabfall während des Einspritzens. Ungleichmäßiges Abkühlen der Formmasse im Werkzeughohlraum, der auch Kavität genannt wird, ergibt eine ungleichmäßige Werkstoffstruktur.

Molekühlorientierung

Vor dem Einspritzen der Schmelzen ist die Anordnung der Makromolekülketten amorph (gestaltlos, ungeformt), also ohne Orientierung (Bild 1).

Das bedeutet, dass an allen Stellen nach allen Richtungen gleichmäßige Eigenschaften vorherrschen. Beim Strömen der Schmelze durch die Düse über das Angießsystem in die Kavität werden die Fadenmoleküle und Masseteilchen in Längsrichtung geschert und gedehnt (Bild 2).

Kommt beim Einspritzen ein Teil der Schmelze mit der relativ kalten Wand des Hohlraumes in Berührung, kühlt die Schmelze ab und wird zäher. Die Masseteilchen im Randbereich weisen eine geringere Fließgeschwindigkeit als die Masseteilchen im Inneren des Hohlraumes auf. Dort bleibt die Schmelze länger flüssig und eilt den Masseteilchen am Rand vorraus, was im Laufe des Einspritz-, Nachdruck- und Abkühlvorganges zu einer zunehmenden Streckung und Scherung führt. Im Inneren der Kavität wird während der Formfüllung weniger Wärme entzogen. Die höhere Temperatur und die längere Erstarrungszeit bewirken eine stärkere Relaxation (relax= entspannen), sodass das Formteilinnere nach der Abkühlung eine deutlich geringere Orientierung aufweist(Bild 3). Durch die Abkühlung an der kalten Werkzeugwand bleiben die gescherten und gedehnten Masseteilchen in ihrer aufgezwungenen (orientierten) Lage. Sie sind jedoch bestrebt sich wieder in ihre Ausgangslage, also in den amorphen Zustand, zurückzuformen. Dieser Vorgang führt zu stärkerer Schwindung und Verformung in Orientierungsrichtung als Quer dazu. Auch die Gebrauchseigenschaften des Werkstückes (z.B. Zugbeanspruchung) sind von der Orientierungsrichtung abhängig.

Kristallisationsgrad

Bei teilkristallinen Werkstoffen kann sie auf Grund der schnellen Abkühlung im Bereich der Formwand keine Kristallisation bilden. Der Randbreich des Spritzgießteils hat darum einen amorphen Aufbau, währen der Kern einen mehr Kristallinen Aufbau erhält (Bild 4).

Setzt man das Volumen des kristallinen Bereiches in das Verhältnis zum Gesamtvolumen, dann erhält man den Kristallisationsgrad α. Seine größe hängt von der Molekülstrucktur der Formmasse und von den erwähnten Arbeitsbedingungen ab. Unterdrückte Kristallisation führt zur Nachkristallisation, die berits bei Gebrauchstemperatur eintreten kann. Durch lagern des entformten Spritzgießteiles bei hohen Temperaturen (z.B. 140°C) kann dieser Vorgang beschleunuigt werden (Tempern).

Fließverhalten

Beim Eintreten der Schmelze in den Formhohlraum sollte sich die Formmasse im Idealfall mit einer gleichmäßigen Fließfront vorwärts bewegen (Bild 1a). Durch diesen sogenannten Quellfluss erreicht man, das die Schmelze zuerst außen an der Wandung erstarrt.Durch die Isolierwirkung der erkalteten Masse bleibt dann die Schmelze im inneren länger flüssig und bleibt eine plastische Seele, sodass ein Nachfließen der Schmelze für längere Zeit möglich ist und das Verschweißen der einzelnen Fließschichten im gleichen Zustand erfolgen kann (Bild 1b).

Reißt die Fließfront auf, so ergibt sich ein voreilender Strang, der sich im Formhohlraum querlegt, abkühlt und mit der folgenden Schmelze nicht mehr so gut verschweißt. Dies führt zu schwachstellen im Spritzgießteil (Bild 2).

