Wesentlich Spritzgießen[^1] Prozesswissen, das jeder Neueinsteiger kennen sollte**

Der Spritzgießprozess für Kunststoffteile besteht aus vier Kernschritten: Befüllung, Verpackung (Nachdruck), Kühlung, und Auswurf. Diese Phasen sind eng miteinander verknüpft und bestimmen gemeinsam die endgültige Qualität des Gussteils. Wichtig ist, dass sie einen einzigen, kontinuierlichen Zyklus bilden - jede Phase hat Einfluss auf die nächste.

1. Befüllungsphase

Die Füllphase ist der erste Schritt im Einspritzzyklus. Sie beginnt, wenn sich das Werkzeug schließt und die Einspritzung beginnt, und endet, wenn etwa 95% der Kavität mit geschmolzenem Kunststoff gefüllt sind.

Theoretisch verbessern kürzere Füllzeiten zwar die Produktivität, aber in der Praxis begrenzen Einschränkungen wie Materialeigenschaften, Teilegeometrie und Maschinenkapazitäten, wie schnell die Einspritzung durchgeführt werden kann.

Hochgeschwindigkeitsabfüllung

Bei hohen Einspritzgeschwindigkeiten steigen die Scherraten deutlich an. Aufgrund von scherverdünnend Verhalten (eine nicht-newtonsche Eigenschaft der meisten Thermoplaste) sinkt die Viskosität, was den Fließwiderstand insgesamt verringert. Außerdem verdünnt die örtliche viskose Erwärmung die erstarrte Außenschicht in der Nähe der Formwand. Bei dünnwandigen Profilen sind die Kühleffekte relativ schwach, so dass die Vorteile der hohen Geschwindigkeit überwiegen.

Langsames Füllen

Im Gegensatz dazu führt das Füllen mit niedriger Geschwindigkeit zu niedrigeren Scherraten, einer höheren lokalen Viskosität und einem größeren Fließwiderstand. Die Wärmeübertragung auf die kalten Werkzeugwände wird dominant und lässt die Schmelzeoberfläche schnell erstarren. Bei minimaler viskoser Erwärmung bildet sich eine dickere gefrorene Schicht, die den Widerstand weiter erhöht, insbesondere in dünneren Regionen.

Schweißnähte (Stricknähte)

Aufgrund von Fontänenfluss, Die Polymerketten an der vorrückenden Schmelzfront richten sich parallel zur Fließrichtung aus. Wenn zwei Schmelzefronten aufeinandertreffen (z.B. um Einsätze herum oder aus mehreren Anschnitten), können sich ihre ausgerichteten Ketten nicht vollständig verschränken - insbesondere dann nicht, wenn sich die Aufeinandertreffzonen in Temperatur, Druck oder Verweilzeit unterscheiden. Dies führt zu mikrostrukturellen Schwächen, die als Bindenaht bei richtiger Beleuchtung.

Die Festigkeit der Schweißnaht hängt stark von der Temperatur ab:

• Hochtemperatur-Schweißnähte: Bessere Kettenbeweglichkeit ermöglicht tiefere Interdiffusion und stärkere Bindung.
• Niedertemperatur-Schweißnähte: Schlechte Kettenverschlingung führt zu schwachen, spröden Verbindungen, die unter Belastung reißen können.

2. Packungsstufe (Nachdruck)

Nach dem Füllen der Kavitäten wird in der Packstufe ein anhaltender Druck ausgeübt, um die Schmelze zu verdichten, die volumetrische Schrumpfung auszugleichen und die Dichte des Teils zu erhöhen.

Wichtige Merkmale:

• Der Hohlraum ist bereits voll, der Gegendruck ist hoch.
• Die Schneckenbewegung ist minimal und der langsame Fluss ist im Vergleich zum Füllen vernachlässigbar.
• Wenn die Schmelze abkühlt und schnell erstarrt, steigt die Viskosität stark an, wodurch der Hohlraumwiderstand sehr hoch wird.
• Die Packung wird fortgesetzt, bis der Anschnitt zufriert - der Punkt, an dem der höchste Werkzeuginnendruck erreicht wird.

Während des Verpackens:

• Kunststoff weist unter hohem Druck eine geringe Kompressibilität auf → dichtere Bereiche bilden sich dort, wo der Druck am höchsten ist.
• Die erstarrende Schmelze wirkt als druckübertragendes Medium und erzeugt Formöffnungskraft (auch genannt Beulenkraft).
• Eine angemessene Schließkraft ist unerlässlich, um dieser Kraft entgegenzuwirken und Gratbildung, Verformung der Teile oder sogar die Trennung der Form zu verhindern.

