Beim Spritzgießen werden überwiegend [[Thermoplaste<sup>1</sup> ]] im plastifizierten, fließfähigen Zustand in geteilte und Temperierte temperierte Stahlformen eingespritzt. Nach einer bestimmten Abkühlzeit werden die meist gebrauchsfertigen Spritzlinge aus dem Werkzeug entfernt.
Dieses Verfahren hat sich besonders bei der Herstellung von Massenartikeln als äußerst werkstoff- und arbeitssparend erwiesen. Werden an Spritzgießteilen erhöhte Verschleiß- und Festigkeitsanforderungen gestellt, so können an bestimmten Stellen geeignete Metallteile mit eingebettet werden oder der Werkstoff wird mit Zusätzen wie Glasfasern oder -kugeln verstärkt.
[[Bild:Thermoplaste.jpg|right|300x300px|]]
=== <sup>1</sup><u>Thermoplaste:</u> ===
Die Thermoplaste bestehen aus fadenförmigen Makromolekülen, die keine gegenseitigen Vernetzungsstellen besitzen '''(Bild 1)'''. Ihre Festigkeit erhalten diese Kunststoffe aus den Reibungskräften und der Verschlingung der Makromoleküle. Bei Raumtemperatur sind die Thermoplaste hart. Mit zunehmender Temperatur werden sie elastisch und bei weiterer Erwärmung plastisch weich und schließlich flüssig.
Da diese Kunststoffe beim Erwärmen weich werden, nennt man sie Thermoplaste (von griechisch thermo= wärme). Sie zersetzten sich beim überschreiten der Grenztemperatur.
Die Thermoplaste stellen mengenmäßig die größte Kunststoffgruppe dar, das liegt an ihrer leichten verarbeitbarkeit. Sie sind warmumformbar und Schweißbar.
[[Bild:Vorgänge beim gießen.jpg|left|600x600px]]
Vor dem Spritzvorgang wird die geteilte Spritzgießform geschlossen und die Düse der Spritzgießmaschine an den Anguss der Spritzform gepresst '''(Bild 1a)'''.
Die in verarbeitungsfähigen, plastifizierten zustand gebrachte Formmasse wird unter hohem Druck, bis zu 1600 bar, in die Formhöhlung eingepresst '''(Bild 1b)'''.
Im Werkzeug kühlt der Werkstoff so weit ab, das nach dem öffnen der beiden Formhälften das fertige Spritzgießteil ausgeworfen wird '''(Bild 1c und Bild 1d)'''.
Danach wird die Form erneut geschlossen und ein weiterer Fertigungsablauf beginnt.
=== Molekülorientierung ===
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Vor dem Einspritzen der Schmelzen ist die Anordnung der Makromolekülketten amorph (gestaltlos, ungeformt), also ohne Orientierung '''(Bild 1)'''.
Das bedeutet, dass an allen Stellen nach allen Richtungen gleichmäßige Eigenschaften vorherrschen. Beim Strömen der Schmelze durch die Düse über das Angießsystem in die Kavität werden die Fadenmoleküle und Masseteilchen in Längsrichtung geschert und gedehnt '''(Bild 2)'''.
[[Bild:Verlauf der Orientierungen.jpg|left|300x300px]]
Vor dem Einspritzen der Schmelzen ist die Anordnung der Makromolekülketten amorph (gestaltlos, ungeformt), also ohne Orientierung '''(Bild 1)'''.
Das bedeutet, dass an allen Stellen nach allen Richtungen gleichmäßige Eigenschaften vorherrschen. Beim Strömen der Schmelze durch die Düse über das Angießsystem in die Kavität werden die Fadenmoleküle und Masseteilchen in Längsrichtung geschert und gedehnt '''(Bild 2)'''.
