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  • AutorenbildDominykas Turčinskas

Spritzgusswerkzeug

Aktualisiert: 19. Aug. 2022

Das Kunststoffspritzgießen ist eine Fertigungstechnik, bei der ein fester Rahmen, die so genannte Spritzgussform oder Matrize (auch als Werkzeug bezeichnet), zur Formung von durch Wärme verflüssigten Polymeren oder Elastomeren verwendet wird. Die heutigen Spritzgießverfahren sind Kunststoffspritzguss, Einspritzguss, 2K-Spritzguss, Metallspritzguss und Umspritzen. Beim Spritzgießen werden durch Wärme geschmolzene Kunststoffe in die Formhohlräume eingespritzt, abgekühlt und verfestigt, um geformte Produkte zu erhalten. Es ist ein effektives und sehr geeignetes Verfahren für die Herstellung von Produkten in großem Maßstab mit komplizierten Formen und einer Vielzahl von Materialien.


Spritzgusswerkzeug


Was ist eine Spritzgussform (ein Werkzeug)?


Eine Spritzgussform sieht aus wie ein von innen hohler Metallkasten (mit einem Hohlraum), in den der geschmolzene Kunststoff mit hohem Druck eingespritzt wird, um die gewünschte Form des hergestellten Kunststoffteils anzunehmen. Der Hohlraum ist eine Nachbildung des zu formenden Teils. Die Spritzgussform befindet sich in der Spritzgießmaschine, die die einzelnen Schritte des Einspritzens steuert: Klemmen, Einspritzen, Kühlen, Auswerfen.


Bei den Spritzgießwerkzeugen kann es sich ebenfalls um Standardwerkzeuge (klassifiziert nach den Normen der Plastics Industry Association (SPI)) und Nicht-Standardwerkzeuge (z. B. Mikroformen, die mit Babyplast-Maschinen verwendet werden) handeln. Der Hauptunterschied zwischen den beiden besteht in der Größe der Spritzgussformen und ihrer Komplexität. Standardformen haben viel mehr Komponenten und sind daher teurer und schwieriger herzustellen, aber im Allgemeinen besteht die Spritzgussform (das Werkzeug) hauptsächlich aus:


Formhohlraum und Kernseiten


Formhohlraum

Auch bekannt als Einspritzseite - Platte A und Auswerferseite - Platte B. Hohlraum- und Kernseiten sind die Negativnachbildungen der geformten Komponenten. Kavität und Kern bilden die Kammer, in die der Kunststoff eingespritzt wird. Es ist wichtig, sie dadurch zu unterscheiden, dass die Kavität die feste Seite und der Kern die bewegliche Seite ist, mit anderen Worten - die Kavität formt den äußeren Teil und der Kern den inneren des Teils.


Wärmekontrollsystem


In den Block werden Löcher gebohrt, damit die Temperatur mit Hilfe von zirkulierendem Öl oder Wasser im Inneren kontrolliert werden kann. Dieses Kühlsystem trägt dazu bei, die Spritzgussform während des Einspritzens vorzuwärmen, um ein Verstopfen des Polymers zu verhindern, und die Form abzukühlen, um den Zyklus des Gusses zu verkürzen.

System der Polymerströmung (Kanal)

  • Der Anguss - ist die Stelle, an der der Kunststoff durch die Düse eingespritzt wird.

  • Die Kanäle - sind die Wege, durch die der geschmolzene Kunststoff fließt.

  • Die Eingüsse - der Eingang des geschmolzenen Kunststoffs in die leere Kammer, die durch den Hohlraum und den Kern im Inneren der Form gebildet wird.

  • Entlüftungskanäle von Spritzgussformen - sind notwendig, damit sich bei qualitativen Teilen keine Lufteinschlüsse bilden oder das Material aufgrund der hohen Temperatur und des Drucks verbrennt.

  • Angusszieher - sind die Ecken im Inneren der Angüsse, um den abgekühlten Kunststoff aufzufangen.


Entformungssystem


Die Auswerferplatte oder einzelne Auswerfer schieben das erstarrte Teil aus der Spritzgussform (die Teile werden entformt) und fallen direkt in die Verpackungsbox oder zur weiteren Verarbeitung - Angussschneiden, Qualitätskontrolle, Sterilisation usw.


Typen von Spritzgussformen


Obwohl alle Spritzgussformen die gleiche Grundstruktur haben und sich sehr ähnlich sind, können sie aufgrund einiger Unterschiede und Verwendungsarten in mehrere Gruppen unterteilt werden:

3-Platten-Werkzeuge

  • 3-Platten-Werkzeuge - sind Werkzeuge, die eine zusätzliche Platte zwischen Kavität und Kernplatten haben. Dies ermöglicht mehrere Einspritzkanäle für einen besseren Fluss und mehr Flexibilität bei der Anordnung der Kanäle.

