Spritze

Spritzgießen (Spritzgießen in den USA) ist ein Herstellungsverfahren zur Herstellung von Teilen durch Einspritzen von Material in eine Form. Spritzguss kann mit einer Vielzahl von Materialien durchgeführt werden, darunter Metalle (für die das Verfahren als Druckguss bezeichnet wird), Gläser, Elastomere, Süßwaren und am häufigsten thermoplastische und duroplastische Polymere. Das Material für das Teil wird einem beheizten Zylinder zugeführt, gemischt und in einen Formhohlraum gedrückt, wo es abkühlt und auf die Form des Hohlraums aushärtet. Nachdem ein Produkt entworfen wurde, normalerweise von einem Industriedesigner oder einem IngenieurFormen werden von einem Formenbauer (oder Werkzeugbauer) aus Metall, normalerweise Stahl oder Aluminium, hergestellt und präzisionsbearbeitet, um die Merkmale des gewünschten Teils zu formen. Spritzguss wird häufig zur Herstellung einer Vielzahl von Teilen eingesetzt, von kleinsten Bauteilen bis hin zu ganzen Karosserieteilen von Autos. Fortschritte in der 3D-Drucktechnologie, bei der Photopolymere verwendet werden, die beim Spritzgießen einiger Thermoplaste mit niedrigerer Temperatur nicht schmelzen, können für einige einfache Spritzgussformen genutzt werden.

Teile, die spritzgegossen werden sollen, müssen sehr sorgfältig entworfen werden, um den Formprozess zu erleichtern. Dabei müssen das für das Teil verwendete Material, die gewünschte Form und Eigenschaften des Teils, das Material der Form und die Eigenschaften der Formmaschine berücksichtigt werden. Die Vielseitigkeit des Spritzgießens wird durch diese Vielfalt an Designüberlegungen und -möglichkeiten ermöglicht.

Anwendungen

Spritzguss wird verwendet, um viele Dinge wie Drahtspulen zu erzeugen, Verpackung, Flaschenverschlüsse, Automobilteile und -komponenten, Gameboys, Taschenkämme, einige Musikinstrumente (und Teile davon), einteilige Stühle und kleine Tische, Aufbewahrungsbehälter, mechanische Teile (einschließlich Zahnräder) und die meisten anderen heute erhältlichen Kunststoffprodukte. Spritzguss ist die gebräuchlichste moderne Methode zur Herstellung von Kunststoffteilen. Es ist ideal für die Produktion großer Stückzahlen desselben Objekts.

Prozessmerkmale

Beim Spritzgießen wird ein Stempel oder ein Schraubenkolben verwendet, um das Schmelzen zu erzwingen Kunststoff Material in einen Formhohlraum; Dies verfestigt sich zu einer Form, die sich an die Kontur der Form angepasst hat. Am häufigsten werden damit sowohl thermoplastische als auch duroplastische Polymere verarbeitet, wobei das eingesetzte Volumen bei ersteren deutlich höher ist. Thermoplaste sind aufgrund ihrer Eigenschaften weit verbreitet, die sie für das Spritzgießen hervorragend geeignet machen, wie z. B. die einfache Recyclingfähigkeit, ihre Vielseitigkeit, die den Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen ermöglicht, und ihre Fähigkeit, beim Erhitzen weich zu werden und zu fließen. Thermoplaste haben gegenüber Duroplasten auch ein Sicherheitselement; Wenn ein duroplastisches Polymer nicht rechtzeitig aus dem Spritzzylinder ausgeworfen wird, kann es zu einer chemischen Vernetzung kommen, die zum Festfressen der Schnecke und der Rückschlagventile und möglicherweise zu Schäden an der Spritzgießmaschine führt.

Beim Spritzgießen wird das Rohmaterial unter hohem Druck in eine Form gespritzt, die das Polymer in die gewünschte Form bringt. Formen können aus einer einzelnen Kavität oder mehreren Kavitäten bestehen. In Formen mit mehreren Kavitäten kann jede Kavität identisch sein und die gleichen Teile formen, oder sie kann einzigartig sein und während eines einzigen Zyklus mehrere unterschiedliche Geometrien bilden. Formen werden im Allgemeinen aus Werkzeugstählen hergestellt, für bestimmte Anwendungen sind jedoch auch rostfreie Stähle und Aluminiumformen geeignet. Aluminiumformen eignen sich in der Regel nicht für die Produktion großer Stückzahlen oder für Teile mit engen Maßtoleranzen, da sie schlechtere mechanische Eigenschaften aufweisen und während der Einspritz- und Schließzyklen anfälliger für Verschleiß, Beschädigung und Verformung sind. Aluminiumformen sind jedoch bei Anwendungen mit geringem Volumen kosteneffektiv, da die Kosten und die Zeit für die Herstellung der Formen erheblich reduziert werden. Viele Stahlformen sind für die Verarbeitung von weit über einer Million Teilen im Laufe ihrer Lebensdauer ausgelegt und können in der Herstellung Hunderttausende Dollar kosten.