Kommt beim Einspritzen ein Teil der Schmelze mit der relativ kalten Wand des Hohlraumes in Berührung, kühlt die Schmelze ab und wird zäher. Die Masseteilchen im Randbereich weisen eine geringere Fließgeschwindigkeit als die Masseteilchen im Inneren des Hohlraumes auf. Dort bleibt die Schmelze länger flüssig und eilt den Masseteilchen am Rand vorraus, was im Laufe des Einspritz-, Nachdruck- und Abkühlvorganges zu einer zunehmenden Streckung und Scherung führt. Im Inneren der Kavität wird während der Formfüllung weniger Wärme entzogen. Die höhere Temperatur und die längere Erstarrungszeit bewirken eine stärkere Relaxation (relax= entspannen), sodass das Formteilinnere nach der Abkühlung eine deutlich geringere Orientierung aufweist '''(Bild 3)'''. Durch die Abkühlung an der kalten Werkzeugwand bleiben die gescherten und gedehnten Masseteilchen in ihrer aufgezwungenen (orientierten) Lage. Sie sind jedoch bestrebt sich wieder in ihre Ausgangslage, also in den amorphen Zustand, zurückzuformen. Dieser Vorgang führt zu stärkerer Schwindung und Verformung in Orientierungsrichtung als Quer dazu. Auch die Gebrauchseigenschaften des Werkstückes (z.B. Zugbeanspruchung) sind von der Orientierungsrichtung abhängig.
=== <u>Kristallisationsgrad</u> ===
{{Mark
|Bei teilkristallinen Werkstoffen kann sich auf Grund der schnellen Abkühlung im Bereich der Formwand keine [[Kristallisation bilden]] stattfinden. Der Randbreich des Spritzgießteils hat darum einen amorphen Aufbau, währen der Kern einen mehr Kristallinen kristallinen Aufbau erhält '''(Bild 4)'''.|}} Setzt man das Volumen des kristallinen Bereiches in das Verhältnis zum Gesamtvolumen, dann erhält man den Kristallisationsgrad α. Seine größe hängt von der Molekülstrucktur der Formmasse und von den erwähnten Arbeitsbedingungen ab. Unterdrückte Kristallisation führt zur Nachkristallisation, die berits bei Gebrauchstemperatur eintreten kann. Durch lagern des entformten Spritzgießteiles bei hohen Temperaturen (z.B. 140°C) kann dieser Vorgang beschleunuigt werden '''(Tempern)'''.
Setzt man das Volumen des kristallinen Bereiches in das Verhältnis zum Gesamtvolumen, dann erhält man den Kristallisationsgrad α. Seine Größe hängt von der Molekülstruktur der Formmasse und von den erwähnten Arbeitsbedingungen ab. Unterdrückte [[Kristallisation]] führt zur Nachkristallisation, die berits bei Gebrauchstemperatur eintreten kann. Durch Lagern des entformten Spritzgießteiles bei hohen Temperaturen (z.B. 140°C) kann dieser Vorgang beschleunuigt werden '''(Tempern)'''.
[[Bild:Fließverhalten.jpg|left|300x300px]]
Beim Eintreten der Schmelze in den Formhohlraum sollte sich die Formmasse im Idealfall mit einer gleichmäßigen '''Fließfront''' vorwärts bewegen '''(Bild 1a)'''. Durch diesen sogenannten Quellfluss erreicht man, das die Schmelze zuerst außen an der Wandung erstarrt. Durch die Isolierwirkung der erkalteten Masse bleibt dann die Schmelze im inneren länger flüssig und bleibt eine '''plastische Seele''', sodass ein Nachfließen der Schmelze für längere Zeit möglich ist und das Verschweißen der einzelnen Fließschichten im gleichen Zustand erfolgen kann '''(Bild 1b)'''.