💡 Praktischer Tipp: Wählen Sie immer eine Spritzgießmaschine mit ausreichender Schließkraft - nicht nur, um die Form geschlossen zu halten, sondern auch, um eine effektive Verpackung zu ermöglichen, ohne die Integrität der Teile zu beeinträchtigen.

3. Kühlungsstufe

Die Kühlung ist wohl die kritischste - und zeitaufwendigste - Phase, die für 70-80% der gesamten Zykluszeit. Effiziente Kühlung wirkt sich direkt auf Produktivität, Kosten und Qualität der Teile aus.

Warum Kühlung wichtig ist

• Die Teile müssen ausreichend erstarren, um beim Auswerfen ihre Form zu behalten.
• Unzureichende oder ungleichmäßige Abkühlung führt zu Verzug, Einfallstellen, inneren Spannungen und Instabilität der Abmessungen.

Weg der Wärmeabfuhr

• ~95% Wärme wird von der Schmelze in die Form geleitet.
• Von der Form aus wird die Wärme durch Konduktion durch den Formstahl in die Kühlkanäle geleitet und dann durch Konvektion vom Kühlmittel abgeführt.
• Nur ~5% werden direkt an die Umgebungsluft abgegeben (über Strahlung/Konvektion).

Faktoren, die die Abkühlungsrate beeinflussen

Konstruktionsprinzipien für Kühlsysteme

• Sorgen Sie für eine gleichmäßige, schnelle Abkühlung des gesamten Teils.
• Verwenden Sie Kühlbohrungen in Standardgröße, um die Bearbeitung und Wartung zu erleichtern.
• Optimieren Sie das Kanallayout anhand der Teilegeometrie: Wandstärke, Volumen und kritische Merkmale.
• Gleichen Sie Durchflussmenge, Druckabfall und thermische Leistung aus.

⚠️ Schlechtes Kühlungsdesign = längere Zyklen, höhere Kosten und defekte Teile. Investieren Sie im Vorfeld Zeit - es zahlt sich in der Produktionseffizienz aus.

4. Auswurfstufe

Das Ausstoßen ist der letzte Schritt - aber alles andere als trivial. Selbst nach der vollständigen Verfestigung kann ein unsachgemäßer Auswurf zu Verformungen, Oberflächenmarkierungen oder Bruch führen.

Übliche Auswurfmethoden

1. Auswerferstifte (Pushpins)

   • Am besten für Teile mit robuster Struktur und nicht-kosmetischen Oberflächen.
   • Die Stifte sollten gleichmäßig platziert werden, vorzugsweise an Stellen mit hohem Widerstand (z.B. Rippen, Vorsprünge) und dort, wo die Steifigkeit des Teils am größten ist.
   • Vermeiden Sie es, Stecknadeln auf dünne oder empfindliche Stellen zu setzen.

2. Abstreifplatte (Auswurfplatte)

   • Ideal für tiefgezogene, dünnwandige Behälter oder transparente Teile, bei denen Nadelabdrücke inakzeptabel sind.
   • Bietet eine große, gleichmäßige Auswurfkraft mit sanften Bewegungen und ohne sichtbare Spuren.

Design-Tipp: Simulieren Sie bei der Konstruktion von Formen immer die Ausstoßkräfte. Berücksichtigen Sie Entformungswinkel, Hinterschneidungen und die Flexibilität der Teile, um das Verkleben zu minimieren und eine saubere Entformung zu gewährleisten.

Letzte Überlegungen

Die Beherrschung des vierstufigen Spritzgießzyklus - Füllen, Verpacken, Kühlen und Auswerfen - ist für jeden, der in die Kunststoffherstellung einsteigt, von grundlegender Bedeutung. Jede Phase beinhaltet komplexe physikalische Vorgänge (Rheologie, Wärmeübertragung, Mechanik), und kleine Änderungen der Parameter können große Auswirkungen auf Qualität und Effizienz haben.

Für Neueinsteiger: Beginnen Sie mit der Beobachtung echter Zyklen, analysieren Sie Teilefehler (z.B. Schweißnähte, Einfallstellen, Verzug) und setzen Sie diese mit den Prozesseinstellungen in Beziehung. Mit der Zeit werden Sie eine Intuition entwickeln - und dann beginnt die wahre Prozessbeherrschung.