Wann Thermoplaste Das geformte, typischerweise pelletierte Rohmaterial wird durch einen Trichter in ein beheiztes Fass mit einer hin- und hergehenden Schnecke geleitet. Beim Eintritt in das Fass steigt die Temperatur und die Van-der-Waals-Kräfte, die dem relativen Fluss einzelner Ketten entgegenwirken, werden durch den vergrößerten Raum zwischen Molekülen bei höheren thermischen Energiezuständen geschwächt. Durch diesen Prozess wird die Viskosität reduziert, wodurch das Polymer mit der Antriebskraft der Einspritzeinheit fließen kann. Die Schnecke fördert das Rohmaterial, mischt und homogenisiert die thermischen und viskosen Verteilungen des Polymers und reduziert die erforderliche Aufheizzeit, indem sie das Material mechanisch schert und dem Polymer eine erhebliche Reibungswärme verleiht. Das Material wird durch ein Rückschlagventil gefördert und sammelt sich an der Vorderseite der Schnecke in einem Volumen, das als a bezeichnet wird Schuss. Ein Schuss ist das Materialvolumen, das verwendet wird, um den Formhohlraum zu füllen, die Schrumpfung auszugleichen und ein Polster (ungefähr 10 % des gesamten Schussvolumens, das im Zylinder verbleibt und verhindert, dass die Schnecke den Boden erreicht) zur Druckübertragung bereitzustellen von der Schnecke bis zum Formhohlraum. Wenn sich genügend Material angesammelt hat, wird das Material mit hohem Druck und hoher Geschwindigkeit in den Formhohlraum gedrückt. Um Druckspitzen zu vermeiden, verwendet der Prozess normalerweise eine Transferposition, die einer zu 95–98 % gefüllten Kavität entspricht, in der die Schnecke von einer konstanten Geschwindigkeit auf eine konstante Druckregelung umschaltet. Oftmals liegen die Injektionszeiten deutlich unter 1 Sekunde. Sobald die Schnecke die Transferposition erreicht, wird der Packdruck ausgeübt, der die Formfüllung abschließt und die thermische Schrumpfung ausgleicht, die bei Thermoplasten im Vergleich zu vielen anderen Materialien recht hoch ist. Der Packungsdruck wird ausgeübt, bis der Anschnitt (Hohlraumeingang) erstarrt. Aufgrund seiner geringen Größe ist der Anschnitt normalerweise der erste Ort, an dem er sich über seine gesamte Dicke verfestigt. Sobald der Anschnitt erstarrt ist, kann kein Material mehr in die Kavität eindringen; Dementsprechend bewegt sich die Schnecke hin und her und nimmt Material für den nächsten Zyklus auf, während das Material in der Form abkühlt, sodass es ausgeworfen werden kann und formstabil ist. Diese Kühldauer wird durch den Einsatz von Kühlleitungen, die Wasser oder Öl von einem externen Temperaturregler zirkulieren lassen, drastisch verkürzt. Sobald die erforderliche Temperatur erreicht ist, öffnet sich die Form und eine Reihe von Stiften, Hülsen, Abstreifern usw. werden nach vorne geschoben, um den Artikel zu entformen. Anschließend wird die Form geschlossen und der Vorgang wiederholt.

Bei Duroplasten werden typischerweise zwei unterschiedliche chemische Komponenten in den Zylinder eingespritzt. Diese Komponenten beginnen sofort mit irreversiblen chemischen Reaktionen, die das Material schließlich zu einem einzigen verbundenen Netzwerk von Molekülen vernetzen. Bei der chemischen Reaktion wandeln sich die beiden Flüssigkeitskomponenten dauerhaft in einen viskoelastischen Feststoff um. Die Verfestigung im Einspritzzylinder und in der Schnecke kann problematisch sein und finanzielle Auswirkungen haben; Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Aushärtung des Duroplasts im Zylinder zu minimieren. Dies bedeutet typischerweise, dass die Verweilzeit und Temperatur der chemischen Vorläufer in der Einspritzeinheit minimiert werden. Die Verweilzeit kann reduziert werden, indem die Volumenkapazität des Fasses minimiert und die Zykluszeiten maximiert werden. Diese Faktoren haben zum Einsatz einer thermisch isolierten Kaltspritzeinheit geführt, die die reagierenden Chemikalien in eine thermisch isolierte heiße Form einspritzt, was die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen erhöht und zu einer kürzeren Zeit führt, die zum Erreichen einer verfestigten duroplastischen Komponente erforderlich ist. Nachdem das Teil erstarrt ist, schließen sich die Ventile, um das Einspritzsystem und die chemischen Vorläufer zu isolieren, und die Form öffnet sich, um die geformten Teile auszuwerfen. Dann schließt sich die Form und der Vorgang wiederholt sich.

