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2011-01-19T15:05:37Z

Sandra Kellinghusen:

Nietverbindungen

2010-11-23T19:29:46Z

Sandra Kellinghusen:

== Allgemeines ==
Das Nieten gehört zum Festigkeitsverfahren Fügen nach DIN 8593-0, wobei der Formschluss durch Umformen erreicht wird. Nietverbindungen erfordern einen hohen maschinellen Aufwand bei erheblichen Personalkosten. Daher werden diese wenn möglich durch Schweißverbindungen abgelöst, wie z.B. beim Druckbehälterbau. Eine Sonderstellung haben Nietverbindungen im Flugzeugbau und Leichtbau, hier werden hoch automatisierte Nietverfahren praktiziert. Es gibt warm- und kaltgefügte Nieten. Warmnietung bei Stahlnieten ab Ø 10 mm. Diese werden in hellrotem Zustand geschlagen oder gepresst. Kaltvernietung bis Ø 8 mm sowie Niete aus Kupfer, Aluminium und deren Legierungen werden in kaltem Zustand bearbeitet. Durch das Stauchen des Nietschaftes in Achsrichtung füllt dieser das Nietloch vollständig aus und wird so radial gegen die Lochwandung gepresst. Nietverbindungen sind nicht lösbare Verbindungen, welche nur durch Beschädigung oder Zerstörung der gefügten Teile gelöst werden können.

== Anwendungsbeispiele ==
<gallery>
Bild:A-380_Struktur-1.JPG|1. A-380 Struktur
Bild:Eifelturm 3.jpg|2. Eifelturm
Bild:1926_Brückenbau.jpg|3. Brückenbau
Bild:Brems08.jpg|4. Trommelbremse
</gallery>

== Vor- und Nachteile einer Nietverbindung ==
Vorteile:
*Keine ungünstigen Werkstoffbeeinflussungen (Gefügeumwandlung beim Schweißen)
*Kein verziehen der Bauteile
*Ungleichartige Werkstoffe lassen sich verbinden
*Nietverbindungen sind leicht und sicher kontrollierbar und zu Not auch lösbar
*Nietverbindungen versagen nicht bei Überlastung schlagartig
*Blindnietsysteme sind sehr schnell und günstig herstellbar

Nachteile:
*Bauteile werden durch die Bohrungen geschwächt
*Es resultieren dadurch größere Querschnitte und ein höheres Gewicht
*Stumpfstöße lassen sich nicht ausführen
*Bauteile müssen überlappt oder mit Laschen verbunden sein
*In der Fertigung kostenintensiver als das Schweißen

== Nietarten und Formen ==
<gallery>
Bild:Blindniete_210.jpg|1. Blindniet
Bild:halbrundniete.jpg|2. Halbrundniet
Bild:Hohlnieten_2.jpg|3. Hohlniet
Bild:Rohrniete.jpg|4. Rohrniet
Bild:Senkniet.JPG|5. Senkniet
Bild:Schraubniet.JPG|6. Schraubniet
Bild:Senkschraubniet.JPG|7. Senkschraubniet
Bild:Schließringbolzen-1.JPG|8. Schließringbolzen
Bild:Schließringbolzen_bestimmung.jpg|9. Schließringbolzen Bestimmung
Bild:Nietarten_und_Formen.JPG|10. Diverse Nietarten und Formen
</gallery>

== Nietverfahren ==

*Blindniete werden durch das Herranziehen der Kugel am Sollbruchdorn zum Stauchen gebracht. ( siehe Bild oben )

*Halbrundniete werden durch Stauchen eines bolzenförmigen Hilfsfügeteiles hergestellt.

*Hohlnieten durch Umlegen überstehender Teile eines Hohlnietes.

*Zapfennieten durch Stauchen des zapfenförmigen Endes an einem der beiden Fügeteile.

*Hohlzapfennieten durch Umlegen überstehender Teile des hohlzapfenförmigen Endes an einem der beiden Fügeteile.

*Schließringbolzen durch Einpressen des Schließringes in die Nuten des Bolzens und das Abreißen des Zugteils erfolgt ( immer ) durch das Einziehgerät.

== Verbindungsart und Verwendung ==
*Feste Verbindungen (Kraftverbindungen) kommen im Stahlbau, Kranbau und Brückenbau zum Tragen.

*Feste und dichte Verbindungen im Kesselbau und Druckbehälterbau.

*Vorwiegend dichte Verbindungen im Behälterbau.

*Haftverbindungen (Heftnietung) werden für Blechverkleidungen im Karosserie, Waggon und Flugzeugbau verwendet.

== Werkstoffe ==
Da der Befestigungsvorgang der Nietverbindungen mit einer Verformung der Niete verbunden ist, kommen nur duktile Werkstoffe in Frage, wie z.B. Stahl USt 36 ( S235 JRG1 ), Kupfer, Messing, Aluminiumlegierungen. Grundsätzlich sollte das Niet aus dem selben oder aus einem gleichartigen Werkstoff bestehen um elektrochemische Korrosion zu vermeiden.
== Werkzeuge ==

<gallery>
Bild:Vorhalteeisen.jpg|Vorhalteeisen
Bild:Pneumatikpopzug.jpg|Pneumatikpopzug
Bild:Popnietzange.jpg|Popnietzange
Bild:Niethammer.jpg|Niethammer
Bild:Nietquetsche_gross.jpg|Nietquetsche
Bild:Einsätze.jpg|Einsätze
Bild:Nietzange.jpg|Nietzange
Bild:Döpper.jpg|Döpper
Bild:Schließringbolzen_Einzieher-2.JPG|Schließringbolzen Einzieher
Bild:Schließringbolzen Abzieher.JPG|Schließringbolzen Abzieher
Bild:Nietlehre.JPG|Nietlehre
Bild:Schließringbolzen_Lehre-1.JPG|Schließringbolzen Lehre
</gallery>

== Herstellung einer Verbindung ==

Halbrundniete sind formbare Nieten, bei denen der Schließkopf des Nietes durch das Stauchen des Nietschaftes gebildet wird. Durch das Verformen des Nietschaftes wird dieser in der gesamten Länge gestaucht und füllt so die Nietbohrung. Der aus der Struktur herausragende Nietschaft wird dabei zum Schließkopf geformt.Während der Verformung des Nietschaftes entsteht eine Kaltverfestigung im Nietwerkstoff und der Werkstoff versprödet. Aus diesem Grunde soll die Verformung des Schließkopfes mit möglichst wenig Schlägen erreicht werden.

<gallery>
Bild:Nietskizzen.jpg|1. Vorgang beim Umformen von Nieten
Bild:Niete-1.jpg|2. Quetschen eines Halbrundnietes
Bild:Nietenschiessen.jpg|3. Nietenschiessen
</gallery>

== Beurteilung von Nieten ==

Prüfen des Nietschaftüberstandes und der Schließringstauchung

Für die Prüfung des Nietschaftüberstandes und der Schließringstauchung sind Prüflehren zu verwenden. Diese Prüflehren werden auf der Schließringseite aufgesetzt, dadurch ist eine Prüfung des Nietschaftüberstandes und/oder der Schließringverformung möglich. Die Handhabung der Lehren ist je nach Lehrentyp unterschiedlich. Es wird jedoch immer der maximale und der minimale Nietschaftüberstand zur Scheibenoberfläche geprüft.

<gallery>
Bild:Schliesskopfabmessungen.jpg|Prüfvorgaben für Halbrundniete
Bild:Nietlehre-Touch-Go.JPG|Touch Go: Bei Berührung Gut
Bild:Nietlehre-Touch-No-Go.JPG|Touch No Go: Bei Berührung nicht Gut
</gallery>

== Entfernen von beanstandeten Nieten ==

Beim Entfernen von beanstandeten Nieten ist darauf zu achten, daß die Nietlöcher nicht beschädigt werden. Die Niete sind möglichst von der Setzkopfseite her zu entfernen. In dem unteren Bild sind mögliche Nietfehler ( Beschädigungen ) dargestellt und in den anderen die richtige vorgehensweise beim entfernen solcher.

Arbeitsschritte:

1. Nietkopf zentrisch ankörnen ( bei dünnen Blechen muß beim Ankörnen gegengehalten werden ).

2. Anbohren bis auf Setzkopftiefe mit einem Bohrer, der um 0,2 mm kleiner ist als der Nietnenndurchmesser. Im Bedarfsfall darf auch tiefer gebohrt werden ( abhängig von der Klemmlänge ).

3. Nietkopf mit einem Splinttreiber durch leichtes Verkanten abbrechen.

4. Nietschaft mit einem Durchschlag, dessen Durchmesser etwas kleiner als der Nietschaftdurchmesser ist, austreiben. Dünne Bleche und nicht abgestützte Bauteile sind beim Austreiben abzustützen.

<gallery>
Bild:Nietfehler.JPG|Mögliche Nietfehler
Bild:Entfernen_eines_Nietes_1-1.jpg|1. und 2. Arbeitsschritt
Bild:Entfernen_eines_Nietes_2-1.JPG|3. Arbeitsschritt
Bild:Entfernen_eines_Nietes_3-1.JPG|4. Arbeitsschritt
</gallery>

== Korrosionsschutz ==
Spaltkorrosion entsteht in engen Spalten ( 0,05…0,4 ) sowie an Überlappungs- und Verbindungsstellen. Diese wird verursacht durch Feuchtigkeit innerhalb des Spaltes.
Schwitzwasserkorrosion entsteht durch Kondensation von Wasser.
'''Konstruktionsregel: Unvermeidbare Hohlräume und Hohlprofile verschließen und so "Wassersäcke" vermeiden'''. Kontaktkorrosion tritt durch Verbund von Metallen mit unterschiedlichem Potenzial bei Einwirkung eines geeigneten Elektrolyten (Feuchtigkeit) auf.
Als mögliche Schutzmaßnahmen bei Spalt- und Kontaktkorrosion dienen Gesamtanstriche.

== Arbeits- und Gesundheitsschutz ==

*Drucklufthämmer dürfen nie ohne Rückholfeder benutzt und nur betätigt werden, wenn sie auf dem Niet aufliegen.
*Beim Nieten und gegenhalten in Hohlräumen schalldichte Ohrenklappen tragen.
*Bevor man den Abzug des Niethammers betätigt ist darauf zuachten, dass der Partner mit dem Gegenhalter gegen das Niet hält.
*An schwer zugänglichen Stellen Gegenhalter durch Schnur oder Riemen mit dem Handgelenk verbinden.
*Schwingungsarme Nietwerkzeuge sind bevorzugt einzusetzen.
*Zur Lärmreduzierung zunächst versuchen Nietquetsche zu verwenden, anderenfalls schweren Gegenhalter oder stark eingestellten Niethammer benutzen.

== Wiederholungsfragen ==

1. Wodurch wird der Formschluss beim Nieten erreicht?

2. Vergleiche Niet- und Schweißverbindungen hinsichtlich Kosten, Arbeitsaufwand etc.

3. Welche Nietarten kennen Sie? Nennen Sie mindestens 3 !

4. Welche Werkstoffeigenschaft ist für Nietverbindungen erforderlich?

5. Wie werden Halbrundniete entfernt?

6. Was sind die Gründe für Korrosion an Nietverbindungen? Nennen Sie bitte mindestens 2 Gründe!

7. Nennen Sie mindestens 2 Maßnahmen zum Thema Arbeits- und Gesundheitsschutz beim Nieten.

8. Nennen Sie mindestens 2 Anwendungsbereiche wo Nietverbindungen vorteilhaft sind!

9. Wie sollten Nietverbindungen nach Möglichkeit beansprucht werden?

[[Nietverbindungen: Lösung#Schalthebel|Hier geht's zur Lösung!]]

== Formeln ==

* '''Rohnietdurchmesser'''

In Abhängigkeit von der kleinsten zu verbindenden Blechdicke "t" wird im Stahlbau der Rohrnietdurchmesser auch nach der Gebrauchsformel gewählt:

[[Bild:Formel_Nietlochdurchmesser2.jpg]]

* '''Rohnietlänge'''

Der Rohniet muss so lang sein, dass genügend Werkstoff zum Füllen des Nietloches und Schließkopfes vorhanden ist. Bei üblichem Lochdurchmesser ergibt sich die Rohnietlänge aus:

[[Bild:Formel_Nietlänge2.jpg]]

* '''Abscherspannung'''

Für die Nachprüfung einer gegebenen Nietverbindung werden die berechneten mit den zulässigen Spannungen verglichen:

[[Bild:Formel_Abscherspannung2.jpg]]

* '''Lochleibungsdruck'''

Aus der Flächenpressung folgt für den Lochleibungsdruck eines Nietes folgende Gleichung:

[[Bild:Lochleibungsdruck2.jpg]]

* '''Nietanzahl aufgrund der zulässigen Abscherspannung'''

Erforderliche Nietzahl aufgrund des zulässigen Lochleibungsdruck:

[[Bild:Formel_Nietzahl_Abscherspannung2.jpg]]

== Berechnung und Dimensionierung ==

Rechenaufgaben:

1. Nietwerkstoff: S235JR (St37) mit Rm = 340 … 470 N/mm²

a) Kraft, die das Niet durch Abscherung zerstören würde.

b) zulässige Beanspruchung bei 5facher Sicherheit.

[[Bild:Nietaufgabe1.JPG]]

2. Es sollen zwei Bleche miteinander vernietet werden, die unter einem Krafteinfluss von 882kN stehen. Der Werkstoff ist aus S235.

a) Bestimmen Sie den Nietdurchmesser und die Nietlänge anhand des Tabellenbuches. Die Auslegung soll nach den Richtwerten für Kranbau ermittelt werden.

b) Berechnen Sie anschließend zum Vergleich den Nietdurchmesser und die Nietlänge rechnerisch.

c) Ermitteln Sie laut Tabellen Buch ''T''azul nach Lastfall H für eine einschnittige Verbindung.

d) Berechnen Sie die benötigte Nietanzahl.

e) Dimensionieren Sie das erforderliche Nietbild.

[[Bild:Nietaufgabe3a.JPG]]

[[Nietverbindungen: Lösungen#Schalthebel|Hier geht's zu den Lösungen!]]

== Powerpoint Präsentation über Nietverbindungen ==
[[Media:Nietverbindungen_V7.ppt|Nietverbindungen]]

== Quellen==
Dieses sind die Werke welche als Vorlage gedient haben.

# Tabellenbuch Metall, 43. Auflage. Europa Verlag, ISBN 3-8085-1673-9, €21,50
# Roloff/Matek: Maschinenelemente-Tabellenbuch, Vieweg Verlag, 18. Aufl. 2007, ISBN 3-834-80262-X, €36,90.
# Roloff/Matek: Maschinenelemente-Formelsammlung, Vieweg Verlag, 8. Aufl. 2006. ISBN 3-834-80119-4, €20,90.
# Allgemeine Internetnutzung, wie z.B. [http://www.wikipedia.de wikipedia]

{{www}}
* [[Media:Unterrichtseinheit_vom_14.08.2010_Nietverbindungen_-Kompatibilit_344tsmodus-%29.pdf|Powerpointpräsentation zum Thema, 14.08.2010 von S. Kellinghusen]]
* [[Media:Unterrichtseinheit_vom_14.08.2010_Rechnung_Nietverbindung.doc|Rechnung zum Thema, 14.08.2010 von S. Kellinghusen]]
* [[Media:Lochleibungsdruck.doc‎ |Lochleibung zum Thema, 14.08.2010 von S. Kellinghusen]]

[[Kategorie: Entwicklung und Konstruktion]]

Nietverbindungen

2010-11-23T19:25:00Z

Sandra Kellinghusen:

== Allgemeines ==
Das Nieten gehört zum Festigkeitsverfahren Fügen nach DIN 8593-0, wobei der Formschluss durch Umformen erreicht wird. Nietverbindungen erfordern einen hohen maschinellen Aufwand bei erheblichen Personalkosten. Daher werden diese wenn möglich durch Schweißverbindungen abgelöst, wie z.B. beim Druckbehälterbau. Eine Sonderstellung haben Nietverbindungen im Flugzeugbau und Leichtbau, hier werden hoch automatisierte Nietverfahren praktiziert. Es gibt warm- und kaltgefügte Nieten. Warmnietung bei Stahlnieten ab Ø 10 mm. Diese werden in hellrotem Zustand geschlagen oder gepresst. Kaltvernietung bis Ø 8 mm sowie Niete aus Kupfer, Aluminium und deren Legierungen werden in kaltem Zustand bearbeitet. Durch das Stauchen des Nietschaftes in Achsrichtung füllt dieser das Nietloch vollständig aus und wird so radial gegen die Lochwandung gepresst. Nietverbindungen sind nicht lösbare Verbindungen, welche nur durch Beschädigung oder Zerstörung der gefügten Teile gelöst werden können.

== Anwendungsbeispiele ==
<gallery>
Bild:A-380_Struktur-1.JPG|1. A-380 Struktur
Bild:Eifelturm 3.jpg|2. Eifelturm
Bild:1926_Brückenbau.jpg|3. Brückenbau
Bild:Brems08.jpg|4. Trommelbremse
</gallery>

== Vor- und Nachteile einer Nietverbindung ==
Vorteile:
*Keine ungünstigen Werkstoffbeeinflussungen (Gefügeumwandlung beim Schweißen)
*Kein verziehen der Bauteile
*Ungleichartige Werkstoffe lassen sich verbinden
*Nietverbindungen sind leicht und sicher kontrollierbar und zu Not auch lösbar
*Nietverbindungen versagen nicht bei Überlastung schlagartig
*Blindnietsysteme sind sehr schnell und günstig herstellbar

Nachteile:
*Bauteile werden durch die Bohrungen geschwächt
*Es resultieren dadurch größere Querschnitte und ein höheres Gewicht
*Stumpfstöße lassen sich nicht ausführen
*Bauteile müssen überlappt oder mit Laschen verbunden sein
*In der Fertigung kostenintensiver als das Schweißen

== Nietarten und Formen ==
<gallery>
Bild:Blindniete_210.jpg|1. Blindniet
Bild:halbrundniete.jpg|2. Halbrundniet
Bild:Hohlnieten_2.jpg|3. Hohlniet
Bild:Rohrniete.jpg|4. Rohrniet
Bild:Senkniet.JPG|5. Senkniet
Bild:Schraubniet.JPG|6. Schraubniet
Bild:Senkschraubniet.JPG|7. Senkschraubniet
Bild:Schließringbolzen-1.JPG|8. Schließringbolzen
Bild:Schließringbolzen_bestimmung.jpg|9. Schließringbolzen Bestimmung
Bild:Nietarten_und_Formen.JPG|10. Diverse Nietarten und Formen
</gallery>

== Nietverfahren ==

*Blindniete werden durch das Herranziehen der Kugel am Sollbruchdorn zum Stauchen gebracht. ( siehe Bild oben )

*Halbrundniete werden durch Stauchen eines bolzenförmigen Hilfsfügeteiles hergestellt.

*Hohlnieten durch Umlegen überstehender Teile eines Hohlnietes.

*Zapfennieten durch Stauchen des zapfenförmigen Endes an einem der beiden Fügeteile.

*Hohlzapfennieten durch Umlegen überstehender Teile des hohlzapfenförmigen Endes an einem der beiden Fügeteile.

*Schließringbolzen durch Einpressen des Schließringes in die Nuten des Bolzens und das Abreißen des Zugteils erfolgt ( immer ) durch das Einziehgerät.

== Verbindungsart und Verwendung ==
*Feste Verbindungen (Kraftverbindungen) kommen im Stahlbau, Kranbau und Brückenbau zum Tragen.

*Feste und dichte Verbindungen im Kesselbau und Druckbehälterbau.

*Vorwiegend dichte Verbindungen im Behälterbau.

*Haftverbindungen (Heftnietung) werden für Blechverkleidungen im Karosserie, Waggon und Flugzeugbau verwendet.

== Werkstoffe ==
Da der Befestigungsvorgang der Nietverbindungen mit einer Verformung der Niete verbunden ist, kommen nur duktile Werkstoffe in Frage, wie z.B. Stahl USt 36 ( S235 JRG1 ), Kupfer, Messing, Aluminiumlegierungen. Grundsätzlich sollte das Niet aus dem selben oder aus einem gleichartigen Werkstoff bestehen um elektrochemische Korrosion zu vermeiden.
== Werkzeuge ==

<gallery>
Bild:Vorhalteeisen.jpg|Vorhalteeisen
Bild:Pneumatikpopzug.jpg|Pneumatikpopzug
Bild:Popnietzange.jpg|Popnietzange
Bild:Niethammer.jpg|Niethammer
Bild:Nietquetsche_gross.jpg|Nietquetsche
Bild:Einsätze.jpg|Einsätze
Bild:Nietzange.jpg|Nietzange
Bild:Döpper.jpg|Döpper
Bild:Schließringbolzen_Einzieher-2.JPG|Schließringbolzen Einzieher
Bild:Schließringbolzen Abzieher.JPG|Schließringbolzen Abzieher
Bild:Nietlehre.JPG|Nietlehre
Bild:Schließringbolzen_Lehre-1.JPG|Schließringbolzen Lehre
</gallery>

== Herstellung einer Verbindung ==

Halbrundniete sind formbare Nieten, bei denen der Schließkopf des Nietes durch das Stauchen des Nietschaftes gebildet wird. Durch das Verformen des Nietschaftes wird dieser in der gesamten Länge gestaucht und füllt so die Nietbohrung. Der aus der Struktur herausragende Nietschaft wird dabei zum Schließkopf geformt.Während der Verformung des Nietschaftes entsteht eine Kaltverfestigung im Nietwerkstoff und der Werkstoff versprödet. Aus diesem Grunde soll die Verformung des Schließkopfes mit möglichst wenig Schlägen erreicht werden.

<gallery>
Bild:Nietskizzen.jpg|1. Vorgang beim Umformen von Nieten
Bild:Niete-1.jpg|2. Quetschen eines Halbrundnietes
Bild:Nietenschiessen.jpg|3. Nietenschiessen
</gallery>

== Beurteilung von Nieten ==

Prüfen des Nietschaftüberstandes und der Schließringstauchung

Für die Prüfung des Nietschaftüberstandes und der Schließringstauchung sind Prüflehren zu verwenden. Diese Prüflehren werden auf der Schließringseite aufgesetzt, dadurch ist eine Prüfung des Nietschaftüberstandes und/oder der Schließringverformung möglich. Die Handhabung der Lehren ist je nach Lehrentyp unterschiedlich. Es wird jedoch immer der maximale und der minimale Nietschaftüberstand zur Scheibenoberfläche geprüft.

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Bild:Schliesskopfabmessungen.jpg|Prüfvorgaben für Halbrundniete
Bild:Nietlehre-Touch-Go.JPG|Touch Go: Bei Berührung Gut
Bild:Nietlehre-Touch-No-Go.JPG|Touch No Go: Bei Berührung nicht Gut
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== Entfernen von beanstandeten Nieten ==

Beim Entfernen von beanstandeten Nieten ist darauf zu achten, daß die Nietlöcher nicht beschädigt werden. Die Niete sind möglichst von der Setzkopfseite her zu entfernen. In dem unteren Bild sind mögliche Nietfehler ( Beschädigungen ) dargestellt und in den anderen die richtige vorgehensweise beim entfernen solcher.

Arbeitsschritte:

1. Nietkopf zentrisch ankörnen ( bei dünnen Blechen muß beim Ankörnen gegengehalten werden ).

2. Anbohren bis auf Setzkopftiefe mit einem Bohrer, der um 0,2 mm kleiner ist als der Nietnenndurchmesser. Im Bedarfsfall darf auch tiefer gebohrt werden ( abhängig von der Klemmlänge ).

3. Nietkopf mit einem Splinttreiber durch leichtes Verkanten abbrechen.

4. Nietschaft mit einem Durchschlag, dessen Durchmesser etwas kleiner als der Nietschaftdurchmesser ist, austreiben. Dünne Bleche und nicht abgestützte Bauteile sind beim Austreiben abzustützen.

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Bild:Nietfehler.JPG|Mögliche Nietfehler
Bild:Entfernen_eines_Nietes_1-1.jpg|1. und 2. Arbeitsschritt
Bild:Entfernen_eines_Nietes_2-1.JPG|3. Arbeitsschritt
Bild:Entfernen_eines_Nietes_3-1.JPG|4. Arbeitsschritt
</gallery>

== Korrosionsschutz ==
Spaltkorrosion entsteht in engen Spalten ( 0,05…0,4 ) sowie an Überlappungs- und Verbindungsstellen. Diese wird verursacht durch Feuchtigkeit innerhalb des Spaltes.
Schwitzwasserkorrosion entsteht durch Kondensation von Wasser.
'''Konstruktionsregel: Unvermeidbare Hohlräume und Hohlprofile verschließen und so "Wassersäcke" vermeiden'''. Kontaktkorrosion tritt durch Verbund von Metallen mit unterschiedlichem Potenzial bei Einwirkung eines geeigneten Elektrolyten (Feuchtigkeit) auf.
Als mögliche Schutzmaßnahmen bei Spalt- und Kontaktkorrosion dienen Gesamtanstriche.

== Arbeits- und Gesundheitsschutz ==

*Drucklufthämmer dürfen nie ohne Rückholfeder benutzt und nur betätigt werden, wenn sie auf dem Niet aufliegen.
*Beim Nieten und gegenhalten in Hohlräumen schalldichte Ohrenklappen tragen.
*Bevor man den Abzug des Niethammers betätigt ist darauf zuachten, dass der Partner mit dem Gegenhalter gegen das Niet hält.
*An schwer zugänglichen Stellen Gegenhalter durch Schnur oder Riemen mit dem Handgelenk verbinden.
*Schwingungsarme Nietwerkzeuge sind bevorzugt einzusetzen.
*Zur Lärmreduzierung zunächst versuchen Nietquetsche zu verwenden, anderenfalls schweren Gegenhalter oder stark eingestellten Niethammer benutzen.

== Wiederholungsfragen ==

1. Wodurch wird der Formschluss beim Nieten erreicht?

2. Vergleiche Niet- und Schweißverbindungen hinsichtlich Kosten, Arbeitsaufwand etc.

3. Welche Nietarten kennen Sie? Nennen Sie mindestens 3 !

4. Welche Werkstoffeigenschaft ist für Nietverbindungen erforderlich?

5. Wie werden Halbrundniete entfernt?

6. Was sind die Gründe für Korrosion an Nietverbindungen? Nennen Sie bitte mindestens 2 Gründe!

7. Nennen Sie mindestens 2 Maßnahmen zum Thema Arbeits- und Gesundheitsschutz beim Nieten.

8. Nennen Sie mindestens 2 Anwendungsbereiche wo Nietverbindungen vorteilhaft sind!

9. Wie sollten Nietverbindungen nach Möglichkeit beansprucht werden?

[[Nietverbindungen: Lösung#Schalthebel|Hier geht's zur Lösung!]]

== Formeln ==

* '''Rohnietdurchmesser'''

In Abhängigkeit von der kleinsten zu verbindenden Blechdicke "t" wird im Stahlbau der Rohrnietdurchmesser auch nach der Gebrauchsformel gewählt:

[[Bild:Formel_Nietlochdurchmesser2.jpg]]

* '''Rohnietlänge'''

Der Rohniet muss so lang sein, dass genügend Werkstoff zum Füllen des Nietloches und Schließkopfes vorhanden ist. Bei üblichem Lochdurchmesser ergibt sich die Rohnietlänge aus:

[[Bild:Formel_Nietlänge2.jpg]]

* '''Abscherspannung'''

Für die Nachprüfung einer gegebenen Nietverbindung werden die berechneten mit den zulässigen Spannungen verglichen:

[[Bild:Formel_Abscherspannung2.jpg]]

* '''Lochleibungsdruck'''

Aus der Flächenpressung folgt für den Lochleibungsdruck eines Nietes folgende Gleichung:

[[Bild:Lochleibungsdruck2.jpg]]

* '''Nietanzahl aufgrund der zulässigen Abscherspannung'''

Erforderliche Nietzahl aufgrund des zulässigen Lochleibungsdruck:

[[Bild:Formel_Nietzahl_Abscherspannung2.jpg]]

== Berechnung und Dimensionierung ==

Rechenaufgaben:

1. Nietwerkstoff: S235JR (St37) mit Rm = 340 … 470 N/mm²

a) Kraft, die das Niet durch Abscherung zerstören würde.

b) zulässige Beanspruchung bei 5facher Sicherheit.

[[Bild:Nietaufgabe1.JPG]]

2. Es sollen zwei Bleche miteinander vernietet werden, die unter einem Krafteinfluss von 882kN stehen. Der Werkstoff ist aus S235.

a) Bestimmen Sie den Nietdurchmesser und die Nietlänge anhand des Tabellenbuches. Die Auslegung soll nach den Richtwerten für Kranbau ermittelt werden.

b) Berechnen Sie anschließend zum Vergleich den Nietdurchmesser und die Nietlänge rechnerisch.

c) Ermitteln Sie laut Tabellen Buch ''T''azul nach Lastfall H für eine einschnittige Verbindung.

d) Berechnen Sie die benötigte Nietanzahl.

e) Dimensionieren Sie das erforderliche Nietbild.

[[Bild:Nietaufgabe3a.JPG]]

[[Nietverbindungen: Lösungen#Schalthebel|Hier geht's zu den Lösungen!]]

== Powerpoint Präsentation über Nietverbindungen ==
[[Media:Nietverbindungen_V7.ppt|Nietverbindungen]]

== Quellen==
Dieses sind die Werke welche als Vorlage gedient haben.

# Tabellenbuch Metall, 43. Auflage. Europa Verlag, ISBN 3-8085-1673-9, €21,50
# Roloff/Matek: Maschinenelemente-Tabellenbuch, Vieweg Verlag, 18. Aufl. 2007, ISBN 3-834-80262-X, €36,90.
# Roloff/Matek: Maschinenelemente-Formelsammlung, Vieweg Verlag, 8. Aufl. 2006. ISBN 3-834-80119-4, €20,90.
# Allgemeine Internetnutzung, wie z.B. [http://www.wikipedia.de wikipedia]

{{www}}
* [[Media:Unterrichtseinheit_vom_14.08.2010_Nietverbindungen_-Kompatibilit_344tsmodus-%29.pdf|Powerpointpräsentation zum Thema, 14.08.2010 von S. Kellinghusen]]
* [[Media:Unterrichtseinheit_vom_14.08.2010_Rechnung_Nietverbindung.doc|Rechnung zum Thema, 14.08.2010 von S. Kellinghusen]]
* [[Media:Lochleibung.doc|Lochleibung zum Thema, 14.08.2010 von S. Kellinghusen]]

[[Kategorie: Entwicklung und Konstruktion]]

Datei:Lochleibungsdruck.doc

2010-11-23T19:24:05Z

Sandra Kellinghusen:

Nietverbindungen

2010-11-23T09:09:29Z

Sandra Kellinghusen:

== Allgemeines ==
Das Nieten gehört zum Festigkeitsverfahren Fügen nach DIN 8593-0, wobei der Formschluss durch Umformen erreicht wird. Nietverbindungen erfordern einen hohen maschinellen Aufwand bei erheblichen Personalkosten. Daher werden diese wenn möglich durch Schweißverbindungen abgelöst, wie z.B. beim Druckbehälterbau. Eine Sonderstellung haben Nietverbindungen im Flugzeugbau und Leichtbau, hier werden hoch automatisierte Nietverfahren praktiziert. Es gibt warm- und kaltgefügte Nieten. Warmnietung bei Stahlnieten ab Ø 10 mm. Diese werden in hellrotem Zustand geschlagen oder gepresst. Kaltvernietung bis Ø 8 mm sowie Niete aus Kupfer, Aluminium und deren Legierungen werden in kaltem Zustand bearbeitet. Durch das Stauchen des Nietschaftes in Achsrichtung füllt dieser das Nietloch vollständig aus und wird so radial gegen die Lochwandung gepresst. Nietverbindungen sind nicht lösbare Verbindungen, welche nur durch Beschädigung oder Zerstörung der gefügten Teile gelöst werden können.

== Anwendungsbeispiele ==
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Bild:A-380_Struktur-1.JPG|1. A-380 Struktur
Bild:Eifelturm 3.jpg|2. Eifelturm
Bild:1926_Brückenbau.jpg|3. Brückenbau
Bild:Brems08.jpg|4. Trommelbremse
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== Vor- und Nachteile einer Nietverbindung ==
Vorteile:
*Keine ungünstigen Werkstoffbeeinflussungen (Gefügeumwandlung beim Schweißen)
*Kein verziehen der Bauteile
*Ungleichartige Werkstoffe lassen sich verbinden
*Nietverbindungen sind leicht und sicher kontrollierbar und zu Not auch lösbar
*Nietverbindungen versagen nicht bei Überlastung schlagartig
*Blindnietsysteme sind sehr schnell und günstig herstellbar

Nachteile:
*Bauteile werden durch die Bohrungen geschwächt
*Es resultieren dadurch größere Querschnitte und ein höheres Gewicht
*Stumpfstöße lassen sich nicht ausführen
*Bauteile müssen überlappt oder mit Laschen verbunden sein
*In der Fertigung kostenintensiver als das Schweißen

== Nietarten und Formen ==
<gallery>
Bild:Blindniete_210.jpg|1. Blindniet
Bild:halbrundniete.jpg|2. Halbrundniet
Bild:Hohlnieten_2.jpg|3. Hohlniet
Bild:Rohrniete.jpg|4. Rohrniet
Bild:Senkniet.JPG|5. Senkniet
Bild:Schraubniet.JPG|6. Schraubniet
Bild:Senkschraubniet.JPG|7. Senkschraubniet
Bild:Schließringbolzen-1.JPG|8. Schließringbolzen
Bild:Schließringbolzen_bestimmung.jpg|9. Schließringbolzen Bestimmung
Bild:Nietarten_und_Formen.JPG|10. Diverse Nietarten und Formen
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== Nietverfahren ==

*Blindniete werden durch das Herranziehen der Kugel am Sollbruchdorn zum Stauchen gebracht. ( siehe Bild oben )

*Halbrundniete werden durch Stauchen eines bolzenförmigen Hilfsfügeteiles hergestellt.

*Hohlnieten durch Umlegen überstehender Teile eines Hohlnietes.

*Zapfennieten durch Stauchen des zapfenförmigen Endes an einem der beiden Fügeteile.

*Hohlzapfennieten durch Umlegen überstehender Teile des hohlzapfenförmigen Endes an einem der beiden Fügeteile.

*Schließringbolzen durch Einpressen des Schließringes in die Nuten des Bolzens und das Abreißen des Zugteils erfolgt ( immer ) durch das Einziehgerät.

== Verbindungsart und Verwendung ==
*Feste Verbindungen (Kraftverbindungen) kommen im Stahlbau, Kranbau und Brückenbau zum Tragen.

*Feste und dichte Verbindungen im Kesselbau und Druckbehälterbau.

*Vorwiegend dichte Verbindungen im Behälterbau.

*Haftverbindungen (Heftnietung) werden für Blechverkleidungen im Karosserie, Waggon und Flugzeugbau verwendet.

== Werkstoffe ==
Da der Befestigungsvorgang der Nietverbindungen mit einer Verformung der Niete verbunden ist, kommen nur duktile Werkstoffe in Frage, wie z.B. Stahl USt 36 ( S235 JRG1 ), Kupfer, Messing, Aluminiumlegierungen. Grundsätzlich sollte das Niet aus dem selben oder aus einem gleichartigen Werkstoff bestehen um elektrochemische Korrosion zu vermeiden.
== Werkzeuge ==

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Bild:Vorhalteeisen.jpg|Vorhalteeisen
Bild:Pneumatikpopzug.jpg|Pneumatikpopzug
Bild:Popnietzange.jpg|Popnietzange
Bild:Niethammer.jpg|Niethammer
Bild:Nietquetsche_gross.jpg|Nietquetsche
Bild:Einsätze.jpg|Einsätze
Bild:Nietzange.jpg|Nietzange
Bild:Döpper.jpg|Döpper
Bild:Schließringbolzen_Einzieher-2.JPG|Schließringbolzen Einzieher
Bild:Schließringbolzen Abzieher.JPG|Schließringbolzen Abzieher
Bild:Nietlehre.JPG|Nietlehre
Bild:Schließringbolzen_Lehre-1.JPG|Schließringbolzen Lehre
</gallery>

== Herstellung einer Verbindung ==

Halbrundniete sind formbare Nieten, bei denen der Schließkopf des Nietes durch das Stauchen des Nietschaftes gebildet wird. Durch das Verformen des Nietschaftes wird dieser in der gesamten Länge gestaucht und füllt so die Nietbohrung. Der aus der Struktur herausragende Nietschaft wird dabei zum Schließkopf geformt.Während der Verformung des Nietschaftes entsteht eine Kaltverfestigung im Nietwerkstoff und der Werkstoff versprödet. Aus diesem Grunde soll die Verformung des Schließkopfes mit möglichst wenig Schlägen erreicht werden.

<gallery>
Bild:Nietskizzen.jpg|1. Vorgang beim Umformen von Nieten
Bild:Niete-1.jpg|2. Quetschen eines Halbrundnietes
Bild:Nietenschiessen.jpg|3. Nietenschiessen
</gallery>

== Beurteilung von Nieten ==

Prüfen des Nietschaftüberstandes und der Schließringstauchung

Für die Prüfung des Nietschaftüberstandes und der Schließringstauchung sind Prüflehren zu verwenden. Diese Prüflehren werden auf der Schließringseite aufgesetzt, dadurch ist eine Prüfung des Nietschaftüberstandes und/oder der Schließringverformung möglich. Die Handhabung der Lehren ist je nach Lehrentyp unterschiedlich. Es wird jedoch immer der maximale und der minimale Nietschaftüberstand zur Scheibenoberfläche geprüft.

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Bild:Schliesskopfabmessungen.jpg|Prüfvorgaben für Halbrundniete
Bild:Nietlehre-Touch-Go.JPG|Touch Go: Bei Berührung Gut
Bild:Nietlehre-Touch-No-Go.JPG|Touch No Go: Bei Berührung nicht Gut
</gallery>

== Entfernen von beanstandeten Nieten ==

Beim Entfernen von beanstandeten Nieten ist darauf zu achten, daß die Nietlöcher nicht beschädigt werden. Die Niete sind möglichst von der Setzkopfseite her zu entfernen. In dem unteren Bild sind mögliche Nietfehler ( Beschädigungen ) dargestellt und in den anderen die richtige vorgehensweise beim entfernen solcher.

Arbeitsschritte:

1. Nietkopf zentrisch ankörnen ( bei dünnen Blechen muß beim Ankörnen gegengehalten werden ).

2. Anbohren bis auf Setzkopftiefe mit einem Bohrer, der um 0,2 mm kleiner ist als der Nietnenndurchmesser. Im Bedarfsfall darf auch tiefer gebohrt werden ( abhängig von der Klemmlänge ).

3. Nietkopf mit einem Splinttreiber durch leichtes Verkanten abbrechen.

4. Nietschaft mit einem Durchschlag, dessen Durchmesser etwas kleiner als der Nietschaftdurchmesser ist, austreiben. Dünne Bleche und nicht abgestützte Bauteile sind beim Austreiben abzustützen.

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Bild:Nietfehler.JPG|Mögliche Nietfehler
Bild:Entfernen_eines_Nietes_1-1.jpg|1. und 2. Arbeitsschritt
Bild:Entfernen_eines_Nietes_2-1.JPG|3. Arbeitsschritt
Bild:Entfernen_eines_Nietes_3-1.JPG|4. Arbeitsschritt
</gallery>

== Korrosionsschutz ==
Spaltkorrosion entsteht in engen Spalten ( 0,05…0,4 ) sowie an Überlappungs- und Verbindungsstellen. Diese wird verursacht durch Feuchtigkeit innerhalb des Spaltes.
Schwitzwasserkorrosion entsteht durch Kondensation von Wasser.
'''Konstruktionsregel: Unvermeidbare Hohlräume und Hohlprofile verschließen und so "Wassersäcke" vermeiden'''. Kontaktkorrosion tritt durch Verbund von Metallen mit unterschiedlichem Potenzial bei Einwirkung eines geeigneten Elektrolyten (Feuchtigkeit) auf.
Als mögliche Schutzmaßnahmen bei Spalt- und Kontaktkorrosion dienen Gesamtanstriche.

== Arbeits- und Gesundheitsschutz ==

*Drucklufthämmer dürfen nie ohne Rückholfeder benutzt und nur betätigt werden, wenn sie auf dem Niet aufliegen.
*Beim Nieten und gegenhalten in Hohlräumen schalldichte Ohrenklappen tragen.
*Bevor man den Abzug des Niethammers betätigt ist darauf zuachten, dass der Partner mit dem Gegenhalter gegen das Niet hält.
*An schwer zugänglichen Stellen Gegenhalter durch Schnur oder Riemen mit dem Handgelenk verbinden.
*Schwingungsarme Nietwerkzeuge sind bevorzugt einzusetzen.
*Zur Lärmreduzierung zunächst versuchen Nietquetsche zu verwenden, anderenfalls schweren Gegenhalter oder stark eingestellten Niethammer benutzen.

== Wiederholungsfragen ==

1. Wodurch wird der Formschluss beim Nieten erreicht?

2. Vergleiche Niet- und Schweißverbindungen hinsichtlich Kosten, Arbeitsaufwand etc.

3. Welche Nietarten kennen Sie? Nennen Sie mindestens 3 !

4. Welche Werkstoffeigenschaft ist für Nietverbindungen erforderlich?

5. Wie werden Halbrundniete entfernt?

6. Was sind die Gründe für Korrosion an Nietverbindungen? Nennen Sie bitte mindestens 2 Gründe!

7. Nennen Sie mindestens 2 Maßnahmen zum Thema Arbeits- und Gesundheitsschutz beim Nieten.

8. Nennen Sie mindestens 2 Anwendungsbereiche wo Nietverbindungen vorteilhaft sind!

9. Wie sollten Nietverbindungen nach Möglichkeit beansprucht werden?

[[Nietverbindungen: Lösung#Schalthebel|Hier geht's zur Lösung!]]

== Formeln ==

* '''Rohnietdurchmesser'''

In Abhängigkeit von der kleinsten zu verbindenden Blechdicke "t" wird im Stahlbau der Rohrnietdurchmesser auch nach der Gebrauchsformel gewählt:

[[Bild:Formel_Nietlochdurchmesser2.jpg]]

* '''Rohnietlänge'''

Der Rohniet muss so lang sein, dass genügend Werkstoff zum Füllen des Nietloches und Schließkopfes vorhanden ist. Bei üblichem Lochdurchmesser ergibt sich die Rohnietlänge aus:

[[Bild:Formel_Nietlänge2.jpg]]

* '''Abscherspannung'''

Für die Nachprüfung einer gegebenen Nietverbindung werden die berechneten mit den zulässigen Spannungen verglichen:

[[Bild:Formel_Abscherspannung2.jpg]]

* '''Lochleibungsdruck'''

Aus der Flächenpressung folgt für den Lochleibungsdruck eines Nietes folgende Gleichung:

[[Bild:Lochleibungsdruck2.jpg]]

* '''Nietanzahl aufgrund der zulässigen Abscherspannung'''

Erforderliche Nietzahl aufgrund des zulässigen Lochleibungsdruck:

[[Bild:Formel_Nietzahl_Abscherspannung2.jpg]]

== Berechnung und Dimensionierung ==

Rechenaufgaben:

1. Nietwerkstoff: S235JR (St37) mit Rm = 340 … 470 N/mm²

a) Kraft, die das Niet durch Abscherung zerstören würde.

b) zulässige Beanspruchung bei 5facher Sicherheit.

[[Bild:Nietaufgabe1.JPG]]

2. Es sollen zwei Bleche miteinander vernietet werden, die unter einem Krafteinfluss von 882kN stehen. Der Werkstoff ist aus S235.

a) Bestimmen Sie den Nietdurchmesser und die Nietlänge anhand des Tabellenbuches. Die Auslegung soll nach den Richtwerten für Kranbau ermittelt werden.

b) Berechnen Sie anschließend zum Vergleich den Nietdurchmesser und die Nietlänge rechnerisch.

c) Ermitteln Sie laut Tabellen Buch ''T''azul nach Lastfall H für eine einschnittige Verbindung.

d) Berechnen Sie die benötigte Nietanzahl.

e) Dimensionieren Sie das erforderliche Nietbild.

[[Bild:Nietaufgabe3a.JPG]]

[[Nietverbindungen: Lösungen#Schalthebel|Hier geht's zu den Lösungen!]]

== Powerpoint Präsentation über Nietverbindungen ==
[[Media:Nietverbindungen_V7.ppt|Nietverbindungen]]

== Quellen==
Dieses sind die Werke welche als Vorlage gedient haben.

# Tabellenbuch Metall, 43. Auflage. Europa Verlag, ISBN 3-8085-1673-9, €21,50
# Roloff/Matek: Maschinenelemente-Tabellenbuch, Vieweg Verlag, 18. Aufl. 2007, ISBN 3-834-80262-X, €36,90.
# Roloff/Matek: Maschinenelemente-Formelsammlung, Vieweg Verlag, 8. Aufl. 2006. ISBN 3-834-80119-4, €20,90.
# Allgemeine Internetnutzung, wie z.B. [http://www.wikipedia.de wikipedia]

{{www}}
* [[Media:Unterrichtseinheit_vom_14.08.2010_Nietverbindungen_-Kompatibilit_344tsmodus-%29.pdf|Powerpointpräsentation zum Thema, 14.08.2010 von S. Kellinghusen]]
* [[Media:Unterrichtseinheit_vom_14.08.2010_Rechnung_Nietverbindung.doc|Rechnung zum Thema, 14.08.2010 von S. Kellinghusen]]
* [[Media:Unterrichtseinheit_vom_14.08.2010_Lochleibung.doc|Lochleibung zum Thema, 14.08.2010 von S. Kellinghusen]]

[[Kategorie: Entwicklung und Konstruktion]]

Nietverbindungen

2010-11-18T07:48:52Z

Sandra Kellinghusen:

Tribologie

2010-11-18T07:40:24Z

Sandra Kellinghusen:

--[[Benutzer:Benni1981|Benni1981]] 12:27, 8. Dez 2007 (CET) '''Hallo {{Currentuser}}, ich wünsche Dir viel Spaß beim Lesen dieser Seite...''' {{Heute}}
[[Bild:Tribologie.jpg|right]]

==Bedeutung==
[[Bild:Tribologie.gif|thumb|442px|Quelle: [http://www.gft-ev.de Gesellschaft für Tribologie]]]

Die Tribologie (griechisch: {{mark|Reibungslehre}}) ist eine Wissenschaft, mit der sich Maschinenbauer, [[Werkstoff]]techniker, Physiker und Chemiker befassen.
Die Tribologie umfasst die Gebiete
*Reibung
*Verschleiß
*Schmierung
Ziel der Tribolologie ist es, das Bewegungssystem zu optimieren. In ökologischer, ökonomischer und funktioneller Hinsicht. Das heißt Minderung von Verschleiß und Optimierung von Reibungsbedingungen

===Anwendung===
Die Anwendung der Tribologie erstreckt sich auf alle Bereiche der Entwicklung, Konstruktion, Fertigung und Instandhaltung mechanischer Bewegungssysteme in den verschiedenen Industrie- und Wirtschaftsbereichen:

*Maschinenbau
*[[Fertigungstechnik]]
*Antriebs-und Fördertechnik
*Kraftfahrzeug- und Motorenindustrie
*Bautechnik
*Luft und Raumfahrt
*Schienenfahrzeugtechnik
*Feinwerktechnik
*EDV Technik
*Energieversorgung
*Medizintechnik

===Aufgaben===
Die Tribologie hat einen enormen Einfluss auf die Ressourcen eines Betriebes, zudem auch die Betriebssicherheit d.h. ein störungsfreier und anwendungssicherer Ablauf eines Gerätes/Maschine. Sie hilft außerdem die Produktionskosten zu senken und sorgt für eine Reduzierung von [[Energie]]/[[Emissionen]]. Bei der [[Dimensionierung]] von [[Maschinenelemente]]n gilt häufig die Anforderung, dass während des Betriebszustandes Reibung und Verschleiß auf ein minimales zu reduzieren ist, ebenso der Energieverlust. Es gibt aber auch Anwendungen, wo eine verstärkte Reibung erwünscht ist, z.B. bei Reibradgetrieben oder [[Bremse]]n.

==Schäden an Maschinenelementen==

[[Bild:Lagerschaden.png|thumb|Lagerschaden aufgrund mangelnder Wartung. Quelle: [http://www.atd-aufzuege.de ATD-Aufzüge]]] Es gibt zwei wesentliche, teilweise auch genormte Einteilungen. Sie erfolgen nach dem '''Verschleißmechanismus''' bzw. dem '''Schadensbild'''.
Demnach kann es auch vorkommen, dass bestimmte Begriffe in unterschiedlicher Weise verwendet werden. So wird "Verschleiß" im Allgemeinen als fortschreitender Materialabtrag, speziell aber auch nur für bestimmte Schäden (Riefen, Kratzer, Fresser) verwendet.

===Verschleiß===
Der Begriff Verschleiß kann als fortschreitender Materialverlust aus der Oberfläche eines festen Körpers(Grundkörper), hervorgerufen durch mechanische Ursachen, d.h. Kontakt- und Relativbewegung eines festen, flüssigen oder [[gasförmig]]en Gegenkörpers definiert werden.

Die Unterteilung erfolgt nach dem '''Verschleißmechanismus''' in Abrasion, Adhäsion, Oberflächenzerüttung und tribochemischen Reaktionen.

'''Abrasion''': Sie tritt auf, wenn sich der Grundkörper mit einem härteren und raueren Gegenkörper im Kontakt befindet bzw. harte Partikel im Kontakt wirksam sind.

'''Adhäsion''': Adhäsion entsteht durch stoffliche Wechselwirkungen im Oberflächenbereich zweier Kontaktpartner. Es handelt sich dabei um Bindung (Verschweißung) und Trennung von Grenzflächenbindungen. Die Ursache ist das Zusammenbrechen oder Fehlen von schützenden Oberflächenschichten bei örtlich hohen Beanspruchungen und Temperaturen. (Bsp. Kolbenfresser)

'''Oberflächenzerrüttung''': Sie entsteht bei sich häufig periodisch ändernden Belastungen in bestimmten Werkstoffbereichen. Bei Erreichen einer bestimmten Risslänge kommt es zum Bruch bzw. zum Heraustrennen von Partikeln aus dem Oberflächenbereich.