Einflussgrößen auf den Spritzvorgang

Wie sich einzelne Einflussgrößen auf den Spritzvorgang und damit auch auf die Eigenschaften des Spritzgießteils auswirken, zeigt Tabelle 1. Der Füllvorgang des Formhohlraumes wird von der Einspritz- und Füllgeschwindigkeit beeinflusst. Die Einspritzgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit der Formmasse- Teilchen beim Einspritzvorgang. Sie hängt vom Einspritzdruck ab. Füllgeschwindigkeit hingegen ist der Einspritzstrom, mit der der Formhohlraum mit Masse gefüllt wird. Sie ist abhängig von Fließwiederständen, die im Inneren des Werkzeuges vorhanden sind.Je höher dieser Wiederstand ist, desto höher muss auch der Einspritzdruck gewählt werden. Zu niedrig gewählte Füllgeschwindigkeit führt zu hohen Temperaturunterschieden zwischen angussnahen und angussfernen Formpartien. Die kühlere Masse wiederum führt zu höherer Viskosität, die größere Spritzdrücke erfordert. Das Losreißen von bereits abgekühlter Masse führt beim weiteren Einspritzen zu Material verschiebungen, die zu Querrillen senkrecht zur Fließrichtung führen (Bild 3). Zu hohe Füllgeschwindigkeit führt an scharfen Umlenkungen und Schroffen Querschnittsveränderungen zu erhöter Scherbeanspruchung. Diese erhöht die Temperatur der Schmelze und kann u.U. zu einer thermischen Schädigung der Formmasse führen. Kann die Luft nicht schnell genug aus dem Formhohlraum entweichen, so wird sie komprimiert und erwärmt sich stark. Dieser Vorgang kann im Werkstoff zu verbrennungen führen (Dieseleffekt). Freistrahlbildung und Teilung des Massestromes erzeugen Fließmakierungen an der Oberfläche (Bild 3).

Druckverlauf

Durch den Einspritzdruck, welcher in der Formmasse im Schneckenvorraum herrscht, wird im Formhohlraum aufgrund von Strömungswiederständen in der Düse und im Werkzeug ein zeitlich verzögerter und in der Höhe etwas geringerer Werkzeuginnendruck aufgebaut (Bild 1). Dadurch füllt sich die Werkzeughöhlung mit Formmasse (Bild 1, Kurvenpunkt A) und erzeugt die Ausformung der Konturen durch das Komprimieren (verdichten, zusammenpressen) der Formmasse. Der Maximale Werkzeuginnendruck (Bild 1, Kurvenpunkt B) hängt von der Form, vom Werkstoff, von der Qualität des Spritzgießteils und vom Verhältnis zwischen Fließweg und Wanddicke ab. Dieses Verhältnis wird durch den maximalen Fließweg, den die Formmasse zurücklegen muss und der Wanddicke des Spritzgießteils gebildet (Bild 2). Ist der gewünschte Werkzeuginnendruck erreicht, so wird der Einspritzdruck vermindert und als Nachdruck bezeichnet (Umschaltpunkt). Dieser füllt in der anschließenden Phase nur noch das Restvolumen auf und gleicht die Volumenminderung aus, die durch das Abkühlen der Schmelze eintritt. Der Innendruck fällt dabei leicht ab. Auswirkungen des Nachdruckes auf den Spritzvorgang zeigt die Tabelle 1.

Ist der Anschnitt erstarrt (versiegelt) (Bild 1, Kurvenpunkt C), so baut sich der Druck durch weitere Abkühlung bis auf einen Restdruck ab (Bild 1, Kurvenpunkt D). Die Formstabilität des Spritzgießteils erhöht sich dabei so weit, dass beim anschließenden Entformen keine Verformung eintreten kann.

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Formfüllungsgrad

Der Optimale Formfüllungsgrad wird durch versuche, so genannte Formfüllstudien oder Füllreihen, ermittelt. Dabei wird beim Einrichten der Spritzgießmaschine die eingespritzte Masse pro Schuss ständig erhöht, bis das Spritzgießteil entsteht, das die geforderten bedingungen erfüllt (Bild 4).Das Spritzgießteilgewicht kann als vergleichsgewicht bei Gewichtskontrollen herangezogen werden.

Abkühlung

Wie schnell die Formstabilität der Formmasse beim Abkühlen eintritt, hängt von der Werkzeugtemperatur ab. Diese wiederum wird von der Art der Formmasse und von den Anforderungen an das Spritzgießteil sowie von der Wanddicke bestimmt (Bild 1). Bei billigen Massenteilen wird eine schnelle Abkühlung und damit eine niedrige Werkzeugtemperatur gewählt, um kurze Herstellungszeiten zu erzielen. Diese Spritzgießteile haben noch eine hohe Entformungstemtperatur. Deshalb sind Nachschwindung und Verzug größer. Dagegen ist bei technisch anspruchsvollen Spritzgießteilen ein langsames Abkühlen, also eine höhere Werkzeugtemperatur, unbedingt erforderlich. Die Schwindung, die Oberflächengüte usw. lassen sich günstig beeinflussen. Je größer die Wanddicke und je mehr Masseanhäufungen im Spritzgießteil vorhanden sind, desto länger ist die Abkühlzeit. Den Zeitlichen Vorgang vom Einspritzen der Schmelze in den Formhohlraum bis zum nächsten Einspritzvorgang bezeichnet man auch als Takt, Schuss oder Zyklus.