Vorgeformte oder bearbeitete Komponenten können in den Hohlraum eingeführt werden, während die Form geöffnet ist, so dass sich das im nächsten Zyklus eingespritzte Material um sie herum bilden und verfestigen kann. Dieser Vorgang ist bekannt als Formteil einsetzen und ermöglicht, dass einzelne Teile mehrere Materialien enthalten. Dieses Verfahren wird häufig verwendet, um Kunststoffteile mit hervorstehenden Metallschrauben herzustellen, die ein wiederholtes Befestigen und Lösen ermöglichen. Diese Technik kann auch für In-Mould-Labeling verwendet werden und Foliendeckel können auch auf geformten Kunststoffbehältern angebracht werden.

Auf dem endgültigen Teil sind normalerweise eine Trennlinie, ein Anguss, Angussmarkierungen und Auswerferstiftmarkierungen vorhanden. Keine dieser Funktionen ist normalerweise erwünscht, aber aufgrund der Art des Prozesses unvermeidbar. Angussmarkierungen treten am Anguss auf, der die Schmelzezufuhrkanäle (Anguss und Angusskanal) mit der Formkavität des Teils verbindet. Trennlinien- und Auswerferstiftmarkierungen resultieren aus geringfügigen Fehlausrichtungen, Verschleiß, Gasentlüftungen, Spielräumen für benachbarte Teile in Relativbewegung und/oder Maßunterschieden der Passflächen, die das eingespritzte Polymer berühren. Maßunterschiede können auf ungleichmäßige, druckbedingte Verformungen beim Einspritzen, Bearbeitungstoleranzen und ungleichmäßige thermische Ausdehnung und Kontraktion von Formkomponenten zurückgeführt werden, die während der Einspritz-, Pack-, Abkühl- und Auswurfphasen des Prozesses schnelle Zyklen erfahren . Formkomponenten werden oft aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten konstruiert. Diese Faktoren können nicht gleichzeitig berücksichtigt werden, ohne dass die Kosten für Design, Herstellung, Verarbeitung und Qualitätsüberwachung astronomisch steigen. Der geschickte Formen- und Teilekonstrukteur wird diese ästhetischen Mängel nach Möglichkeit in verborgenen Bereichen positionieren.

Geschichte

Der amerikanische Erfinder John Wesley Hyatt patentierte zusammen mit seinem Bruder Isaiah Hyatt 1872 die erste Spritzgussmaschine. Diese Maschine war im Vergleich zu heute verwendeten Maschinen relativ einfach: Sie funktionierte wie eine große Injektionsnadel und spritzte mithilfe eines Kolbens Kunststoff durch eine beheizte Düse Zylinder in eine Form geben. Die Branche entwickelte sich im Laufe der Jahre langsam weiter und produzierte Produkte wie Kragenstäbchen, Knöpfe und Haarkämme.

Die deutschen Chemiker Arthur Eichengrün und Theodore Becker erfanden 1903 die ersten löslichen Formen von Celluloseacetat, das viel weniger brennbar war als Cellulosenitrat. Schließlich wurde es in Pulverform erhältlich, aus der es leicht spritzgegossen werden konnte. Arthur Eichengrün entwickelte 1919 die erste Spritzgusspresse. 1939 patentierte Arthur Eichengrün das Spritzgießen von plastifiziertem Celluloseacetat.

In den 1940er Jahren wuchs die Branche rasant, da der Zweite Weltkrieg eine enorme Nachfrage nach preiswerten Massenprodukten erzeugte. Im Jahr 1946 baute der amerikanische Erfinder James Watson Hendry die erste Schneckenspritzmaschine, die eine wesentlich präzisere Steuerung der Einspritzgeschwindigkeit und der Qualität der hergestellten Artikel ermöglichte. Diese Maschine ermöglichte auch das Mischen des Materials vor dem Einspritzen, sodass farbiger oder recycelter Kunststoff dem Neumaterial hinzugefügt und vor dem Einspritzen gründlich gemischt werden konnte. Heutzutage machen Schneckenspritzmaschinen den weitaus größten Teil aller Spritzgießmaschinen aus. In den 1970er Jahren entwickelte Hendry das erste gasunterstützte Spritzgussverfahren, das die Herstellung komplexer, hohler Artikel ermöglichte, die schnell abkühlten. Dadurch wurden die Designflexibilität sowie die Festigkeit und Verarbeitung der hergestellten Teile erheblich verbessert und gleichzeitig Produktionszeit, Kosten, Gewicht und Abfall reduziert.

Die Kunststoffspritzgussindustrie hat sich im Laufe der Jahre von der Herstellung von Kämmen und Knöpfen zur Herstellung einer breiten Palette von Produkten für viele Branchen entwickelt, darunter Automobil, Medizin, Luft- und Raumfahrt, Konsumgüter, Spielzeug, Sanitär, Verpackung und Bauwesen.