'''Tribochemische Reaktionen''': Entsteht durch chemische Reaktion in Folge tribologischer Beanspruchung (zwischen Grund- und Gegenkörper. Es beteiligen sich Bestandteile des Zwischenstoffs bzw. des Umgebungsmediums. Durch eine Relativbewegung werden ständig neue Reaktionsprodukte erzeugt und wieder abgerieben.

===[[Korrosion]]===

Man bezeichnet als [[Korrosion]] Grenzflächenreaktionen zwischen [[Metall]]oberflächen und festen, flüssigen oder [[gasförmig]]en [[Korrosion]]smedien. Man unterscheidet hierbei in 3 [[Korrosion]]sarten:

'''Chemische [[Korrosion]]:''' hierbei bewirken Metalle und reaktionsfähige Gase/Flüssigkeiten eine[[ Oxidation]] oder Verzunderung

'''Chemisch metallphysikalische [[Korrosion]]:''' Dies ist die Reaktion bestimmter Metalle und Wasserstoffgas, die zu Korngrenzenveränderungen und Rissen führt.

'''Elektrochemische [[Korrosion]]:''' Bei dieser Korrosionsart handelt es sich um Reaktionen von [[Metall]]en in elektrolytisch leitenden Medien.

Häufig auftretende [[Korrosion]]svorgänge in der Praxis sind:
*chemische [[Korrosion]] (Reaktion von [[Metall]]en mit Luft[[sauerstoff]] und [[Säure]]n, Ergebnis = [[Rost]] und Verzunderung).
*Kontaktkorrosion (Wenn sich ein ionenleitendes Medium zwischen den Metallen befindet).Zudem sind auch Konstruktionen aus [[Metall]]en mit unterschiedlichem Elektrodenpotential gefährdet) siehe {{Mark
|RM TB 4-5}}.
*Reib[[korrosion]] (Entsteht durch vorhandene Mikro-Gleitbewegungen im Bereich elastischer Verformungen, diese verursachen [[metall]]isch reine Oberflächen, welche sehr reaktionsfreudig gegenüber Luft[[sauerstoff]], [[Stickstoff]] und [[Kohlenstoff]] sind).
*Spaltkorrosion (Konstruktiv bedingte elektrochemische Korrosion, bei der sich in Spalten, Rissen und Riefen z.B. von Schrauben- und Punktschweißverbindungen, korrosionsfördernde Substanzen sammeln).
*Spannungsriss[[korrosion]] (Entsteht durch Zugspannungen oder Eigenspannungen unter korrosionsfördernden Bedingungen).
*Schwingungsriss[[korrosion]] (Ensteht durch eine zusätzliche mechanische oder thermische Schwingbeanspruchung).
====[[Korrosion]]sschutz====

Es gibt umfangreiche Möglichkeiten des [[Korrosion]]sschutzes. Die Wahl der geeigneten Bauteilwerkstoffe und die Aufbringung metallischer Überzüge bzw. spezieller Schutzschichten. Es ist bei der Wahl des [[metall]]ischen Überzugs auf den [[Korrosion]]sschutz gegenüber dem Grundwerkstoff zu achten. Es könnte durch mechanische Beanspruchungen Risse im Überzug entstehen. In diesem Fall muss eine geeignete Wahl des Überzuges getroffen werden, um Kontakt[[korrosion]] zu vermeiden. Einen häufig verwendeten Oberflächenschutz erreicht man mit [[Diffusion]]sschichten. Diese werden durch Borieren und Nitrieren erzeugt.

===Schadensbilder===

Die unter dem Absatz "Verschleiß" beschriebenen Verschleißmechanismen wirken oftmals in überlagerter Form. Aus diesem Grund wird häufig der Zusammenhang zwischen ''Schadensbild'' und ''Schadensursache'' genutzt, um eine Beurteilung des beschädigten Bauteils vorzunehmen und eventuell eine Gegenmaßnahme einzuleiten. Nach dem Schadensbild lässt sich z.B. folgende Einteilung für die Schädigungsmechanismen vornehmen:

*'''Verschleiß:''' (Einlaufspuren, Riefen, Kratzer, Fresser)

*'''Ermüdung:''' (Grübchen= Pittings, Abblätterungen, Ausbrüche, Risse)

*'''[[Korrosion]]:''' (chemische Korrosion, Reibkorrosion = Passungsrost, Verzunderungen)

*'''Deformation:''' (Eindrückungen, Riffelbildung, plastische Verformung)

Es gibt für spezielle Maschinenelemente spezielle Normenwerke, die typische Schadensbilder für die oben genannten Schädigungsmechanismen zeigen und zusätzliche, nur anwendungsspezifische Bauteilschäden dokumentieren.

{{Sprungmarke Tribologie}}

==Reibung==
===Gleitreibung===
In der Kontaktzone von zwei Bauteilen treten Reibungskräfte auf. Nach dem Coulombschen Gesetz gilt bei Gleitreibung:

FR = μ{{*}}FN

FR = Reibungskraft

FN = Normalkraft

μ = Reibungszahl

===Reibungszahlen===

Die Reibungszahlen hängen von der Werkstoffpaarung, dem Schmierstoff, dem Reibungszustand und der Reibungsart ab. Es gilt: Gleitreibungszahl µ < [[Haftreibung]]zahl µ0.

Bei den Reibungsverhältnissen unterscheidet man nach Art der Relativbewegung zwischen zwei Bauteilen die Rollreibung, Gleitreibung, Wälzreibung und Bohrreibung.

Rollreibung entsteht, wenn die Geschwindigkeit zweier Körper in der Kontaktzone gleich groß sind (Betrag, Richtung). Zudem muss ein Körper eine Drehbewegung ausführen, in der die Drehachse in der Berührungszone liegt.

Wälzreibung ist eine Überlagerung von Roll- und Gleitreibung (linksdrehendes Moment ist nicht gleich rechtsdrehendes Moment).

Bohrreibung entsteht, wenn min. 1 Körper eine Drehbewegung ausführt, wobei die Drehachse senkrecht zur Berührzone steht.

====Experimentelle Bestimmung der Reibungszahl====

Hier habe ich noch einmal die [[Media:Aufgabenbeschreibung1.pdf|Aufgabenbeschreibung]] und den [[Media:Auswertungsbogen.pdf|Auswertungsbogen]] hinterlegt.

===Reibungszustände (Schmierungszustände)===

Das Reibungs- bzw. Verschleißverhalten wird insbesondere durch den vorliegenden Reibungszustand beeinflusst.
Man unterscheidet in Festkörperreibung, Grenzreibung, Mischreibung, Flüssigkeitsreibung und Gasreibung.

Festkörperreibung: Reibbeanspruchung von [[metall]]isch reinen Kontaktflächen ohne Schmierung
(meist nicht relevant, da min. [[Oxidation]]sschichten etc. auf der Oberfläche entstehen)!

Grenzreibung: Sonderfall der (Festkörperreibung). Ein Schmierfilm ist nicht oder nicht mehr vorhanden. Im Kontaktbereich wirken Randschichten (Schutzschichten). Z.B. durch
Oxidation, Adsorption (physik. Anlagerungen der im Schmierstoff enthaltenen polaren Komponenten),
oder durch chem. Reaktionen spezieller Schmierstoffe bei hohen Temperaturen bzw. Drücken.

Wichtig: Die Verhältnisse der Grenzreibung sind maßgebend für die Notlaufeigenschaften eines Bauteils.

Flüssigkeitsreibung: Es findet kein Kontakt zwischen den Bauteilen statt. Die vollständige Trennung erfolgt durch
den Schmierfilm. Die Belastung wird durch den Druck des Schmierfilms übertragen. Die erzeugte Reibung im inneren des Schmierfilms wird durch die chemische Struktur des Schmieröls bestimmt.

Gasreibung: ähnlich wie Flüssigkeitsreibung, nur das die Trennung der Kontaktpartner durch einen gasförmigen
Film erreicht wird.

Mischreibung: Beschreibt den Bereich zwischen Grenzreibung und Flüssigkeitsreibung. Die Bauteile werden nicht mehr vollständig durch einen Schmierfilm getrennt und an einigen Stellen tritt eine Festkörperreibung auf.

===Schmierdruck===

Der Schmierdruck zur vollst. Trennung beider Bauteile kann auf verschiedene Weise erzeugt werden:

*'''hydrostatische Schmierung''': Der Druck wird durch eine Pumpe außerhalb des Kontaktes erzeugt.

*'''hydrodynamische und elastohdydrodynamische Schmierung''': Der Schmierdruck wird durch die Bewegungen des Bauteils erzeugt. Das Öl wird in ein sich verengenden Spalt befördert.

Bei der hydrodynamischen Schmierung sind die Belastungen gering, daher ist die Verformung nicht zu beachten.

Bei der elastohdydrodynamischen Schmierung müssen aufgrund der hohen Pressungen die Verformungen berücksichtigt werden (Reibungs- und Schmierungsverhältnisse, Beispiel: Zahnräder).

[[Bild:Unbenannt2.jpg|thumb|Quelle: Roloff/Matek Maschinenelemente Bild 4-3]]
Das Reibungsverhalten ist durch den Einfluss unterschiedlicher Betriebsverhältnisse geprägt. (siehe Roloff/Matek, Bild 4-3).
Die Reibungszahl liegt im Bereich der Mischreibung und im Bereich der Flüssigkeitsreibung auf einer gemeinsamen Position auf der Y-Achse. Jedoch ist der Verschleiß während des Betriebes mit höherer Drehzahl im Flüssigkeitsreibungsbereich wesentlich geringer (verschleißlos). Eine allgemeine Zusammenstellung für typische Reibungszustände und die dazugehörigen Reibungszahlen habe ich in folgender Tabelle zusammengestellt.

{| {{Tabelle
}}
|+ {{Mark
|Anhaltswerte für Reibungszahlen in Abhängigkeit des Reibungszustands}}
! Reibungszustand
! Reibungsart
! Reibungszahl
|-
| Festkörperreibung
| Gleitreibung
| 0,3...1 (1,5)
|-
| Grenzreibung
| Gleitreibung Rollreibung
| 0,1...0,2 <0,005
|-
| Mischreibung
| Gleitreibung Wälzreibung Zahnräder Wälzreibung Reibräder (Traktion Fluids) Rollreibung
| 0,01...0,1 0,02...0,08 0,06...0,12 0,001...0,005
|-
| Flüssigkeitsreibung
| Gleitreibung
| 0,001...0,01
|-
| Gasreibung
| Gleitreibung
| 0,0001
|}Quelle: RM Bild 4-4

====Werkstoffpaarung (Tabelle)====

{| {{Tabelle
}}

|+ {{Mark
|Haft- und Gleitreibungszahlen Anhaltswerte für den Maschinenbau}}
! Werkstoffpaarung
! [[Haftreibung]]szahl μ01 (trocken)2
! [[Haftreibung]]szahl μ0 (geschmiert)
! Gleitreibungszahl μ (trocken)2
! Gleitreibungszahl μ (geschmiert)
|-
| [[Stahl]] auf [[Stahl]]
| 0,5...0,8
| 0,10
| 0,4...0,7
| 0,10
|-
| [[Kupfer]] auf [[Kupfer]]
| -
| -
| 0,6...1,0
| 0,10
|-
| [[Stahl]] auf [[Gusseisen]]
| 0,2
| 0,10
| 0,20
| 0,05
|-
| [[Gusseisen]] auf [[Gusseisen]]
| 0,25
| 0,15
| 0,20
| 0,10
|-
| [[Gusseisen]] auf Cu-[[Legierung]]
| 0,25
| 0,15
| 0,20
| 0,10
|-
| Bremsbelag auf [[Stahl]]
| -
| -
| 0,5...0,6
| -
|-
| [[Stahl]] auf Eis
| 0,03
| -
| 0,015
| -
|-
| [[Stahl]] auf Holz
| 0,5...0,6
| 0,10
| 0,2...0,5
| 0,05
|-
| Holz auf Holz
| 0,4...0,6
| 0,15...0,20
| 0,2...0,4
| 0,10
|-
| Leder auf [[Metall]]
| 0,60
| 0,20
| 0,2...0,25
| 0,12
|-
| Gummi auf [[Metall]]
| -
| -
| 0,50
| -
|-
| [[Kunststoff]] auf [[Metall]]
| 0,25...0,4
| -
| 0,1...0,3
| 0,04...0,1
|-
| [[Kunststoff]] auf [[Kunststoff]]
| 0,3...0,4
| -
| 0,2...0,4
| 0,04...0,1
|}Quelle: RM TB 4-1 a)
1Die [[Haftreibung]]szahl μ0 einer [[Werkstoff]]paarung ist meist geringfügig größer als die Gleitreibungszahl μ. Sie ist nur für den Grenzfall des Übergangs in die Bewegung definiert. 2Bei technisch üblichen,geringen Verunreinigungen.

{| {{Tabelle
}}

|+ {{Mark
|Gleitreibungszahlen μ bei Festkörperreibung (nach Versuchen)}}
! Werkstoff
! Gleitreibungszahl μ bei Paarung mit gleichem [[Werkstoff]]
! Gleitreibungszahl μ bei Paarung mit gehärtetem [[Stahl]]
|-
| [[Aluminium]]
| 1,3
| 0,5
|-
| [[Chrom]]
| 1,5
| 1,2
|-
| [[Nickel]]
| 0,7
| 0,5
|-
| [[Gusseisen]]
| 0,4
| 0,4
|-
| [[Stahl]], gehärtet
| 0,6
| 0,6
|-
| Lager[[metall]] (PbSb)
| -
| 0,5
|-
| CuZn-[[Legierung]]
| -
| 0,5
|-
| Al2O3-Keramik
| 0,4
| 0,7
|-
| Ployamid (Nylon)
| 1,2
| 0,4
|-
| Polyethylen PE-HD
| 0,4
| 0,1
|-
| Polytetrafluorethylen
| 0,12
| 0,05
|-
| Polystyrol und Polyvinyl[[chlorid]] PVC-U
| -
| 0,5
|-
| Polyoxymethylen
| -
| 0,4
|}Quelle: RM TB 4-1 b)

{{Mark
|Hinweis:}} Die Reibungszahl ist keine [[Werkstoff]]eigenschaft, sondern die Kenngröße eines tribologischen Systems und kann somit durch verschiedene Einflussgrößen wie z.B. [[Werkstoff]]art, Oberflächenbeschaffenheit, [[Temperatur]] u.s.w. in bestimmten Grenzen schwanken.Verlässliche Reibungszahlen müssen unter praxisnahen Bedingungen experimentell ermittelt werden.

Der Reibungszustand kann auch über die spezifische Schmierfilmdicke ermittelt werden.

Hierzu gilt:

λ = hmin/Ra

λ = spezifische Schmierfilmdicke

hmin = minimale Schmierfilmdicke im Kontakt

Ra = gemittelte Oberflächenrauheit beider Kontaktpartner [Ra= 0,5(Ra1+Ra2)]

Näherungsweise wird in folgende Bereiche unterschieden:

'''Grenzreibung:''' λ < 0,2

'''Mischreibung:''' 0,2 < λ < 3

'''Flüssigkeitsreibung:''' λ > 3

==Hertzsche Pressung==

Wenn zwei Bauteile (Wälz- bzw. Rollbelastung) senkrecht zur Berührebene belastet werden, entstehen in der Kontaktzone Oberflächenpressungen. Es wird durch Abhängigkeit der Bauteilgeometrie zwischen Punkt und Linienberührung unterschieden. Die Abplattungen im Kontaktbereich bilden sich entsprechend rechteckig (Linienberührung) bzw. elliptisch (Punktberührung) aus. Die Größe der Pressung in den [[Druck]]flächen kann mit Hilfe der Hertzschen Gleichung ermittelt werden. Diese gilt streng genommen nur unter folgenden Voraussetzungen: Die Werkstoffe sind ideal homogen, es sind keine Eigenspannungen vorhanden, die Oberflächen der Bauteile sind geometrisch ideal ausgebildet (ohne Rauhheits und Formabweichungen), es liegen nur reine Normalbeanspruchungen vor und der Kontakt ist ungeschmiert. Obwohl diese Fälle im Allgemeinen in der Praxis nicht erfüllt werden, kann die Gleichung dennoch verwenden werden. Es ist aber darauf zu achten, dass die zulässigen Pressungen, welche durch Versuche an speziellen [[Maschinenelemente]]n (Zahnräder, [[Wälzlager]] etc.) ermittelt wurden, nur für diese jeweils untersuchten Bauteile verwendet werden.

{{ Sprungmarke Tribologie}}

'''Berechnung''' (Hertzsche Pressung)

===Formel nach Roloff/Matek===

===Linienberührung===

[[Bild:LINIENBERÜHRUNG.PNG]]

===Punktberührung===

[[Bild:PUNKTBERÜHRUNG.PNG]]

===Formel nach [http://www.wikipedia.de Wikipedia]===
Eine rechnerisch vereinfachende Möglichkeit der Berechnung laut Wikipedia:

'''Für den einfachen Berührungsfall Kugel - Kugel (oder Ebene) gilt:'''

[[Bild:kugel_Kugel.png|Quelle: Wikipedia]]

und [[Bild:kugel_Kugel.1.png|Quelle: Wikipedia]]

sowie [[Bild:kugel_Kugel.2.png|Quelle: Wikipedia]]

mit

r1,2 -- Kugelradien Kugel 1, Kugel 2; Sonderfall Ebene:[[Bild:kugel_Kugel.4.png|Quelle: Wikipedia]] und damit r = r1

'''Für den einfachen Berührungsfall [[Zylinder]] - [[Zylinder]] (oder Ebene) gilt:'''

[[Bild:Zylinder_Zylinder.png|Quelle: [http://www.wikipedia.de Wikipedia]]]

mit

ν -- Poissonzahl bzw. Querdehnzahl (Bei zwei verschiedenen Reaktionspartnern wird gemittelt)

E1,2 -- [[E-Modul]] der Werkstoffe Körper 1, Körper 2

l -- Berührungslänge der [[Zylinder]]

F -- als Linienlast über die Berührungslänge wirkende Kraft

r1,2 -- Zylinderradien [[Zylinder]] 1, [[Zylinder]] 2; Sonderfall Ebene:[[Bild:kugel_Kugel.4.png|Quelle: [http://www.wikipedia.de Wikipedia]]] und damit r = r1

==Schmierstoffe==

===Schmieröle===

'''Vorteile:'''
*leichte Reibstellenversorgung (somit Verbesserung hinsichtlich Reibung/Verschleiß)
*gute Abführung von Reibungswärme
*gute Abführung von Abrieb aus dem Kontakt
*kann durch zusätzliche Maßnahmen auf gewünschte Eigenschaften eingestellt werden (z.B. Kühlung, Filterung)

'''Nachteile:'''

*ziemlich Aufwendige Abdichtung notwendig
*teilweise große Schmierölmengen erforderlich

====Eigenschaften der Schmieröle====
[[Bild:Lglgv-Darstellung.jpg|thumb|lglgv-Darstellung]]
Die [[Viskosität]] der Schmieröle ist von der [[Temperatur]] abhängig. Man sieht, dass sich der Einfluss mit zunehmender Temperatur verrringert. Man nutzt aus diesem Grund häufig die {{Mark
|doppelt logarithmisch - einfach logarithmisch-Darstellung}}, bei der sich der [[Temperatur]]einfluss vereinfacht als Gerade darstellen lässt.

Der große Vorteil liegt darin, dass sich mit den Ergebnissen der [[Viskosität]]smessungen bei zwei [[Temperatur]]en die [[Viskosität]]en bei beliebigen anderen [[Temperatur]]en bestimmen lassen, (d.h. durch Einzeichnen einer Geraden).
Die Viskositäts-Temperatur-Abhängigkeit kann nach [[DIN]] ISO 2909 durch einen Viskositätsindex /VI-Index) angegeben werden. Ursprünglich war danach vorgesehen, alle Öle in einer Klassifizierung von VI = 0 (Öl mit sehr hoher Temperaturabhängigkeit) bis VI = 100 (Öl mit geringer Temperaturabhängigkeit) einzuordnen. Heute ist dieser Bereich nicht mehr ausreichend, es gibt synthetische Öle, die deutlich höhere Werte aufweisen (VI > 200).Eine geringe [[Temperatur]]abhängigkeit ist vor allem bei Mehrbereichsölen, z.B. Schmierölen für Verbrennungsmotoren wichtig. Denn Sie müssen bei tiefen [[Temperatur]]en eine ausreichende Fließfähigkeit und bei hohen [[Temperatur]]en eine Mindest[[viskosität]] aufweisen.

Die Abhängigkeit der [[Viskosität]] bei [[Druck]] lässt sich folgendermaßen darstellen:
ηp = η0 * eαp

ηp = [[Viskosität]] bei [[Druck]] p

η0 = [[Viskosität]] bei [[Atmosphäre]]ndruck

p = [[Druck]]

α = Druck[[viskosität]]skoeffizient

{| {{Tabelle
}}

|+ {{Mark
|Druck[[viskosität]]skoeffizient α für verschiedene Schmieröle}}
! Öltyp
! α25°C*108 [m2/N]
! η2000bar/η0 bei 25°C
! η2000bar/η0 bei 80°C
|-
| Paraffinbasische Mineralöle
| 1,5-2,4
| 15-100
| 10-30
|-
| Naphtenbasische Mineralöle
| 2,5-3,5
| 150-800
| 40-70
|-
| Polyolefine| 1,3-2,0
| 10-50
| 8-20
|-
| [[Ester]]öle (Diester, verzweigt)
| 1,5-2,0
| 20-50
| 12-20
|-
| Polyätheröle (aliph.)
| 1,1-1,7
| 9-30
| 7-13
|-
| Siliconöle (aliph. Subst.)
| 1,2-1,4
| 9-16
| 7-9
|}Quelle: RM TB 4-2

====Einteilung der Schmieröle====

Es gibt zwei grundlegende Einteilungen der Schmieröle. Zum einen unterscheidet man sie '''nach der Herstellung''' und zum anderen '''nach der kinematischen Viskosität'''.

Einteilung nach der Herstellung: Hier werden grundlegend ''Mineralöle'' und ''synthetische Öle'' unterschieden.

''Mineralöle'' werden aus dem natürlich vorkommenden Erdöl gewonnen. Die genaue Zusammensetzung ergibt sich aus dem jeweiligen Förderungsgebiet. Eine typische Rohölzusammensetzung ergibt sich aus 80-85% [[Kohlenstoff]],10-17% [[Wasserstoff]], bis 7% [[Schwefel]] und bis 1% sonstige [[Element]]e ([[O]], [[N]], [[V]], [[P]], [[Ni]], [[Cu]], [[Na]], [[Ca]], [[Fe]], [[Al]]). Die gewünschten Eigenschaften werden in verschiedenen Herstellschritten eingestellt. Die Eigenschaften ergeben sich durch die chemische Struktur des Grundöls, d.h. hauptsächlich durch die vorhandenen Anteile an Paraffinen (gesättigte, kettenförmige [[Kohlenwasserstoffe]]), Naphthenen (gesättigte ringförmige [[Kohlenwasserstoffe]]) und Aromate (ungesättigte, ringförmige [[Kohlenwasserstoffe]]). Von der jeweiligen Dominanz der [[Kohlenwasserstoff]]-Bestandteile im Schmieröl unterscheidet man paraffinbasische bzw. naphtenbasische Schmieröle. Die aromatischen Grundöle haben für Schmierzwecke keine Bedeutung.

<gallery>
Bild:N-Hexan.gif|Paraffine (geradkettig, oder verzweigt) Quelle:[http://www.Wikipedia.de Wikipedia]
Bild:Naphthene.gif|Naphthen (ringförmig) Quelle:[http://www.Wikipedia.de Wikipedia]
Bild:Aromaten.gif|Aromaten (ringförmig) Quelle:[http://www.Wikipedia.de Wikipedia]
</gallery>

''Synthetische Öle'' werden in chemischen Prozessen für spezielle Anwendungen produziert. Dies geschieht mit speziellen Grundbausteinen, welche aus natürlichen Ölen hergestellt werden.

{| {{Tabelle
}}

|+ {{Mark
|Eigenschaften und Anwendungen wichtiger synthetischer Schmieröle}}
! Synthesebasisöl
! Eigenschaften
! Anwendungen
! Kostenrelation zu Mineralöl
|-
| Carbonsäure[[ester]]
| Gute Oxidationsbeständigkeit, ausgezeichnetes Fließverhalten bei tiefen Temperaturen, sehr gutes [[Viskosität]]s-[[Temperatur]]-Verhalten, sehr geringe Verdampfungsverluste bei hohen Temperaturen, mischbar mit Mineralölen, nicht toxisch, schnell biologisch abbaubar, geringe Verträglichkeit mit Lack und Dichtungsmaterialien, geringe hydrolytische Beständigkeit, mäßige Korrosionsschutzeigenschaften, begrenzte Additivlöslichkeit
| Flugturbinenöle, Kompressorenöle, Motorenölkomponente, Tief- und Hoch[[temperatur]]fette
| 4...10
|-
| Silikonöl
| Ausgezeichnetes [[Viskosität]]s-[[Temperatur]]-Verhalten, sehr gute thermische und toxische Beständigkeit, ausgezeichnetes Fließverhalten bei tiefen Temperaturen, geringe Verdampfungsverluste, hohe chemische Beständigkeit, gute Verträglichkeit mit Lack und Dichtungswerkstoffen, gute elektrische Eigenschaften, sehr schlechte Schmierungseigenschaften im Mischreibungsgebiet, nicht mischbar mit Mineralölen, keine Additivlöslichkeit
| Wärmeübertragungsöle, Hoch[[temperatur]]hydrauliköle, Sonderschmierfette, Sonderschmierstoffe für elektrische Kontakte
| 30...100
|-
| Phosphorsäure[[ester]]
| Schwer entflammbar, gute [[Oxidation]]sbeständigkeit, gutes Fließverhalten bei tiefen [[Temperatur]]en, ausgezeichnete Verschleiß- und Frostschutzeigenschaften, hohe Strahlenbeständigkeit, nicht toxisch, schnell biologisch abbaubar, nicht mischbar mit Mineralölen, schlechtes [[Viskosität]]s-[[Temperatur]]-Verhalten, begrenzte Verträglichkeit mit Dichtungsmaterialien, mäßiges [[Korrosion]]sschutzverhalten
| schwer entflammbare [[Hydraulik]]öle
| 4...8
|-
| Silikat[[ester]]
| Ausgezeichnetes [[Viskosität]]s-[[Temperatur]]-Verhalten, sehr gutes Fließverhalten bei tiefen Temperaturen, sehr gute Oxidationsbeständigkeit, gute thermische Beständigkeit, geringe hydrolytische Beständigkeit, nicht mischbar mit Mineralölen, begrenzte biologische Abbaubarkeit.
| [[Hydraulik]]öle, Wärmeübertragungsöle
| 20...30
|}Quelle: RM Bild 4-13

Die wesentlichen Vor- und Nachteile synthetischer Öle gegenüber den Mineralölen sind:

{| {{Tabelle}}
! !! Vorteile !! Nachteile
|-
! synthetische Öle gegenüber Mineralölen
| größerer Temperatureinsatzbereich, bessere Alterungsbeständigkeit (3-5 mal längere Lebensdauer, höherer [[Flammpunkt]] (z.B. wichtig bei Gasturbinen und Kompressoren), Möglichkeit der Einstellung der Reibungszahl (0,7-2x Mineralöl-Reibungszahl)|| stärkere hygroskopische Wirkung (ziehen Wasser an), ungünstigeres hydrolytisches Verhalten (Zersetzung bei Wasserzusatz), die Gefahr chemischer Reaktionen mit Dichtungen, Buntmetallen und Lacken bzw. von [[Korrosion]], nur eingeschränkte oder keine Mischbarkeit mit Mineralölen, stärkeres toxisches Verhalten, häufig deutlich teurer.
|-
|}

Beim Einsatz von synthetischen Ölen ist zu beachten, dass die vorteilhaften Eigenschaften teilweise nur bei bestimmten Betriebsbedingungen voll wirksam werden und nur dann die höheren Kosten vertretbar sind.

Eine weitere Gruppe der natürlichen Öle sind die Pflanzenöle. Es werden vor allem Sojaöl, Palmöl, Rapsöl, und Sonnenblumenöl als Grundöle für Schmierzwecke eingesetzt.

Einteilung nach der kinematischen [[Viskosität]]:

Die [[Viskosität]] eines Schmieröls hat einen wesentlichen Einfluss auf die Schmierfilmdicke im Kontakt und den damit verbundenen Reibungszustand. Deshalb werden Schmieröle z.B. für Anwendungen in der Industrie nach [[DIN]] 51511 in ISO-Viskositätsklassen(ISO-VG) eingeteilt. Die Schmieröle, welche zur Schmierung von Kraftfahrzeugmotoren ([[DIN]]51511) und Kraftfahrzeuggetrieben ([[DIN]] 51512) eingesetzt werden, sind in SAE-Klassen eingeteilt. (SAE: Society of Automotive Engineers)

Einteilung nach dem Anwendungsgebiet:

Diese Einteilung geht über die grundlegende Einteilung hinaus.
Die nötigen Schmieröleigenschaften werden häufig durch die Einsatzbedingungen bestimmt. Daher gibt es Klassifikationen für Schmieröle entsprechend den Anforderungen. Danach unterscheidet man:

*[[Maschine]]nschmieröle

*[[Zylinder]]öle

*Turbinenöle

*Motorenöle

*Getriebeöle

*Kompressorenöle

*Umlauföle

*[[Hydraulik]]öle

*Isolieröle

*Wärmeträgeröle

*Prozessöle

*[[Metall]]bearbeitungsöle/Kühlschmierstoffe

*[[Korrosion]]sschutzmittel

*Textil- und Textilmaschinenöle

{| {{Tabelle
}}

|+ {{Mark
|Klassifikation für Kfz-Getriebeöle nach API (American Petoleum Institute)}}
! Klassifikation
! Betriebsbedingungen
! Additive
! Anwendungen
|-
| GL-1
| leicht
| keine
| Getriebe mit geringen Belastungen un Umfangsgeschwindigkeiten, Kegelräder (spiralverzahnt), Schneckengetriebe
|-
| GL-2
| leicht-mittel
| Verschleißschutz-Wirkstoffe (2,7 Gew.%)
| etwas höhere Beanspruchungen als bei GL-1; Stirnradgetriebe, Schneckengetriebe
|-
| GL-3
| mittel
| leichte EP-Zusätze (4 Gew.%)
| schwere Belastungs- und Geschwindigkeitsverhältnisse; Kegelräder (spiralverzahnt), Stirnradgetriebe
|-
| GL-4
| mittel-schwer
| normale EP-Zusätze (6,5 Gew.%)
| hohe Geschwindigkeiten oder hohe [[Drehmoment]]e; Hypoidgetriebe, Handschaltgetriebe
|-
| GL-5
| schwer
| wirksame EP-Zusätze (10 Gew.%)
| hohe Geschwindigkeiten oder hohe [[Drehmoment]]e bei zusätzlicher Stoßbelastung; Hypoidgetriebe mit großem Achsversatz, Handschaltgetriebe
|}Quelle: RM Bild 4-15

{{ Sprungmarke Tribologie}}

===Schmierfette===

Schmierfette setzen sich aus den drei Anteilen Grundöl, Eindicker und Additiven zusammen.

Im Betrieb wird unter Belastung das im Eindicker gebundene Öl abgeschieden und somit die Schmierstelle versorgt. Nach Entlastung der Kontaktstelle wird das Öl wieder im Eindicker gebunden. Das Grundöl hat einen Anteil von 75-96% und besteht häufig aus Mineralöl, es werden aber auch synthetische Öle und für begrenzte Anwendungen pflanzliche Öle eingesetzt.

Der Eindicker hat einen Anteil von 4-20% und besteht meist aus Seifen ([[Metall]]salze von Fett[[säuren]], Reaktionsprodukt von Fett[[säure]]n und [[Lauge]]n).
Man unterscheidet:

*'''Normalseifen:''' (eine [[Lauge]], eine Fett[[säure]])

*'''Gemischtseifen:''' (zwei [[Lauge]]n, eine Fett[[säure]])

*'''Komplexseifen:''' (eine [[Lauge]], zwei Fett[[säure]]n)

*weiterhin werden auch '''Nichtseifen''' (z.B. Betonit, Polyharnstoff) als Eindicker verwendet.

Die Art und Konzentration der drei Grundkomponenten bestimmen die Eigenschaften des Schmierfetts.

*hoher Grundölanteil (90-96%)[[Bild:Pfeil.gif]]das Fett ist weich

*hoher Eindickeranteil (15-20%)[[Bild:Pfeil.gif]]das Fett ist hart

Eine weitere wichtige Kenngröße ist der so genannte "Tropfpunkt". Es handelt sich hierbei um die [[Temperatur]], bei der ein Schmierfett flüssig wird und abtropft. Die Betriebs[[temperatur]] muss im Allgemeinen höher sein als der Tropfpunkt.
Schmierfette und ihre Eigenschaften findet ihr im Roloff/Matek TB 4-3.

Die Einteilung erfolgt im Regelfall nach der Konsistenz.
Weitere Klassifikationen:
*nach Art des Eindickers
*den zu schmierenden [[Maschinenelemente]]n
*der Anwendung
*den Einsatzbereichen
*dem Grundöl
*der ökologischen Verträglichkeit, die immer mehr an Bedeutung gewinnt, besonders bei der Verlustschmierung.

Die '''Vorteile''' von Schmierfetten: geringe Mengen reichen aus, eine aufwendige Abdichtung entfällt.

Die '''Nachteile''' von Schmierfetten: schlechte bzw. gar keine Abführung von Wärme und Verschleißpartikeln aus dem Kontakt.

{| {{Tabelle
}}

|+ {{Mark
|Klassifikation für Schmierfette nach NLGI (National Lubricating Grease Institut)}}
! NLGI-Klasse (DIN 51818)
! Walkpenetration1) in 0,1 mm
! Konsistenz
! Anwendungen
|-
| 000
| 445...475
| fließend
| Getriebefette, Zentralschmieranlagen
|-
| 00
| 400...430
| schwach fließend
| Getriebefette, Zentralschmieranlagen
|-
| 0
| 355...385
| halbflüssig
| Getriebefette, [[Wälzlager]]fette, Zentralschmieranlagen
|-
| 1
| 310...340
| sehr weich
| [[Wälzlager]]fette
|-
| 2
| 265...295
| weich
| [[Wälzlager]]fette, [[Gleitlager]]fette
|-
| 3
| 220...250
| mittelfest
| [[Wälzlager]]fette, [[Gleitlager]]fette, [[Wasserpumpe]]nfette
|-
| 4
| 175...205
| fest
| [[Wälzlager]]fette, Wasserpumpenfette
|-
| 5
| 130...160
| sehr fest
| [[Wasserpumpe]]nfette, Blockfette
|-
| 6
| 85...115
| hart
| Blockfette
|}Quelle: RM Bild 4-16

===Sonstige Schmierstoffe===

Andere Arten von Schmierstoffen sind:
====Festschmierstoffe====
Sie liegen in Pulverform vor und werden durch Aufreiben an die Reibstellen gebracht. Zu den wichtigsten Festschmierstoffen zählen:

{| {{Tabelle}}
! !! Vorteile !! Betriebstemperatur
|-
! Molybdänsulfid (MoS2)
| chemisch stabil, geringe Reibung, sehr gut im Vakuum schmierwirksam, unempfindlich gegen [[radioaktiv]]e Strahlung, sehr hohe [[Festigkeit]] der Oberfläche|| ca. 300°
|-
! Graphit
| chemisch sehr stabil, unempfindlich gegen radioaktive Strahlung, sehr gute Reibungseigenschaften bei zusätzlicher Feuchtigkeit|| ca. 600°
|-
! Polytetrafluorethylen (PTFE)
| chemisch sehr stabil, gut im Vakuum schmierwirksam||ca. 260°
|-
|}

Festschmierstoffe kommen Einsatz wenn ein sehr großer Temperatureinsatzbereich und die Beständigkeit gegenüber aggressiven Medien (z.B. [[Säuren]]) gefordert wird. Positiv zu erwähnen ist, dass eine evtl. notwendige Abdichtung entfällt. Es gibt im Vakuum meist keine Alternativen zu Festschmierstoffen.
Die '''Nachteile''' liegen im kontinuierlichen Abrieb der Schmierstoffschicht (nachschmieren im Allgemeinen nicht möglich oder sehr aufwendig), im höheren Reibungsverlust gegenüber Flüssigschmierstoffen und im teilweise problematischen [[Korrosion]]sschutz (z.B. bei MoS2).

====Schmierpasten====

Schmierpasten bestehen aus einem Grundöl und einem Festschmierstoff (20%-70%). Sie kommen dann zu Einsatz, wenn das Auftragen von Pulver zu schwierig ist. Durch Ausfüllen der Rauheitsfelder erfolgt eine Oberflächenverbesserung. Selbst ein Einsatz bei höheren Temperaturen ist möglich, da dann nur noch der Festschmierstoff wirkt. Es werden jedoch keine Wärme bzw. Verschleiß- und Schmutzpartikel abgeführt. Das Einsatzgebiet der Schmierpasten erstreckt sich auf hochbelastete Gleit- und Wälzlager, Zahnräder, Achsen, Kugelgelenke und feinmechanische Geräte (Lebensdauerschmierung).

====Gleitlacke====

Bei Gleitlacken handelt es sich um Schichten (<20μm) auf Basis von Kunstharz bzw. Lack, welche statt Farbpigmenten Festschmierstoff-Partikel enthalten.

====Schmierwachse====

Schmierwachse werden zu Erleichterung der Bauteilmontage, beispielsweise bei [[Dichtungen]] eingesetzt.

===Schmierungsarten===

Bei der Auswahl des Schmierstoffs ist darauf zu achten, welche Art der Schmierstoffzuführung vorliegt. Wenn eine Einzelschmierstelle versorgt wird, kann die Auswahl des Schmierstoffs ausschließlich nach den vorliegenden Betriebsverhältnissen erfolgen. Soll allerdings eine Baugruppe (z.B. ein Getriebe mit [[Wälzlager]]- und unterschiedlichen Zahnradkontakten) geschmiert werden, muss der Schmierstoff für die teilweise sehr unterschiedlichen Reibungsverhältnisse der Einzelkontaktstellen geeignet sein. Wird eine zentrale Schmierstoffversorgung eingesetzt, müssen die konstruktiven Ausführungen der einzelnen Anlagen/Baugruppen darauf abgestimmt werden. Eine Einzelschmierstelle kann manuell, halbautomatisch und automatisch mit Schmierstoff versorgt werden.

'''manuelle Schmierstoffversorgung:''' Sie erfolgt mittels Fettpresse, Ölkanne bzw. speziellen Schmierstoffgebern (z.B. Schmiernippeln). Problematisch ist das Einhalten vorgegebener Schmierstoffintervalle und der richtigen Dosierung des Schmierstoffs.

'''halbautomatische Schmierstoffversorgung:''' Hierbei werden voreingestellte Vorrichtungen verwendet, welche den entsprechenden Schmierstoffbedarf abgeben. Sie können über mehrere Monate hinweg ohne Nachstellung betrieben werden.

'''automatische Schmierstoffversorgung:''' Bei dieser Methode wird die Schmierstoffversorgung an den Betrieb einer Anlage gebunden. Der Mitarbeiter muss keine Einstellvorgänge mehr durchführen. Somit ist eine kontinuierliche Schmierung gewährleistet. Bespiele hierfür sind z.B. die Ringschmierung, Tauchschmierung, oder die Einspritzschmierung.

Bei der Versorgung einer großen Anzahl von Schmierstellen ist eine wirtschaftliche Lösung nur durch Zentralschmieranlagen zu erreichen. Darunter fallen:

'''Einleitungsanlagen:''' Hierbei wird über eine so genannte "Speiseleitung" der Schmierstoff gedrückt und dann werden über abzweigende "Stichleitungen" und "Zuteilelemente" die Einzelschmierstellen versorgt. Es werden die entsprechenden Zeitintervalle für Schmierphase und Schmierpause vorher festgelegt.

'''Zweileitungsanlagen:''' Hier werden über ein Umsteuergerät wechselseitig zwei Speiseleitungen mit Schmierstoff versorgt.

'''Mehrleitungsanlagen:''' In diesen Anlagen ist jede Schmierstelle über eine eigene Leitung unmittelbar mit der Pumpe verbunden.

'''Progressivanlagen:''' Der Schmierstoff wird zu Progressivverteilern gepumpt und von dort aus werden über Verteilereinrichtungen die Schmierstellen versorgt.

{| {{Tabelle
}}

|+ {{Mark
|Kriterien für die Auswahl von Zentralschmieranlagen}}
! Schmiersystem
! Schmierstoff
! Anzahl der Schmierstellen (maximal)
! Längste Schmierstoffleitung [m]
! Dosierung je Schmierstelle
|-
| Einleitungssystem
| Öl
| 500
| 50
| 0,1...15 ml/Takt
|-
| Zweileitungssystem
| Öl bzw. Fett
| 5000
| 200
| 0,02...15 ml/Takt
|-
| Mehrleitungssystem
| Öl bzw. Fett
| 30
| 50
| 0,18...400 ml/h
|-
| Progressivsystem
| Öl bzw. Fett
| 100
| 50
| 0,01...500 ml/h
|-
| Ölnebelsystem
| Öl
| 2500
| 200
| 0,2 ml/h
|-
| Öl-[[Luft]]-System
| Öl
| 5000
| 200
| > 0,05 ml/h
|}Quelle: RM TB 4-4

Man unterscheidet unabhängig von der Art der Zentralschmieranlage die '''Umlauf- und Verbrauchsschmierung''' (Verlustschmierung). Bei der Verbrauchsschmierung ist der Schmierstoff nach dem Einsatz verloren und wird nicht wieder zurückgeführt. Sie wird nur bei einem geringen Schmierstoffbedarf (Mangelschmierung) angewendetes ist zudem im Allgemeinen eine Aufbereitung des Schmieröls notwendig (Erzeugung eines Ölnebels bzw. Öl-[[Luft]] Gemischs). Bei der Umlaufschmierung wird der Schmierstoff nach dem Einsatz an der Schmierstelle wieder in einen Zentralbehälter zurückgeführt.

==Übungsaufgaben==
Hier findet Ihr einiges zum Üben:

[[Media:Aufgabe_Tram.pdf|1. Aufgabe zur Hertzschen Pressung]]

[[Media:Aufgabe2.pdf|2. Aufgabe zur Hertzschen Pressung]]

[[Media:Aufgaben_zur_Reibung.pdf|3. Aufgaben zur Reibung]]

===Fragen===
1. Was bedeutet „Tribologie“? 2. Nenne 3 Gebiete, mit denen sich die Tribologie hauptsächlich befasst. 3. Nenne 4 Anwendungsbereiche der Tribologie. 4. Nenne 3 Arten der Schmier[[druck]]erzeugung. 5. Vergleiche {{Mark
|synthetische}} / {{Mark
|mineralische}} Öle. Welche Vor- und Nachteile spielen bei der Auswahl eine Rolle?

==Lösungen==

[[Media:Endgültig Hetzsche pressung1.pdf|Lösung:]] 1. Aufgabe (Hertzsche Pressung)

[[Media:Endgültig Hertzsche Pressung2.pdf|Lösung:]] 2. Aufgabe (Hertzsche Pressung)

[[Media:Lösungen zur Reibung 15.09.2008.pdf|Lösungen]] zu den Aufgaben der Reibung.

[[ Tribologie: Antworten ]]

===Berechnungen der Hertzschen Pressung mit Excel===
[[Media:Berechnung der Hertzschen Pressung mit Excel( Benni2).xls|Hier]] habe ich die beiden Übungsaufgaben für euch in Excel verfasst.

==Die Präsentation==

Hier könnt ihr euch [[Media:Tribologie Präsentation.pdf|meine Präsentation]] als PDF anschauen und das auch noch for free!!!

{{www}}
* [[Media:Aufgaben_zu_Reibung.doc‎|Augaben zur Reibung vom 18.09.2010 von K. Vieroth]]
* [[Media:Rechnungen_Reibung.pdf‎|Rechnungen zur Reibung vom 18.09.2010 von K. Vieroth]]

== Tribologie[[Chatroom Tribologie|Chat]] ==
[[Fragen]], Klärungsbedarf? 
Im '''[[Chatroom Tribologie]]''' könnt ihr Fragen stellen und nach Herzenslust diskutieren.

==Quellen==
'''Folgende Medien haben mich tatkräftig bei meinen recherchen unterstützt.'''

'''1.''' Tabellenbuch Metall, 43. Auflage. Europa Verlag, ISBN 3-8085-1673-9, €21,50.[[Bild:Europa Tabellenbuch-1.jpg|Thumb|60px]]

'''2.''' Roloff/Matek: Maschinenelemente-Tabellenbuch, Vieweg Verlag, 18. Aufl. 2007, ISBN 3-834-80262-X, €36,90.[[Bild:Roloff Matek.jpg|Thumb|60px]]

'''3.''' Roloff/Matek: Maschinenelemente-Formelsammlung, Vieweg Verlag, 8. Aufl. 2006. ISBN 3-834-80119-4, €20,90.[[Bild:Roloff MatekFormelsammlung-1.jpg|Thumb|60px]]

'''4.''' Kraft- und Schmierstoffe, 18. Auflage. Sonderdruck für Aral AG Bochum.

'''5.''' Internet: Wikipedia http://de.wikipedia.org/wiki/Hertzsche_Pressung

'''5.''' Internet: ETH Zürich http://www.ethz.ch/

{{ Sprungmarke Tribologie}}

<div style="border: 2px solid #dfdfdf; background-color:#ECF1FF;;padding:7px;">
'''''Ich hoffe der Artikel hat euch einen Einblick in die Welt der Tribologie ermöglicht.'''''
</div>
[[Benutzer:Benni1981|Benni1981]] 
{{Exzellent}}
[[Kategorie:Entwicklung und Konstruktion]]

[[Kategorie:Entwicklung und Konstruktion]]

Tribologie

2010-11-18T07:35:07Z

Sandra Kellinghusen:

--[[Benutzer:Benni1981|Benni1981]] 12:27, 8. Dez 2007 (CET) '''Hallo {{Currentuser}}, ich wünsche Dir viel Spaß beim Lesen dieser Seite...''' {{Heute}}
[[Bild:Tribologie.jpg|right]]

==Bedeutung==
[[Bild:Tribologie.gif|thumb|442px|Quelle: [http://www.gft-ev.de Gesellschaft für Tribologie]]]

Die Tribologie (griechisch: {{mark|Reibungslehre}}) ist eine Wissenschaft, mit der sich Maschinenbauer, [[Werkstoff]]techniker, Physiker und Chemiker befassen.
Die Tribologie umfasst die Gebiete
*Reibung
*Verschleiß
*Schmierung
Ziel der Tribolologie ist es, das Bewegungssystem zu optimieren. In ökologischer, ökonomischer und funktioneller Hinsicht. Das heißt Minderung von Verschleiß und Optimierung von Reibungsbedingungen

===Anwendung===
Die Anwendung der Tribologie erstreckt sich auf alle Bereiche der Entwicklung, Konstruktion, Fertigung und Instandhaltung mechanischer Bewegungssysteme in den verschiedenen Industrie- und Wirtschaftsbereichen:

*Maschinenbau
*[[Fertigungstechnik]]
*Antriebs-und Fördertechnik
*Kraftfahrzeug- und Motorenindustrie
*Bautechnik
*Luft und Raumfahrt
*Schienenfahrzeugtechnik
*Feinwerktechnik
*EDV Technik
*Energieversorgung
*Medizintechnik

===Aufgaben===
Die Tribologie hat einen enormen Einfluss auf die Ressourcen eines Betriebes, zudem auch die Betriebssicherheit d.h. ein störungsfreier und anwendungssicherer Ablauf eines Gerätes/Maschine. Sie hilft außerdem die Produktionskosten zu senken und sorgt für eine Reduzierung von [[Energie]]/[[Emissionen]]. Bei der [[Dimensionierung]] von [[Maschinenelemente]]n gilt häufig die Anforderung, dass während des Betriebszustandes Reibung und Verschleiß auf ein minimales zu reduzieren ist, ebenso der Energieverlust. Es gibt aber auch Anwendungen, wo eine verstärkte Reibung erwünscht ist, z.B. bei Reibradgetrieben oder [[Bremse]]n.

==Schäden an Maschinenelementen==

[[Bild:Lagerschaden.png|thumb|Lagerschaden aufgrund mangelnder Wartung. Quelle: [http://www.atd-aufzuege.de ATD-Aufzüge]]] Es gibt zwei wesentliche, teilweise auch genormte Einteilungen. Sie erfolgen nach dem '''Verschleißmechanismus''' bzw. dem '''Schadensbild'''.
Demnach kann es auch vorkommen, dass bestimmte Begriffe in unterschiedlicher Weise verwendet werden. So wird "Verschleiß" im Allgemeinen als fortschreitender Materialabtrag, speziell aber auch nur für bestimmte Schäden (Riefen, Kratzer, Fresser) verwendet.

===Verschleiß===
Der Begriff Verschleiß kann als fortschreitender Materialverlust aus der Oberfläche eines festen Körpers(Grundkörper), hervorgerufen durch mechanische Ursachen, d.h. Kontakt- und Relativbewegung eines festen, flüssigen oder [[gasförmig]]en Gegenkörpers definiert werden.

Die Unterteilung erfolgt nach dem '''Verschleißmechanismus''' in Abrasion, Adhäsion, Oberflächenzerüttung und tribochemischen Reaktionen.

'''Abrasion''': Sie tritt auf, wenn sich der Grundkörper mit einem härteren und raueren Gegenkörper im Kontakt befindet bzw. harte Partikel im Kontakt wirksam sind.

'''Adhäsion''': Adhäsion entsteht durch stoffliche Wechselwirkungen im Oberflächenbereich zweier Kontaktpartner. Es handelt sich dabei um Bindung (Verschweißung) und Trennung von Grenzflächenbindungen. Die Ursache ist das Zusammenbrechen oder Fehlen von schützenden Oberflächenschichten bei örtlich hohen Beanspruchungen und Temperaturen. (Bsp. Kolbenfresser)

'''Oberflächenzerrüttung''': Sie entsteht bei sich häufig periodisch ändernden Belastungen in bestimmten Werkstoffbereichen. Bei Erreichen einer bestimmten Risslänge kommt es zum Bruch bzw. zum Heraustrennen von Partikeln aus dem Oberflächenbereich.

'''Tribochemische Reaktionen''': Entsteht durch chemische Reaktion in Folge tribologischer Beanspruchung (zwischen Grund- und Gegenkörper. Es beteiligen sich Bestandteile des Zwischenstoffs bzw. des Umgebungsmediums. Durch eine Relativbewegung werden ständig neue Reaktionsprodukte erzeugt und wieder abgerieben.