{{Mark
|Reißt die Fließfront auf, so ergibt sich ein voreilender Strang, der sich im Formhohlraum querlegt, abkühlt und mit der folgenden Schmelze nicht mehr so gut verschweißt. Dies führt zu schwachstellen im Spritzgießteil '''(Bild 2)'''.}}
[[Bild:Füllgeschw..jpg|left|300x300px]]
Wie sich einzelne Einflussgrößen auf den Spritzvorgang und damit auch auf die Eigenschaften des Spritzgießteils auswirken, zeigt '''Tabelle 1'''. Der Füllvorgang des Formhohlraumes wird von der Einspritz- und Füllgeschwindigkeit beeinflusst. Die '''Einspritzgeschwindigkeit''' ist die Geschwindigkeit der Formmasse- Teilchen beim Einspritzvorgang. Sie hängt vom Einspritzdruck ab. '''Füllgeschwindigkeit''' hingegen ist der Einspritzstrom, mit der der Formhohlraum mit Masse gefüllt wird. Sie ist abhängig von Fließwiederständen, die im Inneren des Werkzeuges vorhanden sind.Je höher dieser Wiederstand ist, desto höher muss auch der Einspritzdruck gewählt werden. Zu niedrig gewählte Füllgeschwindigkeit führt zu hohen Temperaturunterschieden zwischen angussnahen und angussfernen Formpartien. Die kühlere Masse wiederum führt zu höherer [[Viskosität]] (Zähflüssigkeit), die größere Spritzdrücke erfordert. Das Losreißen von bereits abgekühlter Masse führt beim weiteren Einspritzen zu Material verschiebungen, die zu Querrillen senkrecht zur Fließrichtung führen '''(Bild 3)'''. Zu hohe Füllgeschwindigkeit führt an scharfen Umlenkungen und Schroffen Querschnittsveränderungen zu erhöter Scherbeanspruchung. Diese erhöht die Temperatur der Schmelze und kann u.U. zu einer thermischen Schädigung der Formmasse führen. Kann die Luft nicht schnell genug aus dem Formhohlraum entweichen, so wird sie komprimiert und erwärmt sich stark. Dieser Vorgang kann im Werkstoff zu verbrennungen führen '''(Dieseleffekt)'''. Freistrahlbildung und Teilung des Massestromes erzeugen Fließmakierungen an der Oberfläche (Bild 3).
=== <u>Druckverlauf</u> ===
Ist der Anschnitt erstarrt (versiegelt) (Bild 1, '''Kurvenpunkt C'''), so baut sich der Druck durch weitere Abkühlung bis auf einen Restdruck ab (Bild 1, '''Kurvenpunkt D'''). Die Formstabilität des Spritzgießteils erhöht sich dabei so weit, dass beim anschließenden Entformen keine Verformung eintreten kann.
Der Optimale Formfüllungsgrad wird durch versuche, so genannte Formfüllstudien oder Füllreihen, ermittelt. Dabei wird beim Einrichten der Spritzgießmaschine die eingespritzte Masse pro Schuss ständig erhöht, bis das Spritzgießteil entsteht, das die geforderten bedingungen erfüllt '''(Bild 4)'''.Das Spritzgießteilgewicht kann als vergleichsgewicht bei Gewichtskontrollen herangezogen werden.
Bei billigen Massenteilen wird eine schnelle Abkühlung und damit eine niedrige Werkzeugtemperatur gewählt, um kurze Herstellungszeiten zu erzielen. Diese Spritzgießteile haben noch eine hohe Entformungstemtperatur. Deshalb sind Nachschwindung und Verzug größer. Dagegen ist bei technisch anspruchsvollen Spritzgießteilen ein langsames Abkühlen, also eine höhere Werkzeugtemperatur, unbedingt erforderlich. Die Schwindung, die Oberflächengüte usw. lassen sich günstig beeinflussen.
Je größer die Wanddicke und je mehr Masseanhäufungen im Spritzgießteil vorhanden sind, desto länger ist die Abkühlzeit.
Den Zeitlichen zeitlichen Vorgang vom Einspritzen der Schmelze in den Formhohlraum bis zum nächsten Einspritzvorgang bezeichnet man auch als '''Takt, Schuss''' oder '''Zyklus'''.
== '''Spritzgießmaschine''' ==
*1#. Bereitstellung einer verarbeitungsfähigen Formmasse sowie der nötigen Spritzdrücke*2#. Füllen der Kavität mit Formmasse*3#. Einleiten der Bewegung zum Öffnen der Form, zum Auswerfen des Spritzgießteils sowie zum Schließen und zuhalten Uuhalten der Form.