Spritzgießmaschine

Datei:Spritzgießmaschiene.jpg

Die Aufgaben der Spritzgießmaschine sind:

• 1. Bereitstellung einer verarbeitungsfähigen Formmasse sowie der nötigen Spritzdrücke
• 2. Füllen der Kavität mit Formmasse
• 3. Einleiten der Bewegung zum Öffnen der Form, zum Auswerfen des Spritzgießteils sowie zum Schließen und zuhalten der Form.

Die ersten beiden Aufgaben übernimmt die Spritzeinheit der Spritzmaschine, während die dritte Aufgabe die Schließeinheit durchführt.

Spritzeinheit

Die Spritzeinheit hat die Aufgabe, die in Granulatform vorliegende Formmasse zu fördern, aufzuschmelzen, zu homogenisieren (gleichartig machen), also zu plastifizieren und in das Werkzeug zu drücken (Bild 1).

Dabei dreht sich in einem Schneckenkolbenextruders (Bild 2) eine Dreizonenschnecke in einem Zylinder. Die Formmasse durchläuft die drei Zonen Einzugs-, Kompressions- und Ausstoßzone, bis sie schließlich im Schneckenvorraum als verarbeitungsfähige Schmelze vorliegt. Nach dem Plastifiziervorgang wird die Schnecke angehalten, damit sie mit einer schnellen axialen Bewegung die Schmelze in den Formhohlraum drücken kann.

Einstellgrößen

Die Drehzahl der Schnecke richtet sich neben dem Schneckendurchmesser nach der Größe der Umfangsgeschwindigkeit, die von den Formmasseherstellern vorgegeben wird (Tabelle 1).

Der Wiederstand der Formmasse vor der Spitze der Schneckewird beim Spritzgießen durch den sogenannten Staudruck ausgedrückt. Dies ist der Druck, der sich in der angesammelten Masse im Schneckenvorraum aufbaut. Er bewirkt das sich die Schnecke während des Plastifizierens axial nach hinten gegen den eingestellten Hydraulikdruck verschiebt. Die Schneckenbewegung wird dann beendet, wenn sich genügend Masse vor der Schneckenspitze befindet, um den Werkzeughohlraum zu füllen (Bild 3). Wie hoch der Staudruck eingestellt wird, hängt ab von der thermischen empfindlichkeit der Formmasse ab (Tabelle 1).

Maschinendüsen

Die Düse hat die Aufgabe, eine dichte Verbindung, möglichst ohne Druck- und Temperaturverlust, zwischen dem Spritzzylinder und dem Werkzeug herzustellen. Durch die Berührung mit dem kälteren Werkzeug kann der Düse und der verbleibenden Schmelze wärme entzogen werden. Abhilfe kann geschaffen werden, durch eine Düsenheizung sowie durch das Abheben der Düse vom Werkzeug nach der Nachdruckzeit.

Offene Düsen und Verschlussdüsen

Wenn es die Zähigkeit der Schmelze zulässt, wählt man meist eine offene Düse (Bild 1). Die Druck- und Temperaturverluste sind wegen des glatten Kanals sehr gering. Außerdem ist die offene Düse leicht zu reinigen und zu spülen. Die Gefahr, dass Schmelze aus der Düse austreten kann, nimmt mit kleiner werdender Düsenbohrung (ca. 3- 8mm) ständig ab. Ist die Schmelze zu dünnflüssig, so müssen Verschlussdüsen, z.B. Schieberverschlussdüsen (Bild 2), oder Nadelverschlussdüsen (Bild3), vorgesehen werden. Sind sie so konstruiert, das die Düsenöffnung nach jedem Einspritzvorgang verschlossen und dadurch das Ausströmen der Masse verhindert wird. Verschlussdüsen werden mit Federn, oder hydraulisch betätigt. Dabei kann die Ventilnadel jeweils längs oder Quer (Bild 4) zum Strömungskanal liegen. Längsnadelverschlussdüsen verschließen näher an der Angießbuchse. Damit wird das sogenannte „Fadenziehen“ verhindert. In der Regel werden Düsen mit einer Wölbung (Konvexdüsen) verwendet. Sie sind durch gute Zentrierung und Abdichtung gekennzeichnet. Dabei ist es wichtig, dass der Düsenradius (R_D) bei Konvexdüsen etwas kleiner ist, als der Radius der Angießbuchse (R_A), da sich sonst eine störende Hinterschneidung bildet (siehe Bild 1). Bei der Flachdüse (siehe Bild 3) tritt keine aufweitende Kraft auf. Bei einem längs des Angusskanals geteilten Werkzeuges (z.B. Einspritzung in der Trennebene) ist es wichtig eine auftreibende Kraft durch die Keilwirkung der Konvexdüsen zu vermeiden.