===[[Korrosion]]===

Man bezeichnet als [[Korrosion]] Grenzflächenreaktionen zwischen [[Metall]]oberflächen und festen, flüssigen oder [[gasförmig]]en [[Korrosion]]smedien. Man unterscheidet hierbei in 3 [[Korrosion]]sarten:

'''Chemische [[Korrosion]]:''' hierbei bewirken Metalle und reaktionsfähige Gase/Flüssigkeiten eine[[ Oxidation]] oder Verzunderung

'''Chemisch metallphysikalische [[Korrosion]]:''' Dies ist die Reaktion bestimmter Metalle und Wasserstoffgas, die zu Korngrenzenveränderungen und Rissen führt.

'''Elektrochemische [[Korrosion]]:''' Bei dieser Korrosionsart handelt es sich um Reaktionen von [[Metall]]en in elektrolytisch leitenden Medien.

Häufig auftretende [[Korrosion]]svorgänge in der Praxis sind:
*chemische [[Korrosion]] (Reaktion von [[Metall]]en mit Luft[[sauerstoff]] und [[Säure]]n, Ergebnis = [[Rost]] und Verzunderung).
*Kontaktkorrosion (Wenn sich ein ionenleitendes Medium zwischen den Metallen befindet).Zudem sind auch Konstruktionen aus [[Metall]]en mit unterschiedlichem Elektrodenpotential gefährdet) siehe {{Mark
|RM TB 4-5}}.
*Reib[[korrosion]] (Entsteht durch vorhandene Mikro-Gleitbewegungen im Bereich elastischer Verformungen, diese verursachen [[metall]]isch reine Oberflächen, welche sehr reaktionsfreudig gegenüber Luft[[sauerstoff]], [[Stickstoff]] und [[Kohlenstoff]] sind).
*Spaltkorrosion (Konstruktiv bedingte elektrochemische Korrosion, bei der sich in Spalten, Rissen und Riefen z.B. von Schrauben- und Punktschweißverbindungen, korrosionsfördernde Substanzen sammeln).
*Spannungsriss[[korrosion]] (Entsteht durch Zugspannungen oder Eigenspannungen unter korrosionsfördernden Bedingungen).
*Schwingungsriss[[korrosion]] (Ensteht durch eine zusätzliche mechanische oder thermische Schwingbeanspruchung).
====[[Korrosion]]sschutz====

Es gibt umfangreiche Möglichkeiten des [[Korrosion]]sschutzes. Die Wahl der geeigneten Bauteilwerkstoffe und die Aufbringung metallischer Überzüge bzw. spezieller Schutzschichten. Es ist bei der Wahl des [[metall]]ischen Überzugs auf den [[Korrosion]]sschutz gegenüber dem Grundwerkstoff zu achten. Es könnte durch mechanische Beanspruchungen Risse im Überzug entstehen. In diesem Fall muss eine geeignete Wahl des Überzuges getroffen werden, um Kontakt[[korrosion]] zu vermeiden. Einen häufig verwendeten Oberflächenschutz erreicht man mit [[Diffusion]]sschichten. Diese werden durch Borieren und Nitrieren erzeugt.

===Schadensbilder===

Die unter dem Absatz "Verschleiß" beschriebenen Verschleißmechanismen wirken oftmals in überlagerter Form. Aus diesem Grund wird häufig der Zusammenhang zwischen ''Schadensbild'' und ''Schadensursache'' genutzt, um eine Beurteilung des beschädigten Bauteils vorzunehmen und eventuell eine Gegenmaßnahme einzuleiten. Nach dem Schadensbild lässt sich z.B. folgende Einteilung für die Schädigungsmechanismen vornehmen:

*'''Verschleiß:''' (Einlaufspuren, Riefen, Kratzer, Fresser)

*'''Ermüdung:''' (Grübchen= Pittings, Abblätterungen, Ausbrüche, Risse)

*'''[[Korrosion]]:''' (chemische Korrosion, Reibkorrosion = Passungsrost, Verzunderungen)

*'''Deformation:''' (Eindrückungen, Riffelbildung, plastische Verformung)

Es gibt für spezielle Maschinenelemente spezielle Normenwerke, die typische Schadensbilder für die oben genannten Schädigungsmechanismen zeigen und zusätzliche, nur anwendungsspezifische Bauteilschäden dokumentieren.

{{Sprungmarke Tribologie}}

==Reibung==
===Gleitreibung===
In der Kontaktzone von zwei Bauteilen treten Reibungskräfte auf. Nach dem Coulombschen Gesetz gilt bei Gleitreibung:

FR = μ{{*}}FN

FR = Reibungskraft

FN = Normalkraft

μ = Reibungszahl

===Reibungszahlen===

Die Reibungszahlen hängen von der Werkstoffpaarung, dem Schmierstoff, dem Reibungszustand und der Reibungsart ab. Es gilt: Gleitreibungszahl µ < [[Haftreibung]]zahl µ0.

Bei den Reibungsverhältnissen unterscheidet man nach Art der Relativbewegung zwischen zwei Bauteilen die Rollreibung, Gleitreibung, Wälzreibung und Bohrreibung.

Rollreibung entsteht, wenn die Geschwindigkeit zweier Körper in der Kontaktzone gleich groß sind (Betrag, Richtung). Zudem muss ein Körper eine Drehbewegung ausführen, in der die Drehachse in der Berührungszone liegt.

Wälzreibung ist eine Überlagerung von Roll- und Gleitreibung (linksdrehendes Moment ist nicht gleich rechtsdrehendes Moment).

Bohrreibung entsteht, wenn min. 1 Körper eine Drehbewegung ausführt, wobei die Drehachse senkrecht zur Berührzone steht.

====Experimentelle Bestimmung der Reibungszahl====

Hier habe ich noch einmal die [[Media:Aufgabenbeschreibung1.pdf|Aufgabenbeschreibung]] und den [[Media:Auswertungsbogen.pdf|Auswertungsbogen]] hinterlegt.

===Reibungszustände (Schmierungszustände)===

Das Reibungs- bzw. Verschleißverhalten wird insbesondere durch den vorliegenden Reibungszustand beeinflusst.
Man unterscheidet in Festkörperreibung, Grenzreibung, Mischreibung, Flüssigkeitsreibung und Gasreibung.

Festkörperreibung: Reibbeanspruchung von [[metall]]isch reinen Kontaktflächen ohne Schmierung
(meist nicht relevant, da min. [[Oxidation]]sschichten etc. auf der Oberfläche entstehen)!

Grenzreibung: Sonderfall der (Festkörperreibung). Ein Schmierfilm ist nicht oder nicht mehr vorhanden. Im Kontaktbereich wirken Randschichten (Schutzschichten). Z.B. durch
Oxidation, Adsorption (physik. Anlagerungen der im Schmierstoff enthaltenen polaren Komponenten),
oder durch chem. Reaktionen spezieller Schmierstoffe bei hohen Temperaturen bzw. Drücken.

Wichtig: Die Verhältnisse der Grenzreibung sind maßgebend für die Notlaufeigenschaften eines Bauteils.

Flüssigkeitsreibung: Es findet kein Kontakt zwischen den Bauteilen statt. Die vollständige Trennung erfolgt durch
den Schmierfilm. Die Belastung wird durch den Druck des Schmierfilms übertragen. Die erzeugte Reibung im inneren des Schmierfilms wird durch die chemische Struktur des Schmieröls bestimmt.

Gasreibung: ähnlich wie Flüssigkeitsreibung, nur das die Trennung der Kontaktpartner durch einen gasförmigen
Film erreicht wird.

Mischreibung: Beschreibt den Bereich zwischen Grenzreibung und Flüssigkeitsreibung. Die Bauteile werden nicht mehr vollständig durch einen Schmierfilm getrennt und an einigen Stellen tritt eine Festkörperreibung auf.

===Schmierdruck===

Der Schmierdruck zur vollst. Trennung beider Bauteile kann auf verschiedene Weise erzeugt werden:

*'''hydrostatische Schmierung''': Der Druck wird durch eine Pumpe außerhalb des Kontaktes erzeugt.

*'''hydrodynamische und elastohdydrodynamische Schmierung''': Der Schmierdruck wird durch die Bewegungen des Bauteils erzeugt. Das Öl wird in ein sich verengenden Spalt befördert.

Bei der hydrodynamischen Schmierung sind die Belastungen gering, daher ist die Verformung nicht zu beachten.

Bei der elastohdydrodynamischen Schmierung müssen aufgrund der hohen Pressungen die Verformungen berücksichtigt werden (Reibungs- und Schmierungsverhältnisse, Beispiel: Zahnräder).

[[Bild:Unbenannt2.jpg|thumb|Quelle: Roloff/Matek Maschinenelemente Bild 4-3]]
Das Reibungsverhalten ist durch den Einfluss unterschiedlicher Betriebsverhältnisse geprägt. (siehe Roloff/Matek, Bild 4-3).
Die Reibungszahl liegt im Bereich der Mischreibung und im Bereich der Flüssigkeitsreibung auf einer gemeinsamen Position auf der Y-Achse. Jedoch ist der Verschleiß während des Betriebes mit höherer Drehzahl im Flüssigkeitsreibungsbereich wesentlich geringer (verschleißlos). Eine allgemeine Zusammenstellung für typische Reibungszustände und die dazugehörigen Reibungszahlen habe ich in folgender Tabelle zusammengestellt.

{| {{Tabelle
}}
|+ {{Mark
|Anhaltswerte für Reibungszahlen in Abhängigkeit des Reibungszustands}}
! Reibungszustand
! Reibungsart
! Reibungszahl
|-
| Festkörperreibung
| Gleitreibung
| 0,3...1 (1,5)
|-
| Grenzreibung
| Gleitreibung Rollreibung
| 0,1...0,2 <0,005
|-
| Mischreibung
| Gleitreibung Wälzreibung Zahnräder Wälzreibung Reibräder (Traktion Fluids) Rollreibung
| 0,01...0,1 0,02...0,08 0,06...0,12 0,001...0,005
|-
| Flüssigkeitsreibung
| Gleitreibung
| 0,001...0,01
|-
| Gasreibung
| Gleitreibung
| 0,0001
|}Quelle: RM Bild 4-4

====Werkstoffpaarung (Tabelle)====

{| {{Tabelle
}}

|+ {{Mark
|Haft- und Gleitreibungszahlen Anhaltswerte für den Maschinenbau}}
! Werkstoffpaarung
! [[Haftreibung]]szahl μ01 (trocken)2
! [[Haftreibung]]szahl μ0 (geschmiert)
! Gleitreibungszahl μ (trocken)2
! Gleitreibungszahl μ (geschmiert)
|-
| [[Stahl]] auf [[Stahl]]
| 0,5...0,8
| 0,10
| 0,4...0,7
| 0,10
|-
| [[Kupfer]] auf [[Kupfer]]
| -
| -
| 0,6...1,0
| 0,10
|-
| [[Stahl]] auf [[Gusseisen]]
| 0,2
| 0,10
| 0,20
| 0,05
|-
| [[Gusseisen]] auf [[Gusseisen]]
| 0,25
| 0,15
| 0,20
| 0,10
|-
| [[Gusseisen]] auf Cu-[[Legierung]]
| 0,25
| 0,15
| 0,20
| 0,10
|-
| Bremsbelag auf [[Stahl]]
| -
| -
| 0,5...0,6
| -
|-
| [[Stahl]] auf Eis
| 0,03
| -
| 0,015
| -
|-
| [[Stahl]] auf Holz
| 0,5...0,6
| 0,10
| 0,2...0,5
| 0,05
|-
| Holz auf Holz
| 0,4...0,6
| 0,15...0,20
| 0,2...0,4
| 0,10
|-
| Leder auf [[Metall]]
| 0,60
| 0,20
| 0,2...0,25
| 0,12
|-
| Gummi auf [[Metall]]
| -
| -
| 0,50
| -
|-
| [[Kunststoff]] auf [[Metall]]
| 0,25...0,4
| -
| 0,1...0,3
| 0,04...0,1
|-
| [[Kunststoff]] auf [[Kunststoff]]
| 0,3...0,4
| -
| 0,2...0,4
| 0,04...0,1
|}Quelle: RM TB 4-1 a)
1Die [[Haftreibung]]szahl μ0 einer [[Werkstoff]]paarung ist meist geringfügig größer als die Gleitreibungszahl μ. Sie ist nur für den Grenzfall des Übergangs in die Bewegung definiert. 2Bei technisch üblichen,geringen Verunreinigungen.

{| {{Tabelle
}}

|+ {{Mark
|Gleitreibungszahlen μ bei Festkörperreibung (nach Versuchen)}}
! Werkstoff
! Gleitreibungszahl μ bei Paarung mit gleichem [[Werkstoff]]
! Gleitreibungszahl μ bei Paarung mit gehärtetem [[Stahl]]
|-
| [[Aluminium]]
| 1,3
| 0,5
|-
| [[Chrom]]
| 1,5
| 1,2
|-
| [[Nickel]]
| 0,7
| 0,5
|-
| [[Gusseisen]]
| 0,4
| 0,4
|-
| [[Stahl]], gehärtet
| 0,6
| 0,6
|-
| Lager[[metall]] (PbSb)
| -
| 0,5
|-
| CuZn-[[Legierung]]
| -
| 0,5
|-
| Al2O3-Keramik
| 0,4
| 0,7
|-
| Ployamid (Nylon)
| 1,2
| 0,4
|-
| Polyethylen PE-HD
| 0,4
| 0,1
|-
| Polytetrafluorethylen
| 0,12
| 0,05
|-
| Polystyrol und Polyvinyl[[chlorid]] PVC-U
| -
| 0,5
|-
| Polyoxymethylen
| -
| 0,4
|}Quelle: RM TB 4-1 b)

{{Mark
|Hinweis:}} Die Reibungszahl ist keine [[Werkstoff]]eigenschaft, sondern die Kenngröße eines tribologischen Systems und kann somit durch verschiedene Einflussgrößen wie z.B. [[Werkstoff]]art, Oberflächenbeschaffenheit, [[Temperatur]] u.s.w. in bestimmten Grenzen schwanken.Verlässliche Reibungszahlen müssen unter praxisnahen Bedingungen experimentell ermittelt werden.

Der Reibungszustand kann auch über die spezifische Schmierfilmdicke ermittelt werden.

Hierzu gilt:

λ = hmin/Ra

λ = spezifische Schmierfilmdicke

hmin = minimale Schmierfilmdicke im Kontakt

Ra = gemittelte Oberflächenrauheit beider Kontaktpartner [Ra= 0,5(Ra1+Ra2)]

Näherungsweise wird in folgende Bereiche unterschieden:

'''Grenzreibung:''' λ < 0,2

'''Mischreibung:''' 0,2 < λ < 3

'''Flüssigkeitsreibung:''' λ > 3

==Hertzsche Pressung==

Wenn zwei Bauteile (Wälz- bzw. Rollbelastung) senkrecht zur Berührebene belastet werden, entstehen in der Kontaktzone Oberflächenpressungen. Es wird durch Abhängigkeit der Bauteilgeometrie zwischen Punkt und Linienberührung unterschieden. Die Abplattungen im Kontaktbereich bilden sich entsprechend rechteckig (Linienberührung) bzw. elliptisch (Punktberührung) aus. Die Größe der Pressung in den [[Druck]]flächen kann mit Hilfe der Hertzschen Gleichung ermittelt werden. Diese gilt streng genommen nur unter folgenden Voraussetzungen: Die Werkstoffe sind ideal homogen, es sind keine Eigenspannungen vorhanden, die Oberflächen der Bauteile sind geometrisch ideal ausgebildet (ohne Rauhheits und Formabweichungen), es liegen nur reine Normalbeanspruchungen vor und der Kontakt ist ungeschmiert. Obwohl diese Fälle im Allgemeinen in der Praxis nicht erfüllt werden, kann die Gleichung dennoch verwenden werden. Es ist aber darauf zu achten, dass die zulässigen Pressungen, welche durch Versuche an speziellen [[Maschinenelemente]]n (Zahnräder, [[Wälzlager]] etc.) ermittelt wurden, nur für diese jeweils untersuchten Bauteile verwendet werden.

{{ Sprungmarke Tribologie}}

'''Berechnung''' (Hertzsche Pressung)

===Formel nach Roloff/Matek===

===Linienberührung===

[[Bild:LINIENBERÜHRUNG.PNG]]

===Punktberührung===

[[Bild:PUNKTBERÜHRUNG.PNG]]

===Formel nach [http://www.wikipedia.de Wikipedia]===
Eine rechnerisch vereinfachende Möglichkeit der Berechnung laut Wikipedia:

'''Für den einfachen Berührungsfall Kugel - Kugel (oder Ebene) gilt:'''

[[Bild:kugel_Kugel.png|Quelle: Wikipedia]]

und [[Bild:kugel_Kugel.1.png|Quelle: Wikipedia]]

sowie [[Bild:kugel_Kugel.2.png|Quelle: Wikipedia]]

mit

r1,2 -- Kugelradien Kugel 1, Kugel 2; Sonderfall Ebene:[[Bild:kugel_Kugel.4.png|Quelle: Wikipedia]] und damit r = r1

'''Für den einfachen Berührungsfall [[Zylinder]] - [[Zylinder]] (oder Ebene) gilt:'''

[[Bild:Zylinder_Zylinder.png|Quelle: [http://www.wikipedia.de Wikipedia]]]

mit

ν -- Poissonzahl bzw. Querdehnzahl (Bei zwei verschiedenen Reaktionspartnern wird gemittelt)

E1,2 -- [[E-Modul]] der Werkstoffe Körper 1, Körper 2

l -- Berührungslänge der [[Zylinder]]

F -- als Linienlast über die Berührungslänge wirkende Kraft

r1,2 -- Zylinderradien [[Zylinder]] 1, [[Zylinder]] 2; Sonderfall Ebene:[[Bild:kugel_Kugel.4.png|Quelle: [http://www.wikipedia.de Wikipedia]]] und damit r = r1

==Schmierstoffe==

===Schmieröle===

'''Vorteile:'''
*leichte Reibstellenversorgung (somit Verbesserung hinsichtlich Reibung/Verschleiß)
*gute Abführung von Reibungswärme
*gute Abführung von Abrieb aus dem Kontakt
*kann durch zusätzliche Maßnahmen auf gewünschte Eigenschaften eingestellt werden (z.B. Kühlung, Filterung)

'''Nachteile:'''

*ziemlich Aufwendige Abdichtung notwendig
*teilweise große Schmierölmengen erforderlich

====Eigenschaften der Schmieröle====
[[Bild:Lglgv-Darstellung.jpg|thumb|lglgv-Darstellung]]
Die [[Viskosität]] der Schmieröle ist von der [[Temperatur]] abhängig. Man sieht, dass sich der Einfluss mit zunehmender Temperatur verrringert. Man nutzt aus diesem Grund häufig die {{Mark
|doppelt logarithmisch - einfach logarithmisch-Darstellung}}, bei der sich der [[Temperatur]]einfluss vereinfacht als Gerade darstellen lässt.

Der große Vorteil liegt darin, dass sich mit den Ergebnissen der [[Viskosität]]smessungen bei zwei [[Temperatur]]en die [[Viskosität]]en bei beliebigen anderen [[Temperatur]]en bestimmen lassen, (d.h. durch Einzeichnen einer Geraden).
Die Viskositäts-Temperatur-Abhängigkeit kann nach [[DIN]] ISO 2909 durch einen Viskositätsindex /VI-Index) angegeben werden. Ursprünglich war danach vorgesehen, alle Öle in einer Klassifizierung von VI = 0 (Öl mit sehr hoher Temperaturabhängigkeit) bis VI = 100 (Öl mit geringer Temperaturabhängigkeit) einzuordnen. Heute ist dieser Bereich nicht mehr ausreichend, es gibt synthetische Öle, die deutlich höhere Werte aufweisen (VI > 200).Eine geringe [[Temperatur]]abhängigkeit ist vor allem bei Mehrbereichsölen, z.B. Schmierölen für Verbrennungsmotoren wichtig. Denn Sie müssen bei tiefen [[Temperatur]]en eine ausreichende Fließfähigkeit und bei hohen [[Temperatur]]en eine Mindest[[viskosität]] aufweisen.

Die Abhängigkeit der [[Viskosität]] bei [[Druck]] lässt sich folgendermaßen darstellen:
ηp = η0 * eαp

ηp = [[Viskosität]] bei [[Druck]] p

η0 = [[Viskosität]] bei [[Atmosphäre]]ndruck

p = [[Druck]]

α = Druck[[viskosität]]skoeffizient

{| {{Tabelle
}}

|+ {{Mark
|Druck[[viskosität]]skoeffizient α für verschiedene Schmieröle}}
! Öltyp
! α25°C*108 [m2/N]
! η2000bar/η0 bei 25°C
! η2000bar/η0 bei 80°C
|-
| Paraffinbasische Mineralöle
| 1,5-2,4
| 15-100
| 10-30
|-
| Naphtenbasische Mineralöle
| 2,5-3,5
| 150-800
| 40-70
|-
| Polyolefine| 1,3-2,0
| 10-50
| 8-20
|-
| [[Ester]]öle (Diester, verzweigt)
| 1,5-2,0
| 20-50
| 12-20
|-
| Polyätheröle (aliph.)
| 1,1-1,7
| 9-30
| 7-13
|-
| Siliconöle (aliph. Subst.)
| 1,2-1,4
| 9-16
| 7-9
|}Quelle: RM TB 4-2

====Einteilung der Schmieröle====

Es gibt zwei grundlegende Einteilungen der Schmieröle. Zum einen unterscheidet man sie '''nach der Herstellung''' und zum anderen '''nach der kinematischen Viskosität'''.

Einteilung nach der Herstellung: Hier werden grundlegend ''Mineralöle'' und ''synthetische Öle'' unterschieden.

''Mineralöle'' werden aus dem natürlich vorkommenden Erdöl gewonnen. Die genaue Zusammensetzung ergibt sich aus dem jeweiligen Förderungsgebiet. Eine typische Rohölzusammensetzung ergibt sich aus 80-85% [[Kohlenstoff]],10-17% [[Wasserstoff]], bis 7% [[Schwefel]] und bis 1% sonstige [[Element]]e ([[O]], [[N]], [[V]], [[P]], [[Ni]], [[Cu]], [[Na]], [[Ca]], [[Fe]], [[Al]]). Die gewünschten Eigenschaften werden in verschiedenen Herstellschritten eingestellt. Die Eigenschaften ergeben sich durch die chemische Struktur des Grundöls, d.h. hauptsächlich durch die vorhandenen Anteile an Paraffinen (gesättigte, kettenförmige [[Kohlenwasserstoffe]]), Naphthenen (gesättigte ringförmige [[Kohlenwasserstoffe]]) und Aromate (ungesättigte, ringförmige [[Kohlenwasserstoffe]]). Von der jeweiligen Dominanz der [[Kohlenwasserstoff]]-Bestandteile im Schmieröl unterscheidet man paraffinbasische bzw. naphtenbasische Schmieröle. Die aromatischen Grundöle haben für Schmierzwecke keine Bedeutung.

<gallery>
Bild:N-Hexan.gif|Paraffine (geradkettig, oder verzweigt) Quelle:[http://www.Wikipedia.de Wikipedia]
Bild:Naphthene.gif|Naphthen (ringförmig) Quelle:[http://www.Wikipedia.de Wikipedia]
Bild:Aromaten.gif|Aromaten (ringförmig) Quelle:[http://www.Wikipedia.de Wikipedia]
</gallery>

''Synthetische Öle'' werden in chemischen Prozessen für spezielle Anwendungen produziert. Dies geschieht mit speziellen Grundbausteinen, welche aus natürlichen Ölen hergestellt werden.

{| {{Tabelle
}}

|+ {{Mark
|Eigenschaften und Anwendungen wichtiger synthetischer Schmieröle}}
! Synthesebasisöl
! Eigenschaften
! Anwendungen
! Kostenrelation zu Mineralöl
|-
| Carbonsäure[[ester]]
| Gute Oxidationsbeständigkeit, ausgezeichnetes Fließverhalten bei tiefen Temperaturen, sehr gutes [[Viskosität]]s-[[Temperatur]]-Verhalten, sehr geringe Verdampfungsverluste bei hohen Temperaturen, mischbar mit Mineralölen, nicht toxisch, schnell biologisch abbaubar, geringe Verträglichkeit mit Lack und Dichtungsmaterialien, geringe hydrolytische Beständigkeit, mäßige Korrosionsschutzeigenschaften, begrenzte Additivlöslichkeit
| Flugturbinenöle, Kompressorenöle, Motorenölkomponente, Tief- und Hoch[[temperatur]]fette
| 4...10
|-
| Silikonöl
| Ausgezeichnetes [[Viskosität]]s-[[Temperatur]]-Verhalten, sehr gute thermische und toxische Beständigkeit, ausgezeichnetes Fließverhalten bei tiefen Temperaturen, geringe Verdampfungsverluste, hohe chemische Beständigkeit, gute Verträglichkeit mit Lack und Dichtungswerkstoffen, gute elektrische Eigenschaften, sehr schlechte Schmierungseigenschaften im Mischreibungsgebiet, nicht mischbar mit Mineralölen, keine Additivlöslichkeit
| Wärmeübertragungsöle, Hoch[[temperatur]]hydrauliköle, Sonderschmierfette, Sonderschmierstoffe für elektrische Kontakte
| 30...100
|-
| Phosphorsäure[[ester]]
| Schwer entflammbar, gute [[Oxidation]]sbeständigkeit, gutes Fließverhalten bei tiefen [[Temperatur]]en, ausgezeichnete Verschleiß- und Frostschutzeigenschaften, hohe Strahlenbeständigkeit, nicht toxisch, schnell biologisch abbaubar, nicht mischbar mit Mineralölen, schlechtes [[Viskosität]]s-[[Temperatur]]-Verhalten, begrenzte Verträglichkeit mit Dichtungsmaterialien, mäßiges [[Korrosion]]sschutzverhalten
| schwer entflammbare [[Hydraulik]]öle
| 4...8
|-
| Silikat[[ester]]
| Ausgezeichnetes [[Viskosität]]s-[[Temperatur]]-Verhalten, sehr gutes Fließverhalten bei tiefen Temperaturen, sehr gute Oxidationsbeständigkeit, gute thermische Beständigkeit, geringe hydrolytische Beständigkeit, nicht mischbar mit Mineralölen, begrenzte biologische Abbaubarkeit.
| [[Hydraulik]]öle, Wärmeübertragungsöle
| 20...30
|}Quelle: RM Bild 4-13

Die wesentlichen Vor- und Nachteile synthetischer Öle gegenüber den Mineralölen sind:

{| {{Tabelle}}
! !! Vorteile !! Nachteile
|-
! synthetische Öle gegenüber Mineralölen
| größerer Temperatureinsatzbereich, bessere Alterungsbeständigkeit (3-5 mal längere Lebensdauer, höherer [[Flammpunkt]] (z.B. wichtig bei Gasturbinen und Kompressoren), Möglichkeit der Einstellung der Reibungszahl (0,7-2x Mineralöl-Reibungszahl)|| stärkere hygroskopische Wirkung (ziehen Wasser an), ungünstigeres hydrolytisches Verhalten (Zersetzung bei Wasserzusatz), die Gefahr chemischer Reaktionen mit Dichtungen, Buntmetallen und Lacken bzw. von [[Korrosion]], nur eingeschränkte oder keine Mischbarkeit mit Mineralölen, stärkeres toxisches Verhalten, häufig deutlich teurer.
|-
|}

Beim Einsatz von synthetischen Ölen ist zu beachten, dass die vorteilhaften Eigenschaften teilweise nur bei bestimmten Betriebsbedingungen voll wirksam werden und nur dann die höheren Kosten vertretbar sind.

Eine weitere Gruppe der natürlichen Öle sind die Pflanzenöle. Es werden vor allem Sojaöl, Palmöl, Rapsöl, und Sonnenblumenöl als Grundöle für Schmierzwecke eingesetzt.

Einteilung nach der kinematischen [[Viskosität]]:

Die [[Viskosität]] eines Schmieröls hat einen wesentlichen Einfluss auf die Schmierfilmdicke im Kontakt und den damit verbundenen Reibungszustand. Deshalb werden Schmieröle z.B. für Anwendungen in der Industrie nach [[DIN]] 51511 in ISO-Viskositätsklassen(ISO-VG) eingeteilt. Die Schmieröle, welche zur Schmierung von Kraftfahrzeugmotoren ([[DIN]]51511) und Kraftfahrzeuggetrieben ([[DIN]] 51512) eingesetzt werden, sind in SAE-Klassen eingeteilt. (SAE: Society of Automotive Engineers)

Einteilung nach dem Anwendungsgebiet:

Diese Einteilung geht über die grundlegende Einteilung hinaus.
Die nötigen Schmieröleigenschaften werden häufig durch die Einsatzbedingungen bestimmt. Daher gibt es Klassifikationen für Schmieröle entsprechend den Anforderungen. Danach unterscheidet man:

*[[Maschine]]nschmieröle

*[[Zylinder]]öle

*Turbinenöle

*Motorenöle

*Getriebeöle

*Kompressorenöle

*Umlauföle

*[[Hydraulik]]öle

*Isolieröle

*Wärmeträgeröle

*Prozessöle

*[[Metall]]bearbeitungsöle/Kühlschmierstoffe

*[[Korrosion]]sschutzmittel

*Textil- und Textilmaschinenöle

{| {{Tabelle
}}

|+ {{Mark
|Klassifikation für Kfz-Getriebeöle nach API (American Petoleum Institute)}}
! Klassifikation
! Betriebsbedingungen
! Additive
! Anwendungen
|-
| GL-1
| leicht
| keine
| Getriebe mit geringen Belastungen un Umfangsgeschwindigkeiten, Kegelräder (spiralverzahnt), Schneckengetriebe
|-
| GL-2
| leicht-mittel
| Verschleißschutz-Wirkstoffe (2,7 Gew.%)
| etwas höhere Beanspruchungen als bei GL-1; Stirnradgetriebe, Schneckengetriebe
|-
| GL-3
| mittel
| leichte EP-Zusätze (4 Gew.%)
| schwere Belastungs- und Geschwindigkeitsverhältnisse; Kegelräder (spiralverzahnt), Stirnradgetriebe
|-
| GL-4
| mittel-schwer
| normale EP-Zusätze (6,5 Gew.%)
| hohe Geschwindigkeiten oder hohe [[Drehmoment]]e; Hypoidgetriebe, Handschaltgetriebe
|-
| GL-5
| schwer
| wirksame EP-Zusätze (10 Gew.%)
| hohe Geschwindigkeiten oder hohe [[Drehmoment]]e bei zusätzlicher Stoßbelastung; Hypoidgetriebe mit großem Achsversatz, Handschaltgetriebe
|}Quelle: RM Bild 4-15

{{ Sprungmarke Tribologie}}

===Schmierfette===

Schmierfette setzen sich aus den drei Anteilen Grundöl, Eindicker und Additiven zusammen.

Im Betrieb wird unter Belastung das im Eindicker gebundene Öl abgeschieden und somit die Schmierstelle versorgt. Nach Entlastung der Kontaktstelle wird das Öl wieder im Eindicker gebunden. Das Grundöl hat einen Anteil von 75-96% und besteht häufig aus Mineralöl, es werden aber auch synthetische Öle und für begrenzte Anwendungen pflanzliche Öle eingesetzt.

Der Eindicker hat einen Anteil von 4-20% und besteht meist aus Seifen ([[Metall]]salze von Fett[[säuren]], Reaktionsprodukt von Fett[[säure]]n und [[Lauge]]n).
Man unterscheidet:

*'''Normalseifen:''' (eine [[Lauge]], eine Fett[[säure]])

*'''Gemischtseifen:''' (zwei [[Lauge]]n, eine Fett[[säure]])

*'''Komplexseifen:''' (eine [[Lauge]], zwei Fett[[säure]]n)

*weiterhin werden auch '''Nichtseifen''' (z.B. Betonit, Polyharnstoff) als Eindicker verwendet.

Die Art und Konzentration der drei Grundkomponenten bestimmen die Eigenschaften des Schmierfetts.

*hoher Grundölanteil (90-96%)[[Bild:Pfeil.gif]]das Fett ist weich

*hoher Eindickeranteil (15-20%)[[Bild:Pfeil.gif]]das Fett ist hart

Eine weitere wichtige Kenngröße ist der so genannte "Tropfpunkt". Es handelt sich hierbei um die [[Temperatur]], bei der ein Schmierfett flüssig wird und abtropft. Die Betriebs[[temperatur]] muss im Allgemeinen höher sein als der Tropfpunkt.
Schmierfette und ihre Eigenschaften findet ihr im Roloff/Matek TB 4-3.

Die Einteilung erfolgt im Regelfall nach der Konsistenz.
Weitere Klassifikationen:
*nach Art des Eindickers
*den zu schmierenden [[Maschinenelemente]]n
*der Anwendung
*den Einsatzbereichen
*dem Grundöl
*der ökologischen Verträglichkeit, die immer mehr an Bedeutung gewinnt, besonders bei der Verlustschmierung.

Die '''Vorteile''' von Schmierfetten: geringe Mengen reichen aus, eine aufwendige Abdichtung entfällt.

Die '''Nachteile''' von Schmierfetten: schlechte bzw. gar keine Abführung von Wärme und Verschleißpartikeln aus dem Kontakt.

{| {{Tabelle
}}

|+ {{Mark
|Klassifikation für Schmierfette nach NLGI (National Lubricating Grease Institut)}}
! NLGI-Klasse (DIN 51818)
! Walkpenetration1) in 0,1 mm
! Konsistenz
! Anwendungen
|-
| 000
| 445...475
| fließend
| Getriebefette, Zentralschmieranlagen
|-
| 00
| 400...430
| schwach fließend
| Getriebefette, Zentralschmieranlagen
|-
| 0
| 355...385
| halbflüssig
| Getriebefette, [[Wälzlager]]fette, Zentralschmieranlagen
|-
| 1
| 310...340
| sehr weich
| [[Wälzlager]]fette
|-
| 2
| 265...295
| weich
| [[Wälzlager]]fette, [[Gleitlager]]fette
|-
| 3
| 220...250
| mittelfest
| [[Wälzlager]]fette, [[Gleitlager]]fette, [[Wasserpumpe]]nfette
|-
| 4
| 175...205
| fest
| [[Wälzlager]]fette, Wasserpumpenfette
|-
| 5
| 130...160
| sehr fest
| [[Wasserpumpe]]nfette, Blockfette
|-
| 6
| 85...115
| hart
| Blockfette
|}Quelle: RM Bild 4-16

===Sonstige Schmierstoffe===

Andere Arten von Schmierstoffen sind:
====Festschmierstoffe====
Sie liegen in Pulverform vor und werden durch Aufreiben an die Reibstellen gebracht. Zu den wichtigsten Festschmierstoffen zählen:

{| {{Tabelle}}
! !! Vorteile !! Betriebstemperatur
|-
! Molybdänsulfid (MoS2)
| chemisch stabil, geringe Reibung, sehr gut im Vakuum schmierwirksam, unempfindlich gegen [[radioaktiv]]e Strahlung, sehr hohe [[Festigkeit]] der Oberfläche|| ca. 300°
|-
! Graphit
| chemisch sehr stabil, unempfindlich gegen radioaktive Strahlung, sehr gute Reibungseigenschaften bei zusätzlicher Feuchtigkeit|| ca. 600°
|-
! Polytetrafluorethylen (PTFE)
| chemisch sehr stabil, gut im Vakuum schmierwirksam||ca. 260°
|-
|}

Festschmierstoffe kommen Einsatz wenn ein sehr großer Temperatureinsatzbereich und die Beständigkeit gegenüber aggressiven Medien (z.B. [[Säuren]]) gefordert wird. Positiv zu erwähnen ist, dass eine evtl. notwendige Abdichtung entfällt. Es gibt im Vakuum meist keine Alternativen zu Festschmierstoffen.
Die '''Nachteile''' liegen im kontinuierlichen Abrieb der Schmierstoffschicht (nachschmieren im Allgemeinen nicht möglich oder sehr aufwendig), im höheren Reibungsverlust gegenüber Flüssigschmierstoffen und im teilweise problematischen [[Korrosion]]sschutz (z.B. bei MoS2).

====Schmierpasten====

Schmierpasten bestehen aus einem Grundöl und einem Festschmierstoff (20%-70%). Sie kommen dann zu Einsatz, wenn das Auftragen von Pulver zu schwierig ist. Durch Ausfüllen der Rauheitsfelder erfolgt eine Oberflächenverbesserung. Selbst ein Einsatz bei höheren Temperaturen ist möglich, da dann nur noch der Festschmierstoff wirkt. Es werden jedoch keine Wärme bzw. Verschleiß- und Schmutzpartikel abgeführt. Das Einsatzgebiet der Schmierpasten erstreckt sich auf hochbelastete Gleit- und Wälzlager, Zahnräder, Achsen, Kugelgelenke und feinmechanische Geräte (Lebensdauerschmierung).

====Gleitlacke====

Bei Gleitlacken handelt es sich um Schichten (<20μm) auf Basis von Kunstharz bzw. Lack, welche statt Farbpigmenten Festschmierstoff-Partikel enthalten.

====Schmierwachse====

Schmierwachse werden zu Erleichterung der Bauteilmontage, beispielsweise bei [[Dichtungen]] eingesetzt.

===Schmierungsarten===

Bei der Auswahl des Schmierstoffs ist darauf zu achten, welche Art der Schmierstoffzuführung vorliegt. Wenn eine Einzelschmierstelle versorgt wird, kann die Auswahl des Schmierstoffs ausschließlich nach den vorliegenden Betriebsverhältnissen erfolgen. Soll allerdings eine Baugruppe (z.B. ein Getriebe mit [[Wälzlager]]- und unterschiedlichen Zahnradkontakten) geschmiert werden, muss der Schmierstoff für die teilweise sehr unterschiedlichen Reibungsverhältnisse der Einzelkontaktstellen geeignet sein. Wird eine zentrale Schmierstoffversorgung eingesetzt, müssen die konstruktiven Ausführungen der einzelnen Anlagen/Baugruppen darauf abgestimmt werden. Eine Einzelschmierstelle kann manuell, halbautomatisch und automatisch mit Schmierstoff versorgt werden.

'''manuelle Schmierstoffversorgung:''' Sie erfolgt mittels Fettpresse, Ölkanne bzw. speziellen Schmierstoffgebern (z.B. Schmiernippeln). Problematisch ist das Einhalten vorgegebener Schmierstoffintervalle und der richtigen Dosierung des Schmierstoffs.

'''halbautomatische Schmierstoffversorgung:''' Hierbei werden voreingestellte Vorrichtungen verwendet, welche den entsprechenden Schmierstoffbedarf abgeben. Sie können über mehrere Monate hinweg ohne Nachstellung betrieben werden.

'''automatische Schmierstoffversorgung:''' Bei dieser Methode wird die Schmierstoffversorgung an den Betrieb einer Anlage gebunden. Der Mitarbeiter muss keine Einstellvorgänge mehr durchführen. Somit ist eine kontinuierliche Schmierung gewährleistet. Bespiele hierfür sind z.B. die Ringschmierung, Tauchschmierung, oder die Einspritzschmierung.

Bei der Versorgung einer großen Anzahl von Schmierstellen ist eine wirtschaftliche Lösung nur durch Zentralschmieranlagen zu erreichen. Darunter fallen:

'''Einleitungsanlagen:''' Hierbei wird über eine so genannte "Speiseleitung" der Schmierstoff gedrückt und dann werden über abzweigende "Stichleitungen" und "Zuteilelemente" die Einzelschmierstellen versorgt. Es werden die entsprechenden Zeitintervalle für Schmierphase und Schmierpause vorher festgelegt.

'''Zweileitungsanlagen:''' Hier werden über ein Umsteuergerät wechselseitig zwei Speiseleitungen mit Schmierstoff versorgt.

'''Mehrleitungsanlagen:''' In diesen Anlagen ist jede Schmierstelle über eine eigene Leitung unmittelbar mit der Pumpe verbunden.

'''Progressivanlagen:''' Der Schmierstoff wird zu Progressivverteilern gepumpt und von dort aus werden über Verteilereinrichtungen die Schmierstellen versorgt.

{| {{Tabelle
}}

|+ {{Mark
|Kriterien für die Auswahl von Zentralschmieranlagen}}
! Schmiersystem
! Schmierstoff
! Anzahl der Schmierstellen (maximal)
! Längste Schmierstoffleitung [m]
! Dosierung je Schmierstelle
|-
| Einleitungssystem
| Öl
| 500
| 50
| 0,1...15 ml/Takt
|-
| Zweileitungssystem
| Öl bzw. Fett
| 5000
| 200
| 0,02...15 ml/Takt
|-
| Mehrleitungssystem
| Öl bzw. Fett
| 30
| 50
| 0,18...400 ml/h
|-
| Progressivsystem
| Öl bzw. Fett
| 100
| 50
| 0,01...500 ml/h
|-
| Ölnebelsystem
| Öl
| 2500
| 200
| 0,2 ml/h
|-
| Öl-[[Luft]]-System
| Öl
| 5000
| 200
| > 0,05 ml/h
|}Quelle: RM TB 4-4

Man unterscheidet unabhängig von der Art der Zentralschmieranlage die '''Umlauf- und Verbrauchsschmierung''' (Verlustschmierung). Bei der Verbrauchsschmierung ist der Schmierstoff nach dem Einsatz verloren und wird nicht wieder zurückgeführt. Sie wird nur bei einem geringen Schmierstoffbedarf (Mangelschmierung) angewendetes ist zudem im Allgemeinen eine Aufbereitung des Schmieröls notwendig (Erzeugung eines Ölnebels bzw. Öl-[[Luft]] Gemischs). Bei der Umlaufschmierung wird der Schmierstoff nach dem Einsatz an der Schmierstelle wieder in einen Zentralbehälter zurückgeführt.

==Übungsaufgaben==
Hier findet Ihr einiges zum Üben:

[[Media:Aufgabe_Tram.pdf|1. Aufgabe zur Hertzschen Pressung]]

[[Media:Aufgabe2.pdf|2. Aufgabe zur Hertzschen Pressung]]

[[Media:Aufgaben_zur_Reibung.pdf|3. Aufgaben zur Reibung]]

===Fragen===
1. Was bedeutet „Tribologie“? 2. Nenne 3 Gebiete, mit denen sich die Tribologie hauptsächlich befasst. 3. Nenne 4 Anwendungsbereiche der Tribologie. 4. Nenne 3 Arten der Schmier[[druck]]erzeugung. 5. Vergleiche {{Mark
|synthetische}} / {{Mark
|mineralische}} Öle. Welche Vor- und Nachteile spielen bei der Auswahl eine Rolle?

==Lösungen==

[[Media:Endgültig Hetzsche pressung1.pdf|Lösung:]] 1. Aufgabe (Hertzsche Pressung)

[[Media:Endgültig Hertzsche Pressung2.pdf|Lösung:]] 2. Aufgabe (Hertzsche Pressung)

[[Media:Lösungen zur Reibung 15.09.2008.pdf|Lösungen]] zu den Aufgaben der Reibung.

[[ Tribologie: Antworten ]]

===Berechnungen der Hertzschen Pressung mit Excel===
[[Media:Berechnung der Hertzschen Pressung mit Excel( Benni2).xls|Hier]] habe ich die beiden Übungsaufgaben für euch in Excel verfasst.

==Die Präsentation==

Hier könnt ihr euch [[Media:Tribologie Präsentation.pdf|meine Präsentation]] als PDF anschauen und das auch noch for free!!!

{{www}}
* [[Media:Aufgaben_zu_Reibung.doc‎|Augaben zur Reibung vom 18.09.2010]]
* [[Media:Rechnungen_Reibung.pdf‎|Rechnungen zur Reibung vom 18.09.2010]]

== Tribologie[[Chatroom Tribologie|Chat]] ==
[[Fragen]], Klärungsbedarf? 
Im '''[[Chatroom Tribologie]]''' könnt ihr Fragen stellen und nach Herzenslust diskutieren.

==Quellen==
'''Folgende Medien haben mich tatkräftig bei meinen recherchen unterstützt.'''

'''1.''' Tabellenbuch Metall, 43. Auflage. Europa Verlag, ISBN 3-8085-1673-9, €21,50.[[Bild:Europa Tabellenbuch-1.jpg|Thumb|60px]]

'''2.''' Roloff/Matek: Maschinenelemente-Tabellenbuch, Vieweg Verlag, 18. Aufl. 2007, ISBN 3-834-80262-X, €36,90.[[Bild:Roloff Matek.jpg|Thumb|60px]]

'''3.''' Roloff/Matek: Maschinenelemente-Formelsammlung, Vieweg Verlag, 8. Aufl. 2006. ISBN 3-834-80119-4, €20,90.[[Bild:Roloff MatekFormelsammlung-1.jpg|Thumb|60px]]

'''4.''' Kraft- und Schmierstoffe, 18. Auflage. Sonderdruck für Aral AG Bochum.

'''5.''' Internet: Wikipedia http://de.wikipedia.org/wiki/Hertzsche_Pressung

'''5.''' Internet: ETH Zürich http://www.ethz.ch/

{{ Sprungmarke Tribologie}}

<div style="border: 2px solid #dfdfdf; background-color:#ECF1FF;;padding:7px;">
'''''Ich hoffe der Artikel hat euch einen Einblick in die Welt der Tribologie ermöglicht.'''''
</div>
[[Benutzer:Benni1981|Benni1981]] 
{{Exzellent}}
[[Kategorie:Entwicklung und Konstruktion]]

[[Kategorie:Entwicklung und Konstruktion]]

Tribologie

2010-11-18T07:32:17Z

Sandra Kellinghusen:

--[[Benutzer:Benni1981|Benni1981]] 12:27, 8. Dez 2007 (CET) '''Hallo {{Currentuser}}, ich wünsche Dir viel Spaß beim Lesen dieser Seite...''' {{Heute}}
[[Bild:Tribologie.jpg|right]]

==Bedeutung==
[[Bild:Tribologie.gif|thumb|442px|Quelle: [http://www.gft-ev.de Gesellschaft für Tribologie]]]

Die Tribologie (griechisch: {{mark|Reibungslehre}}) ist eine Wissenschaft, mit der sich Maschinenbauer, [[Werkstoff]]techniker, Physiker und Chemiker befassen.
Die Tribologie umfasst die Gebiete
*Reibung
*Verschleiß
*Schmierung
Ziel der Tribolologie ist es, das Bewegungssystem zu optimieren. In ökologischer, ökonomischer und funktioneller Hinsicht. Das heißt Minderung von Verschleiß und Optimierung von Reibungsbedingungen

===Anwendung===
Die Anwendung der Tribologie erstreckt sich auf alle Bereiche der Entwicklung, Konstruktion, Fertigung und Instandhaltung mechanischer Bewegungssysteme in den verschiedenen Industrie- und Wirtschaftsbereichen:

*Maschinenbau
*[[Fertigungstechnik]]
*Antriebs-und Fördertechnik
*Kraftfahrzeug- und Motorenindustrie
*Bautechnik
*Luft und Raumfahrt
*Schienenfahrzeugtechnik
*Feinwerktechnik
*EDV Technik
*Energieversorgung
*Medizintechnik

===Aufgaben===
Die Tribologie hat einen enormen Einfluss auf die Ressourcen eines Betriebes, zudem auch die Betriebssicherheit d.h. ein störungsfreier und anwendungssicherer Ablauf eines Gerätes/Maschine. Sie hilft außerdem die Produktionskosten zu senken und sorgt für eine Reduzierung von [[Energie]]/[[Emissionen]]. Bei der [[Dimensionierung]] von [[Maschinenelemente]]n gilt häufig die Anforderung, dass während des Betriebszustandes Reibung und Verschleiß auf ein minimales zu reduzieren ist, ebenso der Energieverlust. Es gibt aber auch Anwendungen, wo eine verstärkte Reibung erwünscht ist, z.B. bei Reibradgetrieben oder [[Bremse]]n.

==Schäden an Maschinenelementen==

[[Bild:Lagerschaden.png|thumb|Lagerschaden aufgrund mangelnder Wartung. Quelle: [http://www.atd-aufzuege.de ATD-Aufzüge]]] Es gibt zwei wesentliche, teilweise auch genormte Einteilungen. Sie erfolgen nach dem '''Verschleißmechanismus''' bzw. dem '''Schadensbild'''.
Demnach kann es auch vorkommen, dass bestimmte Begriffe in unterschiedlicher Weise verwendet werden. So wird "Verschleiß" im Allgemeinen als fortschreitender Materialabtrag, speziell aber auch nur für bestimmte Schäden (Riefen, Kratzer, Fresser) verwendet.

===Verschleiß===
Der Begriff Verschleiß kann als fortschreitender Materialverlust aus der Oberfläche eines festen Körpers(Grundkörper), hervorgerufen durch mechanische Ursachen, d.h. Kontakt- und Relativbewegung eines festen, flüssigen oder [[gasförmig]]en Gegenkörpers definiert werden.

Die Unterteilung erfolgt nach dem '''Verschleißmechanismus''' in Abrasion, Adhäsion, Oberflächenzerüttung und tribochemischen Reaktionen.

'''Abrasion''': Sie tritt auf, wenn sich der Grundkörper mit einem härteren und raueren Gegenkörper im Kontakt befindet bzw. harte Partikel im Kontakt wirksam sind.

'''Adhäsion''': Adhäsion entsteht durch stoffliche Wechselwirkungen im Oberflächenbereich zweier Kontaktpartner. Es handelt sich dabei um Bindung (Verschweißung) und Trennung von Grenzflächenbindungen. Die Ursache ist das Zusammenbrechen oder Fehlen von schützenden Oberflächenschichten bei örtlich hohen Beanspruchungen und Temperaturen. (Bsp. Kolbenfresser)

'''Oberflächenzerrüttung''': Sie entsteht bei sich häufig periodisch ändernden Belastungen in bestimmten Werkstoffbereichen. Bei Erreichen einer bestimmten Risslänge kommt es zum Bruch bzw. zum Heraustrennen von Partikeln aus dem Oberflächenbereich.

'''Tribochemische Reaktionen''': Entsteht durch chemische Reaktion in Folge tribologischer Beanspruchung (zwischen Grund- und Gegenkörper. Es beteiligen sich Bestandteile des Zwischenstoffs bzw. des Umgebungsmediums. Durch eine Relativbewegung werden ständig neue Reaktionsprodukte erzeugt und wieder abgerieben.