Beispiele für Polymere, die für das Verfahren am besten geeignet sind

Die meisten Polymere, manchmal auch als Harze bezeichnet, können verwendet werden, einschließlich aller Thermoplaste, einiger Duroplaste und einiger Elastomere. Seit 1995 ist die Gesamtzahl der verfügbaren Materialien für den Spritzguss jährlich um 750 gestiegen; Als dieser Trend begann, waren etwa 18,000 Materialien verfügbar. Zu den verfügbaren Materialien gehören Legierungen oder Mischungen zuvor entwickelter Materialien, sodass Produktdesigner aus einer großen Auswahl das Material mit den besten Eigenschaften auswählen können. Hauptkriterien für die Auswahl eines Materials sind die für das Endteil erforderliche Festigkeit und Funktion sowie die Kosten, aber jedes Material hat auch unterschiedliche Parameter für die Formung, die berücksichtigt werden müssen. Gängige Polymere wie Epoxidharz und Phenolharz sind Beispiele für duroplastische Kunststoffe, während Nylon, Polyethylen und Polystyrol thermoplastische Kunststoffe sind. Bis vor relativ kurzer Zeit waren Federn aus Kunststoff nicht möglich, aber Fortschritte bei den Polymereigenschaften machen sie mittlerweile durchaus praktisch. Zu den Anwendungen gehören Schnallen zum Verankern und Lösen von Gurten für Outdoor-Ausrüstung.

Ausrüstung

Spritzgießmaschinen bestehen aus einem Materialtrichter, einem Einspritzstempel bzw. Schneckenkolben und einer Heizeinheit. Sie werden auch Pressen genannt und enthalten die Formen, in denen die Bauteile geformt werden. Pressen werden nach der Tonnage bewertet, die die Höhe der Spannkraft ausdrückt, die die Maschine ausüben kann. Diese Kraft hält die Form während des Einspritzvorgangs geschlossen. Die Tonnage kann zwischen weniger als 5 Tonnen und über 9,000 Tonnen variieren, wobei die höheren Zahlen in vergleichsweise wenigen Produktionsbetrieben verwendet werden. Die erforderliche Gesamtklemmkraft wird durch die projizierte Fläche des zu formenden Teils bestimmt. Diese projizierte Fläche wird mit einer Klemmkraft von 1.8 bis 7.2 Tonnen pro Quadratzentimeter der projizierten Fläche multipliziert. Als Faustregel gelten 4 oder 5 Tonnen/Zoll² kann für die meisten Produkte verwendet werden. Wenn das Kunststoffmaterial sehr steif ist, ist zum Füllen der Form ein höherer Einspritzdruck und damit eine größere Schließkraft erforderlich, um die Form geschlossen zu halten. Die erforderliche Kraft kann auch durch das verwendete Material und die Größe des Teils bestimmt werden; Größere Teile erfordern eine höhere Spannkraft.

Schimmel

Schimmel or sterben sind die gebräuchlichen Begriffe, die zur Beschreibung des Werkzeugs verwendet werden, mit dem Kunststoffteile im Formteil hergestellt werden.

Da die Herstellung von Formen teuer war, wurden sie normalerweise nur in der Massenproduktion verwendet, bei der Tausende von Teilen hergestellt wurden. Typische Formen bestehen aus gehärtetem Stahl, vorgehärtetem Stahl, Aluminium und/oder einer Beryllium-Kupfer-Legierung. Die Wahl des Materials, aus dem eine Form hergestellt wird, ist in erster Linie eine wirtschaftliche Frage; Im Allgemeinen ist die Herstellung von Stahlformen teurer, aber ihre längere Lebensdauer gleicht die höheren Anschaffungskosten aus, die bei einer höheren Anzahl von Teilen entstehen, bevor sie verschleißen. Formen aus vorgehärtetem Stahl sind weniger verschleißfest und werden für geringere Volumenanforderungen oder größere Bauteile verwendet; Ihre typische Stahlhärte beträgt 38–45 auf der Rockwell-C-Skala. Formen aus gehärtetem Stahl werden nach der Bearbeitung wärmebehandelt; diese sind in puncto Verschleißfestigkeit und Lebensdauer deutlich überlegen. Die typische Härte liegt zwischen 50 und 60 Rockwell-C (HRC). Aluminiumformen können deutlich günstiger sein, und wenn sie mit modernen computergestützten Geräten entworfen und bearbeitet werden, können sie für das Formen von Zehntausenden oder sogar Hunderttausenden Teilen wirtschaftlich sein. Berylliumkupfer wird in Bereichen der Form verwendet, die eine schnelle Wärmeableitung erfordern oder in denen die meiste Scherwärme erzeugt wird. Die Formen können entweder durch CNC-Bearbeitung oder durch Funkenerosionsverfahren hergestellt werden.

Formenbau

Die Form besteht aus zwei Hauptkomponenten, der Spritzgussform (A-Platte) und der Auswerferform (B-Platte). Diese Komponenten werden auch als bezeichnet vermodern und Formenbauer. Kunststoffharz gelangt durch a in die Form Anguss or Tor in der Spritzgussform; Die Angussbuchse soll eng an der Düse des Einspritzzylinders der Formmaschine anliegen und ermöglichen, dass geschmolzener Kunststoff vom Zylinder in die Form fließen kann, die auch als Spritzguss bezeichnet wird Hohlraum. Die Angussbuchse leitet den geschmolzenen Kunststoff über Kanäle, die in die Flächen der A- und B-Platten eingearbeitet sind, zu den Hohlraumbildern. An diesen Kanälen kann Kunststoff entlanglaufen, daher werden sie so genanntLäufer. Der geschmolzene Kunststoff fließt durch den Angusskanal und tritt in einen oder mehrere spezielle Anschnitte und in die Hohlraumgeometrie ein, um das gewünschte Teil zu formen.

