Verschiedene Arten von Spritzgießverfahren – ein Überblick

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Das Spritzgießen ist ein äußerst effizientes und vielseitiges Verfahren zur Herstellung von Kunststoffteilen. Es ermöglicht die Herstellung komplexer Produkte aus einer Vielzahl von Materialien innerhalb eines sehr kurzen Zeitrahmens. Daher hat sich das Verfahren im Laufe der Jahre immer weiter entwickelt. Jährlich werden neue Varianten eingeführt, die die Möglichkeiten, die Nachhaltigkeit und die Kosteneffizienz des Verfahrens verbessern. Das gesamte Spektrum der Spritzgießverfahren umfasst eine Reihe von Materialien, Mechanismen, Liefermethoden und mehr.

Arten des Spritzgießens

Spritzgießverfahren können auf verschiedene Weise kategorisiert werden, je nachdem, welche Kriterien für die Klassifizierung verwendet werden. Diese Kriterien können das Arbeitsprinzip des Verfahrens, die Art des im Spritzgießverfahren verwendeten Kunststoffs, die Arten der Angusssysteme, die Spezifikationen des Endprodukts und andere relevante Faktoren umfassen.

Um einen umfassenden Überblick zu geben, werden wir zunächst eine Klassifizierung auf der Grundlage der verwendeten Materialart untersuchen, gefolgt von einer Klassifizierung, die die besonderen Merkmale der verschiedenen Spritzgießverfahren hervorhebt.

Kategorisierung auf der Grundlage des Materials

• Thermoplastisches Spritzgießen
• Duroplast-Spritzgießen
• Metall-Spritzgießen (MIM)

Thermoplastisches Spritzgießen

Das Spritzgießen von Thermoplasten ist eine der beliebtesten und vielseitigsten Methoden zur Herstellung leichter und haltbarer Kunststoffprodukte. Thermoplastische Polymere sind wiederverwertbare Materialien, die neu geformt werden können wenn ein Produkt nicht mehr benötigt wird. Sie werden beim Erhitzen weich und verfestigen sich beim Abkühlen, so dass dieser Prozess wiederholt werden kann, um aus alten Gegenständen neue herzustellen. Außerdem ist diese Methode im Allgemeinen kostengünstiger als andere Herstellungsverfahren.

Das Thermoplast-Spritzgießen wird für die Herstellung einer Vielzahl von Konsum-, Industrie- und Medizinprodukten verwendet. Einige Beispiele sind:

• Verbrauchsgüter: Stühle, Kleidung (Kunstfasern), Spielzeug, Haushaltsgeräte, Aufbewahrungsbehälter, Reinigungsmittel und mehr.
• Industrielle Produkte: Pumpen, Zahnräder, Seile, Behälter und mehr.
• Medizinische Produkte: Medizinische Implantate, Diagnoseinstrumente, Beatmungsgeräte, Anästhesiegeräte, Schläuche, medizinische Verpackungen, Zahnspangen, Spritzendichtungen, Wundauflagen, Sauerstoffmasken, Beatmungsbeutel und Schienen für Frakturen, Verstauchungen und Zerrungen.

Duroplast-Spritzgießen

Im Gegensatz zu den thermoplastischen Polymeren sind die duroplastischen Polymere für Einmalgebrauch konzipiert und können nicht recycelt werden. Dieses Verfahren wird häufig zur Herstellung von Metallersatzteilen aus Kunststoff in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der Industrie und der Medizintechnik eingesetzt.

Das Duroplast-Spritzgießen ist dem Thermoplast-Spritzgießen ähnlich. Bei diesem Verfahren wird ein duroplastisches Material erhitzt und in eine Form gespritzt, wo es dauerhaft aushärtet. Ein gängiges Beispiel für ein duroplastisches Material ist Epoxid. Sobald Epoxid in eine Form gegossen ist, härtet es eine irreversible chemische Reaktion und härtet dauerhaft aus. Es kann nicht umgeschmolzen oder umgeformt werden, um neue Produkte herzustellen.