===[[Korrosion]]===

Man bezeichnet als [[Korrosion]] Grenzflächenreaktionen zwischen [[Metall]]oberflächen und festen, flüssigen oder [[gasförmig]]en [[Korrosion]]smedien. Man unterscheidet hierbei in 3 [[Korrosion]]sarten:

'''Chemische [[Korrosion]]:''' hierbei bewirken Metalle und reaktionsfähige Gase/Flüssigkeiten eine[[ Oxidation]] oder Verzunderung

'''Chemisch metallphysikalische [[Korrosion]]:''' Dies ist die Reaktion bestimmter Metalle und Wasserstoffgas, die zu Korngrenzenveränderungen und Rissen führt.

'''Elektrochemische [[Korrosion]]:''' Bei dieser Korrosionsart handelt es sich um Reaktionen von [[Metall]]en in elektrolytisch leitenden Medien.

Häufig auftretende [[Korrosion]]svorgänge in der Praxis sind:
*chemische [[Korrosion]] (Reaktion von [[Metall]]en mit Luft[[sauerstoff]] und [[Säure]]n, Ergebnis = [[Rost]] und Verzunderung).
*Kontaktkorrosion (Wenn sich ein ionenleitendes Medium zwischen den Metallen befindet).Zudem sind auch Konstruktionen aus [[Metall]]en mit unterschiedlichem Elektrodenpotential gefährdet) siehe {{Mark
|RM TB 4-5}}.
*Reib[[korrosion]] (Entsteht durch vorhandene Mikro-Gleitbewegungen im Bereich elastischer Verformungen, diese verursachen [[metall]]isch reine Oberflächen, welche sehr reaktionsfreudig gegenüber Luft[[sauerstoff]], [[Stickstoff]] und [[Kohlenstoff]] sind).
*Spaltkorrosion (Konstruktiv bedingte elektrochemische Korrosion, bei der sich in Spalten, Rissen und Riefen z.B. von Schrauben- und Punktschweißverbindungen, korrosionsfördernde Substanzen sammeln).
*Spannungsriss[[korrosion]] (Entsteht durch Zugspannungen oder Eigenspannungen unter korrosionsfördernden Bedingungen).
*Schwingungsriss[[korrosion]] (Ensteht durch eine zusätzliche mechanische oder thermische Schwingbeanspruchung).
====[[Korrosion]]sschutz====

Es gibt umfangreiche Möglichkeiten des [[Korrosion]]sschutzes. Die Wahl der geeigneten Bauteilwerkstoffe und die Aufbringung metallischer Überzüge bzw. spezieller Schutzschichten. Es ist bei der Wahl des [[metall]]ischen Überzugs auf den [[Korrosion]]sschutz gegenüber dem Grundwerkstoff zu achten. Es könnte durch mechanische Beanspruchungen Risse im Überzug entstehen. In diesem Fall muss eine geeignete Wahl des Überzuges getroffen werden, um Kontakt[[korrosion]] zu vermeiden. Einen häufig verwendeten Oberflächenschutz erreicht man mit [[Diffusion]]sschichten. Diese werden durch Borieren und Nitrieren erzeugt.

===Schadensbilder===

Die unter dem Absatz "Verschleiß" beschriebenen Verschleißmechanismen wirken oftmals in überlagerter Form. Aus diesem Grund wird häufig der Zusammenhang zwischen ''Schadensbild'' und ''Schadensursache'' genutzt, um eine Beurteilung des beschädigten Bauteils vorzunehmen und eventuell eine Gegenmaßnahme einzuleiten. Nach dem Schadensbild lässt sich z.B. folgende Einteilung für die Schädigungsmechanismen vornehmen:

*'''Verschleiß:''' (Einlaufspuren, Riefen, Kratzer, Fresser)

*'''Ermüdung:''' (Grübchen= Pittings, Abblätterungen, Ausbrüche, Risse)

*'''[[Korrosion]]:''' (chemische Korrosion, Reibkorrosion = Passungsrost, Verzunderungen)

*'''Deformation:''' (Eindrückungen, Riffelbildung, plastische Verformung)

Es gibt für spezielle Maschinenelemente spezielle Normenwerke, die typische Schadensbilder für die oben genannten Schädigungsmechanismen zeigen und zusätzliche, nur anwendungsspezifische Bauteilschäden dokumentieren.

{{Sprungmarke Tribologie}}

==Reibung==
===Gleitreibung===
In der Kontaktzone von zwei Bauteilen treten Reibungskräfte auf. Nach dem Coulombschen Gesetz gilt bei Gleitreibung:

FR = μ{{*}}FN

FR = Reibungskraft

FN = Normalkraft

μ = Reibungszahl

===Reibungszahlen===

Die Reibungszahlen hängen von der Werkstoffpaarung, dem Schmierstoff, dem Reibungszustand und der Reibungsart ab. Es gilt: Gleitreibungszahl µ < [[Haftreibung]]zahl µ0.

Bei den Reibungsverhältnissen unterscheidet man nach Art der Relativbewegung zwischen zwei Bauteilen die Rollreibung, Gleitreibung, Wälzreibung und Bohrreibung.

Rollreibung entsteht, wenn die Geschwindigkeit zweier Körper in der Kontaktzone gleich groß sind (Betrag, Richtung). Zudem muss ein Körper eine Drehbewegung ausführen, in der die Drehachse in der Berührungszone liegt.

Wälzreibung ist eine Überlagerung von Roll- und Gleitreibung (linksdrehendes Moment ist nicht gleich rechtsdrehendes Moment).

Bohrreibung entsteht, wenn min. 1 Körper eine Drehbewegung ausführt, wobei die Drehachse senkrecht zur Berührzone steht.

====Experimentelle Bestimmung der Reibungszahl====

Hier habe ich noch einmal die [[Media:Aufgabenbeschreibung1.pdf|Aufgabenbeschreibung]] und den [[Media:Auswertungsbogen.pdf|Auswertungsbogen]] hinterlegt.

===Reibungszustände (Schmierungszustände)===

Das Reibungs- bzw. Verschleißverhalten wird insbesondere durch den vorliegenden Reibungszustand beeinflusst.
Man unterscheidet in Festkörperreibung, Grenzreibung, Mischreibung, Flüssigkeitsreibung und Gasreibung.

Festkörperreibung: Reibbeanspruchung von [[metall]]isch reinen Kontaktflächen ohne Schmierung
(meist nicht relevant, da min. [[Oxidation]]sschichten etc. auf der Oberfläche entstehen)!

Grenzreibung: Sonderfall der (Festkörperreibung). Ein Schmierfilm ist nicht oder nicht mehr vorhanden. Im Kontaktbereich wirken Randschichten (Schutzschichten). Z.B. durch
Oxidation, Adsorption (physik. Anlagerungen der im Schmierstoff enthaltenen polaren Komponenten),
oder durch chem. Reaktionen spezieller Schmierstoffe bei hohen Temperaturen bzw. Drücken.

Wichtig: Die Verhältnisse der Grenzreibung sind maßgebend für die Notlaufeigenschaften eines Bauteils.

Flüssigkeitsreibung: Es findet kein Kontakt zwischen den Bauteilen statt. Die vollständige Trennung erfolgt durch
den Schmierfilm. Die Belastung wird durch den Druck des Schmierfilms übertragen. Die erzeugte Reibung im inneren des Schmierfilms wird durch die chemische Struktur des Schmieröls bestimmt.

Gasreibung: ähnlich wie Flüssigkeitsreibung, nur das die Trennung der Kontaktpartner durch einen gasförmigen
Film erreicht wird.

Mischreibung: Beschreibt den Bereich zwischen Grenzreibung und Flüssigkeitsreibung. Die Bauteile werden nicht mehr vollständig durch einen Schmierfilm getrennt und an einigen Stellen tritt eine Festkörperreibung auf.

===Schmierdruck===

Der Schmierdruck zur vollst. Trennung beider Bauteile kann auf verschiedene Weise erzeugt werden:

*'''hydrostatische Schmierung''': Der Druck wird durch eine Pumpe außerhalb des Kontaktes erzeugt.

*'''hydrodynamische und elastohdydrodynamische Schmierung''': Der Schmierdruck wird durch die Bewegungen des Bauteils erzeugt. Das Öl wird in ein sich verengenden Spalt befördert.

Bei der hydrodynamischen Schmierung sind die Belastungen gering, daher ist die Verformung nicht zu beachten.

Bei der elastohdydrodynamischen Schmierung müssen aufgrund der hohen Pressungen die Verformungen berücksichtigt werden (Reibungs- und Schmierungsverhältnisse, Beispiel: Zahnräder).

[[Bild:Unbenannt2.jpg|thumb|Quelle: Roloff/Matek Maschinenelemente Bild 4-3]]
Das Reibungsverhalten ist durch den Einfluss unterschiedlicher Betriebsverhältnisse geprägt. (siehe Roloff/Matek, Bild 4-3).
Die Reibungszahl liegt im Bereich der Mischreibung und im Bereich der Flüssigkeitsreibung auf einer gemeinsamen Position auf der Y-Achse. Jedoch ist der Verschleiß während des Betriebes mit höherer Drehzahl im Flüssigkeitsreibungsbereich wesentlich geringer (verschleißlos). Eine allgemeine Zusammenstellung für typische Reibungszustände und die dazugehörigen Reibungszahlen habe ich in folgender Tabelle zusammengestellt.

{| {{Tabelle
}}
|+ {{Mark
|Anhaltswerte für Reibungszahlen in Abhängigkeit des Reibungszustands}}
! Reibungszustand
! Reibungsart
! Reibungszahl
|-
| Festkörperreibung
| Gleitreibung
| 0,3...1 (1,5)
|-
| Grenzreibung
| Gleitreibung Rollreibung
| 0,1...0,2 <0,005
|-
| Mischreibung
| Gleitreibung Wälzreibung Zahnräder Wälzreibung Reibräder (Traktion Fluids) Rollreibung
| 0,01...0,1 0,02...0,08 0,06...0,12 0,001...0,005
|-
| Flüssigkeitsreibung
| Gleitreibung
| 0,001...0,01
|-
| Gasreibung
| Gleitreibung
| 0,0001
|}Quelle: RM Bild 4-4

====Werkstoffpaarung (Tabelle)====

{| {{Tabelle
}}

|+ {{Mark
|Haft- und Gleitreibungszahlen Anhaltswerte für den Maschinenbau}}
! Werkstoffpaarung
! [[Haftreibung]]szahl μ01 (trocken)2
! [[Haftreibung]]szahl μ0 (geschmiert)
! Gleitreibungszahl μ (trocken)2
! Gleitreibungszahl μ (geschmiert)
|-
| [[Stahl]] auf [[Stahl]]
| 0,5...0,8
| 0,10
| 0,4...0,7
| 0,10
|-
| [[Kupfer]] auf [[Kupfer]]
| -
| -
| 0,6...1,0
| 0,10
|-
| [[Stahl]] auf [[Gusseisen]]
| 0,2
| 0,10
| 0,20
| 0,05
|-
| [[Gusseisen]] auf [[Gusseisen]]
| 0,25
| 0,15
| 0,20
| 0,10
|-
| [[Gusseisen]] auf Cu-[[Legierung]]
| 0,25
| 0,15
| 0,20
| 0,10
|-
| Bremsbelag auf [[Stahl]]
| -
| -
| 0,5...0,6
| -
|-
| [[Stahl]] auf Eis
| 0,03
| -
| 0,015
| -
|-
| [[Stahl]] auf Holz
| 0,5...0,6
| 0,10
| 0,2...0,5
| 0,05
|-
| Holz auf Holz
| 0,4...0,6
| 0,15...0,20
| 0,2...0,4
| 0,10
|-
| Leder auf [[Metall]]
| 0,60
| 0,20
| 0,2...0,25
| 0,12
|-
| Gummi auf [[Metall]]
| -
| -
| 0,50
| -
|-
| [[Kunststoff]] auf [[Metall]]
| 0,25...0,4
| -
| 0,1...0,3
| 0,04...0,1
|-
| [[Kunststoff]] auf [[Kunststoff]]
| 0,3...0,4
| -
| 0,2...0,4
| 0,04...0,1
|}Quelle: RM TB 4-1 a)
1Die [[Haftreibung]]szahl μ0 einer [[Werkstoff]]paarung ist meist geringfügig größer als die Gleitreibungszahl μ. Sie ist nur für den Grenzfall des Übergangs in die Bewegung definiert. 2Bei technisch üblichen,geringen Verunreinigungen.

{| {{Tabelle
}}

|+ {{Mark
|Gleitreibungszahlen μ bei Festkörperreibung (nach Versuchen)}}
! Werkstoff
! Gleitreibungszahl μ bei Paarung mit gleichem [[Werkstoff]]
! Gleitreibungszahl μ bei Paarung mit gehärtetem [[Stahl]]
|-
| [[Aluminium]]
| 1,3
| 0,5
|-
| [[Chrom]]
| 1,5
| 1,2
|-
| [[Nickel]]
| 0,7
| 0,5
|-
| [[Gusseisen]]
| 0,4
| 0,4
|-
| [[Stahl]], gehärtet
| 0,6
| 0,6
|-
| Lager[[metall]] (PbSb)
| -
| 0,5
|-
| CuZn-[[Legierung]]
| -
| 0,5
|-
| Al2O3-Keramik
| 0,4
| 0,7
|-
| Ployamid (Nylon)
| 1,2
| 0,4
|-
| Polyethylen PE-HD
| 0,4
| 0,1
|-
| Polytetrafluorethylen
| 0,12
| 0,05
|-
| Polystyrol und Polyvinyl[[chlorid]] PVC-U
| -
| 0,5
|-
| Polyoxymethylen
| -
| 0,4
|}Quelle: RM TB 4-1 b)

{{Mark
|Hinweis:}} Die Reibungszahl ist keine [[Werkstoff]]eigenschaft, sondern die Kenngröße eines tribologischen Systems und kann somit durch verschiedene Einflussgrößen wie z.B. [[Werkstoff]]art, Oberflächenbeschaffenheit, [[Temperatur]] u.s.w. in bestimmten Grenzen schwanken.Verlässliche Reibungszahlen müssen unter praxisnahen Bedingungen experimentell ermittelt werden.

Der Reibungszustand kann auch über die spezifische Schmierfilmdicke ermittelt werden.

Hierzu gilt:

λ = hmin/Ra

λ = spezifische Schmierfilmdicke

hmin = minimale Schmierfilmdicke im Kontakt

Ra = gemittelte Oberflächenrauheit beider Kontaktpartner [Ra= 0,5(Ra1+Ra2)]

Näherungsweise wird in folgende Bereiche unterschieden:

'''Grenzreibung:''' λ < 0,2

'''Mischreibung:''' 0,2 < λ < 3

'''Flüssigkeitsreibung:''' λ > 3

==Hertzsche Pressung==

Wenn zwei Bauteile (Wälz- bzw. Rollbelastung) senkrecht zur Berührebene belastet werden, entstehen in der Kontaktzone Oberflächenpressungen. Es wird durch Abhängigkeit der Bauteilgeometrie zwischen Punkt und Linienberührung unterschieden. Die Abplattungen im Kontaktbereich bilden sich entsprechend rechteckig (Linienberührung) bzw. elliptisch (Punktberührung) aus. Die Größe der Pressung in den [[Druck]]flächen kann mit Hilfe der Hertzschen Gleichung ermittelt werden. Diese gilt streng genommen nur unter folgenden Voraussetzungen: Die Werkstoffe sind ideal homogen, es sind keine Eigenspannungen vorhanden, die Oberflächen der Bauteile sind geometrisch ideal ausgebildet (ohne Rauhheits und Formabweichungen), es liegen nur reine Normalbeanspruchungen vor und der Kontakt ist ungeschmiert. Obwohl diese Fälle im Allgemeinen in der Praxis nicht erfüllt werden, kann die Gleichung dennoch verwenden werden. Es ist aber darauf zu achten, dass die zulässigen Pressungen, welche durch Versuche an speziellen [[Maschinenelemente]]n (Zahnräder, [[Wälzlager]] etc.) ermittelt wurden, nur für diese jeweils untersuchten Bauteile verwendet werden.

{{ Sprungmarke Tribologie}}

'''Berechnung''' (Hertzsche Pressung)

===Formel nach Roloff/Matek===

===Linienberührung===

[[Bild:LINIENBERÜHRUNG.PNG]]

===Punktberührung===

[[Bild:PUNKTBERÜHRUNG.PNG]]

===Formel nach [http://www.wikipedia.de Wikipedia]===
Eine rechnerisch vereinfachende Möglichkeit der Berechnung laut Wikipedia:

'''Für den einfachen Berührungsfall Kugel - Kugel (oder Ebene) gilt:'''

[[Bild:kugel_Kugel.png|Quelle: Wikipedia]]

und [[Bild:kugel_Kugel.1.png|Quelle: Wikipedia]]

sowie [[Bild:kugel_Kugel.2.png|Quelle: Wikipedia]]

mit

r1,2 -- Kugelradien Kugel 1, Kugel 2; Sonderfall Ebene:[[Bild:kugel_Kugel.4.png|Quelle: Wikipedia]] und damit r = r1

'''Für den einfachen Berührungsfall [[Zylinder]] - [[Zylinder]] (oder Ebene) gilt:'''

[[Bild:Zylinder_Zylinder.png|Quelle: [http://www.wikipedia.de Wikipedia]]]

mit

ν -- Poissonzahl bzw. Querdehnzahl (Bei zwei verschiedenen Reaktionspartnern wird gemittelt)

E1,2 -- [[E-Modul]] der Werkstoffe Körper 1, Körper 2

l -- Berührungslänge der [[Zylinder]]

F -- als Linienlast über die Berührungslänge wirkende Kraft

r1,2 -- Zylinderradien [[Zylinder]] 1, [[Zylinder]] 2; Sonderfall Ebene:[[Bild:kugel_Kugel.4.png|Quelle: [http://www.wikipedia.de Wikipedia]]] und damit r = r1

==Schmierstoffe==

===Schmieröle===

'''Vorteile:'''
*leichte Reibstellenversorgung (somit Verbesserung hinsichtlich Reibung/Verschleiß)
*gute Abführung von Reibungswärme
*gute Abführung von Abrieb aus dem Kontakt
*kann durch zusätzliche Maßnahmen auf gewünschte Eigenschaften eingestellt werden (z.B. Kühlung, Filterung)

'''Nachteile:'''

*ziemlich Aufwendige Abdichtung notwendig
*teilweise große Schmierölmengen erforderlich

====Eigenschaften der Schmieröle====
[[Bild:Lglgv-Darstellung.jpg|thumb|lglgv-Darstellung]]
Die [[Viskosität]] der Schmieröle ist von der [[Temperatur]] abhängig. Man sieht, dass sich der Einfluss mit zunehmender Temperatur verrringert. Man nutzt aus diesem Grund häufig die {{Mark
|doppelt logarithmisch - einfach logarithmisch-Darstellung}}, bei der sich der [[Temperatur]]einfluss vereinfacht als Gerade darstellen lässt.

Der große Vorteil liegt darin, dass sich mit den Ergebnissen der [[Viskosität]]smessungen bei zwei [[Temperatur]]en die [[Viskosität]]en bei beliebigen anderen [[Temperatur]]en bestimmen lassen, (d.h. durch Einzeichnen einer Geraden).
Die Viskositäts-Temperatur-Abhängigkeit kann nach [[DIN]] ISO 2909 durch einen Viskositätsindex /VI-Index) angegeben werden. Ursprünglich war danach vorgesehen, alle Öle in einer Klassifizierung von VI = 0 (Öl mit sehr hoher Temperaturabhängigkeit) bis VI = 100 (Öl mit geringer Temperaturabhängigkeit) einzuordnen. Heute ist dieser Bereich nicht mehr ausreichend, es gibt synthetische Öle, die deutlich höhere Werte aufweisen (VI > 200).Eine geringe [[Temperatur]]abhängigkeit ist vor allem bei Mehrbereichsölen, z.B. Schmierölen für Verbrennungsmotoren wichtig. Denn Sie müssen bei tiefen [[Temperatur]]en eine ausreichende Fließfähigkeit und bei hohen [[Temperatur]]en eine Mindest[[viskosität]] aufweisen.

Die Abhängigkeit der [[Viskosität]] bei [[Druck]] lässt sich folgendermaßen darstellen:
ηp = η0 * eαp

ηp = [[Viskosität]] bei [[Druck]] p

η0 = [[Viskosität]] bei [[Atmosphäre]]ndruck

p = [[Druck]]

α = Druck[[viskosität]]skoeffizient

{| {{Tabelle
}}

|+ {{Mark
|Druck[[viskosität]]skoeffizient α für verschiedene Schmieröle}}
! Öltyp
! α25°C*108 [m2/N]
! η2000bar/η0 bei 25°C
! η2000bar/η0 bei 80°C
|-
| Paraffinbasische Mineralöle
| 1,5-2,4
| 15-100
| 10-30
|-
| Naphtenbasische Mineralöle
| 2,5-3,5
| 150-800
| 40-70
|-
| Polyolefine| 1,3-2,0
| 10-50
| 8-20
|-
| [[Ester]]öle (Diester, verzweigt)
| 1,5-2,0
| 20-50
| 12-20
|-
| Polyätheröle (aliph.)
| 1,1-1,7
| 9-30
| 7-13
|-
| Siliconöle (aliph. Subst.)
| 1,2-1,4
| 9-16
| 7-9
|}Quelle: RM TB 4-2

====Einteilung der Schmieröle====

Es gibt zwei grundlegende Einteilungen der Schmieröle. Zum einen unterscheidet man sie '''nach der Herstellung''' und zum anderen '''nach der kinematischen Viskosität'''.

Einteilung nach der Herstellung: Hier werden grundlegend ''Mineralöle'' und ''synthetische Öle'' unterschieden.

''Mineralöle'' werden aus dem natürlich vorkommenden Erdöl gewonnen. Die genaue Zusammensetzung ergibt sich aus dem jeweiligen Förderungsgebiet. Eine typische Rohölzusammensetzung ergibt sich aus 80-85% [[Kohlenstoff]],10-17% [[Wasserstoff]], bis 7% [[Schwefel]] und bis 1% sonstige [[Element]]e ([[O]], [[N]], [[V]], [[P]], [[Ni]], [[Cu]], [[Na]], [[Ca]], [[Fe]], [[Al]]). Die gewünschten Eigenschaften werden in verschiedenen Herstellschritten eingestellt. Die Eigenschaften ergeben sich durch die chemische Struktur des Grundöls, d.h. hauptsächlich durch die vorhandenen Anteile an Paraffinen (gesättigte, kettenförmige [[Kohlenwasserstoffe]]), Naphthenen (gesättigte ringförmige [[Kohlenwasserstoffe]]) und Aromate (ungesättigte, ringförmige [[Kohlenwasserstoffe]]). Von der jeweiligen Dominanz der [[Kohlenwasserstoff]]-Bestandteile im Schmieröl unterscheidet man paraffinbasische bzw. naphtenbasische Schmieröle. Die aromatischen Grundöle haben für Schmierzwecke keine Bedeutung.

<gallery>
Bild:N-Hexan.gif|Paraffine (geradkettig, oder verzweigt) Quelle:[http://www.Wikipedia.de Wikipedia]
Bild:Naphthene.gif|Naphthen (ringförmig) Quelle:[http://www.Wikipedia.de Wikipedia]
Bild:Aromaten.gif|Aromaten (ringförmig) Quelle:[http://www.Wikipedia.de Wikipedia]
</gallery>

''Synthetische Öle'' werden in chemischen Prozessen für spezielle Anwendungen produziert. Dies geschieht mit speziellen Grundbausteinen, welche aus natürlichen Ölen hergestellt werden.

{| {{Tabelle
}}

|+ {{Mark
|Eigenschaften und Anwendungen wichtiger synthetischer Schmieröle}}
! Synthesebasisöl
! Eigenschaften
! Anwendungen
! Kostenrelation zu Mineralöl
|-
| Carbonsäure[[ester]]
| Gute Oxidationsbeständigkeit, ausgezeichnetes Fließverhalten bei tiefen Temperaturen, sehr gutes [[Viskosität]]s-[[Temperatur]]-Verhalten, sehr geringe Verdampfungsverluste bei hohen Temperaturen, mischbar mit Mineralölen, nicht toxisch, schnell biologisch abbaubar, geringe Verträglichkeit mit Lack und Dichtungsmaterialien, geringe hydrolytische Beständigkeit, mäßige Korrosionsschutzeigenschaften, begrenzte Additivlöslichkeit
| Flugturbinenöle, Kompressorenöle, Motorenölkomponente, Tief- und Hoch[[temperatur]]fette
| 4...10
|-
| Silikonöl
| Ausgezeichnetes [[Viskosität]]s-[[Temperatur]]-Verhalten, sehr gute thermische und toxische Beständigkeit, ausgezeichnetes Fließverhalten bei tiefen Temperaturen, geringe Verdampfungsverluste, hohe chemische Beständigkeit, gute Verträglichkeit mit Lack und Dichtungswerkstoffen, gute elektrische Eigenschaften, sehr schlechte Schmierungseigenschaften im Mischreibungsgebiet, nicht mischbar mit Mineralölen, keine Additivlöslichkeit
| Wärmeübertragungsöle, Hoch[[temperatur]]hydrauliköle, Sonderschmierfette, Sonderschmierstoffe für elektrische Kontakte
| 30...100
|-
| Phosphorsäure[[ester]]
| Schwer entflammbar, gute [[Oxidation]]sbeständigkeit, gutes Fließverhalten bei tiefen [[Temperatur]]en, ausgezeichnete Verschleiß- und Frostschutzeigenschaften, hohe Strahlenbeständigkeit, nicht toxisch, schnell biologisch abbaubar, nicht mischbar mit Mineralölen, schlechtes [[Viskosität]]s-[[Temperatur]]-Verhalten, begrenzte Verträglichkeit mit Dichtungsmaterialien, mäßiges [[Korrosion]]sschutzverhalten
| schwer entflammbare [[Hydraulik]]öle
| 4...8
|-
| Silikat[[ester]]
| Ausgezeichnetes [[Viskosität]]s-[[Temperatur]]-Verhalten, sehr gutes Fließverhalten bei tiefen Temperaturen, sehr gute Oxidationsbeständigkeit, gute thermische Beständigkeit, geringe hydrolytische Beständigkeit, nicht mischbar mit Mineralölen, begrenzte biologische Abbaubarkeit.
| [[Hydraulik]]öle, Wärmeübertragungsöle
| 20...30
|}Quelle: RM Bild 4-13

Die wesentlichen Vor- und Nachteile synthetischer Öle gegenüber den Mineralölen sind:

{| {{Tabelle}}
! !! Vorteile !! Nachteile
|-
! synthetische Öle gegenüber Mineralölen
| größerer Temperatureinsatzbereich, bessere Alterungsbeständigkeit (3-5 mal längere Lebensdauer, höherer [[Flammpunkt]] (z.B. wichtig bei Gasturbinen und Kompressoren), Möglichkeit der Einstellung der Reibungszahl (0,7-2x Mineralöl-Reibungszahl)|| stärkere hygroskopische Wirkung (ziehen Wasser an), ungünstigeres hydrolytisches Verhalten (Zersetzung bei Wasserzusatz), die Gefahr chemischer Reaktionen mit Dichtungen, Buntmetallen und Lacken bzw. von [[Korrosion]], nur eingeschränkte oder keine Mischbarkeit mit Mineralölen, stärkeres toxisches Verhalten, häufig deutlich teurer.
|-
|}

Beim Einsatz von synthetischen Ölen ist zu beachten, dass die vorteilhaften Eigenschaften teilweise nur bei bestimmten Betriebsbedingungen voll wirksam werden und nur dann die höheren Kosten vertretbar sind.

Eine weitere Gruppe der natürlichen Öle sind die Pflanzenöle. Es werden vor allem Sojaöl, Palmöl, Rapsöl, und Sonnenblumenöl als Grundöle für Schmierzwecke eingesetzt.

Einteilung nach der kinematischen [[Viskosität]]:

Die [[Viskosität]] eines Schmieröls hat einen wesentlichen Einfluss auf die Schmierfilmdicke im Kontakt und den damit verbundenen Reibungszustand. Deshalb werden Schmieröle z.B. für Anwendungen in der Industrie nach [[DIN]] 51511 in ISO-Viskositätsklassen(ISO-VG) eingeteilt. Die Schmieröle, welche zur Schmierung von Kraftfahrzeugmotoren ([[DIN]]51511) und Kraftfahrzeuggetrieben ([[DIN]] 51512) eingesetzt werden, sind in SAE-Klassen eingeteilt. (SAE: Society of Automotive Engineers)

Einteilung nach dem Anwendungsgebiet:

Diese Einteilung geht über die grundlegende Einteilung hinaus.
Die nötigen Schmieröleigenschaften werden häufig durch die Einsatzbedingungen bestimmt. Daher gibt es Klassifikationen für Schmieröle entsprechend den Anforderungen. Danach unterscheidet man:

*[[Maschine]]nschmieröle

*[[Zylinder]]öle

*Turbinenöle

*Motorenöle

*Getriebeöle

*Kompressorenöle

*Umlauföle

*[[Hydraulik]]öle

*Isolieröle

*Wärmeträgeröle

*Prozessöle

*[[Metall]]bearbeitungsöle/Kühlschmierstoffe

*[[Korrosion]]sschutzmittel

*Textil- und Textilmaschinenöle

{| {{Tabelle
}}

|+ {{Mark
|Klassifikation für Kfz-Getriebeöle nach API (American Petoleum Institute)}}
! Klassifikation
! Betriebsbedingungen
! Additive
! Anwendungen
|-
| GL-1
| leicht
| keine
| Getriebe mit geringen Belastungen un Umfangsgeschwindigkeiten, Kegelräder (spiralverzahnt), Schneckengetriebe
|-
| GL-2
| leicht-mittel
| Verschleißschutz-Wirkstoffe (2,7 Gew.%)
| etwas höhere Beanspruchungen als bei GL-1; Stirnradgetriebe, Schneckengetriebe
|-
| GL-3
| mittel
| leichte EP-Zusätze (4 Gew.%)
| schwere Belastungs- und Geschwindigkeitsverhältnisse; Kegelräder (spiralverzahnt), Stirnradgetriebe
|-
| GL-4
| mittel-schwer
| normale EP-Zusätze (6,5 Gew.%)
| hohe Geschwindigkeiten oder hohe [[Drehmoment]]e; Hypoidgetriebe, Handschaltgetriebe
|-
| GL-5
| schwer
| wirksame EP-Zusätze (10 Gew.%)
| hohe Geschwindigkeiten oder hohe [[Drehmoment]]e bei zusätzlicher Stoßbelastung; Hypoidgetriebe mit großem Achsversatz, Handschaltgetriebe
|}Quelle: RM Bild 4-15

{{ Sprungmarke Tribologie}}

===Schmierfette===

Schmierfette setzen sich aus den drei Anteilen Grundöl, Eindicker und Additiven zusammen.

Im Betrieb wird unter Belastung das im Eindicker gebundene Öl abgeschieden und somit die Schmierstelle versorgt. Nach Entlastung der Kontaktstelle wird das Öl wieder im Eindicker gebunden. Das Grundöl hat einen Anteil von 75-96% und besteht häufig aus Mineralöl, es werden aber auch synthetische Öle und für begrenzte Anwendungen pflanzliche Öle eingesetzt.

Der Eindicker hat einen Anteil von 4-20% und besteht meist aus Seifen ([[Metall]]salze von Fett[[säuren]], Reaktionsprodukt von Fett[[säure]]n und [[Lauge]]n).
Man unterscheidet:

*'''Normalseifen:''' (eine [[Lauge]], eine Fett[[säure]])

*'''Gemischtseifen:''' (zwei [[Lauge]]n, eine Fett[[säure]])

*'''Komplexseifen:''' (eine [[Lauge]], zwei Fett[[säure]]n)

*weiterhin werden auch '''Nichtseifen''' (z.B. Betonit, Polyharnstoff) als Eindicker verwendet.

Die Art und Konzentration der drei Grundkomponenten bestimmen die Eigenschaften des Schmierfetts.

*hoher Grundölanteil (90-96%)[[Bild:Pfeil.gif]]das Fett ist weich

*hoher Eindickeranteil (15-20%)[[Bild:Pfeil.gif]]das Fett ist hart

Eine weitere wichtige Kenngröße ist der so genannte "Tropfpunkt". Es handelt sich hierbei um die [[Temperatur]], bei der ein Schmierfett flüssig wird und abtropft. Die Betriebs[[temperatur]] muss im Allgemeinen höher sein als der Tropfpunkt.
Schmierfette und ihre Eigenschaften findet ihr im Roloff/Matek TB 4-3.

Die Einteilung erfolgt im Regelfall nach der Konsistenz.
Weitere Klassifikationen:
*nach Art des Eindickers
*den zu schmierenden [[Maschinenelemente]]n
*der Anwendung
*den Einsatzbereichen
*dem Grundöl
*der ökologischen Verträglichkeit, die immer mehr an Bedeutung gewinnt, besonders bei der Verlustschmierung.

Die '''Vorteile''' von Schmierfetten: geringe Mengen reichen aus, eine aufwendige Abdichtung entfällt.

Die '''Nachteile''' von Schmierfetten: schlechte bzw. gar keine Abführung von Wärme und Verschleißpartikeln aus dem Kontakt.

{| {{Tabelle
}}

|+ {{Mark
|Klassifikation für Schmierfette nach NLGI (National Lubricating Grease Institut)}}
! NLGI-Klasse (DIN 51818)
! Walkpenetration1) in 0,1 mm
! Konsistenz
! Anwendungen
|-
| 000
| 445...475
| fließend
| Getriebefette, Zentralschmieranlagen
|-
| 00
| 400...430
| schwach fließend
| Getriebefette, Zentralschmieranlagen
|-
| 0
| 355...385
| halbflüssig
| Getriebefette, [[Wälzlager]]fette, Zentralschmieranlagen
|-
| 1
| 310...340
| sehr weich
| [[Wälzlager]]fette
|-
| 2
| 265...295
| weich
| [[Wälzlager]]fette, [[Gleitlager]]fette
|-
| 3
| 220...250
| mittelfest
| [[Wälzlager]]fette, [[Gleitlager]]fette, [[Wasserpumpe]]nfette
|-
| 4
| 175...205
| fest
| [[Wälzlager]]fette, Wasserpumpenfette
|-
| 5
| 130...160
| sehr fest
| [[Wasserpumpe]]nfette, Blockfette
|-
| 6
| 85...115
| hart
| Blockfette
|}Quelle: RM Bild 4-16

===Sonstige Schmierstoffe===

Andere Arten von Schmierstoffen sind:
====Festschmierstoffe====
Sie liegen in Pulverform vor und werden durch Aufreiben an die Reibstellen gebracht. Zu den wichtigsten Festschmierstoffen zählen:

{| {{Tabelle}}
! !! Vorteile !! Betriebstemperatur
|-
! Molybdänsulfid (MoS2)
| chemisch stabil, geringe Reibung, sehr gut im Vakuum schmierwirksam, unempfindlich gegen [[radioaktiv]]e Strahlung, sehr hohe [[Festigkeit]] der Oberfläche|| ca. 300°
|-
! Graphit
| chemisch sehr stabil, unempfindlich gegen radioaktive Strahlung, sehr gute Reibungseigenschaften bei zusätzlicher Feuchtigkeit|| ca. 600°
|-
! Polytetrafluorethylen (PTFE)
| chemisch sehr stabil, gut im Vakuum schmierwirksam||ca. 260°
|-
|}

Festschmierstoffe kommen Einsatz wenn ein sehr großer Temperatureinsatzbereich und die Beständigkeit gegenüber aggressiven Medien (z.B. [[Säuren]]) gefordert wird. Positiv zu erwähnen ist, dass eine evtl. notwendige Abdichtung entfällt. Es gibt im Vakuum meist keine Alternativen zu Festschmierstoffen.
Die '''Nachteile''' liegen im kontinuierlichen Abrieb der Schmierstoffschicht (nachschmieren im Allgemeinen nicht möglich oder sehr aufwendig), im höheren Reibungsverlust gegenüber Flüssigschmierstoffen und im teilweise problematischen [[Korrosion]]sschutz (z.B. bei MoS2).

====Schmierpasten====

Schmierpasten bestehen aus einem Grundöl und einem Festschmierstoff (20%-70%). Sie kommen dann zu Einsatz, wenn das Auftragen von Pulver zu schwierig ist. Durch Ausfüllen der Rauheitsfelder erfolgt eine Oberflächenverbesserung. Selbst ein Einsatz bei höheren Temperaturen ist möglich, da dann nur noch der Festschmierstoff wirkt. Es werden jedoch keine Wärme bzw. Verschleiß- und Schmutzpartikel abgeführt. Das Einsatzgebiet der Schmierpasten erstreckt sich auf hochbelastete Gleit- und Wälzlager, Zahnräder, Achsen, Kugelgelenke und feinmechanische Geräte (Lebensdauerschmierung).

====Gleitlacke====

Bei Gleitlacken handelt es sich um Schichten (<20μm) auf Basis von Kunstharz bzw. Lack, welche statt Farbpigmenten Festschmierstoff-Partikel enthalten.

====Schmierwachse====

Schmierwachse werden zu Erleichterung der Bauteilmontage, beispielsweise bei [[Dichtungen]] eingesetzt.

===Schmierungsarten===

Bei der Auswahl des Schmierstoffs ist darauf zu achten, welche Art der Schmierstoffzuführung vorliegt. Wenn eine Einzelschmierstelle versorgt wird, kann die Auswahl des Schmierstoffs ausschließlich nach den vorliegenden Betriebsverhältnissen erfolgen. Soll allerdings eine Baugruppe (z.B. ein Getriebe mit [[Wälzlager]]- und unterschiedlichen Zahnradkontakten) geschmiert werden, muss der Schmierstoff für die teilweise sehr unterschiedlichen Reibungsverhältnisse der Einzelkontaktstellen geeignet sein. Wird eine zentrale Schmierstoffversorgung eingesetzt, müssen die konstruktiven Ausführungen der einzelnen Anlagen/Baugruppen darauf abgestimmt werden. Eine Einzelschmierstelle kann manuell, halbautomatisch und automatisch mit Schmierstoff versorgt werden.

'''manuelle Schmierstoffversorgung:''' Sie erfolgt mittels Fettpresse, Ölkanne bzw. speziellen Schmierstoffgebern (z.B. Schmiernippeln). Problematisch ist das Einhalten vorgegebener Schmierstoffintervalle und der richtigen Dosierung des Schmierstoffs.

'''halbautomatische Schmierstoffversorgung:''' Hierbei werden voreingestellte Vorrichtungen verwendet, welche den entsprechenden Schmierstoffbedarf abgeben. Sie können über mehrere Monate hinweg ohne Nachstellung betrieben werden.

'''automatische Schmierstoffversorgung:''' Bei dieser Methode wird die Schmierstoffversorgung an den Betrieb einer Anlage gebunden. Der Mitarbeiter muss keine Einstellvorgänge mehr durchführen. Somit ist eine kontinuierliche Schmierung gewährleistet. Bespiele hierfür sind z.B. die Ringschmierung, Tauchschmierung, oder die Einspritzschmierung.

Bei der Versorgung einer großen Anzahl von Schmierstellen ist eine wirtschaftliche Lösung nur durch Zentralschmieranlagen zu erreichen. Darunter fallen:

'''Einleitungsanlagen:''' Hierbei wird über eine so genannte "Speiseleitung" der Schmierstoff gedrückt und dann werden über abzweigende "Stichleitungen" und "Zuteilelemente" die Einzelschmierstellen versorgt. Es werden die entsprechenden Zeitintervalle für Schmierphase und Schmierpause vorher festgelegt.

'''Zweileitungsanlagen:''' Hier werden über ein Umsteuergerät wechselseitig zwei Speiseleitungen mit Schmierstoff versorgt.

'''Mehrleitungsanlagen:''' In diesen Anlagen ist jede Schmierstelle über eine eigene Leitung unmittelbar mit der Pumpe verbunden.

'''Progressivanlagen:''' Der Schmierstoff wird zu Progressivverteilern gepumpt und von dort aus werden über Verteilereinrichtungen die Schmierstellen versorgt.

{| {{Tabelle
}}

|+ {{Mark
|Kriterien für die Auswahl von Zentralschmieranlagen}}
! Schmiersystem
! Schmierstoff
! Anzahl der Schmierstellen (maximal)
! Längste Schmierstoffleitung [m]
! Dosierung je Schmierstelle
|-
| Einleitungssystem
| Öl
| 500
| 50
| 0,1...15 ml/Takt
|-
| Zweileitungssystem
| Öl bzw. Fett
| 5000
| 200
| 0,02...15 ml/Takt
|-
| Mehrleitungssystem
| Öl bzw. Fett
| 30
| 50
| 0,18...400 ml/h
|-
| Progressivsystem
| Öl bzw. Fett
| 100
| 50
| 0,01...500 ml/h
|-
| Ölnebelsystem
| Öl
| 2500
| 200
| 0,2 ml/h
|-
| Öl-[[Luft]]-System
| Öl
| 5000
| 200
| > 0,05 ml/h
|}Quelle: RM TB 4-4

Man unterscheidet unabhängig von der Art der Zentralschmieranlage die '''Umlauf- und Verbrauchsschmierung''' (Verlustschmierung). Bei der Verbrauchsschmierung ist der Schmierstoff nach dem Einsatz verloren und wird nicht wieder zurückgeführt. Sie wird nur bei einem geringen Schmierstoffbedarf (Mangelschmierung) angewendetes ist zudem im Allgemeinen eine Aufbereitung des Schmieröls notwendig (Erzeugung eines Ölnebels bzw. Öl-[[Luft]] Gemischs). Bei der Umlaufschmierung wird der Schmierstoff nach dem Einsatz an der Schmierstelle wieder in einen Zentralbehälter zurückgeführt.

==Übungsaufgaben==
Hier findet Ihr einiges zum Üben:

[[Media:Aufgabe_Tram.pdf|1. Aufgabe zur Hertzschen Pressung]]

[[Media:Aufgabe2.pdf|2. Aufgabe zur Hertzschen Pressung]]

[[Media:Aufgaben_zur_Reibung.pdf|3. Aufgaben zur Reibung]]

===Fragen===
1. Was bedeutet „Tribologie“? 2. Nenne 3 Gebiete, mit denen sich die Tribologie hauptsächlich befasst. 3. Nenne 4 Anwendungsbereiche der Tribologie. 4. Nenne 3 Arten der Schmier[[druck]]erzeugung. 5. Vergleiche {{Mark
|synthetische}} / {{Mark
|mineralische}} Öle. Welche Vor- und Nachteile spielen bei der Auswahl eine Rolle?

==Lösungen==

[[Media:Endgültig Hetzsche pressung1.pdf|Lösung:]] 1. Aufgabe (Hertzsche Pressung)

[[Media:Endgültig Hertzsche Pressung2.pdf|Lösung:]] 2. Aufgabe (Hertzsche Pressung)

[[Media:Lösungen zur Reibung 15.09.2008.pdf|Lösungen]] zu den Aufgaben der Reibung.

[[ Tribologie: Antworten ]]

===Berechnungen der Hertzschen Pressung mit Excel===
[[Media:Berechnung der Hertzschen Pressung mit Excel( Benni2).xls|Hier]] habe ich die beiden Übungsaufgaben für euch in Excel verfasst.

==Die Präsentation==

Hier könnt ihr euch [[Media:Tribologie Präsentation.pdf|meine Präsentation]] als PDF anschauen und das auch noch for free!!!

{{www}}
* [[Media:Aufgaben_zu_Reibung.doc‎|Augaben zur Reibung vom 18.09.2010]]
* [[Media:Unterrichtseinheit_vom_18.09.2010_Rechnung_Nietverbindung.doc|Rechnung zum Thema, 2010]]

== Tribologie[[Chatroom Tribologie|Chat]] ==
[[Fragen]], Klärungsbedarf? 
Im '''[[Chatroom Tribologie]]''' könnt ihr Fragen stellen und nach Herzenslust diskutieren.

==Quellen==
'''Folgende Medien haben mich tatkräftig bei meinen recherchen unterstützt.'''

'''1.''' Tabellenbuch Metall, 43. Auflage. Europa Verlag, ISBN 3-8085-1673-9, €21,50.[[Bild:Europa Tabellenbuch-1.jpg|Thumb|60px]]

'''2.''' Roloff/Matek: Maschinenelemente-Tabellenbuch, Vieweg Verlag, 18. Aufl. 2007, ISBN 3-834-80262-X, €36,90.[[Bild:Roloff Matek.jpg|Thumb|60px]]

'''3.''' Roloff/Matek: Maschinenelemente-Formelsammlung, Vieweg Verlag, 8. Aufl. 2006. ISBN 3-834-80119-4, €20,90.[[Bild:Roloff MatekFormelsammlung-1.jpg|Thumb|60px]]

'''4.''' Kraft- und Schmierstoffe, 18. Auflage. Sonderdruck für Aral AG Bochum.

'''5.''' Internet: Wikipedia http://de.wikipedia.org/wiki/Hertzsche_Pressung

'''5.''' Internet: ETH Zürich http://www.ethz.ch/

{{ Sprungmarke Tribologie}}

<div style="border: 2px solid #dfdfdf; background-color:#ECF1FF;;padding:7px;">
'''''Ich hoffe der Artikel hat euch einen Einblick in die Welt der Tribologie ermöglicht.'''''
</div>
[[Benutzer:Benni1981|Benni1981]] 
{{Exzellent}}
[[Kategorie:Entwicklung und Konstruktion]]

[[Kategorie:Entwicklung und Konstruktion]]

Tribologie

2010-11-18T07:29:12Z

Sandra Kellinghusen:

--[[Benutzer:Benni1981|Benni1981]] 12:27, 8. Dez 2007 (CET) '''Hallo {{Currentuser}}, ich wünsche Dir viel Spaß beim Lesen dieser Seite...''' {{Heute}}
[[Bild:Tribologie.jpg|right]]

==Bedeutung==
[[Bild:Tribologie.gif|thumb|442px|Quelle: [http://www.gft-ev.de Gesellschaft für Tribologie]]]

Die Tribologie (griechisch: {{mark|Reibungslehre}}) ist eine Wissenschaft, mit der sich Maschinenbauer, [[Werkstoff]]techniker, Physiker und Chemiker befassen.
Die Tribologie umfasst die Gebiete
*Reibung
*Verschleiß
*Schmierung
Ziel der Tribolologie ist es, das Bewegungssystem zu optimieren. In ökologischer, ökonomischer und funktioneller Hinsicht. Das heißt Minderung von Verschleiß und Optimierung von Reibungsbedingungen

===Anwendung===
Die Anwendung der Tribologie erstreckt sich auf alle Bereiche der Entwicklung, Konstruktion, Fertigung und Instandhaltung mechanischer Bewegungssysteme in den verschiedenen Industrie- und Wirtschaftsbereichen:

*Maschinenbau
*[[Fertigungstechnik]]
*Antriebs-und Fördertechnik
*Kraftfahrzeug- und Motorenindustrie
*Bautechnik
*Luft und Raumfahrt
*Schienenfahrzeugtechnik
*Feinwerktechnik
*EDV Technik
*Energieversorgung
*Medizintechnik

===Aufgaben===
Die Tribologie hat einen enormen Einfluss auf die Ressourcen eines Betriebes, zudem auch die Betriebssicherheit d.h. ein störungsfreier und anwendungssicherer Ablauf eines Gerätes/Maschine. Sie hilft außerdem die Produktionskosten zu senken und sorgt für eine Reduzierung von [[Energie]]/[[Emissionen]]. Bei der [[Dimensionierung]] von [[Maschinenelemente]]n gilt häufig die Anforderung, dass während des Betriebszustandes Reibung und Verschleiß auf ein minimales zu reduzieren ist, ebenso der Energieverlust. Es gibt aber auch Anwendungen, wo eine verstärkte Reibung erwünscht ist, z.B. bei Reibradgetrieben oder [[Bremse]]n.

==Schäden an Maschinenelementen==

[[Bild:Lagerschaden.png|thumb|Lagerschaden aufgrund mangelnder Wartung. Quelle: [http://www.atd-aufzuege.de ATD-Aufzüge]]] Es gibt zwei wesentliche, teilweise auch genormte Einteilungen. Sie erfolgen nach dem '''Verschleißmechanismus''' bzw. dem '''Schadensbild'''.
Demnach kann es auch vorkommen, dass bestimmte Begriffe in unterschiedlicher Weise verwendet werden. So wird "Verschleiß" im Allgemeinen als fortschreitender Materialabtrag, speziell aber auch nur für bestimmte Schäden (Riefen, Kratzer, Fresser) verwendet.

===Verschleiß===
Der Begriff Verschleiß kann als fortschreitender Materialverlust aus der Oberfläche eines festen Körpers(Grundkörper), hervorgerufen durch mechanische Ursachen, d.h. Kontakt- und Relativbewegung eines festen, flüssigen oder [[gasförmig]]en Gegenkörpers definiert werden.

Die Unterteilung erfolgt nach dem '''Verschleißmechanismus''' in Abrasion, Adhäsion, Oberflächenzerüttung und tribochemischen Reaktionen.

'''Abrasion''': Sie tritt auf, wenn sich der Grundkörper mit einem härteren und raueren Gegenkörper im Kontakt befindet bzw. harte Partikel im Kontakt wirksam sind.

'''Adhäsion''': Adhäsion entsteht durch stoffliche Wechselwirkungen im Oberflächenbereich zweier Kontaktpartner. Es handelt sich dabei um Bindung (Verschweißung) und Trennung von Grenzflächenbindungen. Die Ursache ist das Zusammenbrechen oder Fehlen von schützenden Oberflächenschichten bei örtlich hohen Beanspruchungen und Temperaturen. (Bsp. Kolbenfresser)

'''Oberflächenzerrüttung''': Sie entsteht bei sich häufig periodisch ändernden Belastungen in bestimmten Werkstoffbereichen. Bei Erreichen einer bestimmten Risslänge kommt es zum Bruch bzw. zum Heraustrennen von Partikeln aus dem Oberflächenbereich.

'''Tribochemische Reaktionen''': Entsteht durch chemische Reaktion in Folge tribologischer Beanspruchung (zwischen Grund- und Gegenkörper. Es beteiligen sich Bestandteile des Zwischenstoffs bzw. des Umgebungsmediums. Durch eine Relativbewegung werden ständig neue Reaktionsprodukte erzeugt und wieder abgerieben.

