Die Zeit vom Einspritzen des bereits dosierten und geschmolzenen Kunststoffs in die Spritzgussform (auch Matrize oder Werkzeug genannt) bis zur Entnahme des fertigen Teils wird als Spritzzyklus bezeichnet. Die Dauer eines Zyklus hängt von mehreren Faktoren ab: von der Art des Materials, der Dicke des Teils und seines Volumens sowie von der Konstruktion des Werkzeugs selbst. Je größer die Wandstärke des Teils und/oder sein Volumen ist, desto länger wird der Zyklus, da die Kühlzeit (Erstarrung des Teils in der Form) verlängert werden muss.
Wenn Sie beobachten, wie eine Spritzgießmaschine funktioniert, sehen Sie nur das Öffnen und Schließen des Spritzgießwerkzeugs und den Austritt der fertigen Teile. Im Inneren der Maschine passiert jedoch wesentlich mehr, um sicherzustellen, dass die fertigen Teile jedes Mal die gleiche Qualität und Form haben.
Im Folgenden finden Sie alle Schritte des eigentlichen Prozesses, beginnend mit einer offenen Gießform.
1. Der Zyklus beginnt mit – Schliessen der Spritzgussform
In der einfachsten Anwendung schließt die Spritzgussmaschine die Form und übt Druck aus. Die Schließkraft wird vom Bediener eingestellt und in kN gemessen und hängt vom Profil des Teils, der Größe der Form und den Fähigkeiten der Maschine ab. Während dieses Vorgangs überwacht die Maschine als Sicherheitskontrolle, wie viel Druck sie ausübt. Es kann auch ein "Schließprofil" verwendet werden, bei dem der Bediener unterschiedliche Geschwindigkeiten beim Schließen der Form einstellt. Diese Profileinstellung wird immer häufiger verwendet, je komplexer die Formen werden.
Bei fortschrittlicheren Anwendungen verfügen die Spritzgießwerkzeuge über weitere Funktionen, Hydraulik, Seitensysteme und Entwicklungsvorgänge, die mit dem Schließvorgang der Form zusammenarbeiten. Sie können außerhalb der Zeit, der Position oder mechanisch mit der Form arbeiten. Im Allgemeinen ist es wichtig, ein Gleichgewicht zwischen schnellem Schließen und Sicherheit zu finden. Es lohnt sich nicht, die Maschine bis an ihre Grenzen zu treiben, um in dieser Eile ein paar Details mehr zu produzieren, aber es hat sicherlich seinen Platz in der Industrie.
2. Einspritzung
Beim Spritzgießen wird die Schnecke nach vorne getrieben und drückt den geschmolzenen Kunststoff aus der Schnecke/dem Zylinder in die Hohlräume der Form. Das Material und der Druck müssen genau bemessen sein, um die Form normal zu füllen. Wir versuchen, ein Gleichgewicht zwischen der Geschwindigkeit, der Konsistenz des Prozesses und der Qualität der Details herzustellen. Eine zu schnelle oder zu langsame Einspritzung kann zu einer Vielzahl von Defekten an den Teilen führen. Dieses Konzept scheint einfach zu sein, aber in Wirklichkeit ist es viel komplizierter als das.
Wir können sogar ein Einspritzprofil erstellen und dieses bei jedem Zyklus grafisch darstellen lassen. Falls erforderlich, können wir die Geschwindigkeit der Schnecke an bestimmten Stellen verringern oder beschleunigen. Zum Beispiel kann man die Geschwindigkeit verlangsamen oder beschleunigen, wenn der Kunststoff den Einlauf oder bestimmte Bereiche des Teils erreicht. Ein so hohes Maß an Kontrolle kann den entscheidenden Unterschied bei der Herstellung gleichmäßiger, qualitativ hochwertiger Teile ausmachen.