Die Menge an Harz, die zum Füllen des Angusskanals, des Angusskanals und der Hohlräume einer Form erforderlich ist, umfasst einen „Schuss“. In der Form eingeschlossene Luft kann durch Entlüftungsöffnungen entweichen, die in die Trennfuge der Form geschliffen sind, oder um Auswerferstifte und Schieber herum, die etwas kleiner sind als die Löcher, in denen sie befestigt sind. Wenn die eingeschlossene Luft nicht entweichen kann, wird sie durch den Druck des einströmenden Materials komprimiert und in die Ecken des Hohlraums gequetscht, wo sie das Füllen verhindert und auch andere Defekte verursachen kann. Die Luft kann sogar so stark komprimiert werden, dass sie das umgebende Kunststoffmaterial entzündet und verbrennt.

Um die Entnahme des geformten Teils aus der Form zu ermöglichen, dürfen die Formelemente in der Richtung, in der sich die Form öffnet, nicht übereinander hinausragen, es sei denn, Teile der Form sind so konstruiert, dass sie sich beim Öffnen der Form zwischen solchen Überhängen bewegen (mithilfe von Komponenten, die Heber genannt werden). ).

Seiten des Teils, die parallel zur Zugrichtung erscheinen (die Achse der Kernposition (Loch) oder des Einsatzes verläuft parallel zur Auf- und Abbewegung der Form beim Öffnen und Schließen). sind typischerweise leicht abgewinkelt, was als Formschräge bezeichnet wird, um das Lösen des Teils aus der Form zu erleichtern. Unzureichender Tiefgang kann zu Verformungen oder Schäden führen. Der für die Entformung erforderliche Formschräge hängt in erster Linie von der Tiefe der Kavität ab: Je tiefer die Kavität, desto mehr Formschräge ist erforderlich. Bei der Ermittlung des erforderlichen Tiefgangs ist auch die Schwindung zu berücksichtigen. Wenn die Haut zu dünn ist, neigt das Formteil dazu, auf die Kerne zu schrumpfen, die sich beim Abkühlen bilden, und an diesen Kernen zu haften, oder das Teil kann sich verziehen, verdrehen, Blasen bilden oder reißen, wenn der Hohlraum weggezogen wird.

Eine Form ist normalerweise so konstruiert, dass das Formteil beim Öffnen zuverlässig auf der Auswerferseite (B) der Form verbleibt und den Angusskanal und den Anguss zusammen mit den Teilen aus der Seite (A) herauszieht. Das Teil fällt dann frei, wenn es von der Seite (B) ausgeworfen wird. Tunnelanschnitte, auch U-Boot- oder Formanschnitte genannt, befinden sich unterhalb der Trennlinie oder Formoberfläche. An der Trennfuge wird eine Öffnung in die Oberfläche der Form eingearbeitet. Das geformte Teil wird beim Auswerfen aus der Form vom Angusssystem abgeschnitten (von der Form). Auswerferstifte, auch Auswerferstifte genannt, sind kreisförmige Stifte, die in einer Hälfte der Form (normalerweise der Auswerferhälfte) platziert werden und das fertig geformte Produkt oder Angusssystem aus einer Form drücken. Das Auswerfen des Artikels mithilfe von Stiften, Hülsen, Abstreifern usw. kann zu unerwünschten Abdrücken oder Verformungen führen. Daher ist bei der Gestaltung der Form Vorsicht geboten.

Die Standardkühlungsmethode besteht darin, ein Kühlmittel (normalerweise Wasser) durch eine Reihe von Löchern zu leiten, die durch die Formplatten gebohrt und durch Schläuche verbunden sind, um einen kontinuierlichen Weg zu bilden. Das Kühlmittel absorbiert die Wärme der Form (die die Wärme des heißen Kunststoffs aufgenommen hat) und hält die Form auf einer geeigneten Temperatur, um den Kunststoff möglichst effizient zu verfestigen.

Um die Wartung und Entlüftung zu vereinfachen, werden Hohlräume und Kerne in sogenannte Teile unterteilt Einsätzeund Unterbaugruppen, auch genannt Einsätze, Blöcke, oder Verfolgungsjagden. Durch Ersetzen austauschbarer Einsätze kann eine Form mehrere Variationen desselben Teils herstellen.