Das Duroplast-Spritzgießen kann im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungsverfahren bei großen Produktionsserien recht kostengünstig sein. Außerdem ist es schnell, wiederholbar und bietet eine breite Palette von Materialoptionen, um die spezifischen Anforderungen verschiedener Produkte zu erfüllen. Einige Beispiele für Produkte, die im Duroplast-Spritzgussverfahren hergestellt werden, sind:

• Produkte für die Luft- und Raumfahrt: Flugzeugstruktur, Triebwerks- und Innenraumkomponenten, Schutzbeschichtungen, Klebstoffe, Dichtungsmittel und mehr.
• Produkte für die Automobilindustrie: Armaturenbretter, Stoßstangen, Kotflügel, A-Säulen, Motorkomponenten, Bremsbeläge, Zündungsteile, elektrische Schalter, Karosserieteile, Hitzeschilder, Sitze und mehr.
• Industrielle Produkte: Pumpengehäuse, Rohre, Ventile, Getriebe, Isolatoren, Leistungsschalter, Gerätetafeln, Sicherheitssysteme und mehr.

Metall-Spritzgießen

Das Metall-Spritzgießen ist eine Variante des Kunststoff-Spritzgießens, bei der feines Metallpulver, das mit einem Polymerbindemittel vermischt ist, in eine Form gespritzt wird, um Metallteile herzustellen. Nach dem Gießen wird das Bindemittel entfernt (Entbinderung) und das Teil gesintert. Gesinterte MIM-Teile erreichen in der Regel ~96-99 % der theoretischen Dichte der Legierung (fast geschmiedet), und durch optionales heißisostatisches Pressen (HIP) kann die Dichte bei anspruchsvollen Anwendungen noch weiter erhöht werden (oft >99,5 %).

Das Verfahren eignet sich hervorragend für kleine, komplexe Bauteile (oft ≤100 g) und ermöglicht dünne Wände und netzförmige Merkmale. Beachten Sie, dass die Injektion zwar schnell ist, die Gesamtdurchlaufzeit jedoch durch das Entbindern und Sintern bestimmt wird, wobei der Durchsatz durch die Verarbeitung vieler Teile pro Ofencharge erreicht wird.

Kategorisierung nach besonderen Merkmalen

Einige Spritzgießverfahren sind für bestimmte Produkte oder Konstruktionsmerkmale maßgeschneidert. In diesem Abschnitt werden wir die folgenden einzigartigen Spritzgießverfahren untersuchen:

• Würfelgießen
• Gasunterstütztes Spritzgießen
• Spritzgießen von Flüssigsilikonkautschuk
• Dünnwandiges Spritzgießen
• Strukturelles Schaumgießen
• Mikro-Spritzgießen
• Reaktionsspritzgießen
• Schmelzkern-Spritzgießen
• Umspritzen und Einlegen

Würfel-Formenbau

Das Würfelgießen ist eine spezielle Form des Spritzgießens, die eine würfelförmige Form verwendet, um runde Kunststoffteile herzustellen. Der Würfel kann um die vertikale Achse gedreht werden, so dass die verschiedenen Seiten des Würfels zum Formen verschiedener Teile genutzt werden können. Obwohl diese Technologie relativ neu ist, zeichnet sie sich durch hohe Effizienz aus und kann die Produktionszeit pro Bauteil auf weniger als 0,25 Sekunden reduzieren. 40%ige Reduzierung der Zykluszeiten.

Bei diesem Verfahren werden mehrere Trennebenen verwendet, in die nacheinander Material eingespritzt wird, um eine Multimaterial- oder Multikomponententeile. Die Würfelform wird zwischen den aufeinanderfolgenden Einspritzungen entweder um 90° oder um 180° gedreht. Während die zweite Einspritzung auf einer Seite erfolgt, wird die erste Einspritzung auf einer anderen Seite des Würfels wiederholt. Auf diese Weise können Einspritzung, Kühlung und Teileauswurf gleichzeitig auf mehreren Seiten erfolgen, was die Produktivität effektiv verdoppelt.

Das Würfelgießen bietet mehrere Vorteile, u. a. einen geringeren Platzbedarf (höherer Ausstoß pro Stellfläche), die Möglichkeit, hochkomplexe Teile mit mehreren Materialien und Farben herzustellen, und schnelle Zykluszeiten (bis zu 10.000 Teile pro Stunde). Darüber hinaus unterstützt es verschiedene Anwendungen und ermöglicht die einfache Herstellung von Ein-, Zwei- oder Drei-Komponenten-Teilen. Darüber hinaus besteht ein hohes Automatisierungspotenzial, da Vorgänge wie das Einsetzen, Ausschrauben, Montieren und Prüfen automatisiert werden können, um eine gleichbleibende Qualität ohne menschliches Eingreifen zu erreichen. Weitere Vorteile sind die geringere Schließkraft und die Kompatibilität mit der Großserienproduktion.