Schließeinheit

Die Schließeinheit nimmt an der beweglichen und an der festen Werkzeugplatte die jeweiligen Formhälften auf. Das Öffnen, Schließen und Zuhalten des Werkzeuges wird durch ein Kniehebelssystem oder durch einen vollhydraulischen Antrieb ausgeführt (Bild1, Spritzgießmaschine beim Thema Spritzeinheit).

Schließkraft – Zuhaltekraft

Die Schließkraft Fs ist die Kraft, die die Säulen nach dem Schließvorgang beansprucht und dehnt sowie die beiden Formhälften zusammendrückt (Bild 1). Beim Einspritzen der Formmasse entsteht durch den Werkzeuginnendruck p_w eine Auftriebskraft F_A (F_A= p_w * A), die eine weitere Zugbeanspruchung und Dehnung der Säulen verursacht. Die Summe der Kräfte, die die Säulen beim Einspritzvorgang insgesamt belasten, wird als Zuhaltekraft F_z bezeichnet. Sie ist stets größer als die Schließkraft, und sie ist von der Steifigkeit der Maschine und des Werkzeuges abhängig.

Ist die Auftriebskraft größer als die Zuhaltekraft, so wird die Anlage zwischen den beiden Werkzeughälften aufgehoben und es tritt Schmelze zwischen den beiden Formhälften aus, die zur Grat- oder Schwimmhautbildung führt (Bild 2). Diesen Vorgang nennt man auch Überspritzung oder Überladung. Die Zuhaltekraft sollte trotzdem so klein wie möglich eingestellt werden, um auch einer Durchbiegung bei den Formnesttragenden Werkzeugplatten vorzubeugen. Diese Durchbiegung entsteht dadurch, dass beim Einspritzen der Werkzeuginnendruck versucht, die beiden Formhälften überwiegend im Bereich der Formhohlräume auseinander zu drücken, während die Zuhaltekräfte nur im Bereich der direkten Kraftübertragung wirken (Bild 1). Die Durchbiegung ist besonders groß bei geringer Steifigkeit der Platten und um die Bereiche gegenüber der düsenseitigen Zentrierbohrung und vor allem gegenüber dem Auswerfersystem (Bild 3). Die Durchbiegung führt zur Gratbildung und u.U. dazu, dass nicht der größtmögliche Einspritzdruck gewählt werden kann. Abhilfe kann dadurch geschaffen werden, dass zusätzliche Stützrollen vorgesehen werden, die mit einem Übermaß von 0,03mm … 0,05mm gegenüber den äußeren Abstützungen eingebaut werden (Bild 4). Auch wegen der beim Einspritzen erforderlichen Entlüftung der Werkzeughöhlung über die Berührungsflächen der beiden Formhälften sollte die Schließkraft so niedrig wie möglich sein.

Gestalten von Spritzgießteilen

Maßtoleranzen bei Spritzgießteilen

Die erzielbaren Toleranzen sind größtenteils abhängig von der Schwindung, den Formmassen und der Art der Maße, wobei natürlich auch die Qualität der Spritzgießmaschine und des Werkzeuges eine Rolle spielen.

So lassen sich mit amorphen Formmassen kleinere Toleranzen leichter einhalten als mit teilkristallinen. Werkzeuggebundene Maße lassen sich genauer herstellen als nicht werkzeuggebundene Maße (Bild 1).

DIN 16 901 bildet bei der Festlegung der Toleranzen zuerst Toleranzgruppen in Abhängigkeit der Formmassen und Schwindungskennwerte (siehe Tabellenbuch). Bezogen auf diese Toleranzgruppen und die festgelegte Maßart werden dann den verschiedenen Nennmaßbereichen die zulässigen Abweichungen zugeordnet.

Die Ermittlung der Allgemeintoleranz für das werkzeuggebundene Maß a im Bild 1, das 35mm betragen soll, zeigt die Tabelle 1.

Richtlinien zur Gestaltung von Spritzgießteilen (VDI 2006)

Die Wanddicken müssen groß genug sein, damit die Formmasse das Werkzeug sicher füllen kann, ehe sie zu stark abkühlt oder ausgehärtet ist. Deshalb ist die Mindestwanddicke in Abhängigkeit vom Fließweg im Werkzeug und der Fließfähigkeit der Formmasse zu wählen (Bild 2) und Bild 2: Werkzeuginnendruck für einfache Teile beim Thema Druckverlauf).