Ein Schlüsselaspekt des Spritzgießens ist der Zeitpunkt, an dem zur nächsten Stufe des Pressens und Haltens unter Druck übergegangen werden soll. Dies wird auch als Transferpunkt oder V-P-Umschaltung bezeichnet. Damit ist der Punkt gemeint, an dem man vom Einpressen eines Kunststoffvolumens in die Form mit einer bestimmten Geschwindigkeit zum Halten des Volumens mit einem bestimmten Druck und für eine bestimmte Zeit übergeht. In der Regel werden die Kavitäten während der Spritzgießphase fast vollständig gefüllt (etwa 95 % oder etwas mehr). Die verbleibenden 5 % werden in der V-P-Phase oder während der Nachdruckphase vervollständigt. Natürlich gibt es bei Teilen mit komplexer Form eine Ausnahme.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie die Spritzgießmaschine den Zeitpunkt für diese Umschaltung bestimmen kann. Dies kann über die Schneckenposition (am häufigsten), die Druckgrenze, die Zeit oder den Werkzeuginnendruck erfolgen. Obwohl die Schneckenposition üblich ist, ist die modernste und genaueste Methode die Verwendung von Werkzeuginnendrucksensoren. Werkzeuginnendrucksensoren steuern die Spritzgießmaschine bei jedem Zyklus durch Rückmeldung, indem sie Echtzeitinformationen aus dem Inneren der Form weitergeben. Der Nachteil dieses Systems ist, dass es ein externes Steuersystem erfordert und jede Form zusätzliche Komponenten benötigt, was die Kosten erhöht.
3. Verdichtung und Rückhaltung unter Druck
Nachdem das Teil nun fast voll ist, müssen wir es bis zum Ende verdichten und den Druck des Materials aufrechterhalten, bis der Trichter abkühlt. Ein zu geringer Druck kann Dellen im fertigen Produkt verursachen, ein zu hoher Druck kann zu Verbrennungen oder sogar zu Schäden an der Form führen. Es ist auch wichtig, dass die Form und Größe des Angusskanals richtig auf das Teil abgestimmt ist.
Der Anguss muss kühl genug sein, um den Teil des Zylinders zu isolieren, in dem sich das warme Material befindet. Das Vorhandensein von zu großen Angusskanälen kann die Kühlzeit verlängern. Zu kleine Angüsse können zu schnell gefrieren, was den Materialfluss unterbricht und zu kurzen Hüben oder zum Nichtfüllen des Teils führt.
Der zusätzliche Druck ist notwendig, um sicherzustellen, dass der geschmolzene Kunststoff alle Teile der Form erreicht und die richtige (gestreckte) Form annimmt. Parallel dazu läuft auch die Abkühlzeit des bereits geformten Teils. Da das Material mit einer hohen Temperatur (160 bis 320 Grad Celsius) in die Form gelangt, muss die Kühlung im Werkzeug selbst sichergestellt werden. Meistens handelt es sich dabei um technologische Öffnungen in den Formplatten, durch die Kühlmittel mit einer Temperatur fließt, die eine gute und schnelle Abkühlung des Teils gewährleistet. Kühlkanäle befinden sich auch an anderen Teilen der Form (Einsätze, Backen, Stempel, Platten usw.). Bei vielen Spritzgießwerkzeugen befinden sich Kühlkanäle sogar an den Steh-/Boden- und Oberplatten.
Das alles geschieht mit dem Ziel, die Abkühlzeit des gespritzten Teils so kurz wie möglich zu halten.
4. Kühlung / Plastifizierung
Nach der Verdichtungs- und Haltephase ist das Teil schließlich gefüllt, aber wahrscheinlich noch zu heiß, um es aus der Form zu nehmen. In der Abkühlphase wird der Form einfach Zeit gegeben, die Wärme des Kunststoffteils zu absorbieren. Auch hier versuchen wir, die Zykluszeit mit der Qualität und Konsistenz der Teile in Einklang zu bringen. Bei großen Teilen, dickwandigen Abschnitten oder der Verwendung von Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit ist es wahrscheinlicher, dass sie sich nach dem Gießen verformen oder verändern, wenn keine ausreichende Abkühlzeit vorgesehen ist.