Die ersten beiden Aufgaben übernimmt die Spritzeinheit der Spritzmaschine, während die dritte Aufgabe die Schließeinheit durchführt.
Die Spritzeinheit hat die Aufgabe, die in Granulatform vorliegende Formmasse zu fördern, aufzuschmelzen, zu homogenisieren (gleichartig machen), also zu plastifizieren und in das Werkzeug zu drücken '''(Bild 1)'''.
Dabei dreht sich in einem Schneckenkolbenextruders '''(Bild 2)''' eine Dreizonenschnecke in einem Zylinder. Die Formmasse durchläuft die drei Zonen Einzugs-, Kompressions- und Ausstoßzone, bis sie schließlich im Schneckenvorraum als verarbeitungsfähige Schmelze vorliegt. Nach dem Plastifiziervorgang wird die Schnecke angehalten, damit sie mit einer schnellen axialen Bewegung die Schmelze in den Formhohlraum drücken kann.
[[Bild:Wirkung_des_Staud.jpg|left|300x300px]]
Der Wiederstand Widerstand der Formmasse vor der Spitze der Schneckewird beim Spritzgießen durch den sogenannten '''Staudruck''' ausgedrückt. Dies ist der Druck, der sich in der angesammelten Masse im Schneckenvorraum aufbaut. Er bewirkt das sich die Schnecke während des Plastifizierens axial nach hinten gegen den eingestellten Hydraulikdruck verschiebt. Die Schneckenbewegung wird dann beendet, wenn sich genügend Masse vor der Schneckenspitze befindet, um den Werkzeughohlraum zu füllen '''(Bild 3)'''. Wie hoch der Staudruck
eingestellt wird, hängt ab von der thermischen empfindlichkeit der Formmasse ab '''(Tabelle 1)'''.
== '''Maschinendüsen''' ==
Verschlussdüsen werden mit Federn, oder hydraulisch betätigt. Dabei kann die Ventilnadel jeweils längs oder Quer '''(Bild 4)''' zum Strömungskanal liegen. Längsnadelverschlussdüsen verschließen näher an der Angießbuchse. Damit wird das sogenannte „Fadenziehen“ verhindert. In der Regel werden Düsen mit einer Wölbung (Konvexdüsen) verwendet. Sie sind durch gute Zentrierung und Abdichtung gekennzeichnet. Dabei ist es wichtig, dass der Düsenradius (R<sub>D</sub>) bei Konvexdüsen etwas kleiner ist, als der Radius der Angießbuchse (R<sub>A</sub>), da sich sonst eine störende Hinterschneidung bildet
(siehe Bild 1). Bei der Flachdüse (siehe Bild 3) tritt keine aufweitende Kraft auf. Bei einem längs des Angusskanals geteilten Werkzeuges (z.B. Einspritzung in der Trennebene) ist es wichtig eine auftreibende Kraft durch die Keilwirkung der Konvexdüsen zu vermeiden.
Spritzgießteile sollen möglichst überall '''gleiche Wanddicke''' haben. Im Normalfall betrafen sie 1mm bis 3mm, bei Großteilen zwischen 3mm und 6mm. Wanddicken unter 0,4mm und 8mm sind nur unter besonderen Verarbeitungsbedingungen herstellbar '''(Bild 3a und 3b)'''. Jede '''Materialanhäufung''' und plötzliche Querschnittsübergänge sind zu vermeiden, da sich an diesen Stellen leicht an der Oberfläche Lunker bilden können '''(Bild 3d)'''. Zudem treten bei unterschiedlichen Wanddicken infolge ungleicher Abkühlung innere Spannungen auf, die dann bei scharfen Ecken und Kannten zu Rissen führen können. Muss ein Spritzgießteil eine höhere Stabilität besitzen, so wird dies durch versteifungsrippen erreicht '''(Bild 3c)'''.