Spritzgießteile sollen möglichst überall gleiche Wanddicke haben. Im Normalfall betrafen sie 1mm bis 3mm, bei Großteilen zwischen 3mm und 6mm. Wanddicken unter 0,4mm und 8mm sind nur unter besonderen Verarbeitungsbedingungen herstellbar (Bild 3a und 3b). Jede Materialanhäufung und plötzliche Querschnittsübergänge sind zu vermeiden, da sich an diesen Stellen leicht an der Oberfläche Lunker bilden können (Bild 3d). Zudem treten bei unterschiedlichen Wanddicken infolge ungleicher Abkühlung innere Spannungen auf, die dann bei scharfen Ecken und Kannten zu Rissen führen können. Muss ein Spritzgießteil eine höhere Stabilität besitzen, so wird dies durch versteifungsrippen erreicht (Bild 3c). Um das Spritzgießteil leicht und schnell aus der Form entfernen zu können, müssen alle Flächen des Werkstückes, die in Öffnungsrichtung der Form liegen, eine leichte Neigung erhalten (Bild 1). Zusätzlich muss sichergestellt sein, dass das Spritzgießteil beim Öffnen der Form von der schließseitigen Formhälfte mitgenommen und von der Auswerfervorrichtung entfernt wird. Weiterhin hängen die Entformungsschrägen speziell bei strukturierten Oberflächen von der Oberflächenrauigkeit der abzubildenden Kavitäten ab. Die Struktur kann aufgrund ihrer Tiefe wie eine Verzahnung zwischen Formteil und Werkzeugoberfläche wirken und somit die Entformung erschweren. Die Lage der Strukturrichtung parallel oder senkrecht zur Entformungsrichtung und die Materialpaarung Stahl- Kunststoffmasse ist von entscheidender Bedeutung (Tabelle 1).

Als einfache Näherungs sollte für eine Strukturtiefe von 0,02mm pro 1° Entformungsschrägen bei senkrechter Lage zur Entformungsrichtung nicht überschritten werden. Scharfe Ecken und Kanten können beim Einspritzvorgang des Kunststoffmaterials so stark scheren, dass es zu einer thermischen Schädigung des Kunststoffes kommen kann.

Eine Abrundung bei Umlenkungen wirkt nicht nur der Scherung entgegen, sondern auch dem Winkelverzug und der Kerbwirkung im Eckbereich. Der mögliche Verzug des Formteils wird in (Bild 2) dargestellt. Da die dünnen Formteilbereiche schneller abkühlen, werden sie durch die Schrumpfkraft der dickeren verformt.

In Bild 3 kann das Volumenelement a seine Erstarrungswärme nur stark verzögert an das Werkzeug abgeben. Volumenelement b kühlt dagegen rascher ab, da es an zwei Seiten an das Werkzeug grenzt. Es entsteht ein Winkelverzug. Diesem kann durch Abrunden und durch verringerung der Wandstärke im Eckbereich entgegengewirkt werden.

Schwindung

Bei der Festlegung des Formhohlraumes müssen die Schwindung und evtl. die Nachschwindung berücksichtigt werden.

Unter Schwindung versteht man die Maßänderung von Werkstücken durch das Zusammenziehen des Werkstoffes beim Abkühlen als Maßunterschied zwischen Werkzeugkavität und Formteil. Bei der Erfassung dieser Schwindung (Tabelle 1) kommt erschwerend hinzu, dass die Schwindungsdifferenz sowie die Nachschwindung berücksichtigt werden müssen.

Eine Schwindungsdifferenz tritt dann auf, wenn die Schwindungen in Fließrichtung und quer dazu unterschiedlich groß sind. Der Unterschied zwischen Längs- und Querschwindung ist die Schwindungsdifferenz. Bei einer größeren Schwindungsdifferenz kann dies zu Verwindungen oder zum Verzug des spritzgegossenen Formteils führen.

Die Formteilgeometrie und die Angusslage können Molekülorientierungen hervorrufen, wodurch die Schwindungsdifferenz beeinflusst werden kann. Durch die Verwendung von Füllstoffen kann die Schwindung vermindert werden. Bei faserigen Verstärkungsstoffen kann durch die Faserorientierung im Bauteil eine sehr große Schwindungsdifferenz entstehen. Die Temperaturdifferenz während der Verarbeitung und der Gebrauchstemperatur des Formteils ergibt eine vernachlässigbare Längenänderung der Glasfasern. Sind nun Glasfasern in einem Formteil durch den Materialfluss während des Füllvorganges stark orientiert, schwindet das Formteil quer zur Faser wesentlich stärker als längs dazu. Werden zum Beispiel Glaskugeln zugemischt, wird insgesamt eine geringere Schwindung beobachtet.