Gasunterstütztes Spritzgießen

Gasunterstütztes Spritzgießen nutzt unter Druck stehendes Gas, um Hohlräume oder Kavitäten zu erzeugen innerhalb des Formteils zu schaffen. Gase üben in einer geschlossenen Umgebung in alle Richtungen den gleichen Druck aus. Diese Eigenschaft wird bei diesem Spritzgießverfahren genutzt, um eine gleichmäßige Wandstärke im gesamten Formteil zu gewährleisten.

Die Endprodukte aus diesem Gießverfahren weisen eine glatte, hochwertige und glänzende Oberfläche auf. Außerdem erfordert das Verfahren einen geringeren Schließdruck, was wiederum die Kosten und den Verschleiß der Spritzgießmaschine reduziert.

Da das Gas die dickeren Abschnitte füllt, sinkt auch die Wahrscheinlichkeit, dass Einfallstellen auf dem Teil erscheinen.

Einfallstellen sind flache Vertiefungen auf der Oberfläche von Spritzgussteilen, die durch ungleichmäßige Abkühlung entstehen. Die Oberfläche kühlt schneller ab als das Kernmaterial, wodurch das Kernmaterial das Oberflächenmaterial nach innen zieht und kleine kraterartige Vertiefungen auf der Oberfläche hinterlässt.

Flüssigsilikonkautschuk-Spritzgießen

Bei diesem Flüssigsilikon-Spritzgussverfahren wird Silikon verwendet, ein wärmehärtendes Polymer, das für seine einzigartigen Eigenschaften bekannt ist, darunter eine glatte Oberfläche, ein hochwertiges Aussehen, Haltbarkeit, Biokompatibilität, thermische Stabilität sowie eine ausgezeichnete elektrische und chemische Beständigkeit.

Anders als typische Spritzgussmaterialien, bleibt Silikon bei Raumtemperatur in flüssigem Zustand und kann direkt in die Gießmaschine gegossen werden, ohne dass es erhitzt werden muss. Allerdings muss es muss jedoch vulkanisiert werden – ein Verfahren, bei dem Gummi durch Hitze und Schwefel gehärtet wird.

Dünnwandspritzguss

Die Herstellung dünner Wände stellt beim Spritzgießen eine große Herausforderung dar. Für spezielle Anwendungen in der Massenproduktion ist der Einsatz des Dünnwandspritzgussverfahrens wesentlich effektiver. Bei diesem Verfahren kommen zum Einsatz spezielle Anlagen für die Herstellung dünnwandiger Produkte für verschiedene Anwendungen.

Die Dicke eines Produkts hängt weitgehend von seiner Größe ab. Für kleine Bauteile, dünne Wände können eine Dicke von weniger als 0,5 mm haben. Im Gegensatz dazu, können größere Teile wesentlich dickere Dicken aufweisen und erfordern dennoch eine dünnwandige Spritzgießausrüstung. Das Hauptunterscheidungsmerkmal bei diesem Verfahren ist das Verhältnis von Fließlänge zu Dicke, wobei einige Bauteile ein Verhältnis von mehr als 200 aufweisen.

Das Dünnwandspritzgießen bietet mehrere Vorteile, darunter eine hohe Materialeffizienz, kurze Zykluszeiten und Kosteneinsparungen. Diese Technik wird häufig zur Herstellung von Behältern, Gehäusen und Ausrüstungen eingesetzt.

Strukturschaum-Spritzgießen

Beim Strukturschaumguss werden mit dem Kunststoff vermischte Gase verwendet, um das Kunststoffmaterial gegen die Formwände zu drücken. Dieses Verfahren ist eine Form des Niederdruck-Spritzgießens.

Bei diesem Verfahren werden thermoplastische und duroplastische Polymere während der Schmelzphase mit Stickstoffgas vermischt und in die Form gespritzt. Das Einbringen von Stickstoff führt zum Aufschäumen des Materials. Die Gas verdünnt den Kern und drückt das Material nach außen zu den Formwänden. Wenn das Material mit den kalten Wänden der Form in Berührung kommt, kollabieren die Schaumblasen, und das Material verfestigt sich, was zu einer erhöhten Dichte an den Wänden führt. Folglich wird eine feste äußere Schicht mit einem leichteren Kern erreicht wird.