===[[Korrosion]]===

Man bezeichnet als [[Korrosion]] Grenzflächenreaktionen zwischen [[Metall]]oberflächen und festen, flüssigen oder [[gasförmig]]en [[Korrosion]]smedien. Man unterscheidet hierbei in 3 [[Korrosion]]sarten:

'''Chemische [[Korrosion]]:''' hierbei bewirken Metalle und reaktionsfähige Gase/Flüssigkeiten eine[[ Oxidation]] oder Verzunderung

'''Chemisch metallphysikalische [[Korrosion]]:''' Dies ist die Reaktion bestimmter Metalle und Wasserstoffgas, die zu Korngrenzenveränderungen und Rissen führt.

'''Elektrochemische [[Korrosion]]:''' Bei dieser Korrosionsart handelt es sich um Reaktionen von [[Metall]]en in elektrolytisch leitenden Medien.

Häufig auftretende [[Korrosion]]svorgänge in der Praxis sind:
*chemische [[Korrosion]] (Reaktion von [[Metall]]en mit Luft[[sauerstoff]] und [[Säure]]n, Ergebnis = [[Rost]] und Verzunderung).
*Kontaktkorrosion (Wenn sich ein ionenleitendes Medium zwischen den Metallen befindet).Zudem sind auch Konstruktionen aus [[Metall]]en mit unterschiedlichem Elektrodenpotential gefährdet) siehe {{Mark
|RM TB 4-5}}.
*Reib[[korrosion]] (Entsteht durch vorhandene Mikro-Gleitbewegungen im Bereich elastischer Verformungen, diese verursachen [[metall]]isch reine Oberflächen, welche sehr reaktionsfreudig gegenüber Luft[[sauerstoff]], [[Stickstoff]] und [[Kohlenstoff]] sind).
*Spaltkorrosion (Konstruktiv bedingte elektrochemische Korrosion, bei der sich in Spalten, Rissen und Riefen z.B. von Schrauben- und Punktschweißverbindungen, korrosionsfördernde Substanzen sammeln).
*Spannungsriss[[korrosion]] (Entsteht durch Zugspannungen oder Eigenspannungen unter korrosionsfördernden Bedingungen).
*Schwingungsriss[[korrosion]] (Ensteht durch eine zusätzliche mechanische oder thermische Schwingbeanspruchung).
====[[Korrosion]]sschutz====

Es gibt umfangreiche Möglichkeiten des [[Korrosion]]sschutzes. Die Wahl der geeigneten Bauteilwerkstoffe und die Aufbringung metallischer Überzüge bzw. spezieller Schutzschichten. Es ist bei der Wahl des [[metall]]ischen Überzugs auf den [[Korrosion]]sschutz gegenüber dem Grundwerkstoff zu achten. Es könnte durch mechanische Beanspruchungen Risse im Überzug entstehen. In diesem Fall muss eine geeignete Wahl des Überzuges getroffen werden, um Kontakt[[korrosion]] zu vermeiden. Einen häufig verwendeten Oberflächenschutz erreicht man mit [[Diffusion]]sschichten. Diese werden durch Borieren und Nitrieren erzeugt.

===Schadensbilder===

Die unter dem Absatz "Verschleiß" beschriebenen Verschleißmechanismen wirken oftmals in überlagerter Form. Aus diesem Grund wird häufig der Zusammenhang zwischen ''Schadensbild'' und ''Schadensursache'' genutzt, um eine Beurteilung des beschädigten Bauteils vorzunehmen und eventuell eine Gegenmaßnahme einzuleiten. Nach dem Schadensbild lässt sich z.B. folgende Einteilung für die Schädigungsmechanismen vornehmen:

*'''Verschleiß:''' (Einlaufspuren, Riefen, Kratzer, Fresser)

*'''Ermüdung:''' (Grübchen= Pittings, Abblätterungen, Ausbrüche, Risse)

*'''[[Korrosion]]:''' (chemische Korrosion, Reibkorrosion = Passungsrost, Verzunderungen)

*'''Deformation:''' (Eindrückungen, Riffelbildung, plastische Verformung)

Es gibt für spezielle Maschinenelemente spezielle Normenwerke, die typische Schadensbilder für die oben genannten Schädigungsmechanismen zeigen und zusätzliche, nur anwendungsspezifische Bauteilschäden dokumentieren.

{{Sprungmarke Tribologie}}

==Reibung==
===Gleitreibung===
In der Kontaktzone von zwei Bauteilen treten Reibungskräfte auf. Nach dem Coulombschen Gesetz gilt bei Gleitreibung:

FR = μ{{*}}FN

FR = Reibungskraft

FN = Normalkraft

μ = Reibungszahl

===Reibungszahlen===

Die Reibungszahlen hängen von der Werkstoffpaarung, dem Schmierstoff, dem Reibungszustand und der Reibungsart ab. Es gilt: Gleitreibungszahl µ < [[Haftreibung]]zahl µ0.

Bei den Reibungsverhältnissen unterscheidet man nach Art der Relativbewegung zwischen zwei Bauteilen die Rollreibung, Gleitreibung, Wälzreibung und Bohrreibung.

Rollreibung entsteht, wenn die Geschwindigkeit zweier Körper in der Kontaktzone gleich groß sind (Betrag, Richtung). Zudem muss ein Körper eine Drehbewegung ausführen, in der die Drehachse in der Berührungszone liegt.

Wälzreibung ist eine Überlagerung von Roll- und Gleitreibung (linksdrehendes Moment ist nicht gleich rechtsdrehendes Moment).

Bohrreibung entsteht, wenn min. 1 Körper eine Drehbewegung ausführt, wobei die Drehachse senkrecht zur Berührzone steht.

====Experimentelle Bestimmung der Reibungszahl====

Hier habe ich noch einmal die [[Media:Aufgabenbeschreibung1.pdf|Aufgabenbeschreibung]] und den [[Media:Auswertungsbogen.pdf|Auswertungsbogen]] hinterlegt.

===Reibungszustände (Schmierungszustände)===

Das Reibungs- bzw. Verschleißverhalten wird insbesondere durch den vorliegenden Reibungszustand beeinflusst.
Man unterscheidet in Festkörperreibung, Grenzreibung, Mischreibung, Flüssigkeitsreibung und Gasreibung.

Festkörperreibung: Reibbeanspruchung von [[metall]]isch reinen Kontaktflächen ohne Schmierung
(meist nicht relevant, da min. [[Oxidation]]sschichten etc. auf der Oberfläche entstehen)!

Grenzreibung: Sonderfall der (Festkörperreibung). Ein Schmierfilm ist nicht oder nicht mehr vorhanden. Im Kontaktbereich wirken Randschichten (Schutzschichten). Z.B. durch
Oxidation, Adsorption (physik. Anlagerungen der im Schmierstoff enthaltenen polaren Komponenten),
oder durch chem. Reaktionen spezieller Schmierstoffe bei hohen Temperaturen bzw. Drücken.

Wichtig: Die Verhältnisse der Grenzreibung sind maßgebend für die Notlaufeigenschaften eines Bauteils.

Flüssigkeitsreibung: Es findet kein Kontakt zwischen den Bauteilen statt. Die vollständige Trennung erfolgt durch
den Schmierfilm. Die Belastung wird durch den Druck des Schmierfilms übertragen. Die erzeugte Reibung im inneren des Schmierfilms wird durch die chemische Struktur des Schmieröls bestimmt.

Gasreibung: ähnlich wie Flüssigkeitsreibung, nur das die Trennung der Kontaktpartner durch einen gasförmigen
Film erreicht wird.

Mischreibung: Beschreibt den Bereich zwischen Grenzreibung und Flüssigkeitsreibung. Die Bauteile werden nicht mehr vollständig durch einen Schmierfilm getrennt und an einigen Stellen tritt eine Festkörperreibung auf.

===Schmierdruck===

Der Schmierdruck zur vollst. Trennung beider Bauteile kann auf verschiedene Weise erzeugt werden:

*'''hydrostatische Schmierung''': Der Druck wird durch eine Pumpe außerhalb des Kontaktes erzeugt.

*'''hydrodynamische und elastohdydrodynamische Schmierung''': Der Schmierdruck wird durch die Bewegungen des Bauteils erzeugt. Das Öl wird in ein sich verengenden Spalt befördert.

Bei der hydrodynamischen Schmierung sind die Belastungen gering, daher ist die Verformung nicht zu beachten.

Bei der elastohdydrodynamischen Schmierung müssen aufgrund der hohen Pressungen die Verformungen berücksichtigt werden (Reibungs- und Schmierungsverhältnisse, Beispiel: Zahnräder).

[[Bild:Unbenannt2.jpg|thumb|Quelle: Roloff/Matek Maschinenelemente Bild 4-3]]
Das Reibungsverhalten ist durch den Einfluss unterschiedlicher Betriebsverhältnisse geprägt. (siehe Roloff/Matek, Bild 4-3).
Die Reibungszahl liegt im Bereich der Mischreibung und im Bereich der Flüssigkeitsreibung auf einer gemeinsamen Position auf der Y-Achse. Jedoch ist der Verschleiß während des Betriebes mit höherer Drehzahl im Flüssigkeitsreibungsbereich wesentlich geringer (verschleißlos). Eine allgemeine Zusammenstellung für typische Reibungszustände und die dazugehörigen Reibungszahlen habe ich in folgender Tabelle zusammengestellt.

{| {{Tabelle
}}
|+ {{Mark
|Anhaltswerte für Reibungszahlen in Abhängigkeit des Reibungszustands}}
! Reibungszustand
! Reibungsart
! Reibungszahl
|-
| Festkörperreibung
| Gleitreibung
| 0,3...1 (1,5)
|-
| Grenzreibung
| Gleitreibung Rollreibung
| 0,1...0,2 <0,005
|-
| Mischreibung
| Gleitreibung Wälzreibung Zahnräder Wälzreibung Reibräder (Traktion Fluids) Rollreibung
| 0,01...0,1 0,02...0,08 0,06...0,12 0,001...0,005
|-
| Flüssigkeitsreibung
| Gleitreibung
| 0,001...0,01
|-
| Gasreibung
| Gleitreibung
| 0,0001
|}Quelle: RM Bild 4-4

====Werkstoffpaarung (Tabelle)====

{| {{Tabelle
}}

|+ {{Mark
|Haft- und Gleitreibungszahlen Anhaltswerte für den Maschinenbau}}
! Werkstoffpaarung
! [[Haftreibung]]szahl μ01 (trocken)2
! [[Haftreibung]]szahl μ0 (geschmiert)
! Gleitreibungszahl μ (trocken)2
! Gleitreibungszahl μ (geschmiert)
|-
| [[Stahl]] auf [[Stahl]]
| 0,5...0,8
| 0,10
| 0,4...0,7
| 0,10
|-
| [[Kupfer]] auf [[Kupfer]]
| -
| -
| 0,6...1,0
| 0,10
|-
| [[Stahl]] auf [[Gusseisen]]
| 0,2
| 0,10
| 0,20
| 0,05
|-
| [[Gusseisen]] auf [[Gusseisen]]
| 0,25
| 0,15
| 0,20
| 0,10
|-
| [[Gusseisen]] auf Cu-[[Legierung]]
| 0,25
| 0,15
| 0,20
| 0,10
|-
| Bremsbelag auf [[Stahl]]
| -
| -
| 0,5...0,6
| -
|-
| [[Stahl]] auf Eis
| 0,03
| -
| 0,015
| -
|-
| [[Stahl]] auf Holz
| 0,5...0,6
| 0,10
| 0,2...0,5
| 0,05
|-
| Holz auf Holz
| 0,4...0,6
| 0,15...0,20
| 0,2...0,4
| 0,10
|-
| Leder auf [[Metall]]
| 0,60
| 0,20
| 0,2...0,25
| 0,12
|-
| Gummi auf [[Metall]]
| -
| -
| 0,50
| -
|-
| [[Kunststoff]] auf [[Metall]]
| 0,25...0,4
| -
| 0,1...0,3
| 0,04...0,1
|-
| [[Kunststoff]] auf [[Kunststoff]]
| 0,3...0,4
| -
| 0,2...0,4
| 0,04...0,1
|}Quelle: RM TB 4-1 a)
1Die [[Haftreibung]]szahl μ0 einer [[Werkstoff]]paarung ist meist geringfügig größer als die Gleitreibungszahl μ. Sie ist nur für den Grenzfall des Übergangs in die Bewegung definiert. 2Bei technisch üblichen,geringen Verunreinigungen.

{| {{Tabelle
}}

|+ {{Mark
|Gleitreibungszahlen μ bei Festkörperreibung (nach Versuchen)}}
! Werkstoff
! Gleitreibungszahl μ bei Paarung mit gleichem [[Werkstoff]]
! Gleitreibungszahl μ bei Paarung mit gehärtetem [[Stahl]]
|-
| [[Aluminium]]
| 1,3
| 0,5
|-
| [[Chrom]]
| 1,5
| 1,2
|-
| [[Nickel]]
| 0,7
| 0,5
|-
| [[Gusseisen]]
| 0,4
| 0,4
|-
| [[Stahl]], gehärtet
| 0,6
| 0,6
|-
| Lager[[metall]] (PbSb)
| -
| 0,5
|-
| CuZn-[[Legierung]]
| -
| 0,5
|-
| Al2O3-Keramik
| 0,4
| 0,7
|-
| Ployamid (Nylon)
| 1,2
| 0,4
|-
| Polyethylen PE-HD
| 0,4
| 0,1
|-
| Polytetrafluorethylen
| 0,12
| 0,05
|-
| Polystyrol und Polyvinyl[[chlorid]] PVC-U
| -
| 0,5
|-
| Polyoxymethylen
| -
| 0,4
|}Quelle: RM TB 4-1 b)

{{Mark
|Hinweis:}} Die Reibungszahl ist keine [[Werkstoff]]eigenschaft, sondern die Kenngröße eines tribologischen Systems und kann somit durch verschiedene Einflussgrößen wie z.B. [[Werkstoff]]art, Oberflächenbeschaffenheit, [[Temperatur]] u.s.w. in bestimmten Grenzen schwanken.Verlässliche Reibungszahlen müssen unter praxisnahen Bedingungen experimentell ermittelt werden.

Der Reibungszustand kann auch über die spezifische Schmierfilmdicke ermittelt werden.

Hierzu gilt:

λ = hmin/Ra

λ = spezifische Schmierfilmdicke

hmin = minimale Schmierfilmdicke im Kontakt

Ra = gemittelte Oberflächenrauheit beider Kontaktpartner [Ra= 0,5(Ra1+Ra2)]

Näherungsweise wird in folgende Bereiche unterschieden:

'''Grenzreibung:''' λ < 0,2

'''Mischreibung:''' 0,2 < λ < 3

'''Flüssigkeitsreibung:''' λ > 3

==Hertzsche Pressung==

Wenn zwei Bauteile (Wälz- bzw. Rollbelastung) senkrecht zur Berührebene belastet werden, entstehen in der Kontaktzone Oberflächenpressungen. Es wird durch Abhängigkeit der Bauteilgeometrie zwischen Punkt und Linienberührung unterschieden. Die Abplattungen im Kontaktbereich bilden sich entsprechend rechteckig (Linienberührung) bzw. elliptisch (Punktberührung) aus. Die Größe der Pressung in den [[Druck]]flächen kann mit Hilfe der Hertzschen Gleichung ermittelt werden. Diese gilt streng genommen nur unter folgenden Voraussetzungen: Die Werkstoffe sind ideal homogen, es sind keine Eigenspannungen vorhanden, die Oberflächen der Bauteile sind geometrisch ideal ausgebildet (ohne Rauhheits und Formabweichungen), es liegen nur reine Normalbeanspruchungen vor und der Kontakt ist ungeschmiert. Obwohl diese Fälle im Allgemeinen in der Praxis nicht erfüllt werden, kann die Gleichung dennoch verwenden werden. Es ist aber darauf zu achten, dass die zulässigen Pressungen, welche durch Versuche an speziellen [[Maschinenelemente]]n (Zahnräder, [[Wälzlager]] etc.) ermittelt wurden, nur für diese jeweils untersuchten Bauteile verwendet werden.

{{ Sprungmarke Tribologie}}

'''Berechnung''' (Hertzsche Pressung)

===Formel nach Roloff/Matek===

===Linienberührung===

[[Bild:LINIENBERÜHRUNG.PNG]]

===Punktberührung===

[[Bild:PUNKTBERÜHRUNG.PNG]]

===Formel nach [http://www.wikipedia.de Wikipedia]===
Eine rechnerisch vereinfachende Möglichkeit der Berechnung laut Wikipedia:

'''Für den einfachen Berührungsfall Kugel - Kugel (oder Ebene) gilt:'''

[[Bild:kugel_Kugel.png|Quelle: Wikipedia]]

und [[Bild:kugel_Kugel.1.png|Quelle: Wikipedia]]

sowie [[Bild:kugel_Kugel.2.png|Quelle: Wikipedia]]

mit

r1,2 -- Kugelradien Kugel 1, Kugel 2; Sonderfall Ebene:[[Bild:kugel_Kugel.4.png|Quelle: Wikipedia]] und damit r = r1

'''Für den einfachen Berührungsfall [[Zylinder]] - [[Zylinder]] (oder Ebene) gilt:'''

[[Bild:Zylinder_Zylinder.png|Quelle: [http://www.wikipedia.de Wikipedia]]]

mit

ν -- Poissonzahl bzw. Querdehnzahl (Bei zwei verschiedenen Reaktionspartnern wird gemittelt)

E1,2 -- [[E-Modul]] der Werkstoffe Körper 1, Körper 2

l -- Berührungslänge der [[Zylinder]]

F -- als Linienlast über die Berührungslänge wirkende Kraft

r1,2 -- Zylinderradien [[Zylinder]] 1, [[Zylinder]] 2; Sonderfall Ebene:[[Bild:kugel_Kugel.4.png|Quelle: [http://www.wikipedia.de Wikipedia]]] und damit r = r1

==Schmierstoffe==

===Schmieröle===

'''Vorteile:'''
*leichte Reibstellenversorgung (somit Verbesserung hinsichtlich Reibung/Verschleiß)
*gute Abführung von Reibungswärme
*gute Abführung von Abrieb aus dem Kontakt
*kann durch zusätzliche Maßnahmen auf gewünschte Eigenschaften eingestellt werden (z.B. Kühlung, Filterung)

'''Nachteile:'''

*ziemlich Aufwendige Abdichtung notwendig
*teilweise große Schmierölmengen erforderlich

====Eigenschaften der Schmieröle====
[[Bild:Lglgv-Darstellung.jpg|thumb|lglgv-Darstellung]]
Die [[Viskosität]] der Schmieröle ist von der [[Temperatur]] abhängig. Man sieht, dass sich der Einfluss mit zunehmender Temperatur verrringert. Man nutzt aus diesem Grund häufig die {{Mark
|doppelt logarithmisch - einfach logarithmisch-Darstellung}}, bei der sich der [[Temperatur]]einfluss vereinfacht als Gerade darstellen lässt.

Der große Vorteil liegt darin, dass sich mit den Ergebnissen der [[Viskosität]]smessungen bei zwei [[Temperatur]]en die [[Viskosität]]en bei beliebigen anderen [[Temperatur]]en bestimmen lassen, (d.h. durch Einzeichnen einer Geraden).
Die Viskositäts-Temperatur-Abhängigkeit kann nach [[DIN]] ISO 2909 durch einen Viskositätsindex /VI-Index) angegeben werden. Ursprünglich war danach vorgesehen, alle Öle in einer Klassifizierung von VI = 0 (Öl mit sehr hoher Temperaturabhängigkeit) bis VI = 100 (Öl mit geringer Temperaturabhängigkeit) einzuordnen. Heute ist dieser Bereich nicht mehr ausreichend, es gibt synthetische Öle, die deutlich höhere Werte aufweisen (VI > 200).Eine geringe [[Temperatur]]abhängigkeit ist vor allem bei Mehrbereichsölen, z.B. Schmierölen für Verbrennungsmotoren wichtig. Denn Sie müssen bei tiefen [[Temperatur]]en eine ausreichende Fließfähigkeit und bei hohen [[Temperatur]]en eine Mindest[[viskosität]] aufweisen.

Die Abhängigkeit der [[Viskosität]] bei [[Druck]] lässt sich folgendermaßen darstellen:
ηp = η0 * eαp

ηp = [[Viskosität]] bei [[Druck]] p

η0 = [[Viskosität]] bei [[Atmosphäre]]ndruck

p = [[Druck]]

α = Druck[[viskosität]]skoeffizient

{| {{Tabelle
}}

|+ {{Mark
|Druck[[viskosität]]skoeffizient α für verschiedene Schmieröle}}
! Öltyp
! α25°C*108 [m2/N]
! η2000bar/η0 bei 25°C
! η2000bar/η0 bei 80°C
|-
| Paraffinbasische Mineralöle
| 1,5-2,4
| 15-100
| 10-30
|-
| Naphtenbasische Mineralöle
| 2,5-3,5
| 150-800
| 40-70
|-
| Polyolefine| 1,3-2,0
| 10-50
| 8-20
|-
| [[Ester]]öle (Diester, verzweigt)
| 1,5-2,0
| 20-50
| 12-20
|-
| Polyätheröle (aliph.)
| 1,1-1,7
| 9-30
| 7-13
|-
| Siliconöle (aliph. Subst.)
| 1,2-1,4
| 9-16
| 7-9
|}Quelle: RM TB 4-2

====Einteilung der Schmieröle====

Es gibt zwei grundlegende Einteilungen der Schmieröle. Zum einen unterscheidet man sie '''nach der Herstellung''' und zum anderen '''nach der kinematischen Viskosität'''.

Einteilung nach der Herstellung: Hier werden grundlegend ''Mineralöle'' und ''synthetische Öle'' unterschieden.

''Mineralöle'' werden aus dem natürlich vorkommenden Erdöl gewonnen. Die genaue Zusammensetzung ergibt sich aus dem jeweiligen Förderungsgebiet. Eine typische Rohölzusammensetzung ergibt sich aus 80-85% [[Kohlenstoff]],10-17% [[Wasserstoff]], bis 7% [[Schwefel]] und bis 1% sonstige [[Element]]e ([[O]], [[N]], [[V]], [[P]], [[Ni]], [[Cu]], [[Na]], [[Ca]], [[Fe]], [[Al]]). Die gewünschten Eigenschaften werden in verschiedenen Herstellschritten eingestellt. Die Eigenschaften ergeben sich durch die chemische Struktur des Grundöls, d.h. hauptsächlich durch die vorhandenen Anteile an Paraffinen (gesättigte, kettenförmige [[Kohlenwasserstoffe]]), Naphthenen (gesättigte ringförmige [[Kohlenwasserstoffe]]) und Aromate (ungesättigte, ringförmige [[Kohlenwasserstoffe]]). Von der jeweiligen Dominanz der [[Kohlenwasserstoff]]-Bestandteile im Schmieröl unterscheidet man paraffinbasische bzw. naphtenbasische Schmieröle. Die aromatischen Grundöle haben für Schmierzwecke keine Bedeutung.

<gallery>
Bild:N-Hexan.gif|Paraffine (geradkettig, oder verzweigt) Quelle:[http://www.Wikipedia.de Wikipedia]
Bild:Naphthene.gif|Naphthen (ringförmig) Quelle:[http://www.Wikipedia.de Wikipedia]
Bild:Aromaten.gif|Aromaten (ringförmig) Quelle:[http://www.Wikipedia.de Wikipedia]
</gallery>

''Synthetische Öle'' werden in chemischen Prozessen für spezielle Anwendungen produziert. Dies geschieht mit speziellen Grundbausteinen, welche aus natürlichen Ölen hergestellt werden.

{| {{Tabelle
}}

|+ {{Mark
|Eigenschaften und Anwendungen wichtiger synthetischer Schmieröle}}
! Synthesebasisöl
! Eigenschaften
! Anwendungen
! Kostenrelation zu Mineralöl
|-
| Carbonsäure[[ester]]
| Gute Oxidationsbeständigkeit, ausgezeichnetes Fließverhalten bei tiefen Temperaturen, sehr gutes [[Viskosität]]s-[[Temperatur]]-Verhalten, sehr geringe Verdampfungsverluste bei hohen Temperaturen, mischbar mit Mineralölen, nicht toxisch, schnell biologisch abbaubar, geringe Verträglichkeit mit Lack und Dichtungsmaterialien, geringe hydrolytische Beständigkeit, mäßige Korrosionsschutzeigenschaften, begrenzte Additivlöslichkeit
| Flugturbinenöle, Kompressorenöle, Motorenölkomponente, Tief- und Hoch[[temperatur]]fette
| 4...10
|-
| Silikonöl
| Ausgezeichnetes [[Viskosität]]s-[[Temperatur]]-Verhalten, sehr gute thermische und toxische Beständigkeit, ausgezeichnetes Fließverhalten bei tiefen Temperaturen, geringe Verdampfungsverluste, hohe chemische Beständigkeit, gute Verträglichkeit mit Lack und Dichtungswerkstoffen, gute elektrische Eigenschaften, sehr schlechte Schmierungseigenschaften im Mischreibungsgebiet, nicht mischbar mit Mineralölen, keine Additivlöslichkeit
| Wärmeübertragungsöle, Hoch[[temperatur]]hydrauliköle, Sonderschmierfette, Sonderschmierstoffe für elektrische Kontakte
| 30...100
|-
| Phosphorsäure[[ester]]
| Schwer entflammbar, gute [[Oxidation]]sbeständigkeit, gutes Fließverhalten bei tiefen [[Temperatur]]en, ausgezeichnete Verschleiß- und Frostschutzeigenschaften, hohe Strahlenbeständigkeit, nicht toxisch, schnell biologisch abbaubar, nicht mischbar mit Mineralölen, schlechtes [[Viskosität]]s-[[Temperatur]]-Verhalten, begrenzte Verträglichkeit mit Dichtungsmaterialien, mäßiges [[Korrosion]]sschutzverhalten
| schwer entflammbare [[Hydraulik]]öle
| 4...8
|-
| Silikat[[ester]]
| Ausgezeichnetes [[Viskosität]]s-[[Temperatur]]-Verhalten, sehr gutes Fließverhalten bei tiefen Temperaturen, sehr gute Oxidationsbeständigkeit, gute thermische Beständigkeit, geringe hydrolytische Beständigkeit, nicht mischbar mit Mineralölen, begrenzte biologische Abbaubarkeit.
| [[Hydraulik]]öle, Wärmeübertragungsöle
| 20...30
|}Quelle: RM Bild 4-13

Die wesentlichen Vor- und Nachteile synthetischer Öle gegenüber den Mineralölen sind:

{| {{Tabelle}}
! !! Vorteile !! Nachteile
|-
! synthetische Öle gegenüber Mineralölen
| größerer Temperatureinsatzbereich, bessere Alterungsbeständigkeit (3-5 mal längere Lebensdauer, höherer [[Flammpunkt]] (z.B. wichtig bei Gasturbinen und Kompressoren), Möglichkeit der Einstellung der Reibungszahl (0,7-2x Mineralöl-Reibungszahl)|| stärkere hygroskopische Wirkung (ziehen Wasser an), ungünstigeres hydrolytisches Verhalten (Zersetzung bei Wasserzusatz), die Gefahr chemischer Reaktionen mit Dichtungen, Buntmetallen und Lacken bzw. von [[Korrosion]], nur eingeschränkte oder keine Mischbarkeit mit Mineralölen, stärkeres toxisches Verhalten, häufig deutlich teurer.
|-
|}

Beim Einsatz von synthetischen Ölen ist zu beachten, dass die vorteilhaften Eigenschaften teilweise nur bei bestimmten Betriebsbedingungen voll wirksam werden und nur dann die höheren Kosten vertretbar sind.

Eine weitere Gruppe der natürlichen Öle sind die Pflanzenöle. Es werden vor allem Sojaöl, Palmöl, Rapsöl, und Sonnenblumenöl als Grundöle für Schmierzwecke eingesetzt.

Einteilung nach der kinematischen [[Viskosität]]:

Die [[Viskosität]] eines Schmieröls hat einen wesentlichen Einfluss auf die Schmierfilmdicke im Kontakt und den damit verbundenen Reibungszustand. Deshalb werden Schmieröle z.B. für Anwendungen in der Industrie nach [[DIN]] 51511 in ISO-Viskositätsklassen(ISO-VG) eingeteilt. Die Schmieröle, welche zur Schmierung von Kraftfahrzeugmotoren ([[DIN]]51511) und Kraftfahrzeuggetrieben ([[DIN]] 51512) eingesetzt werden, sind in SAE-Klassen eingeteilt. (SAE: Society of Automotive Engineers)

Einteilung nach dem Anwendungsgebiet:

Diese Einteilung geht über die grundlegende Einteilung hinaus.
Die nötigen Schmieröleigenschaften werden häufig durch die Einsatzbedingungen bestimmt. Daher gibt es Klassifikationen für Schmieröle entsprechend den Anforderungen. Danach unterscheidet man:

*[[Maschine]]nschmieröle

*[[Zylinder]]öle

*Turbinenöle

*Motorenöle

*Getriebeöle

*Kompressorenöle

*Umlauföle

*[[Hydraulik]]öle

*Isolieröle

*Wärmeträgeröle

*Prozessöle

*[[Metall]]bearbeitungsöle/Kühlschmierstoffe

*[[Korrosion]]sschutzmittel

*Textil- und Textilmaschinenöle

{| {{Tabelle
}}

|+ {{Mark
|Klassifikation für Kfz-Getriebeöle nach API (American Petoleum Institute)}}
! Klassifikation
! Betriebsbedingungen
! Additive
! Anwendungen
|-
| GL-1
| leicht
| keine
| Getriebe mit geringen Belastungen un Umfangsgeschwindigkeiten, Kegelräder (spiralverzahnt), Schneckengetriebe
|-
| GL-2
| leicht-mittel
| Verschleißschutz-Wirkstoffe (2,7 Gew.%)
| etwas höhere Beanspruchungen als bei GL-1; Stirnradgetriebe, Schneckengetriebe
|-
| GL-3
| mittel
| leichte EP-Zusätze (4 Gew.%)
| schwere Belastungs- und Geschwindigkeitsverhältnisse; Kegelräder (spiralverzahnt), Stirnradgetriebe
|-
| GL-4
| mittel-schwer
| normale EP-Zusätze (6,5 Gew.%)
| hohe Geschwindigkeiten oder hohe [[Drehmoment]]e; Hypoidgetriebe, Handschaltgetriebe
|-
| GL-5
| schwer
| wirksame EP-Zusätze (10 Gew.%)
| hohe Geschwindigkeiten oder hohe [[Drehmoment]]e bei zusätzlicher Stoßbelastung; Hypoidgetriebe mit großem Achsversatz, Handschaltgetriebe
|}Quelle: RM Bild 4-15

{{ Sprungmarke Tribologie}}

===Schmierfette===

Schmierfette setzen sich aus den drei Anteilen Grundöl, Eindicker und Additiven zusammen.

Im Betrieb wird unter Belastung das im Eindicker gebundene Öl abgeschieden und somit die Schmierstelle versorgt. Nach Entlastung der Kontaktstelle wird das Öl wieder im Eindicker gebunden. Das Grundöl hat einen Anteil von 75-96% und besteht häufig aus Mineralöl, es werden aber auch synthetische Öle und für begrenzte Anwendungen pflanzliche Öle eingesetzt.

Der Eindicker hat einen Anteil von 4-20% und besteht meist aus Seifen ([[Metall]]salze von Fett[[säuren]], Reaktionsprodukt von Fett[[säure]]n und [[Lauge]]n).
Man unterscheidet:

*'''Normalseifen:''' (eine [[Lauge]], eine Fett[[säure]])

*'''Gemischtseifen:''' (zwei [[Lauge]]n, eine Fett[[säure]])

*'''Komplexseifen:''' (eine [[Lauge]], zwei Fett[[säure]]n)

*weiterhin werden auch '''Nichtseifen''' (z.B. Betonit, Polyharnstoff) als Eindicker verwendet.

Die Art und Konzentration der drei Grundkomponenten bestimmen die Eigenschaften des Schmierfetts.

*hoher Grundölanteil (90-96%)[[Bild:Pfeil.gif]]das Fett ist weich

*hoher Eindickeranteil (15-20%)[[Bild:Pfeil.gif]]das Fett ist hart

Eine weitere wichtige Kenngröße ist der so genannte "Tropfpunkt". Es handelt sich hierbei um die [[Temperatur]], bei der ein Schmierfett flüssig wird und abtropft. Die Betriebs[[temperatur]] muss im Allgemeinen höher sein als der Tropfpunkt.
Schmierfette und ihre Eigenschaften findet ihr im Roloff/Matek TB 4-3.

Die Einteilung erfolgt im Regelfall nach der Konsistenz.
Weitere Klassifikationen:
*nach Art des Eindickers
*den zu schmierenden [[Maschinenelemente]]n
*der Anwendung
*den Einsatzbereichen
*dem Grundöl
*der ökologischen Verträglichkeit, die immer mehr an Bedeutung gewinnt, besonders bei der Verlustschmierung.

Die '''Vorteile''' von Schmierfetten: geringe Mengen reichen aus, eine aufwendige Abdichtung entfällt.

Die '''Nachteile''' von Schmierfetten: schlechte bzw. gar keine Abführung von Wärme und Verschleißpartikeln aus dem Kontakt.

{| {{Tabelle
}}

|+ {{Mark
|Klassifikation für Schmierfette nach NLGI (National Lubricating Grease Institut)}}
! NLGI-Klasse (DIN 51818)
! Walkpenetration1) in 0,1 mm
! Konsistenz
! Anwendungen
|-
| 000
| 445...475
| fließend
| Getriebefette, Zentralschmieranlagen
|-
| 00
| 400...430
| schwach fließend
| Getriebefette, Zentralschmieranlagen
|-
| 0
| 355...385
| halbflüssig
| Getriebefette, [[Wälzlager]]fette, Zentralschmieranlagen
|-
| 1
| 310...340
| sehr weich
| [[Wälzlager]]fette
|-
| 2
| 265...295
| weich
| [[Wälzlager]]fette, [[Gleitlager]]fette
|-
| 3
| 220...250
| mittelfest
| [[Wälzlager]]fette, [[Gleitlager]]fette, [[Wasserpumpe]]nfette
|-
| 4
| 175...205
| fest
| [[Wälzlager]]fette, Wasserpumpenfette
|-
| 5
| 130...160
| sehr fest
| [[Wasserpumpe]]nfette, Blockfette
|-
| 6
| 85...115
| hart
| Blockfette
|}Quelle: RM Bild 4-16

===Sonstige Schmierstoffe===

Andere Arten von Schmierstoffen sind:
====Festschmierstoffe====
Sie liegen in Pulverform vor und werden durch Aufreiben an die Reibstellen gebracht. Zu den wichtigsten Festschmierstoffen zählen:

{| {{Tabelle}}
! !! Vorteile !! Betriebstemperatur
|-
! Molybdänsulfid (MoS2)
| chemisch stabil, geringe Reibung, sehr gut im Vakuum schmierwirksam, unempfindlich gegen [[radioaktiv]]e Strahlung, sehr hohe [[Festigkeit]] der Oberfläche|| ca. 300°
|-
! Graphit
| chemisch sehr stabil, unempfindlich gegen radioaktive Strahlung, sehr gute Reibungseigenschaften bei zusätzlicher Feuchtigkeit|| ca. 600°
|-
! Polytetrafluorethylen (PTFE)
| chemisch sehr stabil, gut im Vakuum schmierwirksam||ca. 260°
|-
|}

Festschmierstoffe kommen Einsatz wenn ein sehr großer Temperatureinsatzbereich und die Beständigkeit gegenüber aggressiven Medien (z.B. [[Säuren]]) gefordert wird. Positiv zu erwähnen ist, dass eine evtl. notwendige Abdichtung entfällt. Es gibt im Vakuum meist keine Alternativen zu Festschmierstoffen.
Die '''Nachteile''' liegen im kontinuierlichen Abrieb der Schmierstoffschicht (nachschmieren im Allgemeinen nicht möglich oder sehr aufwendig), im höheren Reibungsverlust gegenüber Flüssigschmierstoffen und im teilweise problematischen [[Korrosion]]sschutz (z.B. bei MoS2).

====Schmierpasten====

Schmierpasten bestehen aus einem Grundöl und einem Festschmierstoff (20%-70%). Sie kommen dann zu Einsatz, wenn das Auftragen von Pulver zu schwierig ist. Durch Ausfüllen der Rauheitsfelder erfolgt eine Oberflächenverbesserung. Selbst ein Einsatz bei höheren Temperaturen ist möglich, da dann nur noch der Festschmierstoff wirkt. Es werden jedoch keine Wärme bzw. Verschleiß- und Schmutzpartikel abgeführt. Das Einsatzgebiet der Schmierpasten erstreckt sich auf hochbelastete Gleit- und Wälzlager, Zahnräder, Achsen, Kugelgelenke und feinmechanische Geräte (Lebensdauerschmierung).

====Gleitlacke====

Bei Gleitlacken handelt es sich um Schichten (<20μm) auf Basis von Kunstharz bzw. Lack, welche statt Farbpigmenten Festschmierstoff-Partikel enthalten.

====Schmierwachse====

Schmierwachse werden zu Erleichterung der Bauteilmontage, beispielsweise bei [[Dichtungen]] eingesetzt.

===Schmierungsarten===

Bei der Auswahl des Schmierstoffs ist darauf zu achten, welche Art der Schmierstoffzuführung vorliegt. Wenn eine Einzelschmierstelle versorgt wird, kann die Auswahl des Schmierstoffs ausschließlich nach den vorliegenden Betriebsverhältnissen erfolgen. Soll allerdings eine Baugruppe (z.B. ein Getriebe mit [[Wälzlager]]- und unterschiedlichen Zahnradkontakten) geschmiert werden, muss der Schmierstoff für die teilweise sehr unterschiedlichen Reibungsverhältnisse der Einzelkontaktstellen geeignet sein. Wird eine zentrale Schmierstoffversorgung eingesetzt, müssen die konstruktiven Ausführungen der einzelnen Anlagen/Baugruppen darauf abgestimmt werden. Eine Einzelschmierstelle kann manuell, halbautomatisch und automatisch mit Schmierstoff versorgt werden.

'''manuelle Schmierstoffversorgung:''' Sie erfolgt mittels Fettpresse, Ölkanne bzw. speziellen Schmierstoffgebern (z.B. Schmiernippeln). Problematisch ist das Einhalten vorgegebener Schmierstoffintervalle und der richtigen Dosierung des Schmierstoffs.

'''halbautomatische Schmierstoffversorgung:''' Hierbei werden voreingestellte Vorrichtungen verwendet, welche den entsprechenden Schmierstoffbedarf abgeben. Sie können über mehrere Monate hinweg ohne Nachstellung betrieben werden.

'''automatische Schmierstoffversorgung:''' Bei dieser Methode wird die Schmierstoffversorgung an den Betrieb einer Anlage gebunden. Der Mitarbeiter muss keine Einstellvorgänge mehr durchführen. Somit ist eine kontinuierliche Schmierung gewährleistet. Bespiele hierfür sind z.B. die Ringschmierung, Tauchschmierung, oder die Einspritzschmierung.

Bei der Versorgung einer großen Anzahl von Schmierstellen ist eine wirtschaftliche Lösung nur durch Zentralschmieranlagen zu erreichen. Darunter fallen:

'''Einleitungsanlagen:''' Hierbei wird über eine so genannte "Speiseleitung" der Schmierstoff gedrückt und dann werden über abzweigende "Stichleitungen" und "Zuteilelemente" die Einzelschmierstellen versorgt. Es werden die entsprechenden Zeitintervalle für Schmierphase und Schmierpause vorher festgelegt.

'''Zweileitungsanlagen:''' Hier werden über ein Umsteuergerät wechselseitig zwei Speiseleitungen mit Schmierstoff versorgt.

'''Mehrleitungsanlagen:''' In diesen Anlagen ist jede Schmierstelle über eine eigene Leitung unmittelbar mit der Pumpe verbunden.

'''Progressivanlagen:''' Der Schmierstoff wird zu Progressivverteilern gepumpt und von dort aus werden über Verteilereinrichtungen die Schmierstellen versorgt.

{| {{Tabelle
}}

|+ {{Mark
|Kriterien für die Auswahl von Zentralschmieranlagen}}
! Schmiersystem
! Schmierstoff
! Anzahl der Schmierstellen (maximal)
! Längste Schmierstoffleitung [m]
! Dosierung je Schmierstelle
|-
| Einleitungssystem
| Öl
| 500
| 50
| 0,1...15 ml/Takt
|-
| Zweileitungssystem
| Öl bzw. Fett
| 5000
| 200
| 0,02...15 ml/Takt
|-
| Mehrleitungssystem
| Öl bzw. Fett
| 30
| 50
| 0,18...400 ml/h
|-
| Progressivsystem
| Öl bzw. Fett
| 100
| 50
| 0,01...500 ml/h
|-
| Ölnebelsystem
| Öl
| 2500
| 200
| 0,2 ml/h
|-
| Öl-[[Luft]]-System
| Öl
| 5000
| 200
| > 0,05 ml/h
|}Quelle: RM TB 4-4

Man unterscheidet unabhängig von der Art der Zentralschmieranlage die '''Umlauf- und Verbrauchsschmierung''' (Verlustschmierung). Bei der Verbrauchsschmierung ist der Schmierstoff nach dem Einsatz verloren und wird nicht wieder zurückgeführt. Sie wird nur bei einem geringen Schmierstoffbedarf (Mangelschmierung) angewendetes ist zudem im Allgemeinen eine Aufbereitung des Schmieröls notwendig (Erzeugung eines Ölnebels bzw. Öl-[[Luft]] Gemischs). Bei der Umlaufschmierung wird der Schmierstoff nach dem Einsatz an der Schmierstelle wieder in einen Zentralbehälter zurückgeführt.

==Übungsaufgaben==
Hier findet Ihr einiges zum Üben:

[[Media:Aufgabe_Tram.pdf|1. Aufgabe zur Hertzschen Pressung]]

[[Media:Aufgabe2.pdf|2. Aufgabe zur Hertzschen Pressung]]

[[Media:Aufgaben_zur_Reibung.pdf|3. Aufgaben zur Reibung]]

===Fragen===
1. Was bedeutet „Tribologie“? 2. Nenne 3 Gebiete, mit denen sich die Tribologie hauptsächlich befasst. 3. Nenne 4 Anwendungsbereiche der Tribologie. 4. Nenne 3 Arten der Schmier[[druck]]erzeugung. 5. Vergleiche {{Mark
|synthetische}} / {{Mark
|mineralische}} Öle. Welche Vor- und Nachteile spielen bei der Auswahl eine Rolle?

==Lösungen==

[[Media:Endgültig Hetzsche pressung1.pdf|Lösung:]] 1. Aufgabe (Hertzsche Pressung)

[[Media:Endgültig Hertzsche Pressung2.pdf|Lösung:]] 2. Aufgabe (Hertzsche Pressung)

[[Media:Lösungen zur Reibung 15.09.2008.pdf|Lösungen]] zu den Aufgaben der Reibung.

[[ Tribologie: Antworten ]]

===Berechnungen der Hertzschen Pressung mit Excel===
[[Media:Berechnung der Hertzschen Pressung mit Excel( Benni2).xls|Hier]] habe ich die beiden Übungsaufgaben für euch in Excel verfasst.

==Die Präsentation==

Hier könnt ihr euch [[Media:Tribologie Präsentation.pdf|meine Präsentation]] als PDF anschauen und das auch noch for free!!!

{{www}}
* [[Media:Unterrichtseinheit_vom_18.09.2010_Nietverbindungen_-Kompatibilit_344tsmodus-%29.pdf|Powerpointpräsentation zum Thema, 2010]]
* [[Media:Unterrichtseinheit_vom_18.09.2010_Rechnung_Nietverbindung.doc|Rechnung zum Thema, 2010]]

== Tribologie[[Chatroom Tribologie|Chat]] ==
[[Fragen]], Klärungsbedarf? 
Im '''[[Chatroom Tribologie]]''' könnt ihr Fragen stellen und nach Herzenslust diskutieren.

==Quellen==
'''Folgende Medien haben mich tatkräftig bei meinen recherchen unterstützt.'''

'''1.''' Tabellenbuch Metall, 43. Auflage. Europa Verlag, ISBN 3-8085-1673-9, €21,50.[[Bild:Europa Tabellenbuch-1.jpg|Thumb|60px]]

'''2.''' Roloff/Matek: Maschinenelemente-Tabellenbuch, Vieweg Verlag, 18. Aufl. 2007, ISBN 3-834-80262-X, €36,90.[[Bild:Roloff Matek.jpg|Thumb|60px]]

'''3.''' Roloff/Matek: Maschinenelemente-Formelsammlung, Vieweg Verlag, 8. Aufl. 2006. ISBN 3-834-80119-4, €20,90.[[Bild:Roloff MatekFormelsammlung-1.jpg|Thumb|60px]]

'''4.''' Kraft- und Schmierstoffe, 18. Auflage. Sonderdruck für Aral AG Bochum.

'''5.''' Internet: Wikipedia http://de.wikipedia.org/wiki/Hertzsche_Pressung

'''5.''' Internet: ETH Zürich http://www.ethz.ch/

{{ Sprungmarke Tribologie}}

<div style="border: 2px solid #dfdfdf; background-color:#ECF1FF;;padding:7px;">
'''''Ich hoffe der Artikel hat euch einen Einblick in die Welt der Tribologie ermöglicht.'''''
</div>
[[Benutzer:Benni1981|Benni1981]] 
{{Exzellent}}
[[Kategorie:Entwicklung und Konstruktion]]

[[Kategorie:Entwicklung und Konstruktion]]

Benutzer:KVieroth

2010-11-18T07:26:07Z

Sandra Kellinghusen:

'''Hallo {{Currentuser}}, ich wünsche Dir viel Spaß beim Lesen meiner Seite...'''

Am 18.09.2010 findet mein Unterricht zum Thema [[Tribologie]] statt

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Benutzer:KVieroth

2010-11-18T07:25:23Z

Sandra Kellinghusen:

'''Hallo {{Currentuser}}, ich wünsche Dir viel Spaß beim Lesen meiner Seite...'''

Am 14.08.2010 findet mein Unterricht zum Thema [[Tribologie]] statt

... loading content

Nietverbindungen

2010-11-16T21:23:17Z

Sandra Kellinghusen:

== Allgemeines ==
Das Nieten gehört zum Festigkeitsverfahren Fügen nach DIN 8593-0, wobei der Formschluss durch Umformen erreicht wird. Nietverbindungen erfordern einen hohen maschinellen Aufwand bei erheblichen Personalkosten. Daher werden diese wenn möglich durch Schweißverbindungen abgelöst, wie z.B. beim Druckbehälterbau. Eine Sonderstellung haben Nietverbindungen im Flugzeugbau und Leichtbau, hier werden hoch automatisierte Nietverfahren praktiziert. Es gibt warm- und kaltgefügte Nieten. Warmnietung bei Stahlnieten ab Ø 10 mm. Diese werden in hellrotem Zustand geschlagen oder gepresst. Kaltvernietung bis Ø 8 mm sowie Niete aus Kupfer, Aluminium und deren Legierungen werden in kaltem Zustand bearbeitet. Durch das Stauchen des Nietschaftes in Achsrichtung füllt dieser das Nietloch vollständig aus und wird so radial gegen die Lochwandung gepresst. Nietverbindungen sind nicht lösbare Verbindungen, welche nur durch Beschädigung oder Zerstörung der gefügten Teile gelöst werden können.

== Anwendungsbeispiele ==
<gallery>
Bild:A-380_Struktur-1.JPG|1. A-380 Struktur
Bild:Eifelturm 3.jpg|2. Eifelturm
Bild:1926_Brückenbau.jpg|3. Brückenbau
Bild:Brems08.jpg|4. Trommelbremse
</gallery>

== Vor- und Nachteile einer Nietverbindung ==
Vorteile:
*Keine ungünstigen Werkstoffbeeinflussungen (Gefügeumwandlung beim Schweißen)
*Kein verziehen der Bauteile
*Ungleichartige Werkstoffe lassen sich verbinden
*Nietverbindungen sind leicht und sicher kontrollierbar und zu Not auch lösbar
*Nietverbindungen versagen nicht bei Überlastung schlagartig
*Blindnietsysteme sind sehr schnell und günstig herstellbar

Nachteile:
*Bauteile werden durch die Bohrungen geschwächt
*Es resultieren dadurch größere Querschnitte und ein höheres Gewicht
*Stumpfstöße lassen sich nicht ausführen
*Bauteile müssen überlappt oder mit Laschen verbunden sein
*In der Fertigung kostenintensiver als das Schweißen

== Nietarten und Formen ==
<gallery>
Bild:Blindniete_210.jpg|1. Blindniet
Bild:halbrundniete.jpg|2. Halbrundniet
Bild:Hohlnieten_2.jpg|3. Hohlniet
Bild:Rohrniete.jpg|4. Rohrniet
Bild:Senkniet.JPG|5. Senkniet
Bild:Schraubniet.JPG|6. Schraubniet
Bild:Senkschraubniet.JPG|7. Senkschraubniet
Bild:Schließringbolzen-1.JPG|8. Schließringbolzen
Bild:Schließringbolzen_bestimmung.jpg|9. Schließringbolzen Bestimmung
Bild:Nietarten_und_Formen.JPG|10. Diverse Nietarten und Formen
</gallery>

== Nietverfahren ==

*Blindniete werden durch das Herranziehen der Kugel am Sollbruchdorn zum Stauchen gebracht. ( siehe Bild oben )

*Halbrundniete werden durch Stauchen eines bolzenförmigen Hilfsfügeteiles hergestellt.

*Hohlnieten durch Umlegen überstehender Teile eines Hohlnietes.

*Zapfennieten durch Stauchen des zapfenförmigen Endes an einem der beiden Fügeteile.

*Hohlzapfennieten durch Umlegen überstehender Teile des hohlzapfenförmigen Endes an einem der beiden Fügeteile.

*Schließringbolzen durch Einpressen des Schließringes in die Nuten des Bolzens und das Abreißen des Zugteils erfolgt ( immer ) durch das Einziehgerät.

== Verbindungsart und Verwendung ==
*Feste Verbindungen (Kraftverbindungen) kommen im Stahlbau, Kranbau und Brückenbau zum Tragen.

*Feste und dichte Verbindungen im Kesselbau und Druckbehälterbau.

*Vorwiegend dichte Verbindungen im Behälterbau.

*Haftverbindungen (Heftnietung) werden für Blechverkleidungen im Karosserie, Waggon und Flugzeugbau verwendet.