Die Nachschwindung ist der Unterschied zwischen dem Maß eines auf Raumtemperatur abgekühlten Spritzgießteils und dem Maß desselben Spritzgießteils nach der Einwirkung einer bestimmten Temperatur. Sie verursacht eine Nachkristallisation und kann während des Gebrauches oder auch gezielt durch Tempern eingebracht werden. Durch die Naschwindungen werden die Fertigteilabmessungen nochmals kleiner.

Eine Zahlenmäßige Erfassung der Schwindung ist sehr schwierig, da auf sie mehrere Einflüsse gleichzeitig einwirken. So haben z.B. amorphe Thermoplaste (z.B. Polysterol) nahezu unabhängig von äußeren Bedingungen eine geringere Schwindung. Teilkristalline Kunststoffe (z.B. Polyethylen) dagegen haben einen größeren Schwindungsbereich (Tabelle 1). Spitz- und Nachdruck üben den größten Einfluss auf das Schwindungsverhalten aus. Je größer diese Drücke sind, desto geringer fällt die Schwindung aus. Auch Formteilgestalt und Angießverhältnisse wirken sich auf die Schwindung aus.

Einen weiteren Einfluss auf die Schwindung stellt die Werkzeugtemperatur dar. Je höher diese ist, desto günstiger ist die Kristallbildung, aber umso größer ist die dabei entstehende Schwindung.

Die Gesamtschwindung ist der Maßunterschied zwischen Kavität und Formteil nach sehr langer Lager- bzw. Gebrauchszeit oder nach langer Warmlagerung.

Aufbau von Spritzgießwerkzeugen

Einleitung der Spritzgießwerkzeuge

Die Vielzahl der Unterschiedlichen Spritzgießanwendungen erfordert verschiedene Werkzeugarten. Sie werden nach Anzahl der Formhohlräume, nach Art des Angusssystems, nach Anzahl der Trennebenen und nach Art der Entformung unterschieden. Die unterschiedlichen Verarbeitungsmöglichkeiten im Spritzgießbereich führen zu einer Vielzahl von Sonderverfahren, welche nicht alle in der Übersicht (Tabelle 1) aufgeführt werden können.

Angusssysteme

Der Anguss ist ein System von Strömungswegen, in denen die fließfähige Formmasse von der Düse der Spritzeinheit zur Formhöhlung (Kavität) fließt.

Dieses System kann aus dem Angusskegel, den Verteilerkanälen, der sog. Angussspinne und dem Anschnitt bestehen (Bild 1). Bei Einfachwerkzeugen können sich die Strömungswege auf eine kegelige Bohrung beschränken, die direkt in die Formhöhlung mündet. Die Stelle, an der der Anguss in die Formhöhlung eintritt, nennt man den Anschnitt. Den Zeitpunkt nach dem der Anschnitt „eingefroren“ (d.h. erstarrt) ist und somit der Nachdruck nicht mehr wirken kann, nennt man Siegelpunkt. Ein längeres Nachdrücken über diesen Zeitpunkt hinaus ist unnötig.

Der Zeitpunkt des Erstarrens kann durch eine Innendruckmessung oder durch das Bestimmen der Formteilmasse ermittelt werden. Das maximale Formteilgewicht ist erreicht, wenn der Anschnitt eingefroren ist.

Der Anguss ist so zu gestalten, dass die flüssige Masse möglichst auf kürzestem Wege, mit geringstem Wärme- und Druckverlust die Kavitäten gleichzeitig füllt. Die Querschnitte der Strömungswege müssen so bemessen sein, dass eine gleichmäßige Füllung des Angusssystems sowie der Formhöhlung erreicht wird.

Angussformen

Die Angussform ist so zu wählen, dass für den speziellen Fall die bereits erwähnten Forderungen erfüllt werden können. Außerdem müssen noch folgende Einflussgrößen berücksichtigt werden.

• Formteilgeometrie und Formteilvolumen
• Viskosität der Formmasse
• Art des Spritzgießwerkzeuges
• Fließweglänge

Stangen- oder Kegelanguss

Stangen- oder Kegelangüsse werden vorwiegend bei rotationssymmetrischen und bei dickwandigen Spritzgießteilen verwendet. Dieser Anguss sollte, da er nachträglich abgeschnitten oder abgefräst wird, nicht an Sichtflächen angeordnet werden (Bild 2a und Bild 3). Der Durchmesser D soll so gewählt werden, dass der Anguss immer etwas später erstarrt als das Spritzgießteil. Dadurch erreicht man, dass über den Nachdruck noch genügend Schmelze nachgedrückt werden kann.

Punktanguss

Beim Entformen reißt der Punktanguss am kleinsten Querschnitt ab und bleibt als Angusszäpfchen am Spritzgießteil (Bild 2b zum Thema Stangen und Punktanguss und Bild 4 Punktanguss mit Vorkammer). Es entsteht dadurch keine Nacharbeit und keine optisch störende Bearbeitungsfläche wie beim Stangenanguss. Außerdem muss der Anguss, also die Formmasse, in der Vorkammer nicht entformt werden.