Beim Strukturschaum-Spritzgießen werden aufgrund des geringeren Drucks keine Stahlformen benötigt. Stattdessen werden Aluminium oder andere leichtere Metalle verwendet, wodurch das Verfahren kostengünstiger ist. Die fertigen Teile können im Vergleich zu anderen Spritzgussverfahren größer sein und eignen sich daher für die Herstellung größerer Bauteile wie Autodächer, Gehäuse, Kunststoffpaletten, Verkleidungen, große Geräteabdeckungen, Kioskgehäuse und mehr.

Das Verfahren ist äußerst kosteneffizient, und die erhöhte Porosität verleiht den Bauteilen eine außergewöhnliche Wärme- und Schalldämmung. Es hat jedoch mehrere Nachteile, darunter eine geringere Produktionsgeschwindigkeit, die Notwendigkeit dicker Wände (mindestens 1/4 Zoll bzw. 6 mm), ein höherer Nachbearbeitungsaufwand und eine rauere Oberflächenbeschaffenheit.

Mikro-Spritzgießen

Das Mikrospritzgießen ist ein spezielles Spritzgießverfahren zur Herstellung von Miniatur-Kunststoffteile, die in der Regel weniger als ein Gramm wiegen. Diese Teile finden Verwendung als Mikrozahnräder, medizinische Spritzen und Nadeln, Mikroimplantate, Steckverbinder und in elektronischen Leiterplatten. Dieses Verfahren zeichnet sich durch seine hohe Präzision aus, da die Teile Toleranzbereiche einhalten müssen, die in Mikrometern gemessen werden. Außerdem können sie komplizierte Merkmale wie dünne Wände und Mikrolöcher aufweisen.

Der Produktionsprozess ist ähnelt dem Standard-Spritzgießen, arbeitet aber auf mikroskopischer Ebene. Die Spritzgießmaschine ist mit einer Mikrospritzeinheit ausgestattet, um die kleinen Bauteile aufzunehmen. Materialmengen, die nur Bruchteile eines Gramms wiegen, werden präzise in die Form gespritzt. Andernfalls können beim Mikrospritzguss unbedeutende Merkmale wie Trennfugen über den Erfolg oder Misserfolg eines Teils entscheiden.

Mikrospritzgussteile werden aufgrund ihrer Größenvorteile zunehmend in der medizinischen Industrie eingesetzt. Diese Komponenten ermöglichen die sichere Durchführung von minimal-invasiven Operationen, einschließlich Neurochirurgie und Aorteneingriffen.

Reaktionsspritzgießen

Das Reaktionsspritzgießen (RIM) verwendet zwei oder mehr reaktive flüssige Polymere um starke und dauerhafte Komponenten herzustellen. Die beiden Monomere, in der Regel ein Harz und ein Härter, werden in einer speziellen Mischkammer zu einem homogenen Gemisch verbunden. Nach der Herstellung wird diese Mischung mit relativ niedrigem Druck (bis zu 100 bar) in die Form eingespritzt, bis der Formhohlraum vollständig gefüllt ist.

Die Mischung durchläuft eine exotherme Reaktion in der Form, die mit Gasemissionen oder Schaumbildung einhergehen kann, gefolgt von der Erstarrung. Die festen Komponenten werden dann aus der Form entnommen und gegebenenfalls nachbearbeitet.

Einige Verfahren können die Einarbeitung von Verstärkungsmaterialien beinhaltenwie z. B. Glasfasern oder Glimmer, um die Festigkeit und Steifigkeit des Endprodukts zu erhöhen. Diese Verfahren lassen sich in zwei Kategorien einteilen: strukturelles Reaktionsspritzgießen und verstärktes Reaktionsspritzgießen.

Unter strukturelle RIMwerden vor dem Einspritzen des flüssigen Gemischs Verstärkungsstoffe, wie z. B. Kohlenstofffasern, in den Formhohlraum eingebracht. Wenn die Mischung um die Fasern herum erstarrt, erhöht die Faserstruktur die Festigkeit des Bauteils.

Unter verstärkte RIMwerden Verstärkungsmittel wie Glasfasern und Kieselerde vor dem Einspritzen mit der flüssigen Mischung kombiniert.