Eine Zahlenmäßige Erfassung der Schwindung ist sehr schwierig, da auf sie mehrere Einflüsse gleichzeitig einwirken. So haben z.B. amorphe Thermoplaste (z.B. Polysterol) nahezu unabhängig von äußeren Bedingungen eine geringere Schwindung. Teilkristalline Kunststoffe (z.B. Polyethylen) dagegen haben einen größeren Schwindungsbereich (Tabelle 1). Spitz- und Nachdruck üben den größten Einfluss auf das Schwindungsverhalten aus. Je größer diese Drücke sind, desto geringer fällt die Schwindung aus. Auch Formteilgestalt und Angießverhältnisse wirken sich auf die Schwindung aus.
Einen weiteren Einfluss auf die Schwindung stellt die Werkzeugtemperatur dar. Je höher diese ist, desto günstiger ist die [[Kristallbildung]], aber umso größer ist die dabei entstehende Schwindung.
Die Gesamtschwindung ist der Maßunterschied zwischen Kavität und Formteil nach sehr langer Lager- bzw. Gebrauchszeit oder nach langer Warmlagerung.
Stangen- oder Kegelangüsse werden vorwiegend bei rotationssymmetrischen und bei dickwandigen Spritzgießteilen verwendet. Dieser Anguss sollte, da er nachträglich abgeschnitten oder abgefräst wird, nicht an Sichtflächen angeordnet werden '''(Bild 2a und Bild 3)'''. Der Durchmesser D soll so gewählt werden, dass der Anguss immer etwas später erstarrt als das Spritzgießteil. Dadurch erreicht man, dass über den Nachdruck noch genügend Schmelze nachgedrückt werden kann.
=== <u>Punktanguss</u> ===
[[Bild:Telleranguss.jpg|left|300x300px]]
Diese Qualitätsminderung kann z.B. durch die Erhöhung der Werkzeugtemperatur teilweise reduziert werden. Mit einer Zykluszeiterhöhung ist zu rechnen.
=== <u>Schirmanguss</u> ===
[[Bild:Schirmanguss.jpg|left|300x300px]]
Der Schirmanguss wird für rotationssymmetrische Teile vorgesehen '''(Bild 2a)'''. Es können Qualitativ hochwertige Formteile hergestellt werden. Nachteilig sind die teure Nacharbeit und die einseitige Kernlagerung. Nimmt man Durchbrüche am Schirmanguss in Kauf, so kann der Kern auch zweiseitig gelagert werden '''(Bild 3)'''.
[[Bild:Angussarten.jpg|right|300x300px]]
Muss bei rohrförmigen Spritzgießteilen der Kern im Werkzeug auf zwei Seiten gelagert werden, so ist der Ringanguss zu verwenden '''(Bild 2b)'''. Es lassen sich dadurch verhältnismäßig lange hülsenförmige Spritzgießteile mit gleichmäßiger Wanddicke herstellen.
Durch den geringen Fließquerschnitt im Anschnittbereich entstehen große Druckverluste. Dadurch ist dieses Angusssystem nur für einfache Artikel verwendbar.
Erstarrt das Spritzgießteil gleichzeitig mit dem Angusssystem und bleibt es nach dem Entformen mit diesem verbunden, so muss das Angusssystem nachträglich vom Spritzgießteil abgetrennt werden.
[[Bild:Verteilerkanalform.jpg|left|300x300px]]
Der Verrteilerkanalquerschnitt sollte kreisrund sein, um bei größtem Querschnitt die kleinste Oberfläche und damit die geringste Abkühlungsmöglichkeit zu haben. Die herstellung dieses Querschnittes ist teuer, weil er in beide Werkzeughälften eingearbeitet werden muss '''(Bild 3)'''. Ein trapezförmiger Querschnitt ist dagegen nur in eine Formplatte einzuarbeiten.
Grundsätzlich ist der Anschnitt so zu legen und zu gestalten, dass nur heiße Formmasse vom Bereich der plastischen Seele in den Formhohlraum gelangen kann. Erkaltete Masseteilchen von der Verteilerkanalwandung müssen zurückgehalten werden. Mit der Lage des Anschnittes wird auch die Einspritzrichtung in den Formhohlraum gesteuert.