== Werkstoffe ==
Da der Befestigungsvorgang der Nietverbindungen mit einer Verformung der Niete verbunden ist, kommen nur duktile Werkstoffe in Frage, wie z.B. Stahl USt 36 ( S235 JRG1 ), Kupfer, Messing, Aluminiumlegierungen. Grundsätzlich sollte das Niet aus dem selben oder aus einem gleichartigen Werkstoff bestehen um elektrochemische Korrosion zu vermeiden.
== Werkzeuge ==

<gallery>
Bild:Vorhalteeisen.jpg|Vorhalteeisen
Bild:Pneumatikpopzug.jpg|Pneumatikpopzug
Bild:Popnietzange.jpg|Popnietzange
Bild:Niethammer.jpg|Niethammer
Bild:Nietquetsche_gross.jpg|Nietquetsche
Bild:Einsätze.jpg|Einsätze
Bild:Nietzange.jpg|Nietzange
Bild:Döpper.jpg|Döpper
Bild:Schließringbolzen_Einzieher-2.JPG|Schließringbolzen Einzieher
Bild:Schließringbolzen Abzieher.JPG|Schließringbolzen Abzieher
Bild:Nietlehre.JPG|Nietlehre
Bild:Schließringbolzen_Lehre-1.JPG|Schließringbolzen Lehre
</gallery>

== Herstellung einer Verbindung ==

Halbrundniete sind formbare Nieten, bei denen der Schließkopf des Nietes durch das Stauchen des Nietschaftes gebildet wird. Durch das Verformen des Nietschaftes wird dieser in der gesamten Länge gestaucht und füllt so die Nietbohrung. Der aus der Struktur herausragende Nietschaft wird dabei zum Schließkopf geformt.Während der Verformung des Nietschaftes entsteht eine Kaltverfestigung im Nietwerkstoff und der Werkstoff versprödet. Aus diesem Grunde soll die Verformung des Schließkopfes mit möglichst wenig Schlägen erreicht werden.

<gallery>
Bild:Nietskizzen.jpg|1. Vorgang beim Umformen von Nieten
Bild:Niete-1.jpg|2. Quetschen eines Halbrundnietes
Bild:Nietenschiessen.jpg|3. Nietenschiessen
</gallery>

== Beurteilung von Nieten ==

Prüfen des Nietschaftüberstandes und der Schließringstauchung

Für die Prüfung des Nietschaftüberstandes und der Schließringstauchung sind Prüflehren zu verwenden. Diese Prüflehren werden auf der Schließringseite aufgesetzt, dadurch ist eine Prüfung des Nietschaftüberstandes und/oder der Schließringverformung möglich. Die Handhabung der Lehren ist je nach Lehrentyp unterschiedlich. Es wird jedoch immer der maximale und der minimale Nietschaftüberstand zur Scheibenoberfläche geprüft.

<gallery>
Bild:Schliesskopfabmessungen.jpg|Prüfvorgaben für Halbrundniete
Bild:Nietlehre-Touch-Go.JPG|Touch Go: Bei Berührung Gut
Bild:Nietlehre-Touch-No-Go.JPG|Touch No Go: Bei Berührung nicht Gut
</gallery>

== Entfernen von beanstandeten Nieten ==

Beim Entfernen von beanstandeten Nieten ist darauf zu achten, daß die Nietlöcher nicht beschädigt werden. Die Niete sind möglichst von der Setzkopfseite her zu entfernen. In dem unteren Bild sind mögliche Nietfehler ( Beschädigungen ) dargestellt und in den anderen die richtige vorgehensweise beim entfernen solcher.

Arbeitsschritte:

1. Nietkopf zentrisch ankörnen ( bei dünnen Blechen muß beim Ankörnen gegengehalten werden ).

2. Anbohren bis auf Setzkopftiefe mit einem Bohrer, der um 0,2 mm kleiner ist als der Nietnenndurchmesser. Im Bedarfsfall darf auch tiefer gebohrt werden ( abhängig von der Klemmlänge ).

3. Nietkopf mit einem Splinttreiber durch leichtes Verkanten abbrechen.

4. Nietschaft mit einem Durchschlag, dessen Durchmesser etwas kleiner als der Nietschaftdurchmesser ist, austreiben. Dünne Bleche und nicht abgestützte Bauteile sind beim Austreiben abzustützen.

<gallery>
Bild:Nietfehler.JPG|Mögliche Nietfehler
Bild:Entfernen_eines_Nietes_1-1.jpg|1. und 2. Arbeitsschritt
Bild:Entfernen_eines_Nietes_2-1.JPG|3. Arbeitsschritt
Bild:Entfernen_eines_Nietes_3-1.JPG|4. Arbeitsschritt
</gallery>

== Korrosionsschutz ==
Spaltkorrosion entsteht in engen Spalten ( 0,05…0,4 ) sowie an Überlappungs- und Verbindungsstellen. Diese wird verursacht durch Feuchtigkeit innerhalb des Spaltes.
Schwitzwasserkorrosion entsteht durch Kondensation von Wasser.
'''Konstruktionsregel: Unvermeidbare Hohlräume und Hohlprofile verschließen und so "Wassersäcke" vermeiden'''. Kontaktkorrosion tritt durch Verbund von Metallen mit unterschiedlichem Potenzial bei Einwirkung eines geeigneten Elektrolyten (Feuchtigkeit) auf.
Als mögliche Schutzmaßnahmen bei Spalt- und Kontaktkorrosion dienen Gesamtanstriche.

== Arbeits- und Gesundheitsschutz ==

*Drucklufthämmer dürfen nie ohne Rückholfeder benutzt und nur betätigt werden, wenn sie auf dem Niet aufliegen.
*Beim Nieten und gegenhalten in Hohlräumen schalldichte Ohrenklappen tragen.
*Bevor man den Abzug des Niethammers betätigt ist darauf zuachten, dass der Partner mit dem Gegenhalter gegen das Niet hält.
*An schwer zugänglichen Stellen Gegenhalter durch Schnur oder Riemen mit dem Handgelenk verbinden.
*Schwingungsarme Nietwerkzeuge sind bevorzugt einzusetzen.
*Zur Lärmreduzierung zunächst versuchen Nietquetsche zu verwenden, anderenfalls schweren Gegenhalter oder stark eingestellten Niethammer benutzen.

== Wiederholungsfragen ==

1. Wodurch wird der Formschluss beim Nieten erreicht?

2. Vergleiche Niet- und Schweißverbindungen hinsichtlich Kosten, Arbeitsaufwand etc.

3. Welche Nietarten kennen Sie? Nennen Sie mindestens 3 !

4. Welche Werkstoffeigenschaft ist für Nietverbindungen erforderlich?

5. Wie werden Halbrundniete entfernt?

6. Was sind die Gründe für Korrosion an Nietverbindungen? Nennen Sie bitte mindestens 2 Gründe!

7. Nennen Sie mindestens 2 Maßnahmen zum Thema Arbeits- und Gesundheitsschutz beim Nieten.

8. Nennen Sie mindestens 2 Anwendungsbereiche wo Nietverbindungen vorteilhaft sind!

9. Wie sollten Nietverbindungen nach Möglichkeit beansprucht werden?

[[Nietverbindungen: Lösung#Schalthebel|Hier geht's zur Lösung!]]

== Formeln ==

* '''Rohnietdurchmesser'''

In Abhängigkeit von der kleinsten zu verbindenden Blechdicke "t" wird im Stahlbau der Rohrnietdurchmesser auch nach der Gebrauchsformel gewählt:

[[Bild:Formel_Nietlochdurchmesser2.jpg]]

* '''Rohnietlänge'''

Der Rohniet muss so lang sein, dass genügend Werkstoff zum Füllen des Nietloches und Schließkopfes vorhanden ist. Bei üblichem Lochdurchmesser ergibt sich die Rohnietlänge aus:

[[Bild:Formel_Nietlänge2.jpg]]

* '''Abscherspannung'''

Für die Nachprüfung einer gegebenen Nietverbindung werden die berechneten mit den zulässigen Spannungen verglichen:

[[Bild:Formel_Abscherspannung2.jpg]]

* '''Lochleibungsdruck'''

Aus der Flächenpressung folgt für den Lochleibungsdruck eines Nietes folgende Gleichung:

[[Bild:Lochleibungsdruck2.jpg]]

* '''Nietanzahl aufgrund der zulässigen Abscherspannung'''

Erforderliche Nietzahl aufgrund des zulässigen Lochleibungsdruck:

[[Bild:Formel_Nietzahl_Abscherspannung2.jpg]]

== Berechnung und Dimensionierung ==

Rechenaufgaben:

1. Nietwerkstoff: S235JR (St37) mit Rm = 340 … 470 N/mm²

a) Kraft, die das Niet durch Abscherung zerstören würde.

b) zulässige Beanspruchung bei 5facher Sicherheit.

[[Bild:Nietaufgabe1.JPG]]

2. Es sollen zwei Bleche miteinander vernietet werden, die unter einem Krafteinfluss von 882kN stehen. Der Werkstoff ist aus S235.

a) Bestimmen Sie den Nietdurchmesser und die Nietlänge anhand des Tabellenbuches. Die Auslegung soll nach den Richtwerten für Kranbau ermittelt werden.

b) Berechnen Sie anschließend zum Vergleich den Nietdurchmesser und die Nietlänge rechnerisch.

c) Ermitteln Sie laut Tabellen Buch ''T''azul nach Lastfall H für eine einschnittige Verbindung.

d) Berechnen Sie die benötigte Nietanzahl.

e) Dimensionieren Sie das erforderliche Nietbild.

[[Bild:Nietaufgabe3a.JPG]]

[[Nietverbindungen: Lösungen#Schalthebel|Hier geht's zu den Lösungen!]]

== Powerpoint Präsentation über Nietverbindungen ==
[[Media:Nietverbindungen_V7.ppt|Nietverbindungen]]

== Quellen==
Dieses sind die Werke welche als Vorlage gedient haben.

# Tabellenbuch Metall, 43. Auflage. Europa Verlag, ISBN 3-8085-1673-9, €21,50
# Roloff/Matek: Maschinenelemente-Tabellenbuch, Vieweg Verlag, 18. Aufl. 2007, ISBN 3-834-80262-X, €36,90.
# Roloff/Matek: Maschinenelemente-Formelsammlung, Vieweg Verlag, 8. Aufl. 2006. ISBN 3-834-80119-4, €20,90.
# Allgemeine Internetnutzung, wie z.B. [http://www.wikipedia.de wikipedia]

{{www}}
* [[Media:Unterrichtseinheit_vom_14.08.2010_Nietverbindungen_-Kompatibilit_344tsmodus-%29.pdf|Powerpointpräsentation zum Thema, 2010]]
* [[Media:Unterrichtseinheit_vom_14.08.2010_Rechnung_Nietverbindung.doc|Rechnung zum Thema, 2010]]

[[Kategorie: Entwicklung und Konstruktion]]

Datei:Unterrichtseinheit vom 14.08.2010 Rechnung Nietverbindung.doc

2010-11-16T21:22:06Z

Sandra Kellinghusen:

Nietverbindungen

2010-11-16T21:20:15Z

Sandra Kellinghusen:

== Allgemeines ==
Das Nieten gehört zum Festigkeitsverfahren Fügen nach DIN 8593-0, wobei der Formschluss durch Umformen erreicht wird. Nietverbindungen erfordern einen hohen maschinellen Aufwand bei erheblichen Personalkosten. Daher werden diese wenn möglich durch Schweißverbindungen abgelöst, wie z.B. beim Druckbehälterbau. Eine Sonderstellung haben Nietverbindungen im Flugzeugbau und Leichtbau, hier werden hoch automatisierte Nietverfahren praktiziert. Es gibt warm- und kaltgefügte Nieten. Warmnietung bei Stahlnieten ab Ø 10 mm. Diese werden in hellrotem Zustand geschlagen oder gepresst. Kaltvernietung bis Ø 8 mm sowie Niete aus Kupfer, Aluminium und deren Legierungen werden in kaltem Zustand bearbeitet. Durch das Stauchen des Nietschaftes in Achsrichtung füllt dieser das Nietloch vollständig aus und wird so radial gegen die Lochwandung gepresst. Nietverbindungen sind nicht lösbare Verbindungen, welche nur durch Beschädigung oder Zerstörung der gefügten Teile gelöst werden können.

== Anwendungsbeispiele ==
<gallery>
Bild:A-380_Struktur-1.JPG|1. A-380 Struktur
Bild:Eifelturm 3.jpg|2. Eifelturm
Bild:1926_Brückenbau.jpg|3. Brückenbau
Bild:Brems08.jpg|4. Trommelbremse
</gallery>

== Vor- und Nachteile einer Nietverbindung ==
Vorteile:
*Keine ungünstigen Werkstoffbeeinflussungen (Gefügeumwandlung beim Schweißen)
*Kein verziehen der Bauteile
*Ungleichartige Werkstoffe lassen sich verbinden
*Nietverbindungen sind leicht und sicher kontrollierbar und zu Not auch lösbar
*Nietverbindungen versagen nicht bei Überlastung schlagartig
*Blindnietsysteme sind sehr schnell und günstig herstellbar

Nachteile:
*Bauteile werden durch die Bohrungen geschwächt
*Es resultieren dadurch größere Querschnitte und ein höheres Gewicht
*Stumpfstöße lassen sich nicht ausführen
*Bauteile müssen überlappt oder mit Laschen verbunden sein
*In der Fertigung kostenintensiver als das Schweißen

== Nietarten und Formen ==
<gallery>
Bild:Blindniete_210.jpg|1. Blindniet
Bild:halbrundniete.jpg|2. Halbrundniet
Bild:Hohlnieten_2.jpg|3. Hohlniet
Bild:Rohrniete.jpg|4. Rohrniet
Bild:Senkniet.JPG|5. Senkniet
Bild:Schraubniet.JPG|6. Schraubniet
Bild:Senkschraubniet.JPG|7. Senkschraubniet
Bild:Schließringbolzen-1.JPG|8. Schließringbolzen
Bild:Schließringbolzen_bestimmung.jpg|9. Schließringbolzen Bestimmung
Bild:Nietarten_und_Formen.JPG|10. Diverse Nietarten und Formen
</gallery>

== Nietverfahren ==

*Blindniete werden durch das Herranziehen der Kugel am Sollbruchdorn zum Stauchen gebracht. ( siehe Bild oben )

*Halbrundniete werden durch Stauchen eines bolzenförmigen Hilfsfügeteiles hergestellt.

*Hohlnieten durch Umlegen überstehender Teile eines Hohlnietes.

*Zapfennieten durch Stauchen des zapfenförmigen Endes an einem der beiden Fügeteile.

*Hohlzapfennieten durch Umlegen überstehender Teile des hohlzapfenförmigen Endes an einem der beiden Fügeteile.

*Schließringbolzen durch Einpressen des Schließringes in die Nuten des Bolzens und das Abreißen des Zugteils erfolgt ( immer ) durch das Einziehgerät.

== Verbindungsart und Verwendung ==
*Feste Verbindungen (Kraftverbindungen) kommen im Stahlbau, Kranbau und Brückenbau zum Tragen.

*Feste und dichte Verbindungen im Kesselbau und Druckbehälterbau.

*Vorwiegend dichte Verbindungen im Behälterbau.

*Haftverbindungen (Heftnietung) werden für Blechverkleidungen im Karosserie, Waggon und Flugzeugbau verwendet.

== Werkstoffe ==
Da der Befestigungsvorgang der Nietverbindungen mit einer Verformung der Niete verbunden ist, kommen nur duktile Werkstoffe in Frage, wie z.B. Stahl USt 36 ( S235 JRG1 ), Kupfer, Messing, Aluminiumlegierungen. Grundsätzlich sollte das Niet aus dem selben oder aus einem gleichartigen Werkstoff bestehen um elektrochemische Korrosion zu vermeiden.
== Werkzeuge ==

<gallery>
Bild:Vorhalteeisen.jpg|Vorhalteeisen
Bild:Pneumatikpopzug.jpg|Pneumatikpopzug
Bild:Popnietzange.jpg|Popnietzange
Bild:Niethammer.jpg|Niethammer
Bild:Nietquetsche_gross.jpg|Nietquetsche
Bild:Einsätze.jpg|Einsätze
Bild:Nietzange.jpg|Nietzange
Bild:Döpper.jpg|Döpper
Bild:Schließringbolzen_Einzieher-2.JPG|Schließringbolzen Einzieher
Bild:Schließringbolzen Abzieher.JPG|Schließringbolzen Abzieher
Bild:Nietlehre.JPG|Nietlehre
Bild:Schließringbolzen_Lehre-1.JPG|Schließringbolzen Lehre
</gallery>

== Herstellung einer Verbindung ==

Halbrundniete sind formbare Nieten, bei denen der Schließkopf des Nietes durch das Stauchen des Nietschaftes gebildet wird. Durch das Verformen des Nietschaftes wird dieser in der gesamten Länge gestaucht und füllt so die Nietbohrung. Der aus der Struktur herausragende Nietschaft wird dabei zum Schließkopf geformt.Während der Verformung des Nietschaftes entsteht eine Kaltverfestigung im Nietwerkstoff und der Werkstoff versprödet. Aus diesem Grunde soll die Verformung des Schließkopfes mit möglichst wenig Schlägen erreicht werden.

<gallery>
Bild:Nietskizzen.jpg|1. Vorgang beim Umformen von Nieten
Bild:Niete-1.jpg|2. Quetschen eines Halbrundnietes
Bild:Nietenschiessen.jpg|3. Nietenschiessen
</gallery>

== Beurteilung von Nieten ==

Prüfen des Nietschaftüberstandes und der Schließringstauchung

Für die Prüfung des Nietschaftüberstandes und der Schließringstauchung sind Prüflehren zu verwenden. Diese Prüflehren werden auf der Schließringseite aufgesetzt, dadurch ist eine Prüfung des Nietschaftüberstandes und/oder der Schließringverformung möglich. Die Handhabung der Lehren ist je nach Lehrentyp unterschiedlich. Es wird jedoch immer der maximale und der minimale Nietschaftüberstand zur Scheibenoberfläche geprüft.

<gallery>
Bild:Schliesskopfabmessungen.jpg|Prüfvorgaben für Halbrundniete
Bild:Nietlehre-Touch-Go.JPG|Touch Go: Bei Berührung Gut
Bild:Nietlehre-Touch-No-Go.JPG|Touch No Go: Bei Berührung nicht Gut
</gallery>

== Entfernen von beanstandeten Nieten ==

Beim Entfernen von beanstandeten Nieten ist darauf zu achten, daß die Nietlöcher nicht beschädigt werden. Die Niete sind möglichst von der Setzkopfseite her zu entfernen. In dem unteren Bild sind mögliche Nietfehler ( Beschädigungen ) dargestellt und in den anderen die richtige vorgehensweise beim entfernen solcher.

Arbeitsschritte:

1. Nietkopf zentrisch ankörnen ( bei dünnen Blechen muß beim Ankörnen gegengehalten werden ).

2. Anbohren bis auf Setzkopftiefe mit einem Bohrer, der um 0,2 mm kleiner ist als der Nietnenndurchmesser. Im Bedarfsfall darf auch tiefer gebohrt werden ( abhängig von der Klemmlänge ).

3. Nietkopf mit einem Splinttreiber durch leichtes Verkanten abbrechen.

4. Nietschaft mit einem Durchschlag, dessen Durchmesser etwas kleiner als der Nietschaftdurchmesser ist, austreiben. Dünne Bleche und nicht abgestützte Bauteile sind beim Austreiben abzustützen.

<gallery>
Bild:Nietfehler.JPG|Mögliche Nietfehler
Bild:Entfernen_eines_Nietes_1-1.jpg|1. und 2. Arbeitsschritt
Bild:Entfernen_eines_Nietes_2-1.JPG|3. Arbeitsschritt
Bild:Entfernen_eines_Nietes_3-1.JPG|4. Arbeitsschritt
</gallery>

== Korrosionsschutz ==
Spaltkorrosion entsteht in engen Spalten ( 0,05…0,4 ) sowie an Überlappungs- und Verbindungsstellen. Diese wird verursacht durch Feuchtigkeit innerhalb des Spaltes.
Schwitzwasserkorrosion entsteht durch Kondensation von Wasser.
'''Konstruktionsregel: Unvermeidbare Hohlräume und Hohlprofile verschließen und so "Wassersäcke" vermeiden'''. Kontaktkorrosion tritt durch Verbund von Metallen mit unterschiedlichem Potenzial bei Einwirkung eines geeigneten Elektrolyten (Feuchtigkeit) auf.
Als mögliche Schutzmaßnahmen bei Spalt- und Kontaktkorrosion dienen Gesamtanstriche.

== Arbeits- und Gesundheitsschutz ==

*Drucklufthämmer dürfen nie ohne Rückholfeder benutzt und nur betätigt werden, wenn sie auf dem Niet aufliegen.
*Beim Nieten und gegenhalten in Hohlräumen schalldichte Ohrenklappen tragen.
*Bevor man den Abzug des Niethammers betätigt ist darauf zuachten, dass der Partner mit dem Gegenhalter gegen das Niet hält.
*An schwer zugänglichen Stellen Gegenhalter durch Schnur oder Riemen mit dem Handgelenk verbinden.
*Schwingungsarme Nietwerkzeuge sind bevorzugt einzusetzen.
*Zur Lärmreduzierung zunächst versuchen Nietquetsche zu verwenden, anderenfalls schweren Gegenhalter oder stark eingestellten Niethammer benutzen.

== Wiederholungsfragen ==

1. Wodurch wird der Formschluss beim Nieten erreicht?

2. Vergleiche Niet- und Schweißverbindungen hinsichtlich Kosten, Arbeitsaufwand etc.

3. Welche Nietarten kennen Sie? Nennen Sie mindestens 3 !

4. Welche Werkstoffeigenschaft ist für Nietverbindungen erforderlich?

5. Wie werden Halbrundniete entfernt?

6. Was sind die Gründe für Korrosion an Nietverbindungen? Nennen Sie bitte mindestens 2 Gründe!

7. Nennen Sie mindestens 2 Maßnahmen zum Thema Arbeits- und Gesundheitsschutz beim Nieten.

8. Nennen Sie mindestens 2 Anwendungsbereiche wo Nietverbindungen vorteilhaft sind!

9. Wie sollten Nietverbindungen nach Möglichkeit beansprucht werden?

[[Nietverbindungen: Lösung#Schalthebel|Hier geht's zur Lösung!]]

== Formeln ==

* '''Rohnietdurchmesser'''

In Abhängigkeit von der kleinsten zu verbindenden Blechdicke "t" wird im Stahlbau der Rohrnietdurchmesser auch nach der Gebrauchsformel gewählt:

[[Bild:Formel_Nietlochdurchmesser2.jpg]]

* '''Rohnietlänge'''

Der Rohniet muss so lang sein, dass genügend Werkstoff zum Füllen des Nietloches und Schließkopfes vorhanden ist. Bei üblichem Lochdurchmesser ergibt sich die Rohnietlänge aus:

[[Bild:Formel_Nietlänge2.jpg]]

* '''Abscherspannung'''

Für die Nachprüfung einer gegebenen Nietverbindung werden die berechneten mit den zulässigen Spannungen verglichen:

[[Bild:Formel_Abscherspannung2.jpg]]

* '''Lochleibungsdruck'''

Aus der Flächenpressung folgt für den Lochleibungsdruck eines Nietes folgende Gleichung:

[[Bild:Lochleibungsdruck2.jpg]]

* '''Nietanzahl aufgrund der zulässigen Abscherspannung'''

Erforderliche Nietzahl aufgrund des zulässigen Lochleibungsdruck:

[[Bild:Formel_Nietzahl_Abscherspannung2.jpg]]

== Berechnung und Dimensionierung ==

Rechenaufgaben:

1. Nietwerkstoff: S235JR (St37) mit Rm = 340 … 470 N/mm²

a) Kraft, die das Niet durch Abscherung zerstören würde.

b) zulässige Beanspruchung bei 5facher Sicherheit.

[[Bild:Nietaufgabe1.JPG]]

2. Es sollen zwei Bleche miteinander vernietet werden, die unter einem Krafteinfluss von 882kN stehen. Der Werkstoff ist aus S235.

a) Bestimmen Sie den Nietdurchmesser und die Nietlänge anhand des Tabellenbuches. Die Auslegung soll nach den Richtwerten für Kranbau ermittelt werden.

b) Berechnen Sie anschließend zum Vergleich den Nietdurchmesser und die Nietlänge rechnerisch.

c) Ermitteln Sie laut Tabellen Buch ''T''azul nach Lastfall H für eine einschnittige Verbindung.

d) Berechnen Sie die benötigte Nietanzahl.

e) Dimensionieren Sie das erforderliche Nietbild.

[[Bild:Nietaufgabe3a.JPG]]

[[Nietverbindungen: Lösungen#Schalthebel|Hier geht's zu den Lösungen!]]

== Powerpoint Präsentation über Nietverbindungen ==
[[Media:Nietverbindungen_V7.ppt|Nietverbindungen]]

== Quellen==
Dieses sind die Werke welche als Vorlage gedient haben.

# Tabellenbuch Metall, 43. Auflage. Europa Verlag, ISBN 3-8085-1673-9, €21,50
# Roloff/Matek: Maschinenelemente-Tabellenbuch, Vieweg Verlag, 18. Aufl. 2007, ISBN 3-834-80262-X, €36,90.
# Roloff/Matek: Maschinenelemente-Formelsammlung, Vieweg Verlag, 8. Aufl. 2006. ISBN 3-834-80119-4, €20,90.
# Allgemeine Internetnutzung, wie z.B. [http://www.wikipedia.de wikipedia]

{{www}}
* [[Media:Unterrichtseinheit_vom_14.08.2010_Nietverbindungen_-Kompatibilit_344tsmodus-%29.pdf|Powerpointpräsentation zum Thema, 2010]]
* [[Media:xxx.ppt|Rechnung zum Thema, 2010]]

[[Kategorie: Entwicklung und Konstruktion]]

Nietverbindungen

2010-11-16T21:19:06Z

Sandra Kellinghusen:

== Allgemeines ==
Das Nieten gehört zum Festigkeitsverfahren Fügen nach DIN 8593-0, wobei der Formschluss durch Umformen erreicht wird. Nietverbindungen erfordern einen hohen maschinellen Aufwand bei erheblichen Personalkosten. Daher werden diese wenn möglich durch Schweißverbindungen abgelöst, wie z.B. beim Druckbehälterbau. Eine Sonderstellung haben Nietverbindungen im Flugzeugbau und Leichtbau, hier werden hoch automatisierte Nietverfahren praktiziert. Es gibt warm- und kaltgefügte Nieten. Warmnietung bei Stahlnieten ab Ø 10 mm. Diese werden in hellrotem Zustand geschlagen oder gepresst. Kaltvernietung bis Ø 8 mm sowie Niete aus Kupfer, Aluminium und deren Legierungen werden in kaltem Zustand bearbeitet. Durch das Stauchen des Nietschaftes in Achsrichtung füllt dieser das Nietloch vollständig aus und wird so radial gegen die Lochwandung gepresst. Nietverbindungen sind nicht lösbare Verbindungen, welche nur durch Beschädigung oder Zerstörung der gefügten Teile gelöst werden können.

== Anwendungsbeispiele ==
<gallery>
Bild:A-380_Struktur-1.JPG|1. A-380 Struktur
Bild:Eifelturm 3.jpg|2. Eifelturm
Bild:1926_Brückenbau.jpg|3. Brückenbau
Bild:Brems08.jpg|4. Trommelbremse
</gallery>

== Vor- und Nachteile einer Nietverbindung ==
Vorteile:
*Keine ungünstigen Werkstoffbeeinflussungen (Gefügeumwandlung beim Schweißen)
*Kein verziehen der Bauteile
*Ungleichartige Werkstoffe lassen sich verbinden
*Nietverbindungen sind leicht und sicher kontrollierbar und zu Not auch lösbar
*Nietverbindungen versagen nicht bei Überlastung schlagartig
*Blindnietsysteme sind sehr schnell und günstig herstellbar

Nachteile:
*Bauteile werden durch die Bohrungen geschwächt
*Es resultieren dadurch größere Querschnitte und ein höheres Gewicht
*Stumpfstöße lassen sich nicht ausführen
*Bauteile müssen überlappt oder mit Laschen verbunden sein
*In der Fertigung kostenintensiver als das Schweißen

== Nietarten und Formen ==
<gallery>
Bild:Blindniete_210.jpg|1. Blindniet
Bild:halbrundniete.jpg|2. Halbrundniet
Bild:Hohlnieten_2.jpg|3. Hohlniet
Bild:Rohrniete.jpg|4. Rohrniet
Bild:Senkniet.JPG|5. Senkniet
Bild:Schraubniet.JPG|6. Schraubniet
Bild:Senkschraubniet.JPG|7. Senkschraubniet
Bild:Schließringbolzen-1.JPG|8. Schließringbolzen
Bild:Schließringbolzen_bestimmung.jpg|9. Schließringbolzen Bestimmung
Bild:Nietarten_und_Formen.JPG|10. Diverse Nietarten und Formen
</gallery>

== Nietverfahren ==

*Blindniete werden durch das Herranziehen der Kugel am Sollbruchdorn zum Stauchen gebracht. ( siehe Bild oben )

*Halbrundniete werden durch Stauchen eines bolzenförmigen Hilfsfügeteiles hergestellt.

*Hohlnieten durch Umlegen überstehender Teile eines Hohlnietes.

*Zapfennieten durch Stauchen des zapfenförmigen Endes an einem der beiden Fügeteile.

*Hohlzapfennieten durch Umlegen überstehender Teile des hohlzapfenförmigen Endes an einem der beiden Fügeteile.

*Schließringbolzen durch Einpressen des Schließringes in die Nuten des Bolzens und das Abreißen des Zugteils erfolgt ( immer ) durch das Einziehgerät.

== Verbindungsart und Verwendung ==
*Feste Verbindungen (Kraftverbindungen) kommen im Stahlbau, Kranbau und Brückenbau zum Tragen.

*Feste und dichte Verbindungen im Kesselbau und Druckbehälterbau.

*Vorwiegend dichte Verbindungen im Behälterbau.

*Haftverbindungen (Heftnietung) werden für Blechverkleidungen im Karosserie, Waggon und Flugzeugbau verwendet.

== Werkstoffe ==
Da der Befestigungsvorgang der Nietverbindungen mit einer Verformung der Niete verbunden ist, kommen nur duktile Werkstoffe in Frage, wie z.B. Stahl USt 36 ( S235 JRG1 ), Kupfer, Messing, Aluminiumlegierungen. Grundsätzlich sollte das Niet aus dem selben oder aus einem gleichartigen Werkstoff bestehen um elektrochemische Korrosion zu vermeiden.
== Werkzeuge ==

<gallery>
Bild:Vorhalteeisen.jpg|Vorhalteeisen
Bild:Pneumatikpopzug.jpg|Pneumatikpopzug
Bild:Popnietzange.jpg|Popnietzange
Bild:Niethammer.jpg|Niethammer
Bild:Nietquetsche_gross.jpg|Nietquetsche
Bild:Einsätze.jpg|Einsätze
Bild:Nietzange.jpg|Nietzange
Bild:Döpper.jpg|Döpper
Bild:Schließringbolzen_Einzieher-2.JPG|Schließringbolzen Einzieher
Bild:Schließringbolzen Abzieher.JPG|Schließringbolzen Abzieher
Bild:Nietlehre.JPG|Nietlehre
Bild:Schließringbolzen_Lehre-1.JPG|Schließringbolzen Lehre
</gallery>

== Herstellung einer Verbindung ==

Halbrundniete sind formbare Nieten, bei denen der Schließkopf des Nietes durch das Stauchen des Nietschaftes gebildet wird. Durch das Verformen des Nietschaftes wird dieser in der gesamten Länge gestaucht und füllt so die Nietbohrung. Der aus der Struktur herausragende Nietschaft wird dabei zum Schließkopf geformt.Während der Verformung des Nietschaftes entsteht eine Kaltverfestigung im Nietwerkstoff und der Werkstoff versprödet. Aus diesem Grunde soll die Verformung des Schließkopfes mit möglichst wenig Schlägen erreicht werden.

<gallery>
Bild:Nietskizzen.jpg|1. Vorgang beim Umformen von Nieten
Bild:Niete-1.jpg|2. Quetschen eines Halbrundnietes
Bild:Nietenschiessen.jpg|3. Nietenschiessen
</gallery>

== Beurteilung von Nieten ==

Prüfen des Nietschaftüberstandes und der Schließringstauchung

Für die Prüfung des Nietschaftüberstandes und der Schließringstauchung sind Prüflehren zu verwenden. Diese Prüflehren werden auf der Schließringseite aufgesetzt, dadurch ist eine Prüfung des Nietschaftüberstandes und/oder der Schließringverformung möglich. Die Handhabung der Lehren ist je nach Lehrentyp unterschiedlich. Es wird jedoch immer der maximale und der minimale Nietschaftüberstand zur Scheibenoberfläche geprüft.

<gallery>
Bild:Schliesskopfabmessungen.jpg|Prüfvorgaben für Halbrundniete
Bild:Nietlehre-Touch-Go.JPG|Touch Go: Bei Berührung Gut
Bild:Nietlehre-Touch-No-Go.JPG|Touch No Go: Bei Berührung nicht Gut
</gallery>

== Entfernen von beanstandeten Nieten ==

Beim Entfernen von beanstandeten Nieten ist darauf zu achten, daß die Nietlöcher nicht beschädigt werden. Die Niete sind möglichst von der Setzkopfseite her zu entfernen. In dem unteren Bild sind mögliche Nietfehler ( Beschädigungen ) dargestellt und in den anderen die richtige vorgehensweise beim entfernen solcher.

Arbeitsschritte:

1. Nietkopf zentrisch ankörnen ( bei dünnen Blechen muß beim Ankörnen gegengehalten werden ).

2. Anbohren bis auf Setzkopftiefe mit einem Bohrer, der um 0,2 mm kleiner ist als der Nietnenndurchmesser. Im Bedarfsfall darf auch tiefer gebohrt werden ( abhängig von der Klemmlänge ).

3. Nietkopf mit einem Splinttreiber durch leichtes Verkanten abbrechen.

4. Nietschaft mit einem Durchschlag, dessen Durchmesser etwas kleiner als der Nietschaftdurchmesser ist, austreiben. Dünne Bleche und nicht abgestützte Bauteile sind beim Austreiben abzustützen.

<gallery>
Bild:Nietfehler.JPG|Mögliche Nietfehler
Bild:Entfernen_eines_Nietes_1-1.jpg|1. und 2. Arbeitsschritt
Bild:Entfernen_eines_Nietes_2-1.JPG|3. Arbeitsschritt
Bild:Entfernen_eines_Nietes_3-1.JPG|4. Arbeitsschritt
</gallery>

== Korrosionsschutz ==
Spaltkorrosion entsteht in engen Spalten ( 0,05…0,4 ) sowie an Überlappungs- und Verbindungsstellen. Diese wird verursacht durch Feuchtigkeit innerhalb des Spaltes.
Schwitzwasserkorrosion entsteht durch Kondensation von Wasser.
'''Konstruktionsregel: Unvermeidbare Hohlräume und Hohlprofile verschließen und so "Wassersäcke" vermeiden'''. Kontaktkorrosion tritt durch Verbund von Metallen mit unterschiedlichem Potenzial bei Einwirkung eines geeigneten Elektrolyten (Feuchtigkeit) auf.
Als mögliche Schutzmaßnahmen bei Spalt- und Kontaktkorrosion dienen Gesamtanstriche.

== Arbeits- und Gesundheitsschutz ==

*Drucklufthämmer dürfen nie ohne Rückholfeder benutzt und nur betätigt werden, wenn sie auf dem Niet aufliegen.
*Beim Nieten und gegenhalten in Hohlräumen schalldichte Ohrenklappen tragen.
*Bevor man den Abzug des Niethammers betätigt ist darauf zuachten, dass der Partner mit dem Gegenhalter gegen das Niet hält.
*An schwer zugänglichen Stellen Gegenhalter durch Schnur oder Riemen mit dem Handgelenk verbinden.
*Schwingungsarme Nietwerkzeuge sind bevorzugt einzusetzen.
*Zur Lärmreduzierung zunächst versuchen Nietquetsche zu verwenden, anderenfalls schweren Gegenhalter oder stark eingestellten Niethammer benutzen.

== Wiederholungsfragen ==

1. Wodurch wird der Formschluss beim Nieten erreicht?

2. Vergleiche Niet- und Schweißverbindungen hinsichtlich Kosten, Arbeitsaufwand etc.

3. Welche Nietarten kennen Sie? Nennen Sie mindestens 3 !

4. Welche Werkstoffeigenschaft ist für Nietverbindungen erforderlich?

5. Wie werden Halbrundniete entfernt?

6. Was sind die Gründe für Korrosion an Nietverbindungen? Nennen Sie bitte mindestens 2 Gründe!

7. Nennen Sie mindestens 2 Maßnahmen zum Thema Arbeits- und Gesundheitsschutz beim Nieten.

8. Nennen Sie mindestens 2 Anwendungsbereiche wo Nietverbindungen vorteilhaft sind!

9. Wie sollten Nietverbindungen nach Möglichkeit beansprucht werden?

[[Nietverbindungen: Lösung#Schalthebel|Hier geht's zur Lösung!]]

== Formeln ==

* '''Rohnietdurchmesser'''

In Abhängigkeit von der kleinsten zu verbindenden Blechdicke "t" wird im Stahlbau der Rohrnietdurchmesser auch nach der Gebrauchsformel gewählt:

[[Bild:Formel_Nietlochdurchmesser2.jpg]]

* '''Rohnietlänge'''

Der Rohniet muss so lang sein, dass genügend Werkstoff zum Füllen des Nietloches und Schließkopfes vorhanden ist. Bei üblichem Lochdurchmesser ergibt sich die Rohnietlänge aus:

[[Bild:Formel_Nietlänge2.jpg]]

* '''Abscherspannung'''

Für die Nachprüfung einer gegebenen Nietverbindung werden die berechneten mit den zulässigen Spannungen verglichen:

[[Bild:Formel_Abscherspannung2.jpg]]

* '''Lochleibungsdruck'''

Aus der Flächenpressung folgt für den Lochleibungsdruck eines Nietes folgende Gleichung:

[[Bild:Lochleibungsdruck2.jpg]]

* '''Nietanzahl aufgrund der zulässigen Abscherspannung'''

Erforderliche Nietzahl aufgrund des zulässigen Lochleibungsdruck:

[[Bild:Formel_Nietzahl_Abscherspannung2.jpg]]

== Berechnung und Dimensionierung ==

Rechenaufgaben:

1. Nietwerkstoff: S235JR (St37) mit Rm = 340 … 470 N/mm²

a) Kraft, die das Niet durch Abscherung zerstören würde.

b) zulässige Beanspruchung bei 5facher Sicherheit.

[[Bild:Nietaufgabe1.JPG]]

2. Es sollen zwei Bleche miteinander vernietet werden, die unter einem Krafteinfluss von 882kN stehen. Der Werkstoff ist aus S235.

a) Bestimmen Sie den Nietdurchmesser und die Nietlänge anhand des Tabellenbuches. Die Auslegung soll nach den Richtwerten für Kranbau ermittelt werden.

b) Berechnen Sie anschließend zum Vergleich den Nietdurchmesser und die Nietlänge rechnerisch.

c) Ermitteln Sie laut Tabellen Buch ''T''azul nach Lastfall H für eine einschnittige Verbindung.

d) Berechnen Sie die benötigte Nietanzahl.

e) Dimensionieren Sie das erforderliche Nietbild.

[[Bild:Nietaufgabe3a.JPG]]

[[Nietverbindungen: Lösungen#Schalthebel|Hier geht's zu den Lösungen!]]

== Powerpoint Präsentation über Nietverbindungen ==
[[Media:Nietverbindungen_V7.ppt|Nietverbindungen]]

== Quellen==
Dieses sind die Werke welche als Vorlage gedient haben.

# Tabellenbuch Metall, 43. Auflage. Europa Verlag, ISBN 3-8085-1673-9, €21,50
# Roloff/Matek: Maschinenelemente-Tabellenbuch, Vieweg Verlag, 18. Aufl. 2007, ISBN 3-834-80262-X, €36,90.
# Roloff/Matek: Maschinenelemente-Formelsammlung, Vieweg Verlag, 8. Aufl. 2006. ISBN 3-834-80119-4, €20,90.
# Allgemeine Internetnutzung, wie z.B. [http://www.wikipedia.de wikipedia]

{{www}}
* [[Media:http://www.bs-wiki.de/mediawiki/images/Unterrichtseinheit_vom_14.08.2010_Nietverbindungen_-Kompatibilit_344tsmodus-%29.pdf|Powerpointpräsentation zum Thema, 2010]]
* [[Media:xxx.ppt|Rechnung zum Thema, 2010]]

[[Kategorie: Entwicklung und Konstruktion]]

Nietverbindungen

2010-11-16T21:16:46Z

Sandra Kellinghusen:

== Allgemeines ==
Das Nieten gehört zum Festigkeitsverfahren Fügen nach DIN 8593-0, wobei der Formschluss durch Umformen erreicht wird. Nietverbindungen erfordern einen hohen maschinellen Aufwand bei erheblichen Personalkosten. Daher werden diese wenn möglich durch Schweißverbindungen abgelöst, wie z.B. beim Druckbehälterbau. Eine Sonderstellung haben Nietverbindungen im Flugzeugbau und Leichtbau, hier werden hoch automatisierte Nietverfahren praktiziert. Es gibt warm- und kaltgefügte Nieten. Warmnietung bei Stahlnieten ab Ø 10 mm. Diese werden in hellrotem Zustand geschlagen oder gepresst. Kaltvernietung bis Ø 8 mm sowie Niete aus Kupfer, Aluminium und deren Legierungen werden in kaltem Zustand bearbeitet. Durch das Stauchen des Nietschaftes in Achsrichtung füllt dieser das Nietloch vollständig aus und wird so radial gegen die Lochwandung gepresst. Nietverbindungen sind nicht lösbare Verbindungen, welche nur durch Beschädigung oder Zerstörung der gefügten Teile gelöst werden können.

== Anwendungsbeispiele ==
<gallery>
Bild:A-380_Struktur-1.JPG|1. A-380 Struktur
Bild:Eifelturm 3.jpg|2. Eifelturm
Bild:1926_Brückenbau.jpg|3. Brückenbau
Bild:Brems08.jpg|4. Trommelbremse
</gallery>

== Vor- und Nachteile einer Nietverbindung ==
Vorteile:
*Keine ungünstigen Werkstoffbeeinflussungen (Gefügeumwandlung beim Schweißen)
*Kein verziehen der Bauteile
*Ungleichartige Werkstoffe lassen sich verbinden
*Nietverbindungen sind leicht und sicher kontrollierbar und zu Not auch lösbar
*Nietverbindungen versagen nicht bei Überlastung schlagartig
*Blindnietsysteme sind sehr schnell und günstig herstellbar

Nachteile:
*Bauteile werden durch die Bohrungen geschwächt
*Es resultieren dadurch größere Querschnitte und ein höheres Gewicht
*Stumpfstöße lassen sich nicht ausführen
*Bauteile müssen überlappt oder mit Laschen verbunden sein
*In der Fertigung kostenintensiver als das Schweißen

== Nietarten und Formen ==
<gallery>
Bild:Blindniete_210.jpg|1. Blindniet
Bild:halbrundniete.jpg|2. Halbrundniet
Bild:Hohlnieten_2.jpg|3. Hohlniet
Bild:Rohrniete.jpg|4. Rohrniet
Bild:Senkniet.JPG|5. Senkniet
Bild:Schraubniet.JPG|6. Schraubniet
Bild:Senkschraubniet.JPG|7. Senkschraubniet
Bild:Schließringbolzen-1.JPG|8. Schließringbolzen
Bild:Schließringbolzen_bestimmung.jpg|9. Schließringbolzen Bestimmung
Bild:Nietarten_und_Formen.JPG|10. Diverse Nietarten und Formen
</gallery>

== Nietverfahren ==

*Blindniete werden durch das Herranziehen der Kugel am Sollbruchdorn zum Stauchen gebracht. ( siehe Bild oben )

*Halbrundniete werden durch Stauchen eines bolzenförmigen Hilfsfügeteiles hergestellt.

*Hohlnieten durch Umlegen überstehender Teile eines Hohlnietes.

*Zapfennieten durch Stauchen des zapfenförmigen Endes an einem der beiden Fügeteile.

*Hohlzapfennieten durch Umlegen überstehender Teile des hohlzapfenförmigen Endes an einem der beiden Fügeteile.

*Schließringbolzen durch Einpressen des Schließringes in die Nuten des Bolzens und das Abreißen des Zugteils erfolgt ( immer ) durch das Einziehgerät.

== Verbindungsart und Verwendung ==
*Feste Verbindungen (Kraftverbindungen) kommen im Stahlbau, Kranbau und Brückenbau zum Tragen.

*Feste und dichte Verbindungen im Kesselbau und Druckbehälterbau.

*Vorwiegend dichte Verbindungen im Behälterbau.

*Haftverbindungen (Heftnietung) werden für Blechverkleidungen im Karosserie, Waggon und Flugzeugbau verwendet.

== Werkstoffe ==
Da der Befestigungsvorgang der Nietverbindungen mit einer Verformung der Niete verbunden ist, kommen nur duktile Werkstoffe in Frage, wie z.B. Stahl USt 36 ( S235 JRG1 ), Kupfer, Messing, Aluminiumlegierungen. Grundsätzlich sollte das Niet aus dem selben oder aus einem gleichartigen Werkstoff bestehen um elektrochemische Korrosion zu vermeiden.
== Werkzeuge ==

<gallery>
Bild:Vorhalteeisen.jpg|Vorhalteeisen
Bild:Pneumatikpopzug.jpg|Pneumatikpopzug
Bild:Popnietzange.jpg|Popnietzange
Bild:Niethammer.jpg|Niethammer
Bild:Nietquetsche_gross.jpg|Nietquetsche
Bild:Einsätze.jpg|Einsätze
Bild:Nietzange.jpg|Nietzange
Bild:Döpper.jpg|Döpper
Bild:Schließringbolzen_Einzieher-2.JPG|Schließringbolzen Einzieher
Bild:Schließringbolzen Abzieher.JPG|Schließringbolzen Abzieher
Bild:Nietlehre.JPG|Nietlehre
Bild:Schließringbolzen_Lehre-1.JPG|Schließringbolzen Lehre
</gallery>

== Herstellung einer Verbindung ==

Halbrundniete sind formbare Nieten, bei denen der Schließkopf des Nietes durch das Stauchen des Nietschaftes gebildet wird. Durch das Verformen des Nietschaftes wird dieser in der gesamten Länge gestaucht und füllt so die Nietbohrung. Der aus der Struktur herausragende Nietschaft wird dabei zum Schließkopf geformt.Während der Verformung des Nietschaftes entsteht eine Kaltverfestigung im Nietwerkstoff und der Werkstoff versprödet. Aus diesem Grunde soll die Verformung des Schließkopfes mit möglichst wenig Schlägen erreicht werden.

<gallery>
Bild:Nietskizzen.jpg|1. Vorgang beim Umformen von Nieten
Bild:Niete-1.jpg|2. Quetschen eines Halbrundnietes
Bild:Nietenschiessen.jpg|3. Nietenschiessen
</gallery>

== Beurteilung von Nieten ==

Prüfen des Nietschaftüberstandes und der Schließringstauchung

Für die Prüfung des Nietschaftüberstandes und der Schließringstauchung sind Prüflehren zu verwenden. Diese Prüflehren werden auf der Schließringseite aufgesetzt, dadurch ist eine Prüfung des Nietschaftüberstandes und/oder der Schließringverformung möglich. Die Handhabung der Lehren ist je nach Lehrentyp unterschiedlich. Es wird jedoch immer der maximale und der minimale Nietschaftüberstand zur Scheibenoberfläche geprüft.

<gallery>
Bild:Schliesskopfabmessungen.jpg|Prüfvorgaben für Halbrundniete
Bild:Nietlehre-Touch-Go.JPG|Touch Go: Bei Berührung Gut
Bild:Nietlehre-Touch-No-Go.JPG|Touch No Go: Bei Berührung nicht Gut
</gallery>

== Entfernen von beanstandeten Nieten ==

Beim Entfernen von beanstandeten Nieten ist darauf zu achten, daß die Nietlöcher nicht beschädigt werden. Die Niete sind möglichst von der Setzkopfseite her zu entfernen. In dem unteren Bild sind mögliche Nietfehler ( Beschädigungen ) dargestellt und in den anderen die richtige vorgehensweise beim entfernen solcher.

Arbeitsschritte:

1. Nietkopf zentrisch ankörnen ( bei dünnen Blechen muß beim Ankörnen gegengehalten werden ).

2. Anbohren bis auf Setzkopftiefe mit einem Bohrer, der um 0,2 mm kleiner ist als der Nietnenndurchmesser. Im Bedarfsfall darf auch tiefer gebohrt werden ( abhängig von der Klemmlänge ).

3. Nietkopf mit einem Splinttreiber durch leichtes Verkanten abbrechen.

4. Nietschaft mit einem Durchschlag, dessen Durchmesser etwas kleiner als der Nietschaftdurchmesser ist, austreiben. Dünne Bleche und nicht abgestützte Bauteile sind beim Austreiben abzustützen.

<gallery>
Bild:Nietfehler.JPG|Mögliche Nietfehler
Bild:Entfernen_eines_Nietes_1-1.jpg|1. und 2. Arbeitsschritt
Bild:Entfernen_eines_Nietes_2-1.JPG|3. Arbeitsschritt
Bild:Entfernen_eines_Nietes_3-1.JPG|4. Arbeitsschritt
</gallery>

== Korrosionsschutz ==
Spaltkorrosion entsteht in engen Spalten ( 0,05…0,4 ) sowie an Überlappungs- und Verbindungsstellen. Diese wird verursacht durch Feuchtigkeit innerhalb des Spaltes.
Schwitzwasserkorrosion entsteht durch Kondensation von Wasser.
'''Konstruktionsregel: Unvermeidbare Hohlräume und Hohlprofile verschließen und so "Wassersäcke" vermeiden'''. Kontaktkorrosion tritt durch Verbund von Metallen mit unterschiedlichem Potenzial bei Einwirkung eines geeigneten Elektrolyten (Feuchtigkeit) auf.
Als mögliche Schutzmaßnahmen bei Spalt- und Kontaktkorrosion dienen Gesamtanstriche.