Der Punktanguss wird besonders für kleinteile und Massenartikel in Einfach- und Mehrfachwerkzeugen vorgesehen, sowie für Mehrfachangüsse bei einem größeren Formteil. Dann muss zum Entformen des Angussverteilers mit einem Dreiplattenwerkzeug gearbeitet werden.

Je kleiner die Bohrung des Punktangusses ist, desto leichter geht das Abreißen vor sich. Dabei ist jedoch neben der Wanddicke die Zähflüssigkeit (Viskosität) der Schmelze, sowie die Temperatur zu beachten.

Kann die Formhöhlung durch den kleinen Punktanguss nicht mehr schnell genug gefüllt werden, so kühlt die Schmelze in der Vorkammer vorzeitig ab, so dass sie unter Umständen von Hand entfernt werden muss.

Deshalb wird die Vorkammer etwas vergrößert, so das die an der Innenwandung haftende abgekühlte Masse als Isolator wirkt (Bild 1).

Der Kern der Schmelze, die sog. Plastische Seele, bleibt im Angussbereich flüssig. Die Verweildauer der Schmelze in der Vorkammer sollte aber nicht zu lang sein. Kurze Zyklen, d. h. mehrmaliges Einspritzen pro Minute, sind für das Funktionieren des Systems notwendig.

Ist die Spritzhäufigkeit nicht möglich, so wird eine Kupfer- Beryllium- Spitze in die Vorkammer eingeführt. Der Raum zwischen Kupferspitze und Innenwandung der Vorkammer füllt sich mit erkalteter Masse, die dann als Isolierung wirkt. Die Kupferspitze nimmt über die Düse genügend wärme auf, um die Masse im inneren flüssig zu halten (Bild 2).

Eine weitere Möglichkeit, die Abkühlung der Formmasse zu verhindern, besteht darin, die Vorkammer durch spezielle Heizpatronen zu erwärmen (Bild 3).

Teller- und Scheibenanguss

Teller- und Scheibenangüsse werden für ringförmige Spritzgießteile vorgesehen (Bild 1a). Würde man hier mit einem Punktanguss oder mit zwei Anbindungen arbeiten, so entstünde eine Binde- und Fließnaht (Bild 1b). Sie entsteht, wenn zwei Masseströme sich aufgrund vorzeitiger Abkühlung nicht mehr miteinander verbinden. Je kälter die zusammentreffenden Masseströme sind, desto sichtbarer sind die Bindenähte und umso geringer ist die Festigkeit. Bindenähte entstehen auch, wenn sich Masseströme an einem Kern teilen und sich wieder miteinander verbinden müssen.

Diese Qualitätsminderung kann z.B. durch die Erhöhung der Werkzeugtemperatur teilweise reduziert werden. Mit einer Zykluszeiterhöhung ist zu rechnen.

Schirmanguss

Der Schirmanguss wird für rotationssymmetrische Teile vorgesehen (Bild 2a). Es können Qualitativ hochwertige Formteile hergestellt werden. Nachteilig sind die teure Nacharbeit und die einseitige Kernlagerung. Nimmt man Durchbrüche am Schirmanguss in Kauf, so kann der Kern auch zweiseitig gelagert werden (Bild 3).

Ringanguss

Muss bei rohrförmigen Spritzgießteilen der Kern im Werkzeug auf zwei Seiten gelagert werden, so ist der Ringanguss zu verwenden (Bild 2b). Es lassen sich dadurch verhältnismäßig lange hülsenförmige Spritzgießteile mit gleichmäßiger Wanddicke herstellen.

Film- oder Bandanguss

Flache teile schneidet man zweckmäßigerweise über ein seitliches oder zentrales Band, dem Filmanguss, an. Dadurch lassen sich, wie bei einem Einzelpunktanguss, ungünstige Fließverhältnisse, oder wie bei Mehrfachpunktangüssen, störende Bindenähte vermeiden (Bild 2c).

Ebenso lässt sich die Verzugsneigung durch gleichmäßige Druckverhältnisse positiv beeinflussen. Eine weitere Anwendung ist deshalb die Herstellung optischer Formteile, wie durchsichtige Abdeckungen und optische Linsen.

Filmanschnitte erfordern eine Nacharbeit durch abtrennen des Angusses.

Tunnelanguss

Beim Tunnelanguss wird das Spritzgießteil seitlich oder an den verdeckten Flächen oder an anderen problemlosen Stellen angespritzt und automatisch beim öffnen der Formhälften, oder beim Ausstoßen vom Angusssystem, getrennt (Bild 1).