== '''Werkzeugarten''' ==
Höhere Spritzgiezteile Spritzgießteile werden deshalb vom Boden her zentral angespritzt. DAmit Damit sind zwei '''Trennebenen''' notwendig. In der einen Ebene liegen Formhöhlungen und in der anderen die Verteilerkanäle '''(Bild 1)'''. Wird die schließseitige Formhälfte zurückgezogen, so wird das Spritzgießteil vom Kern mit genommen und am Anschnitt vom restlichen Angusssystem abgetrennt. Wird anschließend die düsenseitige Formhälfte nach links bewegt, so wird die Verteilerspinne aus dieser herausgezogen und muss aus der düsenseitigen Aufspannplatte mit Hilfe von Auswerfern entformt werden. Durch die zentrale Anbindung wird ein symmetrischer Füllvorgang erreicht und an die Formteile können hohe Anforderungen an die Rundlaufgenauigkeit gestellt werden. Die Anbindung kann auch außerhalb von Funktions- und Sichtflächen liegen. Für die sichere Zwangsbewegung der Platte (Trennfläche 2) zum Entformen des Angussverteilers (Angussspinne) sind Klinken- bzw. Klauensysteme oder Druckbolzenarretierungen im Einsatz.
=== <u>Isolierkanalwerkzeug</u> ===
[[Bild:Isolierkanalwerkz.jpg|left|300x300px]]
Will man sich das Entformen des Angusssystems und das für die Wiederverwendung der Masse notwendige Aufarbeitung einsparen, so muss ein Isolierkanalwerkzeug verwendet werden '''(Bild 2)'''. Hierbei werden der Angießkanal, der Verteilerkanal und die Verbindungskanäle im Durchmesser so stark vergrößert, dass sich an derren Innenwandung eine erkaltete, isolierend wirkende Masseschicht einstellt. Im inneren der Kanäle ist dann ständig ein plastischer Bereich vorhanden. Um das Erstarren des Materials in den Kanälen zu verhindern, muss mit rascher Schussfolge gearbeitet werden.
[[Bild:Etagenwerkz.jpg|left|300x300px]]
Wird z.B. bei einem Heißkanalwerzeug gegenüber den vorhandenen Anschnitt und Formhöhlungen spiegelbildlich die gleiche Anordnung vorgesehen, so entsteht ein Etagenwerkzeug '''(Bild 3)'''. Dieses Werkzeug hat 2 Trennebenen, in denen jeweils die Werkzeughöhlungen liegen. Dabei wird die Zahl der je Fertigungsablauf herstellbaren Spritzgießteile verdoppelt. Da der Druck des Werkzeuges immer der gleiche ist, ändert sich die Zuhaltekraft gegenüber dem Werkzeug mit einer Trennfläche nicht. Es ändert sich die Einbauhöhe, der Öffnungsweg und das Spritzvolumen.
=== <u>Heißkanalsysteme</u> ===
'''Innenbeheizte''' Heißkanalsysteme (Bild 2b) benutzen eine Heizpatrone, die im Verteilerkanal steckt und vom schmelzflüssigen Material umgeben wird.Der Schmelzkanal besitzt in der äußeren Schicht, ähnlich dem Isolierkanalwerkzeug Kunststoffmaterial, das eine eigenisolierende Wirkung besitzt und benötigt somit weniger elektrische Energie.
Die '''Vorteile'''von Heißkanalwerkzeugen sind:
* Einsparung von Kunstoffmaterial
* keine Angussentsorgung, keine Aufbereitung
* keine Nacharbeit zum Entfernen des Angusses
* Etagenwerkzeuge nur mit Heißkanalsystemen möglich
* Großserienwerkzeuge, große Losgrößen
* große Formteile mit mehreren Anspritzpunkten
* Zusammenfaltbarer Kern
* Entformung durch Rotation des Formteils
* Kernversatz (Kernlagerung)
* Werkzeugentlüftung, um die Formen schnell genug zu füllen.
# Der Werkzeugbau, Europa Lehrmittel Verlag, 13. Auflage