  • Kaltkanalwerkzeuge - wie der Name schon sagt, verwenden diese Werkzeuge keine Heißkanaldüsen und der Kunststoff wird durch Kanäle und Anschnitte eingespritzt.

  • Heißkanalwerkzeuge - sind die direkten Einspritzwerkzeuge, bei denen jede Kavität ihre eigene Düse hat und der Kunststoff direkt in die Kavität eingespritzt wird.

  • Familienformen sind solche, bei denen sich mehrere gleichartige Kavitäten in einer einzigen Spritzgussform befinden.

  • Werkzeuge mit hoher Kavität - sind Werkzeuge, die eine hohe Anzahl von Kavitäten aufweisen und für die Großserienproduktion verwendet werden.

Wie wird ein Spritzgusswerkzeug hergestellt?


Das wichtigste Bearbeitungsverfahren für Werkzeuge ist die subtraktive Bearbeitung, d. h. CNC-Bearbeitung, Funkenerosion oder sogar Laserablation oder selektives Laserätzen für die Präzisionsbearbeitung im Mikrometerbereich. Für Wendeschneidplatten und in einigen Fällen auch für die additive Fertigung wie 3D-Druck oder Galvanoformung können jedoch auch andere Verfahren eingesetzt werden. Auch diese Technologien können miteinander kombiniert werden, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Es ist wichtig, die wichtigsten Parameter wie Größe, Form, Rohstoffe, Produktmenge, Schrumpfung des Kunststoffprodukts, Oberflächenbeschaffenheit und Kostenbeschränkungen vor dem Formenbau zu berücksichtigen. Der Prozess des Spritzgussformenbaus lässt sich in mehrere Phasen unterteilen.


1. Entwurf – CAD-Modellierung


Bei der Konstruktion der Spritzgussform sind Angaben zur Teilezeichnung und zu den Materialspezifikationen, zu den Spezifikationen der Spritzgussmaschine und zu anderen Werkzeugspezifikationen wie Art der Spritzgussform, Angusssystem, Anschnitt, Einsatz von Robotertechnik und geschätzte Zykluszeit erforderlich. Die Werkzeugkonstrukteure müssen erfahren genug sein, um all diese Überlegungen und die Fähigkeit des Werkzeugbaus zur Herstellung der entworfenen Gussform zu berücksichtigen.


Routineverfahren können automatisiert werden, so dass herkömmliche Berechnungen von Werkzeugabmessungen schneller und mit weniger Fehlern durchgeführt werden können und gleichzeitig die Modellierungszeit reduziert wird. Die Software für den Formenbau zielt darauf ab, die Zeit des Anwenders für die anspruchsvolleren Bereiche der Formenplanung freizugeben und gleichzeitig typische oder einfache Tätigkeiten zu automatisieren oder zu erleichtern, was letztendlich die Modellierungszeit verkürzt, die Werkzeugqualität und -effizienz verbessert und die Produktionskosten senkt.


Alles in allem umfasst ein typisches CAD-Paket für den Formenbau heute Programme oder Module zur Generierung von Kern und Kavität aus einem Teilemodell, die bei der Optimierung von Trennflächen, der Auswahl einer Formbasis und dem Hinzufügen von Absperrungen, Kühlleitungen, Angusssystemen, Anschnitte, Hebern, Auswerfern, Säulen, Abstandshaltern, Führungen, Düsen, Schrauben und Stiften helfen.


2. Spritzguss-Simulation


Um die Effizienz zu steigern und die Umrüstzeit bei der Werkzeugprüfung zu verringern, muss die Simulation unter Verwendung von Daten aus dem aktuellen Zustand der Spritzgießmaschine durchgeführt werden. Darüber hinaus bestimmt die Zeit, die für die Konstruktion und Herstellung einer Spritzgussform benötigt wird, auch die Zeit, die ein Produkt bis zur Markteinführung benötigt.


Grundsätzlich hilft die kontinuierliche Dateneingabe von Maschinen für den Formenbau den Werkzeugkonstrukteuren dabei, aktuelle Informationen über den Maschinenzustand zu sammeln und die Konstruktion entsprechend der Funktionalität und Verfügbarkeit der Bearbeitungsmaschinen anzupassen, um Produktionsverzögerungen durch einen Werkzeug- oder Maschinenausfall während des Formenbaus zu vermeiden.