Komplexere Teile werden mit komplexeren Formen geformt. Diese können Abschnitte haben, die als Schlitten bezeichnet werden und sich in einen Hohlraum senkrecht zur Ziehrichtung bewegen, um überhängende Teileigenschaften zu bilden. Wenn die Form geöffnet wird, werden die Objektträger mit stationären „Winkelstiften“ an der stationären Formhälfte vom Kunststoffteil weggezogen. Diese Stifte treten in einen Schlitz in den Objektträgern ein und bewirken, dass sich die Objektträger nach hinten bewegen, wenn sich die bewegliche Hälfte der Form öffnet. Das Teil wird dann ausgeworfen und die Form schließt sich. Die Schließwirkung der Form bewirkt, dass sich die Schlitten entlang der Winkelstifte vorwärts bewegen.

Bei einigen Formen können zuvor geformte Teile wieder eingesetzt werden, damit sich um das erste Teil eine neue Kunststoffschicht bildet. Dies wird oft als Überformen bezeichnet. Dieses System kann die Herstellung von einteiligen Reifen und Rädern ermöglichen.

Two-Shot- oder Multi-Shot-Formen sind für das „Umspritzen“ innerhalb eines einzigen Formzyklus konzipiert und müssen auf speziellen Spritzgießmaschinen mit zwei oder mehr Spritzeinheiten verarbeitet werden. Dieser Prozess ist eigentlich ein Spritzgussprozess, der zweimal durchgeführt wird und daher eine viel geringere Fehlerquote aufweist. Im ersten Schritt wird das Grundfarbmaterial in eine Grundform geformt, die Freiräume für die zweite Aufnahme enthält. Dann wird das zweite Material, eine andere Farbe, in diese Räume spritzgegossen. Drucktaster und Tasten, die beispielsweise mit diesem Verfahren hergestellt werden, verfügen über Markierungen, die sich nicht abnutzen und auch bei starker Beanspruchung lesbar bleiben.

Eine Form kann in einem einzigen „Schuss“ mehrere Kopien derselben Teile herstellen. Die Anzahl der „Eindrücke“ in der Form dieses Teils wird oft fälschlicherweise als Kavitation bezeichnet. Ein Werkzeug mit einem Abdruck wird oft als Einzelabdruck-(Kavitäts-)Form bezeichnet. Eine Form mit zwei oder mehr Hohlräumen für die gleichen Teile wird wahrscheinlich als Form mit mehreren Abdrücken (Hohlräumen) bezeichnet. Einige Formen mit extrem hohem Produktionsvolumen (wie die für Flaschenverschlüsse) können über 128 Hohlräume aufweisen.

In manchen Fällen werden mit Werkzeugen mit mehreren Kavitäten eine Reihe unterschiedlicher Teile im selben Werkzeug geformt. Einige Werkzeughersteller nennen diese Formen Familienformen, da alle Teile miteinander verbunden sind. Beispiele hierfür sind Plastikmodellbausätze.

Formlagerung

Hersteller unternehmen aufgrund ihrer hohen Durchschnittskosten große Anstrengungen, um kundenspezifische Formen zu schützen. Das perfekte Temperatur- und Feuchtigkeitsniveau wird beibehalten, um eine möglichst lange Lebensdauer für jede kundenspezifische Form zu gewährleisten. Kundenspezifische Formen, wie sie beispielsweise für das Spritzgießen von Gummi verwendet werden, werden in temperatur- und feuchtigkeitsgesteuerten Umgebungen gelagert, um ein Verziehen zu verhindern.

Werkzeugmaterialien

Werkzeugstahl wird häufig verwendet. Weichstahl, Aluminium, Nickel oder Epoxidharz eignen sich nur für Prototypen oder sehr kleine Produktionsläufe. Modernes Hartaluminium (7075- und 2024-Legierungen) kann bei richtiger Formkonstruktion problemlos Formen herstellen, die bei richtiger Formwartung eine Lebensdauer von 100,000 oder mehr Teilen erreichen.

Maschinenbearbeitung

Formen werden nach zwei Hauptmethoden hergestellt: Standardbearbeitung und Funkenerosion. Die Standardbearbeitung in ihrer herkömmlichen Form war in der Vergangenheit die Methode zum Bau von Spritzgussformen. Mit der technologischen Entwicklung wurde die CNC-Bearbeitung zum vorherrschenden Mittel zur Herstellung komplexerer Formen mit genaueren Formdetails in kürzerer Zeit als herkömmliche Methoden.

Das Elektroerosionsverfahren (EDM) oder Funkenerosionsverfahren hat sich im Formenbau weit verbreitet durchgesetzt. Das Verfahren ermöglicht nicht nur die Bildung schwer zu bearbeitender Formen, sondern ermöglicht auch die Formung vorgehärteter Formen, sodass keine Wärmebehandlung erforderlich ist. Änderungen an einer gehärteten Form durch herkömmliches Bohren und Fräsen erfordern normalerweise ein Glühen, um die Form zu erweichen, gefolgt von einer Wärmebehandlung, um sie erneut zu härten. EDM ist ein einfacher Prozess, bei dem eine geformte Elektrode, meist aus Kupfer oder Graphit, sehr langsam (über einen Zeitraum von vielen Stunden) auf die Formoberfläche abgesenkt wird, die in Paraffinöl (Kerosin) getaucht ist. Eine zwischen Werkzeug und Form angelegte Spannung führt zu Funkenerosion der Formoberfläche in der umgekehrten Form der Elektrode.