== Arbeits- und Gesundheitsschutz ==

*Drucklufthämmer dürfen nie ohne Rückholfeder benutzt und nur betätigt werden, wenn sie auf dem Niet aufliegen.
*Beim Nieten und gegenhalten in Hohlräumen schalldichte Ohrenklappen tragen.
*Bevor man den Abzug des Niethammers betätigt ist darauf zuachten, dass der Partner mit dem Gegenhalter gegen das Niet hält.
*An schwer zugänglichen Stellen Gegenhalter durch Schnur oder Riemen mit dem Handgelenk verbinden.
*Schwingungsarme Nietwerkzeuge sind bevorzugt einzusetzen.
*Zur Lärmreduzierung zunächst versuchen Nietquetsche zu verwenden, anderenfalls schweren Gegenhalter oder stark eingestellten Niethammer benutzen.

== Wiederholungsfragen ==

1. Wodurch wird der Formschluss beim Nieten erreicht?

2. Vergleiche Niet- und Schweißverbindungen hinsichtlich Kosten, Arbeitsaufwand etc.

3. Welche Nietarten kennen Sie? Nennen Sie mindestens 3 !

4. Welche Werkstoffeigenschaft ist für Nietverbindungen erforderlich?

5. Wie werden Halbrundniete entfernt?

6. Was sind die Gründe für Korrosion an Nietverbindungen? Nennen Sie bitte mindestens 2 Gründe!

7. Nennen Sie mindestens 2 Maßnahmen zum Thema Arbeits- und Gesundheitsschutz beim Nieten.

8. Nennen Sie mindestens 2 Anwendungsbereiche wo Nietverbindungen vorteilhaft sind!

9. Wie sollten Nietverbindungen nach Möglichkeit beansprucht werden?

[[Nietverbindungen: Lösung#Schalthebel|Hier geht's zur Lösung!]]

== Formeln ==

* '''Rohnietdurchmesser'''

In Abhängigkeit von der kleinsten zu verbindenden Blechdicke "t" wird im Stahlbau der Rohrnietdurchmesser auch nach der Gebrauchsformel gewählt:

[[Bild:Formel_Nietlochdurchmesser2.jpg]]

* '''Rohnietlänge'''

Der Rohniet muss so lang sein, dass genügend Werkstoff zum Füllen des Nietloches und Schließkopfes vorhanden ist. Bei üblichem Lochdurchmesser ergibt sich die Rohnietlänge aus:

[[Bild:Formel_Nietlänge2.jpg]]

* '''Abscherspannung'''

Für die Nachprüfung einer gegebenen Nietverbindung werden die berechneten mit den zulässigen Spannungen verglichen:

[[Bild:Formel_Abscherspannung2.jpg]]

* '''Lochleibungsdruck'''

Aus der Flächenpressung folgt für den Lochleibungsdruck eines Nietes folgende Gleichung:

[[Bild:Lochleibungsdruck2.jpg]]

* '''Nietanzahl aufgrund der zulässigen Abscherspannung'''

Erforderliche Nietzahl aufgrund des zulässigen Lochleibungsdruck:

[[Bild:Formel_Nietzahl_Abscherspannung2.jpg]]

== Berechnung und Dimensionierung ==

Rechenaufgaben:

1. Nietwerkstoff: S235JR (St37) mit Rm = 340 … 470 N/mm²

a) Kraft, die das Niet durch Abscherung zerstören würde.

b) zulässige Beanspruchung bei 5facher Sicherheit.

[[Bild:Nietaufgabe1.JPG]]

2. Es sollen zwei Bleche miteinander vernietet werden, die unter einem Krafteinfluss von 882kN stehen. Der Werkstoff ist aus S235.

a) Bestimmen Sie den Nietdurchmesser und die Nietlänge anhand des Tabellenbuches. Die Auslegung soll nach den Richtwerten für Kranbau ermittelt werden.

b) Berechnen Sie anschließend zum Vergleich den Nietdurchmesser und die Nietlänge rechnerisch.

c) Ermitteln Sie laut Tabellen Buch ''T''azul nach Lastfall H für eine einschnittige Verbindung.

d) Berechnen Sie die benötigte Nietanzahl.

e) Dimensionieren Sie das erforderliche Nietbild.

[[Bild:Nietaufgabe3a.JPG]]

[[Nietverbindungen: Lösungen#Schalthebel|Hier geht's zu den Lösungen!]]

== Powerpoint Präsentation über Nietverbindungen ==
[[Media:Nietverbindungen_V7.ppt|Nietverbindungen]]

== Quellen==
Dieses sind die Werke welche als Vorlage gedient haben.

# Tabellenbuch Metall, 43. Auflage. Europa Verlag, ISBN 3-8085-1673-9, €21,50
# Roloff/Matek: Maschinenelemente-Tabellenbuch, Vieweg Verlag, 18. Aufl. 2007, ISBN 3-834-80262-X, €36,90.
# Roloff/Matek: Maschinenelemente-Formelsammlung, Vieweg Verlag, 8. Aufl. 2006. ISBN 3-834-80119-4, €20,90.
# Allgemeine Internetnutzung, wie z.B. [http://www.wikipedia.de wikipedia]

{{www}}
* [[Media:Unterrichtseinheit_vom_14.08.2010_Nietverbindungen.pdf|Powerpointpräsentation zum Thema, 2010]]
* [[Media:xxx.ppt|Rechnung zum Thema, 2010]]

[[Kategorie: Entwicklung und Konstruktion]]

Nietverbindungen

2010-11-16T16:08:57Z

Sandra Kellinghusen:

== Allgemeines ==
Das Nieten gehört zum Festigkeitsverfahren Fügen nach DIN 8593-0, wobei der Formschluss durch Umformen erreicht wird. Nietverbindungen erfordern einen hohen maschinellen Aufwand bei erheblichen Personalkosten. Daher werden diese wenn möglich durch Schweißverbindungen abgelöst, wie z.B. beim Druckbehälterbau. Eine Sonderstellung haben Nietverbindungen im Flugzeugbau und Leichtbau, hier werden hoch automatisierte Nietverfahren praktiziert. Es gibt warm- und kaltgefügte Nieten. Warmnietung bei Stahlnieten ab Ø 10 mm. Diese werden in hellrotem Zustand geschlagen oder gepresst. Kaltvernietung bis Ø 8 mm sowie Niete aus Kupfer, Aluminium und deren Legierungen werden in kaltem Zustand bearbeitet. Durch das Stauchen des Nietschaftes in Achsrichtung füllt dieser das Nietloch vollständig aus und wird so radial gegen die Lochwandung gepresst. Nietverbindungen sind nicht lösbare Verbindungen, welche nur durch Beschädigung oder Zerstörung der gefügten Teile gelöst werden können.

== Anwendungsbeispiele ==
<gallery>
Bild:A-380_Struktur-1.JPG|1. A-380 Struktur
Bild:Eifelturm 3.jpg|2. Eifelturm
Bild:1926_Brückenbau.jpg|3. Brückenbau
Bild:Brems08.jpg|4. Trommelbremse
</gallery>

== Vor- und Nachteile einer Nietverbindung ==
Vorteile:
*Keine ungünstigen Werkstoffbeeinflussungen (Gefügeumwandlung beim Schweißen)
*Kein verziehen der Bauteile
*Ungleichartige Werkstoffe lassen sich verbinden
*Nietverbindungen sind leicht und sicher kontrollierbar und zu Not auch lösbar
*Nietverbindungen versagen nicht bei Überlastung schlagartig
*Blindnietsysteme sind sehr schnell und günstig herstellbar

Nachteile:
*Bauteile werden durch die Bohrungen geschwächt
*Es resultieren dadurch größere Querschnitte und ein höheres Gewicht
*Stumpfstöße lassen sich nicht ausführen
*Bauteile müssen überlappt oder mit Laschen verbunden sein
*In der Fertigung kostenintensiver als das Schweißen

== Nietarten und Formen ==
<gallery>
Bild:Blindniete_210.jpg|1. Blindniet
Bild:halbrundniete.jpg|2. Halbrundniet
Bild:Hohlnieten_2.jpg|3. Hohlniet
Bild:Rohrniete.jpg|4. Rohrniet
Bild:Senkniet.JPG|5. Senkniet
Bild:Schraubniet.JPG|6. Schraubniet
Bild:Senkschraubniet.JPG|7. Senkschraubniet
Bild:Schließringbolzen-1.JPG|8. Schließringbolzen
Bild:Schließringbolzen_bestimmung.jpg|9. Schließringbolzen Bestimmung
Bild:Nietarten_und_Formen.JPG|10. Diverse Nietarten und Formen
</gallery>

== Nietverfahren ==

*Blindniete werden durch das Herranziehen der Kugel am Sollbruchdorn zum Stauchen gebracht. ( siehe Bild oben )

*Halbrundniete werden durch Stauchen eines bolzenförmigen Hilfsfügeteiles hergestellt.

*Hohlnieten durch Umlegen überstehender Teile eines Hohlnietes.

*Zapfennieten durch Stauchen des zapfenförmigen Endes an einem der beiden Fügeteile.

*Hohlzapfennieten durch Umlegen überstehender Teile des hohlzapfenförmigen Endes an einem der beiden Fügeteile.

*Schließringbolzen durch Einpressen des Schließringes in die Nuten des Bolzens und das Abreißen des Zugteils erfolgt ( immer ) durch das Einziehgerät.

== Verbindungsart und Verwendung ==
*Feste Verbindungen (Kraftverbindungen) kommen im Stahlbau, Kranbau und Brückenbau zum Tragen.

*Feste und dichte Verbindungen im Kesselbau und Druckbehälterbau.

*Vorwiegend dichte Verbindungen im Behälterbau.

*Haftverbindungen (Heftnietung) werden für Blechverkleidungen im Karosserie, Waggon und Flugzeugbau verwendet.

== Werkstoffe ==
Da der Befestigungsvorgang der Nietverbindungen mit einer Verformung der Niete verbunden ist, kommen nur duktile Werkstoffe in Frage, wie z.B. Stahl USt 36 ( S235 JRG1 ), Kupfer, Messing, Aluminiumlegierungen. Grundsätzlich sollte das Niet aus dem selben oder aus einem gleichartigen Werkstoff bestehen um elektrochemische Korrosion zu vermeiden.
== Werkzeuge ==

<gallery>
Bild:Vorhalteeisen.jpg|Vorhalteeisen
Bild:Pneumatikpopzug.jpg|Pneumatikpopzug
Bild:Popnietzange.jpg|Popnietzange
Bild:Niethammer.jpg|Niethammer
Bild:Nietquetsche_gross.jpg|Nietquetsche
Bild:Einsätze.jpg|Einsätze
Bild:Nietzange.jpg|Nietzange
Bild:Döpper.jpg|Döpper
Bild:Schließringbolzen_Einzieher-2.JPG|Schließringbolzen Einzieher
Bild:Schließringbolzen Abzieher.JPG|Schließringbolzen Abzieher
Bild:Nietlehre.JPG|Nietlehre
Bild:Schließringbolzen_Lehre-1.JPG|Schließringbolzen Lehre
</gallery>

== Herstellung einer Verbindung ==

Halbrundniete sind formbare Nieten, bei denen der Schließkopf des Nietes durch das Stauchen des Nietschaftes gebildet wird. Durch das Verformen des Nietschaftes wird dieser in der gesamten Länge gestaucht und füllt so die Nietbohrung. Der aus der Struktur herausragende Nietschaft wird dabei zum Schließkopf geformt.Während der Verformung des Nietschaftes entsteht eine Kaltverfestigung im Nietwerkstoff und der Werkstoff versprödet. Aus diesem Grunde soll die Verformung des Schließkopfes mit möglichst wenig Schlägen erreicht werden.

<gallery>
Bild:Nietskizzen.jpg|1. Vorgang beim Umformen von Nieten
Bild:Niete-1.jpg|2. Quetschen eines Halbrundnietes
Bild:Nietenschiessen.jpg|3. Nietenschiessen
</gallery>

== Beurteilung von Nieten ==

Prüfen des Nietschaftüberstandes und der Schließringstauchung

Für die Prüfung des Nietschaftüberstandes und der Schließringstauchung sind Prüflehren zu verwenden. Diese Prüflehren werden auf der Schließringseite aufgesetzt, dadurch ist eine Prüfung des Nietschaftüberstandes und/oder der Schließringverformung möglich. Die Handhabung der Lehren ist je nach Lehrentyp unterschiedlich. Es wird jedoch immer der maximale und der minimale Nietschaftüberstand zur Scheibenoberfläche geprüft.

<gallery>
Bild:Schliesskopfabmessungen.jpg|Prüfvorgaben für Halbrundniete
Bild:Nietlehre-Touch-Go.JPG|Touch Go: Bei Berührung Gut
Bild:Nietlehre-Touch-No-Go.JPG|Touch No Go: Bei Berührung nicht Gut
</gallery>

== Entfernen von beanstandeten Nieten ==

Beim Entfernen von beanstandeten Nieten ist darauf zu achten, daß die Nietlöcher nicht beschädigt werden. Die Niete sind möglichst von der Setzkopfseite her zu entfernen. In dem unteren Bild sind mögliche Nietfehler ( Beschädigungen ) dargestellt und in den anderen die richtige vorgehensweise beim entfernen solcher.

Arbeitsschritte:

1. Nietkopf zentrisch ankörnen ( bei dünnen Blechen muß beim Ankörnen gegengehalten werden ).

2. Anbohren bis auf Setzkopftiefe mit einem Bohrer, der um 0,2 mm kleiner ist als der Nietnenndurchmesser. Im Bedarfsfall darf auch tiefer gebohrt werden ( abhängig von der Klemmlänge ).

3. Nietkopf mit einem Splinttreiber durch leichtes Verkanten abbrechen.

4. Nietschaft mit einem Durchschlag, dessen Durchmesser etwas kleiner als der Nietschaftdurchmesser ist, austreiben. Dünne Bleche und nicht abgestützte Bauteile sind beim Austreiben abzustützen.

<gallery>
Bild:Nietfehler.JPG|Mögliche Nietfehler
Bild:Entfernen_eines_Nietes_1-1.jpg|1. und 2. Arbeitsschritt
Bild:Entfernen_eines_Nietes_2-1.JPG|3. Arbeitsschritt
Bild:Entfernen_eines_Nietes_3-1.JPG|4. Arbeitsschritt
</gallery>

== Korrosionsschutz ==
Spaltkorrosion entsteht in engen Spalten ( 0,05…0,4 ) sowie an Überlappungs- und Verbindungsstellen. Diese wird verursacht durch Feuchtigkeit innerhalb des Spaltes.
Schwitzwasserkorrosion entsteht durch Kondensation von Wasser.
'''Konstruktionsregel: Unvermeidbare Hohlräume und Hohlprofile verschließen und so "Wassersäcke" vermeiden'''. Kontaktkorrosion tritt durch Verbund von Metallen mit unterschiedlichem Potenzial bei Einwirkung eines geeigneten Elektrolyten (Feuchtigkeit) auf.
Als mögliche Schutzmaßnahmen bei Spalt- und Kontaktkorrosion dienen Gesamtanstriche.

== Arbeits- und Gesundheitsschutz ==

*Drucklufthämmer dürfen nie ohne Rückholfeder benutzt und nur betätigt werden, wenn sie auf dem Niet aufliegen.
*Beim Nieten und gegenhalten in Hohlräumen schalldichte Ohrenklappen tragen.
*Bevor man den Abzug des Niethammers betätigt ist darauf zuachten, dass der Partner mit dem Gegenhalter gegen das Niet hält.
*An schwer zugänglichen Stellen Gegenhalter durch Schnur oder Riemen mit dem Handgelenk verbinden.
*Schwingungsarme Nietwerkzeuge sind bevorzugt einzusetzen.
*Zur Lärmreduzierung zunächst versuchen Nietquetsche zu verwenden, anderenfalls schweren Gegenhalter oder stark eingestellten Niethammer benutzen.

== Wiederholungsfragen ==

1. Wodurch wird der Formschluss beim Nieten erreicht?

2. Vergleiche Niet- und Schweißverbindungen hinsichtlich Kosten, Arbeitsaufwand etc.

3. Welche Nietarten kennen Sie? Nennen Sie mindestens 3 !

4. Welche Werkstoffeigenschaft ist für Nietverbindungen erforderlich?

5. Wie werden Halbrundniete entfernt?

6. Was sind die Gründe für Korrosion an Nietverbindungen? Nennen Sie bitte mindestens 2 Gründe!

7. Nennen Sie mindestens 2 Maßnahmen zum Thema Arbeits- und Gesundheitsschutz beim Nieten.

8. Nennen Sie mindestens 2 Anwendungsbereiche wo Nietverbindungen vorteilhaft sind!

9. Wie sollten Nietverbindungen nach Möglichkeit beansprucht werden?

[[Nietverbindungen: Lösung#Schalthebel|Hier geht's zur Lösung!]]

== Formeln ==

* '''Rohnietdurchmesser'''

In Abhängigkeit von der kleinsten zu verbindenden Blechdicke "t" wird im Stahlbau der Rohrnietdurchmesser auch nach der Gebrauchsformel gewählt:

[[Bild:Formel_Nietlochdurchmesser2.jpg]]

* '''Rohnietlänge'''

Der Rohniet muss so lang sein, dass genügend Werkstoff zum Füllen des Nietloches und Schließkopfes vorhanden ist. Bei üblichem Lochdurchmesser ergibt sich die Rohnietlänge aus:

[[Bild:Formel_Nietlänge2.jpg]]

* '''Abscherspannung'''

Für die Nachprüfung einer gegebenen Nietverbindung werden die berechneten mit den zulässigen Spannungen verglichen:

[[Bild:Formel_Abscherspannung2.jpg]]

* '''Lochleibungsdruck'''

Aus der Flächenpressung folgt für den Lochleibungsdruck eines Nietes folgende Gleichung:

[[Bild:Lochleibungsdruck2.jpg]]

* '''Nietanzahl aufgrund der zulässigen Abscherspannung'''

Erforderliche Nietzahl aufgrund des zulässigen Lochleibungsdruck:

[[Bild:Formel_Nietzahl_Abscherspannung2.jpg]]

== Berechnung und Dimensionierung ==

Rechenaufgaben:

1. Nietwerkstoff: S235JR (St37) mit Rm = 340 … 470 N/mm²

a) Kraft, die das Niet durch Abscherung zerstören würde.

b) zulässige Beanspruchung bei 5facher Sicherheit.

[[Bild:Nietaufgabe1.JPG]]

2. Es sollen zwei Bleche miteinander vernietet werden, die unter einem Krafteinfluss von 882kN stehen. Der Werkstoff ist aus S235.

a) Bestimmen Sie den Nietdurchmesser und die Nietlänge anhand des Tabellenbuches. Die Auslegung soll nach den Richtwerten für Kranbau ermittelt werden.

b) Berechnen Sie anschließend zum Vergleich den Nietdurchmesser und die Nietlänge rechnerisch.

c) Ermitteln Sie laut Tabellen Buch ''T''azul nach Lastfall H für eine einschnittige Verbindung.

d) Berechnen Sie die benötigte Nietanzahl.

e) Dimensionieren Sie das erforderliche Nietbild.

[[Bild:Nietaufgabe3a.JPG]]

[[Nietverbindungen: Lösungen#Schalthebel|Hier geht's zu den Lösungen!]]

== Powerpoint Präsentation über Nietverbindungen ==
[[Media:Nietverbindungen_V7.ppt|Nietverbindungen]]

== Quellen==
Dieses sind die Werke welche als Vorlage gedient haben.

# Tabellenbuch Metall, 43. Auflage. Europa Verlag, ISBN 3-8085-1673-9, €21,50
# Roloff/Matek: Maschinenelemente-Tabellenbuch, Vieweg Verlag, 18. Aufl. 2007, ISBN 3-834-80262-X, €36,90.
# Roloff/Matek: Maschinenelemente-Formelsammlung, Vieweg Verlag, 8. Aufl. 2006. ISBN 3-834-80119-4, €20,90.
# Allgemeine Internetnutzung, wie z.B. [http://www.wikipedia.de wikipedia]

{{www}}
* [[Media:Unterrichtseinheit_vom_14.08.2010_Nietverbindungen_[Kompatibilit_344tsmodus]).pdf|Powerpointpräsentation zum Thema, 2010]]
* [[Media:xxx.ppt|Rechnung zum Thema, 2010]]

[[Kategorie: Entwicklung und Konstruktion]]

Datei:Unterrichtseinheit vom 14.08.2010 Nietverbindungen -Kompatibilit 344tsmodus-).pdf

2010-11-16T16:07:20Z

Sandra Kellinghusen:

Nietverbindungen

2010-11-16T15:54:45Z

Sandra Kellinghusen:

== Allgemeines ==
Das Nieten gehört zum Festigkeitsverfahren Fügen nach DIN 8593-0, wobei der Formschluss durch Umformen erreicht wird. Nietverbindungen erfordern einen hohen maschinellen Aufwand bei erheblichen Personalkosten. Daher werden diese wenn möglich durch Schweißverbindungen abgelöst, wie z.B. beim Druckbehälterbau. Eine Sonderstellung haben Nietverbindungen im Flugzeugbau und Leichtbau, hier werden hoch automatisierte Nietverfahren praktiziert. Es gibt warm- und kaltgefügte Nieten. Warmnietung bei Stahlnieten ab Ø 10 mm. Diese werden in hellrotem Zustand geschlagen oder gepresst. Kaltvernietung bis Ø 8 mm sowie Niete aus Kupfer, Aluminium und deren Legierungen werden in kaltem Zustand bearbeitet. Durch das Stauchen des Nietschaftes in Achsrichtung füllt dieser das Nietloch vollständig aus und wird so radial gegen die Lochwandung gepresst. Nietverbindungen sind nicht lösbare Verbindungen, welche nur durch Beschädigung oder Zerstörung der gefügten Teile gelöst werden können.

== Anwendungsbeispiele ==
<gallery>
Bild:A-380_Struktur-1.JPG|1. A-380 Struktur
Bild:Eifelturm 3.jpg|2. Eifelturm
Bild:1926_Brückenbau.jpg|3. Brückenbau
Bild:Brems08.jpg|4. Trommelbremse
</gallery>

== Vor- und Nachteile einer Nietverbindung ==
Vorteile:
*Keine ungünstigen Werkstoffbeeinflussungen (Gefügeumwandlung beim Schweißen)
*Kein verziehen der Bauteile
*Ungleichartige Werkstoffe lassen sich verbinden
*Nietverbindungen sind leicht und sicher kontrollierbar und zu Not auch lösbar
*Nietverbindungen versagen nicht bei Überlastung schlagartig
*Blindnietsysteme sind sehr schnell und günstig herstellbar

Nachteile:
*Bauteile werden durch die Bohrungen geschwächt
*Es resultieren dadurch größere Querschnitte und ein höheres Gewicht
*Stumpfstöße lassen sich nicht ausführen
*Bauteile müssen überlappt oder mit Laschen verbunden sein
*In der Fertigung kostenintensiver als das Schweißen

== Nietarten und Formen ==
<gallery>
Bild:Blindniete_210.jpg|1. Blindniet
Bild:halbrundniete.jpg|2. Halbrundniet
Bild:Hohlnieten_2.jpg|3. Hohlniet
Bild:Rohrniete.jpg|4. Rohrniet
Bild:Senkniet.JPG|5. Senkniet
Bild:Schraubniet.JPG|6. Schraubniet
Bild:Senkschraubniet.JPG|7. Senkschraubniet
Bild:Schließringbolzen-1.JPG|8. Schließringbolzen
Bild:Schließringbolzen_bestimmung.jpg|9. Schließringbolzen Bestimmung
Bild:Nietarten_und_Formen.JPG|10. Diverse Nietarten und Formen
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== Nietverfahren ==

*Blindniete werden durch das Herranziehen der Kugel am Sollbruchdorn zum Stauchen gebracht. ( siehe Bild oben )

*Halbrundniete werden durch Stauchen eines bolzenförmigen Hilfsfügeteiles hergestellt.

*Hohlnieten durch Umlegen überstehender Teile eines Hohlnietes.

*Zapfennieten durch Stauchen des zapfenförmigen Endes an einem der beiden Fügeteile.

*Hohlzapfennieten durch Umlegen überstehender Teile des hohlzapfenförmigen Endes an einem der beiden Fügeteile.

*Schließringbolzen durch Einpressen des Schließringes in die Nuten des Bolzens und das Abreißen des Zugteils erfolgt ( immer ) durch das Einziehgerät.

== Verbindungsart und Verwendung ==
*Feste Verbindungen (Kraftverbindungen) kommen im Stahlbau, Kranbau und Brückenbau zum Tragen.

*Feste und dichte Verbindungen im Kesselbau und Druckbehälterbau.

*Vorwiegend dichte Verbindungen im Behälterbau.

*Haftverbindungen (Heftnietung) werden für Blechverkleidungen im Karosserie, Waggon und Flugzeugbau verwendet.

== Werkstoffe ==
Da der Befestigungsvorgang der Nietverbindungen mit einer Verformung der Niete verbunden ist, kommen nur duktile Werkstoffe in Frage, wie z.B. Stahl USt 36 ( S235 JRG1 ), Kupfer, Messing, Aluminiumlegierungen. Grundsätzlich sollte das Niet aus dem selben oder aus einem gleichartigen Werkstoff bestehen um elektrochemische Korrosion zu vermeiden.
== Werkzeuge ==

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Bild:Vorhalteeisen.jpg|Vorhalteeisen
Bild:Pneumatikpopzug.jpg|Pneumatikpopzug
Bild:Popnietzange.jpg|Popnietzange
Bild:Niethammer.jpg|Niethammer
Bild:Nietquetsche_gross.jpg|Nietquetsche
Bild:Einsätze.jpg|Einsätze
Bild:Nietzange.jpg|Nietzange
Bild:Döpper.jpg|Döpper
Bild:Schließringbolzen_Einzieher-2.JPG|Schließringbolzen Einzieher
Bild:Schließringbolzen Abzieher.JPG|Schließringbolzen Abzieher
Bild:Nietlehre.JPG|Nietlehre
Bild:Schließringbolzen_Lehre-1.JPG|Schließringbolzen Lehre
</gallery>

== Herstellung einer Verbindung ==

Halbrundniete sind formbare Nieten, bei denen der Schließkopf des Nietes durch das Stauchen des Nietschaftes gebildet wird. Durch das Verformen des Nietschaftes wird dieser in der gesamten Länge gestaucht und füllt so die Nietbohrung. Der aus der Struktur herausragende Nietschaft wird dabei zum Schließkopf geformt.Während der Verformung des Nietschaftes entsteht eine Kaltverfestigung im Nietwerkstoff und der Werkstoff versprödet. Aus diesem Grunde soll die Verformung des Schließkopfes mit möglichst wenig Schlägen erreicht werden.

<gallery>
Bild:Nietskizzen.jpg|1. Vorgang beim Umformen von Nieten
Bild:Niete-1.jpg|2. Quetschen eines Halbrundnietes
Bild:Nietenschiessen.jpg|3. Nietenschiessen
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== Beurteilung von Nieten ==

Prüfen des Nietschaftüberstandes und der Schließringstauchung

Für die Prüfung des Nietschaftüberstandes und der Schließringstauchung sind Prüflehren zu verwenden. Diese Prüflehren werden auf der Schließringseite aufgesetzt, dadurch ist eine Prüfung des Nietschaftüberstandes und/oder der Schließringverformung möglich. Die Handhabung der Lehren ist je nach Lehrentyp unterschiedlich. Es wird jedoch immer der maximale und der minimale Nietschaftüberstand zur Scheibenoberfläche geprüft.

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Bild:Schliesskopfabmessungen.jpg|Prüfvorgaben für Halbrundniete
Bild:Nietlehre-Touch-Go.JPG|Touch Go: Bei Berührung Gut
Bild:Nietlehre-Touch-No-Go.JPG|Touch No Go: Bei Berührung nicht Gut
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== Entfernen von beanstandeten Nieten ==

Beim Entfernen von beanstandeten Nieten ist darauf zu achten, daß die Nietlöcher nicht beschädigt werden. Die Niete sind möglichst von der Setzkopfseite her zu entfernen. In dem unteren Bild sind mögliche Nietfehler ( Beschädigungen ) dargestellt und in den anderen die richtige vorgehensweise beim entfernen solcher.

Arbeitsschritte:

1. Nietkopf zentrisch ankörnen ( bei dünnen Blechen muß beim Ankörnen gegengehalten werden ).

2. Anbohren bis auf Setzkopftiefe mit einem Bohrer, der um 0,2 mm kleiner ist als der Nietnenndurchmesser. Im Bedarfsfall darf auch tiefer gebohrt werden ( abhängig von der Klemmlänge ).

3. Nietkopf mit einem Splinttreiber durch leichtes Verkanten abbrechen.

4. Nietschaft mit einem Durchschlag, dessen Durchmesser etwas kleiner als der Nietschaftdurchmesser ist, austreiben. Dünne Bleche und nicht abgestützte Bauteile sind beim Austreiben abzustützen.

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Bild:Nietfehler.JPG|Mögliche Nietfehler
Bild:Entfernen_eines_Nietes_1-1.jpg|1. und 2. Arbeitsschritt
Bild:Entfernen_eines_Nietes_2-1.JPG|3. Arbeitsschritt
Bild:Entfernen_eines_Nietes_3-1.JPG|4. Arbeitsschritt
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== Korrosionsschutz ==
Spaltkorrosion entsteht in engen Spalten ( 0,05…0,4 ) sowie an Überlappungs- und Verbindungsstellen. Diese wird verursacht durch Feuchtigkeit innerhalb des Spaltes.
Schwitzwasserkorrosion entsteht durch Kondensation von Wasser.
'''Konstruktionsregel: Unvermeidbare Hohlräume und Hohlprofile verschließen und so "Wassersäcke" vermeiden'''. Kontaktkorrosion tritt durch Verbund von Metallen mit unterschiedlichem Potenzial bei Einwirkung eines geeigneten Elektrolyten (Feuchtigkeit) auf.
Als mögliche Schutzmaßnahmen bei Spalt- und Kontaktkorrosion dienen Gesamtanstriche.

== Arbeits- und Gesundheitsschutz ==

*Drucklufthämmer dürfen nie ohne Rückholfeder benutzt und nur betätigt werden, wenn sie auf dem Niet aufliegen.
*Beim Nieten und gegenhalten in Hohlräumen schalldichte Ohrenklappen tragen.
*Bevor man den Abzug des Niethammers betätigt ist darauf zuachten, dass der Partner mit dem Gegenhalter gegen das Niet hält.
*An schwer zugänglichen Stellen Gegenhalter durch Schnur oder Riemen mit dem Handgelenk verbinden.
*Schwingungsarme Nietwerkzeuge sind bevorzugt einzusetzen.
*Zur Lärmreduzierung zunächst versuchen Nietquetsche zu verwenden, anderenfalls schweren Gegenhalter oder stark eingestellten Niethammer benutzen.

== Wiederholungsfragen ==

1. Wodurch wird der Formschluss beim Nieten erreicht?

2. Vergleiche Niet- und Schweißverbindungen hinsichtlich Kosten, Arbeitsaufwand etc.

3. Welche Nietarten kennen Sie? Nennen Sie mindestens 3 !

4. Welche Werkstoffeigenschaft ist für Nietverbindungen erforderlich?

5. Wie werden Halbrundniete entfernt?

6. Was sind die Gründe für Korrosion an Nietverbindungen? Nennen Sie bitte mindestens 2 Gründe!

7. Nennen Sie mindestens 2 Maßnahmen zum Thema Arbeits- und Gesundheitsschutz beim Nieten.

8. Nennen Sie mindestens 2 Anwendungsbereiche wo Nietverbindungen vorteilhaft sind!

9. Wie sollten Nietverbindungen nach Möglichkeit beansprucht werden?

[[Nietverbindungen: Lösung#Schalthebel|Hier geht's zur Lösung!]]

== Formeln ==

* '''Rohnietdurchmesser'''

In Abhängigkeit von der kleinsten zu verbindenden Blechdicke "t" wird im Stahlbau der Rohrnietdurchmesser auch nach der Gebrauchsformel gewählt:

[[Bild:Formel_Nietlochdurchmesser2.jpg]]

* '''Rohnietlänge'''

Der Rohniet muss so lang sein, dass genügend Werkstoff zum Füllen des Nietloches und Schließkopfes vorhanden ist. Bei üblichem Lochdurchmesser ergibt sich die Rohnietlänge aus:

[[Bild:Formel_Nietlänge2.jpg]]

* '''Abscherspannung'''

Für die Nachprüfung einer gegebenen Nietverbindung werden die berechneten mit den zulässigen Spannungen verglichen:

[[Bild:Formel_Abscherspannung2.jpg]]

* '''Lochleibungsdruck'''

Aus der Flächenpressung folgt für den Lochleibungsdruck eines Nietes folgende Gleichung:

[[Bild:Lochleibungsdruck2.jpg]]

* '''Nietanzahl aufgrund der zulässigen Abscherspannung'''

Erforderliche Nietzahl aufgrund des zulässigen Lochleibungsdruck:

[[Bild:Formel_Nietzahl_Abscherspannung2.jpg]]

== Berechnung und Dimensionierung ==

Rechenaufgaben:

1. Nietwerkstoff: S235JR (St37) mit Rm = 340 … 470 N/mm²

a) Kraft, die das Niet durch Abscherung zerstören würde.

b) zulässige Beanspruchung bei 5facher Sicherheit.

[[Bild:Nietaufgabe1.JPG]]

2. Es sollen zwei Bleche miteinander vernietet werden, die unter einem Krafteinfluss von 882kN stehen. Der Werkstoff ist aus S235.

a) Bestimmen Sie den Nietdurchmesser und die Nietlänge anhand des Tabellenbuches. Die Auslegung soll nach den Richtwerten für Kranbau ermittelt werden.

b) Berechnen Sie anschließend zum Vergleich den Nietdurchmesser und die Nietlänge rechnerisch.

c) Ermitteln Sie laut Tabellen Buch ''T''azul nach Lastfall H für eine einschnittige Verbindung.

d) Berechnen Sie die benötigte Nietanzahl.

e) Dimensionieren Sie das erforderliche Nietbild.

[[Bild:Nietaufgabe3a.JPG]]

[[Nietverbindungen: Lösungen#Schalthebel|Hier geht's zu den Lösungen!]]

== Powerpoint Präsentation über Nietverbindungen ==
[[Media:Nietverbindungen_V7.ppt|Nietverbindungen]]

== Quellen==
Dieses sind die Werke welche als Vorlage gedient haben.

# Tabellenbuch Metall, 43. Auflage. Europa Verlag, ISBN 3-8085-1673-9, €21,50
# Roloff/Matek: Maschinenelemente-Tabellenbuch, Vieweg Verlag, 18. Aufl. 2007, ISBN 3-834-80262-X, €36,90.
# Roloff/Matek: Maschinenelemente-Formelsammlung, Vieweg Verlag, 8. Aufl. 2006. ISBN 3-834-80119-4, €20,90.
# Allgemeine Internetnutzung, wie z.B. [http://www.wikipedia.de wikipedia]

{{www}}
* [[Media:xxx.ppt|Powerpointpräsentation zum Thema, 2010]]
* [[Media:xxx.ppt|Rechnung zum Thema, 2010]]

[[Kategorie: Entwicklung und Konstruktion]]

Nietverbindungen

2010-11-16T15:30:29Z

Sandra Kellinghusen:

== Allgemeines ==
Das Nieten gehört zum Festigkeitsverfahren Fügen nach DIN 8593-0, wobei der Formschluss durch Umformen erreicht wird. Nietverbindungen erfordern einen hohen maschinellen Aufwand bei erheblichen Personalkosten. Daher werden diese wenn möglich durch Schweißverbindungen abgelöst, wie z.B. beim Druckbehälterbau. Eine Sonderstellung haben Nietverbindungen im Flugzeugbau und Leichtbau, hier werden hoch automatisierte Nietverfahren praktiziert. Es gibt warm- und kaltgefügte Nieten. Warmnietung bei Stahlnieten ab Ø 10 mm. Diese werden in hellrotem Zustand geschlagen oder gepresst. Kaltvernietung bis Ø 8 mm sowie Niete aus Kupfer, Aluminium und deren Legierungen werden in kaltem Zustand bearbeitet. Durch das Stauchen des Nietschaftes in Achsrichtung füllt dieser das Nietloch vollständig aus und wird so radial gegen die Lochwandung gepresst. Nietverbindungen sind nicht lösbare Verbindungen, welche nur durch Beschädigung oder Zerstörung der gefügten Teile gelöst werden können.

== Anwendungsbeispiele ==
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Bild:A-380_Struktur-1.JPG|1. A-380 Struktur
Bild:Eifelturm 3.jpg|2. Eifelturm
Bild:1926_Brückenbau.jpg|3. Brückenbau
Bild:Brems08.jpg|4. Trommelbremse
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== Vor- und Nachteile einer Nietverbindung ==
Vorteile:
*Keine ungünstigen Werkstoffbeeinflussungen (Gefügeumwandlung beim Schweißen)
*Kein verziehen der Bauteile
*Ungleichartige Werkstoffe lassen sich verbinden
*Nietverbindungen sind leicht und sicher kontrollierbar und zu Not auch lösbar
*Nietverbindungen versagen nicht bei Überlastung schlagartig
*Blindnietsysteme sind sehr schnell und günstig herstellbar

Nachteile:
*Bauteile werden durch die Bohrungen geschwächt
*Es resultieren dadurch größere Querschnitte und ein höheres Gewicht
*Stumpfstöße lassen sich nicht ausführen
*Bauteile müssen überlappt oder mit Laschen verbunden sein
*In der Fertigung kostenintensiver als das Schweißen

== Nietarten und Formen ==
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Bild:Blindniete_210.jpg|1. Blindniet
Bild:halbrundniete.jpg|2. Halbrundniet
Bild:Hohlnieten_2.jpg|3. Hohlniet
Bild:Rohrniete.jpg|4. Rohrniet
Bild:Senkniet.JPG|5. Senkniet
Bild:Schraubniet.JPG|6. Schraubniet
Bild:Senkschraubniet.JPG|7. Senkschraubniet
Bild:Schließringbolzen-1.JPG|8. Schließringbolzen
Bild:Schließringbolzen_bestimmung.jpg|9. Schließringbolzen Bestimmung
Bild:Nietarten_und_Formen.JPG|10. Diverse Nietarten und Formen
</gallery>

== Nietverfahren ==

*Blindniete werden durch das Herranziehen der Kugel am Sollbruchdorn zum Stauchen gebracht. ( siehe Bild oben )

*Halbrundniete werden durch Stauchen eines bolzenförmigen Hilfsfügeteiles hergestellt.

*Hohlnieten durch Umlegen überstehender Teile eines Hohlnietes.

*Zapfennieten durch Stauchen des zapfenförmigen Endes an einem der beiden Fügeteile.

*Hohlzapfennieten durch Umlegen überstehender Teile des hohlzapfenförmigen Endes an einem der beiden Fügeteile.

*Schließringbolzen durch Einpressen des Schließringes in die Nuten des Bolzens und das Abreißen des Zugteils erfolgt ( immer ) durch das Einziehgerät.

== Verbindungsart und Verwendung ==
*Feste Verbindungen (Kraftverbindungen) kommen im Stahlbau, Kranbau und Brückenbau zum Tragen.

*Feste und dichte Verbindungen im Kesselbau und Druckbehälterbau.

*Vorwiegend dichte Verbindungen im Behälterbau.

*Haftverbindungen (Heftnietung) werden für Blechverkleidungen im Karosserie, Waggon und Flugzeugbau verwendet.

== Werkstoffe ==
Da der Befestigungsvorgang der Nietverbindungen mit einer Verformung der Niete verbunden ist, kommen nur duktile Werkstoffe in Frage, wie z.B. Stahl USt 36 ( S235 JRG1 ), Kupfer, Messing, Aluminiumlegierungen. Grundsätzlich sollte das Niet aus dem selben oder aus einem gleichartigen Werkstoff bestehen um elektrochemische Korrosion zu vermeiden.
== Werkzeuge ==

<gallery>
Bild:Vorhalteeisen.jpg|Vorhalteeisen
Bild:Pneumatikpopzug.jpg|Pneumatikpopzug
Bild:Popnietzange.jpg|Popnietzange
Bild:Niethammer.jpg|Niethammer
Bild:Nietquetsche_gross.jpg|Nietquetsche
Bild:Einsätze.jpg|Einsätze
Bild:Nietzange.jpg|Nietzange
Bild:Döpper.jpg|Döpper
Bild:Schließringbolzen_Einzieher-2.JPG|Schließringbolzen Einzieher
Bild:Schließringbolzen Abzieher.JPG|Schließringbolzen Abzieher
Bild:Nietlehre.JPG|Nietlehre
Bild:Schließringbolzen_Lehre-1.JPG|Schließringbolzen Lehre
</gallery>

== Herstellung einer Verbindung ==

Halbrundniete sind formbare Nieten, bei denen der Schließkopf des Nietes durch das Stauchen des Nietschaftes gebildet wird. Durch das Verformen des Nietschaftes wird dieser in der gesamten Länge gestaucht und füllt so die Nietbohrung. Der aus der Struktur herausragende Nietschaft wird dabei zum Schließkopf geformt.Während der Verformung des Nietschaftes entsteht eine Kaltverfestigung im Nietwerkstoff und der Werkstoff versprödet. Aus diesem Grunde soll die Verformung des Schließkopfes mit möglichst wenig Schlägen erreicht werden.

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Bild:Nietskizzen.jpg|1. Vorgang beim Umformen von Nieten
Bild:Niete-1.jpg|2. Quetschen eines Halbrundnietes
Bild:Nietenschiessen.jpg|3. Nietenschiessen
</gallery>

== Beurteilung von Nieten ==

Prüfen des Nietschaftüberstandes und der Schließringstauchung

Für die Prüfung des Nietschaftüberstandes und der Schließringstauchung sind Prüflehren zu verwenden. Diese Prüflehren werden auf der Schließringseite aufgesetzt, dadurch ist eine Prüfung des Nietschaftüberstandes und/oder der Schließringverformung möglich. Die Handhabung der Lehren ist je nach Lehrentyp unterschiedlich. Es wird jedoch immer der maximale und der minimale Nietschaftüberstand zur Scheibenoberfläche geprüft.

<gallery>
Bild:Schliesskopfabmessungen.jpg|Prüfvorgaben für Halbrundniete
Bild:Nietlehre-Touch-Go.JPG|Touch Go: Bei Berührung Gut
Bild:Nietlehre-Touch-No-Go.JPG|Touch No Go: Bei Berührung nicht Gut
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== Entfernen von beanstandeten Nieten ==

Beim Entfernen von beanstandeten Nieten ist darauf zu achten, daß die Nietlöcher nicht beschädigt werden. Die Niete sind möglichst von der Setzkopfseite her zu entfernen. In dem unteren Bild sind mögliche Nietfehler ( Beschädigungen ) dargestellt und in den anderen die richtige vorgehensweise beim entfernen solcher.

Arbeitsschritte:

1. Nietkopf zentrisch ankörnen ( bei dünnen Blechen muß beim Ankörnen gegengehalten werden ).

2. Anbohren bis auf Setzkopftiefe mit einem Bohrer, der um 0,2 mm kleiner ist als der Nietnenndurchmesser. Im Bedarfsfall darf auch tiefer gebohrt werden ( abhängig von der Klemmlänge ).

3. Nietkopf mit einem Splinttreiber durch leichtes Verkanten abbrechen.

4. Nietschaft mit einem Durchschlag, dessen Durchmesser etwas kleiner als der Nietschaftdurchmesser ist, austreiben. Dünne Bleche und nicht abgestützte Bauteile sind beim Austreiben abzustützen.

<gallery>
Bild:Nietfehler.JPG|Mögliche Nietfehler
Bild:Entfernen_eines_Nietes_1-1.jpg|1. und 2. Arbeitsschritt
Bild:Entfernen_eines_Nietes_2-1.JPG|3. Arbeitsschritt
Bild:Entfernen_eines_Nietes_3-1.JPG|4. Arbeitsschritt
</gallery>

== Korrosionsschutz ==
Spaltkorrosion entsteht in engen Spalten ( 0,05…0,4 ) sowie an Überlappungs- und Verbindungsstellen. Diese wird verursacht durch Feuchtigkeit innerhalb des Spaltes.
Schwitzwasserkorrosion entsteht durch Kondensation von Wasser.
'''Konstruktionsregel: Unvermeidbare Hohlräume und Hohlprofile verschließen und so "Wassersäcke" vermeiden'''. Kontaktkorrosion tritt durch Verbund von Metallen mit unterschiedlichem Potenzial bei Einwirkung eines geeigneten Elektrolyten (Feuchtigkeit) auf.
Als mögliche Schutzmaßnahmen bei Spalt- und Kontaktkorrosion dienen Gesamtanstriche.

== Arbeits- und Gesundheitsschutz ==

*Drucklufthämmer dürfen nie ohne Rückholfeder benutzt und nur betätigt werden, wenn sie auf dem Niet aufliegen.
*Beim Nieten und gegenhalten in Hohlräumen schalldichte Ohrenklappen tragen.
*Bevor man den Abzug des Niethammers betätigt ist darauf zuachten, dass der Partner mit dem Gegenhalter gegen das Niet hält.
*An schwer zugänglichen Stellen Gegenhalter durch Schnur oder Riemen mit dem Handgelenk verbinden.
*Schwingungsarme Nietwerkzeuge sind bevorzugt einzusetzen.
*Zur Lärmreduzierung zunächst versuchen Nietquetsche zu verwenden, anderenfalls schweren Gegenhalter oder stark eingestellten Niethammer benutzen.

== Wiederholungsfragen ==

1. Wodurch wird der Formschluss beim Nieten erreicht?

2. Vergleiche Niet- und Schweißverbindungen hinsichtlich Kosten, Arbeitsaufwand etc.

3. Welche Nietarten kennen Sie? Nennen Sie mindestens 3 !

4. Welche Werkstoffeigenschaft ist für Nietverbindungen erforderlich?

5. Wie werden Halbrundniete entfernt?

6. Was sind die Gründe für Korrosion an Nietverbindungen? Nennen Sie bitte mindestens 2 Gründe!

7. Nennen Sie mindestens 2 Maßnahmen zum Thema Arbeits- und Gesundheitsschutz beim Nieten.

8. Nennen Sie mindestens 2 Anwendungsbereiche wo Nietverbindungen vorteilhaft sind!

9. Wie sollten Nietverbindungen nach Möglichkeit beansprucht werden?

[[Nietverbindungen: Lösung#Schalthebel|Hier geht's zur Lösung!]]

== Formeln ==

* '''Rohnietdurchmesser'''

In Abhängigkeit von der kleinsten zu verbindenden Blechdicke "t" wird im Stahlbau der Rohrnietdurchmesser auch nach der Gebrauchsformel gewählt:

[[Bild:Formel_Nietlochdurchmesser2.jpg]]

* '''Rohnietlänge'''

Der Rohniet muss so lang sein, dass genügend Werkstoff zum Füllen des Nietloches und Schließkopfes vorhanden ist. Bei üblichem Lochdurchmesser ergibt sich die Rohnietlänge aus:

[[Bild:Formel_Nietlänge2.jpg]]

* '''Abscherspannung'''

Für die Nachprüfung einer gegebenen Nietverbindung werden die berechneten mit den zulässigen Spannungen verglichen:

[[Bild:Formel_Abscherspannung2.jpg]]

* '''Lochleibungsdruck'''

Aus der Flächenpressung folgt für den Lochleibungsdruck eines Nietes folgende Gleichung:

[[Bild:Lochleibungsdruck2.jpg]]

* '''Nietanzahl aufgrund der zulässigen Abscherspannung'''

Erforderliche Nietzahl aufgrund des zulässigen Lochleibungsdruck:

[[Bild:Formel_Nietzahl_Abscherspannung2.jpg]]

== Berechnung und Dimensionierung ==

Rechenaufgaben:

1. Nietwerkstoff: S235JR (St37) mit Rm = 340 … 470 N/mm²

a) Kraft, die das Niet durch Abscherung zerstören würde.

b) zulässige Beanspruchung bei 5facher Sicherheit.

[[Bild:Nietaufgabe1.JPG]]

2. Es sollen zwei Bleche miteinander vernietet werden, die unter einem Krafteinfluss von 882kN stehen. Der Werkstoff ist aus S235.

a) Bestimmen Sie den Nietdurchmesser und die Nietlänge anhand des Tabellenbuches. Die Auslegung soll nach den Richtwerten für Kranbau ermittelt werden.

b) Berechnen Sie anschließend zum Vergleich den Nietdurchmesser und die Nietlänge rechnerisch.

c) Ermitteln Sie laut Tabellen Buch ''T''azul nach Lastfall H für eine einschnittige Verbindung.

d) Berechnen Sie die benötigte Nietanzahl.

e) Dimensionieren Sie das erforderliche Nietbild.

[[Bild:Nietaufgabe3a.JPG]]

[[Nietverbindungen: Lösungen#Schalthebel|Hier geht's zu den Lösungen!]]

== Powerpoint Präsentation über Nietverbindungen ==
[[Media:Nietverbindungen_V7.ppt|Nietverbindungen]]

== Quellen==
Dieses sind die Werke welche als Vorlage gedient haben.

# Tabellenbuch Metall, 43. Auflage. Europa Verlag, ISBN 3-8085-1673-9, €21,50
# Roloff/Matek: Maschinenelemente-Tabellenbuch, Vieweg Verlag, 18. Aufl. 2007, ISBN 3-834-80262-X, €36,90.
# Roloff/Matek: Maschinenelemente-Formelsammlung, Vieweg Verlag, 8. Aufl. 2006. ISBN 3-834-80119-4, €20,90.
# Allgemeine Internetnutzung, wie z.B. [http://www.wikipedia.de wikipedia]

{{www}}
* [[Media:xxx.ppt|Powerpointpräsentation zum Thema, 2010]]
{{www}}
* [[Media:xxx.ppt|Rechnung zum Thema, 2010]]

[[Kategorie: Entwicklung und Konstruktion]]

Nietverbindungen

2010-11-16T15:28:44Z

Sandra Kellinghusen:

== Allgemeines ==
Das Nieten gehört zum Festigkeitsverfahren Fügen nach DIN 8593-0, wobei der Formschluss durch Umformen erreicht wird. Nietverbindungen erfordern einen hohen maschinellen Aufwand bei erheblichen Personalkosten. Daher werden diese wenn möglich durch Schweißverbindungen abgelöst, wie z.B. beim Druckbehälterbau. Eine Sonderstellung haben Nietverbindungen im Flugzeugbau und Leichtbau, hier werden hoch automatisierte Nietverfahren praktiziert. Es gibt warm- und kaltgefügte Nieten. Warmnietung bei Stahlnieten ab Ø 10 mm. Diese werden in hellrotem Zustand geschlagen oder gepresst. Kaltvernietung bis Ø 8 mm sowie Niete aus Kupfer, Aluminium und deren Legierungen werden in kaltem Zustand bearbeitet. Durch das Stauchen des Nietschaftes in Achsrichtung füllt dieser das Nietloch vollständig aus und wird so radial gegen die Lochwandung gepresst. Nietverbindungen sind nicht lösbare Verbindungen, welche nur durch Beschädigung oder Zerstörung der gefügten Teile gelöst werden können.