Der Verteilerkanal führt entlang der Trennfläche nicht direkt in die Formhöhlung, sondern er geht kurz zuvor schräg als konischer Tunnel durch die düsenseitige Werkzeughälfte in den Formhohlraum. Wird die schließseitige Formhälfte zurückgezogen, so müssen das Spritzgießteil und das Angießsystem mitgenommen werden. Dabei wird der Tunnelanguss am Anschnitt durch eine Schneidkante abgeschert (Bild 1).

Das Mitnehmen des Formteils muss durch Aufschrumpfen auf den Kern geschehen, und die des Angusses durch einen eingearbeiteten Hinterschnitt.

Anschließend wird das Spritzgießteil und das Angießsystem durch die Auswerfer entformt.

Wird ein Tunnelanguss vorgesehen, so muss beachtet werden, dass sich der vom Formteil getrennte Anguss beim öffnen der Werkzeughälften ausreichend biegen muss. Damit der Anguss nicht bricht, muss er eine ausreichende Konizität haben und frei biegbar sein, möglichst mit einem definierten Biegepunkt.

Die Formmasse sollte zähelastisch oder beim Entformen noch nicht vollständig erstarrt sein. Nur dann arbeitet das System störungsfrei. Da beim Tunnelanguss die Druckverluste hoch sind, wird er überwiegend zu Herstellung einfacher und kleiner Spritzgießteile in Mehrfachwerkzeugen verwendet.

Gebogener Tunnelanguss

Der gebogene Tunnelanguss, auch Haken- oder Säbelanguss genannt (Bild 2), bietet die Möglichkeit ein Spritzgießteil auf der Rückseite oder an verdeckter Stelle anzubinden.

Das Entformungsprinzip entspricht dem des Tunnelangusses. Die Verwendung ist auf elastische Formmassen beschrängt. Die große Durchbiegung bei der Entformung erfolgt während der Ausstoßbewegung.

Durch den geringen Fließquerschnitt im Anschnittbereich entstehen große Druckverluste. Dadurch ist dieses Angusssystem nur für einfache Artikel verwendbar.

Angießmöglichkeiten für Mehrfachwerkzeuge

In einem Mehrfachwerkzeug werden in einem Spritzvorgang mehrere Spritzgießteile gleichzeitig hergestellt. Liegen die Formhöhlungen, auch Formnester genannt, in der Trennfläche, so werden diese über Verteilerkanäle mit Schmelze versorgt (Bild 1).

Liegen die Formhöhlungen zentrisch um den Mittelpunkt des Angusskegels, so nennt man das System der Verteilerkanäle Verteilersterne. Bei den Verteilersternen in Bild 1a sind die Fließwege der Formmassen gleich lang. Der Vorteil des Verteilersterns mit Ringkanal in Bild 1b liegt darin, dass die Gesamtlänge der Verteilerkanäle kürzer ist. Beim Reihenanguss (Bild 2) sind die Fließwege unterschiedlich lang, was zu einer geringeren Qualität des Spritzgießteils führen kann. Bild 2 zeigt ein Beispiel für eine ungleichmäßige Füllung der Formhohlräume. Diesen Nachteil kann man durch unterschiedliche Anschnittquerschnitte ausgleichen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der größeren Anzahl der gleichzeitig herstellbaren Spritzgießteile.

Erstarrt das Spritzgießteil gleichzeitig mit dem Angusssystem und bleibt es nach dem Entformen mit diesem verbunden, so muss das Angusssystem nachträglich vom Spritzgießteil abgetrennt werden.

Verteilerkanal- und Anschnittform

Der Verrteilerkanalquerschnitt sollte kreisrund sein, um bei größtem Querschnitt die kleinste Oberfläche und damit die geringste Abkühlungsmöglichkeit zu haben. Die herstellung dieses Querschnittes ist teuer, weil er in beide Werkzeughälften eingearbeitet werden muss (Bild 3). Ein trapezförmiger Querschnitt ist dagegen nur in eine Formplatte einzuarbeiten.

Beim runden Anschnitt ist die Einarbeitung ebenfalls in beide Formhälften notwendig. Wird der rechteckige Querschnitt gewählt, so muss darauf geachtet werden, dass die Breite des Anschnittes ungefähr 2mm kleiner als der Verteilerkanal ist (Bild 3).

Grundsätzlich ist der Anschnitt so zu legen und zu gestalten, dass nur heiße Formmasse vom Bereich der plastischen Seele in den Formhohlraum gelangen kann. Erkaltete Masseteilchen von der Verteilerkanalwandung müssen zurückgehalten werden. Mit der Lage des Anschnittes wird auch die Einspritzrichtung in den Formhohlraum gesteuert.