Während der Abkühlphase beginnt die Spritzgießmaschine mit dem Nachladen und Verdichten des Kunststoffs im Zylinder, um sich auf den nächsten Zyklus vorzubereiten. Die Schnecke beginnt sich zu drehen, wodurch das Rohmaterial in den Zylinder bzw. die Schnecke befördert wird. Während sich das Material vorwärts bewegt, drückt es die Schnecke zurück (siehe Abbildung). Während das Material durch die Schnecke transportiert wird, schmelzen sowohl die Wärme der Zylinderheizungen als auch die Rotation der Schnecke den Kunststoff.
Die wichtigsten Variablen für die Plastifizierung sind Schneckendrehzahl und Gegendruck. Die Drehzahl ist einfach die Rotationsgeschwindigkeit der Schnecke, und der Gegendruck ist der Widerstand, den die Spritzgießmaschine der Bewegung der Schnecke entgegensetzt. Eine hohe Schneckendrehzahl und ein hoher Gegendruck können das Material besser vermischen und die Temperatur des Kunststoffs erhöhen, sie können aber auch zu einer Zersetzung und Überhitzung des Kunststoffs führen. In der Regel ist in einem Zyklus genügend Kühlzeit vorhanden, so dass Schneckendrehzahl und Gegendruck eingestellt werden können, ohne dass die Zykluszeit erhöht wird.
5. Öffnung der Form
Nachdem die Abkühlphase beendet und die Spritzgießmaschine für den nächsten Zyklus bereit ist, wird die Form geöffnet. In ihrer einfachsten Form öffnet sich die Spritzenform, nichts Aufregendes. Komplexere Werkzeuge können jedoch Kernziehen, Luftblasen und -steuerung, hydraulische Kernentwicklung oder Öffnungsprofile erfordern. Diese anderen Aspekte der offenen Form werden entweder durch die Position der Form oder durch das Timing während der Öffnungsphase der Form gesteuert. Wie beim Schließen der Form kann die Geschwindigkeit an verschiedenen Positionen variiert werden, und die Spritzgießmaschine überwacht die Kraft, die zum Öffnen der Form aufgebracht wird.
6. Entfernung des Werkstücks
Nachdem die Form geöffnet wurde, müssen die Details aus der Form entfernt werden. Dies kann mit einem einzigen Vorwärtshub des Auswerfersystems geschehen oder mehrere Auswerfhübe oder sogar Robotertechnik erfordern. Bei Verwendung eines Roboters/Manipulators wird dieser entsprechend dem Zyklus der Spritzgießmaschine eingestellt, an welchem Punkt die Teile oder der Einguss bei der Entnahme aus der Form aufgenommen werden sollen. Bei einigen Anwendungen kann der Ausstoßschritt während des Öffnens der Form erfolgen, um die Zykluszeit zu verkürzen.
Sobald die Teile entfernt sind, ist ein Zyklus des Spritzgießverfahrens abgeschlossen. Die Form und die Maschine sind dann bereit für den nächsten Zyklus. Die Zyklusgeschwindigkeit hängt von der Konstruktion des Teils, dem Betrieb und der Werkzeugkonstruktion ab. Der gesamte Prozess kann in Sekunden oder mehr als einer Minute durchgeführt werden.
Weitere Prozessvariablen sind die Vorbereitung des Kunststoffmaterials, die Zylindertemperaturen, die Temperatur der Werkzeugkühlung, die Steuerung des Heißkanalsystems, die integrierte Robotik, hydraulische Antriebssysteme und austauschbare Maschinenkomponenten.
Die Herausforderung besteht darin, alle Parameter des Spritzgießprozesses so einzustellen, dass gleichbleibend hochwertige Teile produziert werden. Die meisten Variablen, auf die der Verarbeiter Einfluss hat, wirken sich auch auf die anderen aus. Kleine Änderungen in einer Phase können sich auf eine andere Phase des Prozesses auswirken.
Zum Glück für die Spezialisten des Kunststoffspritzgusses machen die neuen Maschinen und die ihnen zur Verfügung stehende Technologie, wenn sie richtig eingesetzt werden, den Prozess sehr präzise und gleichmäßig.