Schmelzkern-Spritzgießen

Das Schmelzkern-Spritzgießen, auch bekannt als Lost-Core-Spritzgießen, ist eine spezielle Variante des Spritzgießverfahrens die zur Herstellung von inneren Hohlräumen oder Hinterschneidungen verwendet wird die mit entformbaren Kernen nicht erreicht werden können. Entformbare Kerne sind Kerne, die nach dem Spritzgussverfahren aus den Teilen entfernt werden können.

In solchen Fällen verwenden wir Schmelzkerne, die entweder sich von selbst auflösen oder später geschmolzen werden können um sie vom fertigen Teil zu trennen. Dieses Verfahren wird als Spritzgießen mit löslichem Kern bezeichnet, wenn der Kern aus Kunststoff besteht.

Das Schmelzkernspritzgießen besteht aus drei Hauptschritten: Kernvorbereitung, Einlegen des Kerns in die Form und Schießen der Form sowie Entnahme der fertigen Teile und Schmelzen des Kerns.

Der Kern kann aus einem Metall mit niedrigem Schmelzpunkt, wie einer Zinn-Wismut-Legierung, oder einem löslichen Polymer bestehen. Diese Materialien haben in der Regel eine Schmelztemperatur von etwa 150 °C. Es ist von entscheidender Bedeutung, dass die Kerne nicht porös sind, um Defekte im Endprodukt zu vermeiden. Außerdem bieten Polymerkerne den Vorteil, dass sie mit herkömmlichen Spritzgussmaschinen im Haus hergestellt werden können.

Die Kerne werden dann in die Form eingelegt. Dieser Vorgang kann so einfach sein wie das Einlegen des Kerns und das Schließen der Form. Bei komplexeren Teilen liefert die Automatisierung jedoch aufgrund ihrer höheren Genauigkeit und Geschwindigkeit bessere Ergebnisse. Sobald der Kern sicher positioniert und die Form geschlossen ist, wird geschmolzener Kunststoff in die Form gespritzt. Nach dem Erstarren wird der Kern durch ein heißes Bad oder durch Induktionserwärmung aus dem Formteil entfernt.

Das erste Schmelzkern-Spritzgussverfahren wurde 1968 patentiert, fand aber erst dann breite Anwendung, als der Automobilsektor es zur Herstellung von Teilen wie Ansaugkrümmern und Bremsgehäusen einsetzte.

Umspritzen und Umspritzen mit Einlegeteilen

Das Umspritzen ist eine spezielle Form des Spritzgießens, bei der die sequenzielles Übereinanderspritzen von zwei oder mehr Kunststoffteilenüber mehrere Stationen, um ein Multimaterialteil herzustellen. Bei diesem Verfahren werden mehrere Spritzeinheiten verwendet, die verschiedene Kavitäten versorgen. Die Basis, das so genannte Substrat, wird zuerst geformt, gefolgt von den höheren Schichten, die geformt werden, während das Teil die verschiedenen Stationen durchläuft. Wenn zwei Materialien im Spritzgussverfahren verwendet werden, spricht man von einem Zweischicht-Spritzgießen.

Das Umspritzen ermöglicht die Herstellung von Multi-Material-Komponenten, wie z.B. Kunststoffteile mit Gummigriff. Diese Technik wird häufig bei der Herstellung von Griffen, Zahnbürsten, Knöpfen, Parfümflaschen und vielem mehr eingesetzt.

Eine Variante des Umspritzens ist das Insert Moulding, bei dem ein vorgefertigtes Substrat verwendet wird, das mit Kunststoff beschichtet ist. So kann beispielsweise ein Schraubenzieher aus Metall mit einem Kunststoffgriff ummantelt werden. Das Substrat wird in der Form befestigt und der geschmolzene Kunststoff eingespritzt. Spritzgussprodukte sind allgegenwärtig und kommen in verschiedenen Formen vor, z. B. in Kabeln, Herzschrittmachern, elektrischen Sensoren, Befestigungselementen und vielem mehr.

Der Hauptunterschied zwischen den beiden Verfahren besteht darin, dass Beim Umspritzen wird ein gummiartiger Kunststoff um ein anderes Kunststoffmaterial herumgeformt, während beim Einspritzgießen Kunststoff um ein Nicht-Kunststoffobjekt herumgeformt wird..

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