Die endgültige Spritzgussform dient als endgültiges Modell der Spritzgussform, das virtuell in eine Spritzgussmaschine eingebaut wird, um die zukünftige Produktion zu planen und den Prozess in Echtzeit zu simulieren. Die detaillierte Zeichnung der Spritzgussform wird in der Datenbank gespeichert, sobald die Konstruktion der Form abgeschlossen ist, und die Produktionsanlage für den Spritzguss wird die Zeichnungen für den Prozess der Formherstellung nutzen. Der Formenbau umfasst in erster Linie die Bearbeitung der Teile, die Montage und die Prüfung.


3. Spritzguss-Prototypen


Dann folgt die Phase der Herstellung von Prototypformen, die in der Regel für die Herstellung kleiner Chargen von Kunststoffspritzgussteilen verwendet werden, die von 200 bis zu mehreren Tausend reichen. Diese Art von Spritzgussform besteht aus einer austauschbaren Standard-Metallbasis, einem maßgeschneiderten Kern aus Aluminium- oder Weichstahllegierung und Kammereinsätzen. Für die Herstellung von Prototypformen können 3D-Druck oder CNC-Bearbeitung verwendet werden.


3D-Druck-Werkzeug


Früher wurde der 3D-Druck hauptsächlich im Design- und Produktionsprozess eingesetzt, um Prototypen zu bauen und zu testen, die später im Spritzgussverfahren hergestellt wurden. Dank der Genauigkeit des Druckers, der Oberflächenpolitur und der Weiterentwicklung von Materialien, die hohen Temperaturen und Kräften standhalten, können 3D-Drucker jetzt jedoch direkt Gussformen herstellen.


Aluminium-Spritzgussformen

Obwohl diese Gussformen, wie der Name schon sagt, nur für kleine Teile geeignet sind (in der Regel bis zu einem Volumen von 20 cm³), eignen sie sich hervorragend für das Prototyping und sogar für den Einstieg in die mittelgroße Produktion. Die Einfachheit der Struktur von Mikroformen und die Größe der Gussform und der Gussmaschine ermöglichen einen viel schnelleren und billigeren Werkzeugbau, der für die Kleinserienproduktion und das Prototyping akzeptabel ist.


Micro Aluminium-Spritzgussformen

Kunststoff-Spritzgusswerkzeug Kosten


Das Spritzgießen mag zwar den Eindruck erwecken, teurer zu sein als Verfahren wie 3D-Druck und CNC-Bearbeitung, doch seine Fähigkeit zur Skalierung und Herstellung Tausender von Teilen macht es zu einer kostengünstigen Alternative für die Massenproduktion. Es gibt mehrere Faktoren, die zu den Kosten des Werkzeugbaus beitragen:


  • Festgelegte Zeit bis zum Beginn (Einrichten der CNC-Maschine)

  • Rohmaterialkosten (Stahl oder Aluminium)

  • Stundensatz für Maschine und Bediener

  • Maschinenkosten pro Stunde (Abschreibung oder/und Leasing)

  • CAD und CAM

  • Feste Zeit pro bearbeitete Kavität (empirische Schätzung)

  • Schwierigkeitsgrad (Hinterschneidungen, Gewinde, Präzision)

  • Oberflächengüte


Das CAD-Design ist ein entscheidender Faktor für die Gusskosten, und es zeigt, dass die Produktionskosten umso höher sind, je komplizierter die Geometrie des Teils ist. Die kostengünstigsten Teile sind solche ohne Hinterschneidungen oder mit weniger anspruchsvollen Oberfächenbehandlungen. Hinterschneidungen können das Ausstoßen des Teils erschweren, und eine glänzende Oberfläche erfordert Polieren. Obwohl viele Kunststoffe in Bezug auf Festigkeit und Leistung ähnlich sind, sind einige von Natur aus einfacher zu gießen, was letztendlich die Preise für die Teile senkt.


Wie kann man die Kosten für das Spritzgießen senken?


Abgesehen von den notwendigen Schritten, die in den gesamten Prozess eingebunden sind, können einige Merkmale die Kosten für Kunststoffformen erheblich erhöhen. Hier sind ein paar Dinge, die vermieden werden müssen:

  • Vermeiden Sie nach Möglichkeit die Verwendung von Hinterschneidungen.

  • Entfernen Sie alle nicht notwendigen Merkmale.

  • Verwenden Sie eine Kern-Hohlraum-Strategie.

  • Minimieren Sie die Anzahl der kosmetischen Oberflächen und des Aussehens.

  • Erstellen Sie selbst montierbare Komponenten.

  • Wiederverwendung und Änderung von Formen.

  • Achten Sie genau auf die DFM-Bewertung (Design für die Herstellung).

  • Verwenden Sie ein Familien- oder Mehrkavitätenwerkzeug.

  • Wählen Sie die Option der On-Demand-Produktion.

  • Experimentieren Sie mit Überspritzungen

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