Kosten

Die Anzahl der in eine Form eingebauten Hohlräume steht in direktem Zusammenhang mit den Formkosten. Weniger Kavitäten erfordern weitaus weniger Werkzeugaufwand, so dass die Begrenzung der Anzahl der Kavitäten wiederum zu geringeren anfänglichen Herstellungskosten für den Bau einer Spritzgussform führt.

Da die Anzahl der Kavitäten eine entscheidende Rolle bei den Formkosten spielt, spielt auch die Komplexität des Teiledesigns eine entscheidende Rolle. Komplexität kann in viele Faktoren einfließen, wie z. B. Oberflächenveredelung, Toleranzanforderungen, Innen- oder Außengewinde, feine Details oder die Anzahl der möglichen Hinterschneidungen.

Weitere Details wie Hinterschnitte oder andere Merkmale, die zusätzliche Werkzeuge erfordern, erhöhen die Formkosten. Die Oberflächenbeschaffenheit des Kerns und des Formhohlraums hat einen weiteren Einfluss auf die Kosten.

Das Gummispritzgussverfahren liefert eine hohe Ausbeute an langlebigen Produkten und ist damit die effizienteste und kostengünstigste Formmethode. Konsequente Vulkanisationsprozesse mit präziser Temperaturkontrolle reduzieren den Materialabfall erheblich.

Injektionsprozess

Beim Spritzgießen wird körniger Kunststoff durch einen Zwangskolben aus einem Trichter in ein beheiztes Fass gefördert. Während das Granulat durch einen Schraubenkolben langsam vorwärts bewegt wird, wird der Kunststoff in eine beheizte Kammer gedrückt, wo er geschmolzen wird. Beim Vorschieben des Kolbens wird der geschmolzene Kunststoff durch eine Düse gedrückt, die an der Form anliegt, sodass er über ein Anschnitt- und Angusssystem in den Formhohlraum gelangen kann. Die Form bleibt kalt, sodass der Kunststoff fast sofort erstarrt, wenn die Form gefüllt ist.

Spritzgusszyklus

Der Ablauf beim Spritzgießen eines Kunststoffteils wird als Spritzgießzyklus bezeichnet. Der Zyklus beginnt mit dem Schließen der Form, gefolgt von der Injektion des Polymers in den Formhohlraum. Sobald die Kavität gefüllt ist, wird ein Nachdruck aufrechterhalten, um den Materialschwund auszugleichen. Im nächsten Schritt dreht sich die Schnecke und führt den nächsten Schuss der vorderen Schnecke zu. Dadurch wird die Schraube zurückgezogen, während der nächste Schuss vorbereitet wird. Sobald das Teil ausreichend abgekühlt ist, öffnet sich die Form und das Teil wird ausgeworfen.

Wissenschaftliches versus traditionelles Formen

Traditionell wurde der Einspritzteil des Formprozesses mit einem konstanten Druck durchgeführt, um den Hohlraum zu füllen und zu verdichten. Diese Methode ermöglichte jedoch eine große Variation der Abmessungen von Zyklus zu Zyklus. Heutzutage wird häufiger das wissenschaftliche oder entkoppelte Formen verwendet, eine Methode, die von RJG Inc. entwickelt wurde. Dabei wird das Einspritzen des Kunststoffs in Stufen „entkoppelt“, um eine bessere Kontrolle der Teileabmessungen und mehr Zyklus-zu-Zyklus (allgemein als „Shot-to“ bezeichnet) zu ermöglichen -Schuss in der Branche) Konsistenz. Zunächst wird die Kavität mithilfe einer Geschwindigkeitsregelung zu ca. 98 % gefüllt. Obwohl der Druck ausreichend sein sollte, um die gewünschte Geschwindigkeit zu ermöglichen, sind Druckbeschränkungen in dieser Phase unerwünscht. Sobald die Kavität zu 98 % gefüllt ist, schaltet die Maschine von der Geschwindigkeitssteuerung auf die Drucksteuerung um, wobei die Kavität bei konstantem Druck „ausgefüllt“ wird, wobei eine ausreichende Geschwindigkeit erforderlich ist, um die gewünschten Drücke zu erreichen. Dadurch können die Teileabmessungen auf Tausendstel Zoll oder besser kontrolliert werden.

Verschiedene Arten von Spritzgussverfahren

Obwohl die meisten Spritzgussverfahren durch die obige herkömmliche Prozessbeschreibung abgedeckt sind, gibt es mehrere wichtige Formvarianten, einschließlich, aber nicht beschränkt auf:

• Druckguss
• Metallspritzguss
• Dünnwandiges Spritzgießen
• Spritzgießen von flüssigem Silikonkautschuk

Eine umfassendere Liste der Spritzgussverfahren finden Sie hier:

Prozessfehlerbehebung

Wie bei allen industriellen Verfahren können beim Spritzgießen fehlerhafte Teile entstehen. Im Bereich des Spritzgießens erfolgt die Fehlersuche häufig dadurch, dass fehlerhafte Teile auf bestimmte Fehler untersucht werden und diese Fehler durch die Konstruktion der Form oder die Eigenschaften des Prozesses selbst behoben werden. Vor dem vollständigen Produktionslauf werden häufig Versuche durchgeführt, um Fehler vorherzusagen und die geeigneten Spezifikationen für den Einspritzprozess zu ermitteln.

Wenn eine neue oder unbekannte Form zum ersten Mal gefüllt wird und die Schussgröße für diese Form unbekannt ist, kann ein Techniker/Werkzeugeinrichter vor einem vollständigen Produktionslauf einen Probelauf durchführen. Er beginnt mit einem kleinen Schussgewicht und füllt sich nach und nach, bis die Form zu 95 bis 99 % gefüllt ist. Sobald dies erreicht ist, wird ein geringer Haltedruck ausgeübt und die Haltezeit verlängert, bis der Anschnitt einfriert (Erstarrungszeit). Die Anschnitt-Ausfrierzeit kann durch Erhöhen der Haltezeit und anschließendes Wiegen des Teils bestimmt werden. Wenn sich das Gewicht des Teils nicht ändert, ist bekannt, dass der Anschnitt eingefroren ist und kein Material mehr in das Teil eingespritzt wird. Die Angusserstarrungszeit ist wichtig, da sie die Zykluszeit sowie die Qualität und Konsistenz des Produkts bestimmt, was wiederum ein wichtiger Faktor für die Wirtschaftlichkeit des Produktionsprozesses ist. Der Nachdruck wird erhöht, bis die Teile frei von Einsenkungen sind und das Teilegewicht erreicht ist.

Formfehler

Das Spritzgießen ist eine komplexe Technologie mit möglichen Produktionsproblemen. Sie können entweder durch Defekte in den Formen oder häufiger durch den Formprozess selbst verursacht werden.

Methoden wie das industrielle CT-Scannen können dabei helfen, diese Defekte sowohl äußerlich als auch innerlich zu finden.

Toleranzen

Die Formtoleranz ist eine spezifizierte Toleranz für die Abweichung von Parametern wie Abmessungen, Gewichten, Formen oder Winkeln usw. Um die Kontrolle über die Einstellungstoleranzen zu maximieren, gibt es normalerweise eine minimale und maximale Grenze für die Dicke, basierend auf dem verwendeten Verfahren. Beim Spritzgießen sind typischerweise Toleranzen möglich, die einem IT-Grad von etwa 9–14 entsprechen. Die mögliche Toleranz eines Thermoplasts oder eines Duroplasts beträgt ±0.200 bis ±0.500 Millimeter. Bei speziellen Anwendungen werden in der Massenproduktion Toleranzen von nur ±5 µm sowohl bei Durchmessern als auch bei linearen Merkmalen erreicht. Es können Oberflächengüten von 0.0500 bis 0.1000 µm oder besser erzielt werden. Auch raue oder kiesige Oberflächen sind möglich.

Stromversorgung

Die für diesen Spritzgussprozess erforderliche Leistung hängt von vielen Faktoren ab und variiert zwischen den verwendeten Materialien. Referenzhandbuch für Herstellungsprozesse gibt an, dass der Leistungsbedarf von „dem spezifischen Gewicht, dem Schmelzpunkt, der Wärmeleitfähigkeit, der Teilegröße und der Formgeschwindigkeit“ eines Materials abhängt. Nachfolgend finden Sie eine Tabelle von Seite 243 derselben Referenz wie zuvor erwähnt, die die für die erforderliche Leistung für die am häufigsten verwendeten Materialien relevanten Eigenschaften am besten veranschaulicht.

Roboterformung

Automatisierung bedeutet, dass ein mobiles Inspektionssystem aufgrund der geringeren Teilegröße mehrere Teile schneller untersuchen kann. Neben der Montage von Inspektionssystemen an automatischen Geräten können Mehrachsenroboter Teile aus der Form entfernen und für weitere Prozesse positionieren.

Bestimmte Fälle umfassen das Entfernen von Teilen aus der Form unmittelbar nach dem Erstellen der Teile sowie das Anwenden von Bildverarbeitungssystemen. Ein Roboter greift nach dem Teil, nachdem die Auswerferstifte ausgefahren wurden, um das Teil aus der Form zu befreien. Anschließend werden sie entweder an einen Halteort oder direkt auf ein Inspektionssystem verschoben. Die Auswahl hängt von der Art des Produkts sowie vom allgemeinen Layout der Fertigungsanlagen ab. Auf Robotern montierte Bildverarbeitungssysteme haben die Qualitätskontrolle für Einsatzformteile erheblich verbessert. Ein mobiler Roboter kann die Platzierungsgenauigkeit der Metallkomponente genauer bestimmen und schneller inspizieren als ein Mensch.

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