== Anwendungsbeispiele ==
<gallery>
Bild:A-380_Struktur-1.JPG|1. A-380 Struktur
Bild:Eifelturm 3.jpg|2. Eifelturm
Bild:1926_Brückenbau.jpg|3. Brückenbau
Bild:Brems08.jpg|4. Trommelbremse
</gallery>

== Vor- und Nachteile einer Nietverbindung ==
Vorteile:
*Keine ungünstigen Werkstoffbeeinflussungen (Gefügeumwandlung beim Schweißen)
*Kein verziehen der Bauteile
*Ungleichartige Werkstoffe lassen sich verbinden
*Nietverbindungen sind leicht und sicher kontrollierbar und zu Not auch lösbar
*Nietverbindungen versagen nicht bei Überlastung schlagartig
*Blindnietsysteme sind sehr schnell und günstig herstellbar

Nachteile:
*Bauteile werden durch die Bohrungen geschwächt
*Es resultieren dadurch größere Querschnitte und ein höheres Gewicht
*Stumpfstöße lassen sich nicht ausführen
*Bauteile müssen überlappt oder mit Laschen verbunden sein
*In der Fertigung kostenintensiver als das Schweißen

== Nietarten und Formen ==
<gallery>
Bild:Blindniete_210.jpg|1. Blindniet
Bild:halbrundniete.jpg|2. Halbrundniet
Bild:Hohlnieten_2.jpg|3. Hohlniet
Bild:Rohrniete.jpg|4. Rohrniet
Bild:Senkniet.JPG|5. Senkniet
Bild:Schraubniet.JPG|6. Schraubniet
Bild:Senkschraubniet.JPG|7. Senkschraubniet
Bild:Schließringbolzen-1.JPG|8. Schließringbolzen
Bild:Schließringbolzen_bestimmung.jpg|9. Schließringbolzen Bestimmung
Bild:Nietarten_und_Formen.JPG|10. Diverse Nietarten und Formen
</gallery>

== Nietverfahren ==

*Blindniete werden durch das Herranziehen der Kugel am Sollbruchdorn zum Stauchen gebracht. ( siehe Bild oben )

*Halbrundniete werden durch Stauchen eines bolzenförmigen Hilfsfügeteiles hergestellt.

*Hohlnieten durch Umlegen überstehender Teile eines Hohlnietes.

*Zapfennieten durch Stauchen des zapfenförmigen Endes an einem der beiden Fügeteile.

*Hohlzapfennieten durch Umlegen überstehender Teile des hohlzapfenförmigen Endes an einem der beiden Fügeteile.

*Schließringbolzen durch Einpressen des Schließringes in die Nuten des Bolzens und das Abreißen des Zugteils erfolgt ( immer ) durch das Einziehgerät.

== Verbindungsart und Verwendung ==
*Feste Verbindungen (Kraftverbindungen) kommen im Stahlbau, Kranbau und Brückenbau zum Tragen.

*Feste und dichte Verbindungen im Kesselbau und Druckbehälterbau.

*Vorwiegend dichte Verbindungen im Behälterbau.

*Haftverbindungen (Heftnietung) werden für Blechverkleidungen im Karosserie, Waggon und Flugzeugbau verwendet.

== Werkstoffe ==
Da der Befestigungsvorgang der Nietverbindungen mit einer Verformung der Niete verbunden ist, kommen nur duktile Werkstoffe in Frage, wie z.B. Stahl USt 36 ( S235 JRG1 ), Kupfer, Messing, Aluminiumlegierungen. Grundsätzlich sollte das Niet aus dem selben oder aus einem gleichartigen Werkstoff bestehen um elektrochemische Korrosion zu vermeiden.
== Werkzeuge ==

<gallery>
Bild:Vorhalteeisen.jpg|Vorhalteeisen
Bild:Pneumatikpopzug.jpg|Pneumatikpopzug
Bild:Popnietzange.jpg|Popnietzange
Bild:Niethammer.jpg|Niethammer
Bild:Nietquetsche_gross.jpg|Nietquetsche
Bild:Einsätze.jpg|Einsätze
Bild:Nietzange.jpg|Nietzange
Bild:Döpper.jpg|Döpper
Bild:Schließringbolzen_Einzieher-2.JPG|Schließringbolzen Einzieher
Bild:Schließringbolzen Abzieher.JPG|Schließringbolzen Abzieher
Bild:Nietlehre.JPG|Nietlehre
Bild:Schließringbolzen_Lehre-1.JPG|Schließringbolzen Lehre
</gallery>

== Herstellung einer Verbindung ==

Halbrundniete sind formbare Nieten, bei denen der Schließkopf des Nietes durch das Stauchen des Nietschaftes gebildet wird. Durch das Verformen des Nietschaftes wird dieser in der gesamten Länge gestaucht und füllt so die Nietbohrung. Der aus der Struktur herausragende Nietschaft wird dabei zum Schließkopf geformt.Während der Verformung des Nietschaftes entsteht eine Kaltverfestigung im Nietwerkstoff und der Werkstoff versprödet. Aus diesem Grunde soll die Verformung des Schließkopfes mit möglichst wenig Schlägen erreicht werden.

<gallery>
Bild:Nietskizzen.jpg|1. Vorgang beim Umformen von Nieten
Bild:Niete-1.jpg|2. Quetschen eines Halbrundnietes
Bild:Nietenschiessen.jpg|3. Nietenschiessen
</gallery>

== Beurteilung von Nieten ==

Prüfen des Nietschaftüberstandes und der Schließringstauchung

Für die Prüfung des Nietschaftüberstandes und der Schließringstauchung sind Prüflehren zu verwenden. Diese Prüflehren werden auf der Schließringseite aufgesetzt, dadurch ist eine Prüfung des Nietschaftüberstandes und/oder der Schließringverformung möglich. Die Handhabung der Lehren ist je nach Lehrentyp unterschiedlich. Es wird jedoch immer der maximale und der minimale Nietschaftüberstand zur Scheibenoberfläche geprüft.

<gallery>
Bild:Schliesskopfabmessungen.jpg|Prüfvorgaben für Halbrundniete
Bild:Nietlehre-Touch-Go.JPG|Touch Go: Bei Berührung Gut
Bild:Nietlehre-Touch-No-Go.JPG|Touch No Go: Bei Berührung nicht Gut
</gallery>

== Entfernen von beanstandeten Nieten ==

Beim Entfernen von beanstandeten Nieten ist darauf zu achten, daß die Nietlöcher nicht beschädigt werden. Die Niete sind möglichst von der Setzkopfseite her zu entfernen. In dem unteren Bild sind mögliche Nietfehler ( Beschädigungen ) dargestellt und in den anderen die richtige vorgehensweise beim entfernen solcher.

Arbeitsschritte:

1. Nietkopf zentrisch ankörnen ( bei dünnen Blechen muß beim Ankörnen gegengehalten werden ).

2. Anbohren bis auf Setzkopftiefe mit einem Bohrer, der um 0,2 mm kleiner ist als der Nietnenndurchmesser. Im Bedarfsfall darf auch tiefer gebohrt werden ( abhängig von der Klemmlänge ).

3. Nietkopf mit einem Splinttreiber durch leichtes Verkanten abbrechen.

4. Nietschaft mit einem Durchschlag, dessen Durchmesser etwas kleiner als der Nietschaftdurchmesser ist, austreiben. Dünne Bleche und nicht abgestützte Bauteile sind beim Austreiben abzustützen.

<gallery>
Bild:Nietfehler.JPG|Mögliche Nietfehler
Bild:Entfernen_eines_Nietes_1-1.jpg|1. und 2. Arbeitsschritt
Bild:Entfernen_eines_Nietes_2-1.JPG|3. Arbeitsschritt
Bild:Entfernen_eines_Nietes_3-1.JPG|4. Arbeitsschritt
</gallery>

== Korrosionsschutz ==
Spaltkorrosion entsteht in engen Spalten ( 0,05…0,4 ) sowie an Überlappungs- und Verbindungsstellen. Diese wird verursacht durch Feuchtigkeit innerhalb des Spaltes.
Schwitzwasserkorrosion entsteht durch Kondensation von Wasser.
'''Konstruktionsregel: Unvermeidbare Hohlräume und Hohlprofile verschließen und so "Wassersäcke" vermeiden'''. Kontaktkorrosion tritt durch Verbund von Metallen mit unterschiedlichem Potenzial bei Einwirkung eines geeigneten Elektrolyten (Feuchtigkeit) auf.
Als mögliche Schutzmaßnahmen bei Spalt- und Kontaktkorrosion dienen Gesamtanstriche.

== Arbeits- und Gesundheitsschutz ==

*Drucklufthämmer dürfen nie ohne Rückholfeder benutzt und nur betätigt werden, wenn sie auf dem Niet aufliegen.
*Beim Nieten und gegenhalten in Hohlräumen schalldichte Ohrenklappen tragen.
*Bevor man den Abzug des Niethammers betätigt ist darauf zuachten, dass der Partner mit dem Gegenhalter gegen das Niet hält.
*An schwer zugänglichen Stellen Gegenhalter durch Schnur oder Riemen mit dem Handgelenk verbinden.
*Schwingungsarme Nietwerkzeuge sind bevorzugt einzusetzen.
*Zur Lärmreduzierung zunächst versuchen Nietquetsche zu verwenden, anderenfalls schweren Gegenhalter oder stark eingestellten Niethammer benutzen.

== Wiederholungsfragen ==

1. Wodurch wird der Formschluss beim Nieten erreicht?

2. Vergleiche Niet- und Schweißverbindungen hinsichtlich Kosten, Arbeitsaufwand etc.

3. Welche Nietarten kennen Sie? Nennen Sie mindestens 3 !

4. Welche Werkstoffeigenschaft ist für Nietverbindungen erforderlich?

5. Wie werden Halbrundniete entfernt?

6. Was sind die Gründe für Korrosion an Nietverbindungen? Nennen Sie bitte mindestens 2 Gründe!

7. Nennen Sie mindestens 2 Maßnahmen zum Thema Arbeits- und Gesundheitsschutz beim Nieten.

8. Nennen Sie mindestens 2 Anwendungsbereiche wo Nietverbindungen vorteilhaft sind!

9. Wie sollten Nietverbindungen nach Möglichkeit beansprucht werden?

[[Nietverbindungen: Lösung#Schalthebel|Hier geht's zur Lösung!]]

== Formeln ==

* '''Rohnietdurchmesser'''

In Abhängigkeit von der kleinsten zu verbindenden Blechdicke "t" wird im Stahlbau der Rohrnietdurchmesser auch nach der Gebrauchsformel gewählt:

[[Bild:Formel_Nietlochdurchmesser2.jpg]]

* '''Rohnietlänge'''

Der Rohniet muss so lang sein, dass genügend Werkstoff zum Füllen des Nietloches und Schließkopfes vorhanden ist. Bei üblichem Lochdurchmesser ergibt sich die Rohnietlänge aus:

[[Bild:Formel_Nietlänge2.jpg]]

* '''Abscherspannung'''

Für die Nachprüfung einer gegebenen Nietverbindung werden die berechneten mit den zulässigen Spannungen verglichen:

[[Bild:Formel_Abscherspannung2.jpg]]

* '''Lochleibungsdruck'''

Aus der Flächenpressung folgt für den Lochleibungsdruck eines Nietes folgende Gleichung:

[[Bild:Lochleibungsdruck2.jpg]]

* '''Nietanzahl aufgrund der zulässigen Abscherspannung'''

Erforderliche Nietzahl aufgrund des zulässigen Lochleibungsdruck:

[[Bild:Formel_Nietzahl_Abscherspannung2.jpg]]

== Berechnung und Dimensionierung ==

Rechenaufgaben:

1. Nietwerkstoff: S235JR (St37) mit Rm = 340 … 470 N/mm²

a) Kraft, die das Niet durch Abscherung zerstören würde.

b) zulässige Beanspruchung bei 5facher Sicherheit.

[[Bild:Nietaufgabe1.JPG]]

2. Es sollen zwei Bleche miteinander vernietet werden, die unter einem Krafteinfluss von 882kN stehen. Der Werkstoff ist aus S235.

a) Bestimmen Sie den Nietdurchmesser und die Nietlänge anhand des Tabellenbuches. Die Auslegung soll nach den Richtwerten für Kranbau ermittelt werden.

b) Berechnen Sie anschließend zum Vergleich den Nietdurchmesser und die Nietlänge rechnerisch.

c) Ermitteln Sie laut Tabellen Buch ''T''azul nach Lastfall H für eine einschnittige Verbindung.

d) Berechnen Sie die benötigte Nietanzahl.

e) Dimensionieren Sie das erforderliche Nietbild.

[[Bild:Nietaufgabe3a.JPG]]

[[Nietverbindungen: Lösungen#Schalthebel|Hier geht's zu den Lösungen!]]

== Powerpoint Präsentation über Nietverbindungen ==
[[Media:Nietverbindungen_V7.ppt|Nietverbindungen]]

== Quellen==
Dieses sind die Werke welche als Vorlage gedient haben.

# Tabellenbuch Metall, 43. Auflage. Europa Verlag, ISBN 3-8085-1673-9, €21,50
# Roloff/Matek: Maschinenelemente-Tabellenbuch, Vieweg Verlag, 18. Aufl. 2007, ISBN 3-834-80262-X, €36,90.
# Roloff/Matek: Maschinenelemente-Formelsammlung, Vieweg Verlag, 8. Aufl. 2006. ISBN 3-834-80119-4, €20,90.
# Allgemeine Internetnutzung, wie z.B. [http://www.wikipedia.de wikipedia]

{{www}}
* [[Media:xxx.ppt|Powerpointpräsentation zum Thema, 2010]]

[[Kategorie: Entwicklung und Konstruktion]]

Benutzer:Sandra Kellinghusen

2010-11-16T15:26:24Z

Sandra Kellinghusen: Die Seite wurde neu angelegt: '''Hallo {{Currentuser}}, ich wünsche Dir viel Spaß beim Lesen meiner Seite...''' Am 14.08.2010 findet mein Unterricht zum Thema ...

'''Hallo {{Currentuser}}, ich wünsche Dir viel Spaß beim Lesen meiner Seite...'''

Am 14.08.2010 findet mein Unterricht zum Thema [[Nietverbindungen]] statt

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Spritzgießen

2009-04-22T20:34:21Z

Sandra Kellinghusen: /* '''Quellen''' */

== '''Spritzgießen''' ==

=== Einleitung ===

Beim Spritzgießen werden überwiegend Thermoplaste1 im plastifizierten, fließfähigen Zustand in geteilte und 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|]]

=== 1Thermoplaste: ===
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.

=== Vorgänge beim Spritzgießen ===

[[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.

=== Werkstoffverhalten ===

Die Plastifizierte Formmasse sollte so schnell wie möglich in den Formhohlraum eingesprizt werden, damit Druck und Temperatur im Hohlraum überall gleich sind. Tritt dieser idealfall ein, ist eine gleichmäßige Struktur des Werkstoffes und ein gleichmäßiges Schwindungsverhalten im ganzen Spritzgießteil gewährleistet, sodass keine Spannungen und kein Verzug auftreten.

Dieser ideale Vorgang lässt sich leider nicht realisieren. Fließwiederstände im Werkzeug und in der Düse bewirken einen Druckabfall während des Einspritzens. Ungleichmäßiges Abkühlen der Formmasse im Werkzeughohlraum, der auch Kavität genannt wird, ergibt eine ungleichmäßige Werkstoffstruktur.

=== Molekühlorientierung ===

[[Bild:Amorpher Thermoplast.jpg|left|300x300px]]
[[Bild:Molekühlorientierung_0001.jpg|left|300x300px]]
[[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.

=== Kristallisationsgrad ===

[[Bild:Kristallisationsgrad.jpg|left|300x300px]]

{{Mark
|Bei teilkristallinen Werkstoffen kann sich auf Grund der schnellen Abkühlung im Bereich der Formwand keine Kristallisation bilden. Der Randbreich des Spritzgießteils hat darum einen amorphen Aufbau, währen der Kern einen mehr 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)'''.

=== Fließverhalten ===

[[Bild:Fließfront.jpg|left|300x300px]]
[[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)'''.}}

=== Einflussgrößen auf den Spritzvorgang ===

[[Bild:Einflussgrößen auf den Spritzvorgang.jpg|right|300x300px]]
[[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).

=== Druckverlauf ===

[[Bild:Druckverlauf.jpg|left|300x300px]][[Bild:Auswirkungen des Nachdruckes.jpg|right|300x300px]][[Bild:SGT mit Lunker.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Werkzeuginnendruck.jpg|left|300x300px]]

Durch den '''Einspritzdruck''', welcher in der Formmasse im Schneckenvorraum herrscht, wird im Formhohlraum aufgrund von Strömungswiederständen in der Düse und im Werkzeug ein zeitlich verzögerter und in der Höhe etwas geringerer '''Werkzeuginnendruck''' aufgebaut '''(Bild 1)'''. Dadurch füllt sich die Werkzeughöhlung mit Formmasse (Bild 1, '''Kurvenpunkt A''') und erzeugt die Ausformung der Konturen durch das Komprimieren (verdichten, zusammenpressen) der Formmasse. Der Maximale Werkzeuginnendruck (Bild 1, '''Kurvenpunkt B''') hängt von der Form, vom Werkstoff, von der Qualität des Spritzgießteils und vom Verhältnis zwischen Fließweg und Wanddicke ab. Dieses Verhältnis wird durch den maximalen Fließweg, den die Formmasse zurücklegen muss und der Wanddicke des Spritzgießteils gebildet '''(Bild 2)'''. Ist der gewünschte Werkzeuginnendruck erreicht, so wird der Einspritzdruck vermindert und als '''Nachdruck''' bezeichnet (Umschaltpunkt). Dieser füllt in der anschließenden Phase nur noch das Restvolumen auf und gleicht die Volumenminderung aus, die durch das Abkühlen der Schmelze eintritt. Der Innendruck fällt dabei leicht ab. Auswirkungen des Nachdruckes auf den Spritzvorgang zeigt die '''Tabelle 1'''.

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.

=== Formfüllungsgrad ===

[[Bild:Formfüllstudie.jpg|left|300x300px]]

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.

=== Abkühlung ===

[[Bild:Abkühlzeit für PS.jpg|left|300x300px]]

Wie schnell die Formstabilität der Formmasse beim Abkühlen eintritt, hängt von der '''Werkzeugtemperatur''' ab. Diese wiederum wird von der Art der Formmasse und von den Anforderungen an das Spritzgießteil sowie von der Wanddicke bestimmt '''(Bild 1)'''.
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 Vorgang vom Einspritzen der Schmelze in den Formhohlraum bis zum nächsten Einspritzvorgang bezeichnet man auch als '''Takt, Schuss''' oder '''Zyklus'''.

== '''Spritzgießmaschine''' ==

[[Bild:Spritzgießmaschiene.jpg|center|800x800px|]]

=== Die Aufgaben der Spritzgießmaschine ===

[[Bild:Aufgaben der Spritzgießmaschine.jpg|left|300x300px|]]

*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 der Form.

Die ersten beiden Aufgaben übernimmt die Spritzeinheit der Spritzmaschine, während die dritte Aufgabe die Schließeinheit durchführt.

=== Spritzeinheit ===

[[Bild:Spritzgießmaschiene_1.jpg|right|600x600px]]

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)'''.

[[Bild:Schneckenkolbenext.jpg| left|300x300px]]

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.

=== Einstellgrößen ===

[[Bild:Einstellgr Plastif.jpg|left|300x300px]]

Die Drehzahl der Schnecke richtet sich neben dem Schneckendurchmesser nach der Größe der Umfangsgeschwindigkeit, die von den Formmasseherstellern vorgegeben wird '''(Tabelle 1)'''.

[[Bild:Wirkung_des_Staud.jpg|left|300x300px]]

Der Wiederstand 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''' ==

Die Düse hat die Aufgabe, eine dichte Verbindung, möglichst ohne Druck- und Temperaturverlust, zwischen dem Spritzzylinder und dem Werkzeug herzustellen. Durch die Berührung mit dem kälteren Werkzeug kann der Düse und der verbleibenden Schmelze wärme entzogen werden. Abhilfe kann geschaffen werden, durch eine Düsenheizung sowie durch das Abheben der Düse vom Werkzeug nach der Nachdruckzeit.

=== Offene Düsen und Verschlussdüsen ===

[[Bild:offene Düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Nadelv.düse.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Schiebev.düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Quernadelv.düse.jpg|right|300x300px]]

Wenn es die Zähigkeit der Schmelze zulässt, wählt man meist eine '''offene Düse (Bild 1)'''. Die Druck- und Temperaturverluste sind wegen des glatten Kanals sehr gering. Außerdem ist die offene Düse leicht zu reinigen und zu spülen. Die Gefahr, dass Schmelze aus der Düse austreten kann, nimmt mit kleiner werdender Düsenbohrung (ca. 3- 8mm) ständig ab. Ist die Schmelze zu dünnflüssig, so müssen '''Verschlussdüsen''', z.B. Schieberverschlussdüsen '''(Bild 2)''', oder Nadelverschlussdüsen '''(Bild3)''', vorgesehen werden. Sie sind so konstruiert, das die Düsenöffnung nach jedem Einspritzvorgang verschlossen und dadurch das Ausströmen der Masse verhindert wird.
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 (RD) bei Konvexdüsen etwas kleiner ist, als der Radius der Angießbuchse (RA), 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.

== '''Schließeinheit''' ==

Die Schließeinheit nimmt an der beweglichen und an der festen Werkzeugplatte die jeweiligen Formhälften auf. Das Öffnen, Schließen und Zuhalten des Werkzeuges wird durch ein Kniehebelssystem oder durch einen vollhydraulischen Antrieb ausgeführt '''(Bild1, Spritzgießmaschine beim Thema Spritzeinheit)'''.

=== Schließkraft – Zuhaltekraft ===

[[Bild:Schließkraft.jpg|left|300x300px]][[Bild:Durchbiegung.jpg|right|300x300px]][[Bild:Stützrollen.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Schwimmhäute.jpg|left|280x280px]]

Die '''Schließkraft''' Fs ist die Kraft, die die Säulen nach dem Schließvorgang beansprucht und dehnt sowie die beiden Formhälften zusammendrückt '''(Bild 1)'''. Beim Einspritzen der Formmasse entsteht durch den Werkzeuginnendruck pw eine Auftriebskraft FA (FA= pw * A), die eine weitere Zugbeanspruchung und Dehnung der Säulen verursacht. Die Summe der Kräfte, die die Säulen beim Einspritzvorgang insgesamt belasten, wird als '''Zuhaltekraft''' Fz bezeichnet. Sie ist stets größer als die Schließkraft, und sie ist von der Steifigkeit der Maschine und des Werkzeuges abhängig.

Ist die '''Auftriebskraft''' größer als die Zuhaltekraft, so wird die Anlage zwischen den beiden Werkzeughälften aufgehoben und es tritt Schmelze zwischen den beiden Formhälften aus, die zur '''Grat'''- oder '''Schwimmhautbildung''' führt '''(Bild 2)'''. Diesen Vorgang nennt man auch '''Überspritzung''' oder '''Überladung'''.
Die '''Zuhaltekraft''' sollte trotzdem so klein wie möglich eingestellt werden, um auch einer Durchbiegung bei den Formnesttragenden Werkzeugplatten vorzubeugen. Diese '''Durchbiegung''' entsteht dadurch, dass beim Einspritzen der Werkzeuginnendruck versucht, die beiden Formhälften überwiegend im Bereich der Formhohlräume auseinander zu drücken, während die Zuhaltekräfte nur im Bereich der direkten Kraftübertragung wirken (Bild 1). Die Durchbiegung ist besonders groß bei geringer Steifigkeit der Platten und um die Bereiche gegenüber der düsenseitigen Zentrierbohrung und vor allem gegenüber dem Auswerfersystem '''(Bild 3)'''.
Die Durchbiegung führt zur Gratbildung und u.U. dazu, dass nicht der größtmögliche Einspritzdruck gewählt werden kann. Abhilfe kann dadurch geschaffen werden, dass zusätzliche Stützrollen vorgesehen werden, die mit einem Übermaß von 0,03mm … 0,05mm gegenüber den äußeren Abstützungen eingebaut werden '''(Bild 4)'''.
Auch wegen der beim Einspritzen erforderlichen Entlüftung der Werkzeughöhlung über die Berührungsflächen der beiden Formhälften sollte die Schließkraft so niedrig wie möglich sein.

== '''Gestalten von Spritzgießteilen''' ==

=== Maßtoleranzen bei Spritzgießteilen ===

[[Bild:Maßarten.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle1 Ermittlung.jpg|right|300x300px]]

Die erzielbaren Toleranzen sind größtenteils abhängig von der Schwindung, den Formmassen und der Art der Maße, wobei natürlich auch die Qualität der Spritzgießmaschine und des Werkzeuges eine Rolle spielen.

So lassen sich mit amorphen Formmassen kleinere Toleranzen leichter einhalten als mit teilkristallinen. '''Werkzeuggebundene''' Maße lassen sich genauer herstellen als '''nicht werkzeuggebundene''' Maße '''(Bild 1)'''.

DIN 16 901 bildet bei der Festlegung der Toleranzen zuerst Toleranzgruppen in Abhängigkeit der Formmassen und Schwindungskennwerte (siehe Tabellenbuch). Bezogen auf diese Toleranzgruppen und die festgelegte Maßart werden dann den verschiedenen Nennmaßbereichen die zulässigen Abweichungen zugeordnet.

Die Ermittlung der Allgemeintoleranz für das werkzeuggebundene Maß a im Bild 1, das 35mm betragen soll, zeigt die Tabelle 1.

=== Richtlinien zur Gestaltung von Spritzgießteilen (VDI 2006) ===

[[Bild:Mindetwanddicke.jpg|left|300x300px]][[Bild:Gestaltungsbeispiele.jpg|right|300x300px]]

Die Wanddicken müssen groß genug sein, damit die Formmasse das Werkzeug sicher füllen kann, ehe sie zu stark abkühlt oder ausgehärtet ist. Deshalb ist die '''Mindestwanddicke''' in Abhängigkeit vom '''Fließweg''' im Werkzeug und der Fließfähigkeit der Formmasse zu wählen '''(Bild 2)''' und Bild 2: Werkzeuginnendruck für einfache Teile beim Thema Druckverlauf).

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)'''.

[[Bild:Neigung.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle rautiefe.jpg|right|300x300px]][[Bild:Verzug.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Winkelverzug.jpg|left|300x300px]]

Um das Spritzgießteil leicht und schnell aus der Form entfernen zu können, müssen alle Flächen des Werkstückes, die in Öffnungsrichtung der Form liegen, eine leichte '''Neigung''' erhalten '''(Bild 1)'''. Zusätzlich muss sichergestellt sein, dass das Spritzgießteil beim Öffnen der Form von der schließseitigen Formhälfte mitgenommen und von der Auswerfervorrichtung entfernt wird. Weiterhin hängen die Entformungsschrägen speziell bei strukturierten Oberflächen von der Oberflächenrauigkeit der abzubildenden Kavitäten ab. Die Struktur kann aufgrund ihrer Tiefe wie eine Verzahnung zwischen Formteil und Werkzeugoberfläche wirken und somit die Entformung erschweren. Die Lage der Strukturrichtung parallel oder senkrecht zur Entformungsrichtung und die Materialpaarung Stahl- Kunststoffmasse ist von entscheidender Bedeutung '''(Tabelle 1)'''.

Als einfache Näherung sollte für eine Strukturtiefe von 0,02mm pro 1° Entformungsschrägen bei senkrechter Lage zur Entformungsrichtung nicht überschritten werden. Scharfe Ecken und Kanten können beim Einspritzvorgang des Kunststoffmaterials so stark scheren, dass es zu einer thermischen Schädigung des Kunststoffes kommen kann.

Eine Abrundung bei Umlenkungen wirkt nicht nur der Scherung entgegen, sondern auch dem '''Winkelverzug''' und der Kerbwirkung im Eckbereich. Der mögliche Verzug des Formteils wird in '''(Bild 2)''' dargestellt. Da die dünnen Formteilbereiche schneller abkühlen, werden sie durch die Schrumpfkraft der dickeren verformt.

In '''Bild 3''' kann das Volumenelement '''a''' seine Erstarrungswärme nur stark verzögert an das Werkzeug abgeben. Volumenelement '''b''' kühlt dagegen rascher ab, da es an zwei Seiten an das Werkzeug grenzt. Es entsteht ein '''Winkelverzug'''. Diesem kann durch Abrunden und durch verringerung der Wandstärke im Eckbereich entgegengewirkt werden.

== '''Schwindung''' ==

[[Bild:Tabelle1 Anhaltsw.jpg|left|600x600px]]

Bei der Festlegung des Formhohlraumes müssen die Schwindung und evtl. die Nachschwindung berücksichtigt werden.

Unter Schwindung versteht man die Maßänderung von Werkstücken durch das Zusammenziehen des Werkstoffes beim Abkühlen als Maßunterschied zwischen Werkzeugkavität und Formteil. Bei der Erfassung dieser Schwindung '''(Tabelle 1)''' kommt erschwerend hinzu, dass die Schwindungsdifferenz sowie die Nachschwindung berücksichtigt werden müssen.

Eine '''Schwindungsdifferenz''' tritt dann auf, wenn die Schwindungen in Fließrichtung und quer dazu unterschiedlich groß sind. Der Unterschied zwischen Längs- und Querschwindung ist die Schwindungsdifferenz. Bei einer größeren Schwindungsdifferenz kann dies zu Verwindungen oder zum Verzug des spritzgegossenen Formteils führen.

Die Formteilgeometrie und die Angusslage können Molekülorientierungen hervorrufen, wodurch die Schwindungsdifferenz beeinflusst werden kann. Durch die Verwendung von Füllstoffen kann die Schwindung vermindert werden. Bei faserigen Verstärkungsstoffen kann durch die Faserorientierung im Bauteil eine sehr große Schwindungsdifferenz entstehen. Die Temperaturdifferenz während der Verarbeitung und der Gebrauchstemperatur des Formteils ergibt eine vernachlässigbare Längenänderung der Glasfasern. Sind nun Glasfasern in einem Formteil durch den Materialfluss während des Füllvorganges stark orientiert, schwindet das Formteil quer zur Faser wesentlich stärker als längs dazu. Werden zum Beispiel Glaskugeln zugemischt, wird insgesamt eine geringere Schwindung beobachtet.

Die '''Nachschwindung''' ist der Unterschied zwischen dem Maß eines auf Raumtemperatur abgekühlten Spritzgießteils und dem Maß desselben Spritzgießteils nach der Einwirkung einer bestimmten Temperatur. Sie verursacht eine Nachkristallisation und kann während des Gebrauches oder auch gezielt durch Tempern eingebracht werden. Durch die Naschwindungen werden die Fertigteilabmessungen nochmals kleiner.

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.

== '''Aufbau von Spritzgießwerkzeugen''' ==

[[Bild:Spritzgießwerkzeug.jpg|center|900x600px]]

=== Einleitung der Spritzgießwerkzeuge ===

[[Bild:Tabell1 Einleitung.jpg|left|400x300px]]

Die Vielzahl der Unterschiedlichen Spritzgießanwendungen erfordert verschiedene Werkzeugarten. Sie werden nach Anzahl der Formhohlräume, nach Art des Angusssystems, nach Anzahl der Trennebenen und nach Art der Entformung unterschieden. Die unterschiedlichen Verarbeitungsmöglichkeiten im Spritzgießbereich führen zu einer Vielzahl von Sonderverfahren, welche nicht alle in der Übersicht '''(Tabelle 1)''' aufgeführt werden können.

== '''Angusssysteme''' ==

[[Bild:Angusssystem.jpg|left|300x300px]]

Der Anguss ist ein System von Strömungswegen, in denen die fließfähige Formmasse von der Düse der Spritzeinheit zur Formhöhlung (Kavität) fließt.

Dieses System kann aus dem Angusskegel, den Verteilerkanälen, der sog. Angussspinne und dem Anschnitt bestehen '''(Bild 1)'''. Bei Einfachwerkzeugen können sich die Strömungswege auf eine kegelige Bohrung beschränken, die direkt in die Formhöhlung mündet. Die Stelle, an der der Anguss in die Formhöhlung eintritt, nennt man den '''Anschnitt'''.
Den Zeitpunkt nach dem der Anschnitt „eingefroren“ (d.h. erstarrt) ist und somit der Nachdruck nicht mehr wirken kann, nennt man '''Siegelpunkt'''. Ein längeres Nachdrücken über diesen Zeitpunkt hinaus ist unnötig.

Der Zeitpunkt des Erstarrens kann durch eine Innendruckmessung oder durch das Bestimmen der Formteilmasse ermittelt werden. Das maximale Formteilgewicht ist erreicht, wenn der Anschnitt eingefroren ist.

Der Anguss ist so zu gestalten, dass die flüssige Masse möglichst auf kürzestem Wege, mit geringstem Wärme- und Druckverlust die Kavitäten gleichzeitig füllt. Die Querschnitte der Strömungswege müssen so bemessen sein, dass eine gleichmäßige Füllung des Angusssystems sowie der Formhöhlung erreicht wird.

=== Angussformen ===

Die Angussform ist so zu wählen, dass für den speziellen Fall die bereits erwähnten Forderungen erfüllt werden können. Außerdem müssen noch folgende Einflussgrößen berücksichtigt werden.

* Formteilgeometrie und Formteilvolumen
* Viskosität der Formmasse
* Art des Spritzgießwerkzeuges
* Fließweglänge

=== Stangen- oder Kegelanguss ===

[[Bild:Stangen& P.Anguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Stangenanguss.jpg|right|300x300px]]

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.

=== Punktanguss ===

[[Bild:Punktanguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Vergr. Vorkammer.jpg|right|300x300px]]

Beim Entformen reißt der Punktanguss am kleinsten Querschnitt ab und bleibt als Angusszäpfchen am Spritzgießteil '''(Bild 2b zum Thema Stangen und Punktanguss''' und '''Bild 4 Punktanguss mit Vorkammer)'''. Es entsteht dadurch keine Nacharbeit und keine optisch störende Bearbeitungsfläche wie beim Stangenanguss. Außerdem muss der Anguss, also die Formmasse, in der Vorkammer nicht entformt werden.

Der Punktanguss wird besonders für kleinteile und Massenartikel in Einfach- und Mehrfachwerkzeugen vorgesehen, sowie für Mehrfachangüsse bei einem größeren Formteil. Dann muss zum Entformen des Angussverteilers mit einem Dreiplattenwerkzeug gearbeitet werden.

Je kleiner die Bohrung des Punktangusses ist, desto leichter geht das Abreißen vor sich. Dabei ist jedoch neben der Wanddicke die Zähflüssigkeit (Viskosität) der Schmelze, sowie die Temperatur zu beachten.

[[Bild:Vork. mit v. Düsens..jpg|left|300x300px]][[Bild:Vork. m. beh. K-B.sp.jpg|right|300x300px]]

Kann die Formhöhlung durch den kleinen Punktanguss nicht mehr schnell genug gefüllt werden, so kühlt die Schmelze in der '''Vorkammer''' vorzeitig ab, so dass sie unter Umständen von Hand entfernt werden muss.

Deshalb wird die Vorkammer etwas vergrößert, so das die an der Innenwandung haftende abgekühlte Masse als Isolator wirkt '''(Bild 1)'''.

Der Kern der Schmelze, die sog. Plastische Seele, bleibt im Angussbereich flüssig. Die Verweildauer der Schmelze in der Vorkammer sollte aber nicht zu lang sein. Kurze Zyklen, d. h. mehrmaliges Einspritzen pro Minute, sind für das Funktionieren des Systems notwendig.

Ist die Spritzhäufigkeit nicht möglich, so wird eine Kupfer- Beryllium- Spitze in die Vorkammer eingeführt. Der Raum zwischen Kupferspitze und Innenwandung der Vorkammer füllt sich mit erkalteter Masse, die dann als Isolierung wirkt. Die Kupferspitze nimmt über die Düse genügend wärme auf, um die Masse im inneren flüssig zu halten '''(Bild 2)'''.

Eine weitere Möglichkeit, die Abkühlung der Formmasse zu verhindern, besteht darin, die Vorkammer durch spezielle Heizpatronen zu erwärmen '''(Bild 3)'''.

=== Teller- und Scheibenanguss ===

[[Bild:Telleranguss.jpg|left|300x300px]]

Teller- und Scheibenangüsse werden für ringförmige Spritzgießteile vorgesehen '''(Bild 1a)'''. Würde man hier mit einem Punktanguss oder mit zwei Anbindungen arbeiten, so entstünde eine '''Binde-''' und '''Fließnaht (Bild 1b)'''. Sie entsteht, wenn zwei Masseströme sich aufgrund vorzeitiger Abkühlung nicht mehr miteinander verbinden. Je kälter die zusammentreffenden Masseströme sind, desto sichtbarer sind die Bindenähte und umso geringer ist die Festigkeit. Bindenähte entstehen auch, wenn sich Masseströme an einem Kern teilen und sich wieder miteinander verbinden müssen.

Diese Qualitätsminderung kann z.B. durch die Erhöhung der Werkzeugtemperatur teilweise reduziert werden. Mit einer Zykluszeiterhöhung ist zu rechnen.

=== Schirmanguss ===

[[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)'''.

=== Ringanguss ===

[[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.

=== Film- oder Bandanguss ===

Flache teile schneidet man zweckmäßigerweise über ein seitliches oder zentrales Band, dem Filmanguss, an. Dadurch lassen sich, wie bei einem Einzelpunktanguss, ungünstige Fließverhältnisse, oder wie bei Mehrfachpunktangüssen, störende Bindenähte vermeiden '''(Bild 2c)'''.

Ebenso lässt sich die Verzugsneigung durch gleichmäßige Druckverhältnisse positiv beeinflussen.
Eine weitere Anwendung ist deshalb die Herstellung optischer Formteile, wie durchsichtige Abdeckungen und optische Linsen.

Filmanschnitte erfordern eine Nacharbeit durch abtrennen des Angusses.

=== Tunnelanguss ===

[[Bild:Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Beim Tunnelanguss wird das Spritzgießteil seitlich oder an den verdeckten Flächen oder an anderen problemlosen Stellen angespritzt und automatisch beim öffnen der Formhälften, oder beim Ausstoßen vom Angusssystem, getrennt (Bild 1).

Der Verteilerkanal führt entlang der Trennfläche nicht direkt in die Formhöhlung, sondern er geht kurz zuvor schräg als konischer Tunnel durch die düsenseitige Werkzeughälfte in den Formhohlraum.
Wird die schließseitige Formhälfte zurückgezogen, so müssen das Spritzgießteil und das Angießsystem mitgenommen werden. Dabei wird der Tunnelanguss am Anschnitt durch eine Schneidkante abgeschert '''(Bild 1)'''.

Das Mitnehmen des Formteils muss durch Aufschrumpfen auf den Kern geschehen, und die des Angusses durch einen eingearbeiteten Hinterschnitt.

Anschließend wird das Spritzgießteil und das Angießsystem durch die Auswerfer entformt.

Wird ein Tunnelanguss vorgesehen, so muss beachtet werden, dass sich der vom Formteil getrennte Anguss beim öffnen der Werkzeughälften ausreichend biegen muss. Damit der Anguss nicht bricht, muss er eine ausreichende Konizität haben und frei biegbar sein, möglichst mit einem definierten Biegepunkt.

Die Formmasse sollte zähelastisch oder beim Entformen noch nicht vollständig erstarrt sein. Nur dann arbeitet das System störungsfrei. Da beim Tunnelanguss die Druckverluste hoch sind, wird er überwiegend zu Herstellung einfacher und kleiner Spritzgießteile in Mehrfachwerkzeugen verwendet.

=== Gebogener Tunnelanguss ===

[[Bild:geb. Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Der gebogene Tunnelanguss, auch Haken- oder Säbelanguss genannt '''(Bild 2)''', bietet die Möglichkeit ein Spritzgießteil auf der Rückseite oder an verdeckter Stelle anzubinden.

Das Entformungsprinzip entspricht dem des Tunnelangusses. Die Verwendung ist auf elastische Formmassen beschrängt. Die große Durchbiegung bei der Entformung erfolgt während der Ausstoßbewegung.

Durch den geringen Fließquerschnitt im Anschnittbereich entstehen große Druckverluste. Dadurch ist dieses Angusssystem nur für einfache Artikel verwendbar.

=== Angießmöglichkeiten für Mehrfachwerkzeuge ===

[[Bild:Verteilersterne.jpg|left|300x300px]][[Bild:Reihenanguss.jpg|right|300x300px]]

In einem Mehrfachwerkzeug werden in einem Spritzvorgang mehrere Spritzgießteile gleichzeitig hergestellt. Liegen die Formhöhlungen, auch Formnester genannt, in der Trennfläche, so werden diese über Verteilerkanäle mit Schmelze versorgt '''(Bild 1)'''.

Liegen die Formhöhlungen zentrisch um den Mittelpunkt des Angusskegels, so nennt man das System der Verteilerkanäle '''Verteilersterne'''. Bei den Verteilersternen in '''Bild 1a''' sind die Fließwege der Formmassen gleich lang. Der Vorteil des Verteilersterns mit Ringkanal in '''Bild 1b''' liegt darin, dass die Gesamtlänge der Verteilerkanäle kürzer ist. Beim '''Reihenanguss''' '''(Bild 2)''' sind die Fließwege unterschiedlich lang, was zu einer geringeren Qualität des Spritzgießteils führen kann. Bild 2 zeigt ein Beispiel für eine ungleichmäßige Füllung der Formhohlräume. Diesen Nachteil kann man durch unterschiedliche Anschnittquerschnitte ausgleichen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der größeren Anzahl der gleichzeitig herstellbaren Spritzgießteile.

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.

=== Verteilerkanal- und Anschnittform ===

[[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.

Beim runden Anschnitt ist die Einarbeitung ebenfalls in beide Formhälften notwendig. Wird der rechteckige Querschnitt gewählt, so muss darauf geachtet werden, dass die Breite des Anschnittes ungefähr 2mm kleiner als der Verteilerkanal ist (Bild 3).

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''' ==

=== Dreiplattenwerkzeug ===

[[Bild:Dreiplattenwerkz.jpg|left|300x300px]]

Höhere Spritzgiezteile werden deshalb vom Boden her zentral angespritzt. 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.

=== Isolierkanalwerkzeug ===

[[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.

=== Etagenwerkzeug ===

[[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.

=== Heißkanalsysteme ===

[[Bild:Heißkanalwerkzeug.jpg|left|300x300px]]

Im Heißkanalsystem '''(Bild 1)''' wird die in den Verteilerkanälen enthaltene Masse durch Heizpatronen oder/ und Rohrheizkörper '''(Bild 2)''' ständig auf Schmelztemperatur gehalten. Um einen Wärmeübergang vom Heißkanalbereich auf das wesentlich kühlere Werkzeug zu meiden, müssen die Kontaktflächen minimiert, ein isolierend wirkender Luftspalt sowie Reflektorbleche vorgesehen werden. Thermofühler in verbindung mit einem Regelkreis sorgen für eine möglichst gleichmäßige Temperatur im Angießsystem.

Es werden außen- und innenbeheizte Heißkanalsysteme unterschieden.

'''Außenbeheizte''' Heißkanalsysteme transportieren Wärmeenergie von außen in den Verteilerkanal (Bild 2a).

'''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
* Anspritzpunkte in großer Entfernung von der Plastifiziereinheit realisierbar
* keine Nacharbeit zum Entfernen des Angusses
* Etagenwerkzeuge nur mit Heißkanalsystemen möglich

Die '''Nachteile''' von Heizkanalwerkzeugen sind:
* hohe Energiekosten
* größere Werkzeugeinbauhöhe
* höhere Werkzeugkosten
* Farb- und Materialwechsel schwierig

'''Anwendung''':
* Großserienwerkzeuge, große Losgrößen
* große Formteile mit mehreren Anspritzpunkten

== '''Sonstiges''' ==

Zur Vollständigkeit einer Spritzgießanlage müssen noch folgende Punkte genannt werden:
* die Werkzeugtemperierung, sie regelt die Wärme zu- und abführ (Kühlssystem)
* Serielle Anordnung des Kühlkreislaufes
* Parallele Anordnung des Kühlkreislaufes
* Entformungssysteme (Auswerfeinrichtungen), sie stoßen das Werkstück aus
* Auswerfsysteme bei Hinterschneidungen (äußere und innere Hinterschneidungen)
* Bewegliche Kernsegmente
* Elastische Zwangsentformung
* Zusammenfaltbarer Kern
* Entformung durch Rotation des Formteils
* Kernversatz (Kernlagerung)
* Werkzeugentlüftung, um die Formen schnell genug zu füllen.

== '''Quellen''' ==

# Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Verlag, 53. Auflage
# Der Werkzeugbau, Europa Lehrmittel Verlag, 13. Auflage

[[Kategorie:Fertigungstechnik]]

Spritzgießen

2009-04-22T20:34:02Z

Sandra Kellinghusen: /* '''Sonstiges''' */

Spritzgießen

2009-04-22T20:30:00Z

Sandra Kellinghusen: /* '''Sonstiges''' */

== '''Spritzgießen''' ==

=== Einleitung ===

Beim Spritzgießen werden überwiegend Thermoplaste1 im plastifizierten, fließfähigen Zustand in geteilte und 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|]]

=== 1Thermoplaste: ===
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.

=== Vorgänge beim Spritzgießen ===

[[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.

=== Werkstoffverhalten ===

Die Plastifizierte Formmasse sollte so schnell wie möglich in den Formhohlraum eingesprizt werden, damit Druck und Temperatur im Hohlraum überall gleich sind. Tritt dieser idealfall ein, ist eine gleichmäßige Struktur des Werkstoffes und ein gleichmäßiges Schwindungsverhalten im ganzen Spritzgießteil gewährleistet, sodass keine Spannungen und kein Verzug auftreten.

Dieser ideale Vorgang lässt sich leider nicht realisieren. Fließwiederstände im Werkzeug und in der Düse bewirken einen Druckabfall während des Einspritzens. Ungleichmäßiges Abkühlen der Formmasse im Werkzeughohlraum, der auch Kavität genannt wird, ergibt eine ungleichmäßige Werkstoffstruktur.

=== Molekühlorientierung ===

[[Bild:Amorpher Thermoplast.jpg|left|300x300px]]
[[Bild:Molekühlorientierung_0001.jpg|left|300x300px]]
[[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.

=== Kristallisationsgrad ===

[[Bild:Kristallisationsgrad.jpg|left|300x300px]]

{{Mark
|Bei teilkristallinen Werkstoffen kann sich auf Grund der schnellen Abkühlung im Bereich der Formwand keine Kristallisation bilden. Der Randbreich des Spritzgießteils hat darum einen amorphen Aufbau, währen der Kern einen mehr 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)'''.

=== Fließverhalten ===

[[Bild:Fließfront.jpg|left|300x300px]]
[[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)'''.}}

=== Einflussgrößen auf den Spritzvorgang ===

[[Bild:Einflussgrößen auf den Spritzvorgang.jpg|right|300x300px]]
[[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).

=== Druckverlauf ===

[[Bild:Druckverlauf.jpg|left|300x300px]][[Bild:Auswirkungen des Nachdruckes.jpg|right|300x300px]][[Bild:SGT mit Lunker.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Werkzeuginnendruck.jpg|left|300x300px]]

Durch den '''Einspritzdruck''', welcher in der Formmasse im Schneckenvorraum herrscht, wird im Formhohlraum aufgrund von Strömungswiederständen in der Düse und im Werkzeug ein zeitlich verzögerter und in der Höhe etwas geringerer '''Werkzeuginnendruck''' aufgebaut '''(Bild 1)'''. Dadurch füllt sich die Werkzeughöhlung mit Formmasse (Bild 1, '''Kurvenpunkt A''') und erzeugt die Ausformung der Konturen durch das Komprimieren (verdichten, zusammenpressen) der Formmasse. Der Maximale Werkzeuginnendruck (Bild 1, '''Kurvenpunkt B''') hängt von der Form, vom Werkstoff, von der Qualität des Spritzgießteils und vom Verhältnis zwischen Fließweg und Wanddicke ab. Dieses Verhältnis wird durch den maximalen Fließweg, den die Formmasse zurücklegen muss und der Wanddicke des Spritzgießteils gebildet '''(Bild 2)'''. Ist der gewünschte Werkzeuginnendruck erreicht, so wird der Einspritzdruck vermindert und als '''Nachdruck''' bezeichnet (Umschaltpunkt). Dieser füllt in der anschließenden Phase nur noch das Restvolumen auf und gleicht die Volumenminderung aus, die durch das Abkühlen der Schmelze eintritt. Der Innendruck fällt dabei leicht ab. Auswirkungen des Nachdruckes auf den Spritzvorgang zeigt die '''Tabelle 1'''.

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.

=== Formfüllungsgrad ===

[[Bild:Formfüllstudie.jpg|left|300x300px]]

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.

=== Abkühlung ===

[[Bild:Abkühlzeit für PS.jpg|left|300x300px]]

Wie schnell die Formstabilität der Formmasse beim Abkühlen eintritt, hängt von der '''Werkzeugtemperatur''' ab. Diese wiederum wird von der Art der Formmasse und von den Anforderungen an das Spritzgießteil sowie von der Wanddicke bestimmt '''(Bild 1)'''.
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 Vorgang vom Einspritzen der Schmelze in den Formhohlraum bis zum nächsten Einspritzvorgang bezeichnet man auch als '''Takt, Schuss''' oder '''Zyklus'''.

== '''Spritzgießmaschine''' ==

[[Bild:Spritzgießmaschiene.jpg|center|800x800px|]]

=== Die Aufgaben der Spritzgießmaschine ===

[[Bild:Aufgaben der Spritzgießmaschine.jpg|left|300x300px|]]

*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 der Form.

Die ersten beiden Aufgaben übernimmt die Spritzeinheit der Spritzmaschine, während die dritte Aufgabe die Schließeinheit durchführt.

=== Spritzeinheit ===

[[Bild:Spritzgießmaschiene_1.jpg|right|600x600px]]

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)'''.

[[Bild:Schneckenkolbenext.jpg| left|300x300px]]

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.

=== Einstellgrößen ===

[[Bild:Einstellgr Plastif.jpg|left|300x300px]]

Die Drehzahl der Schnecke richtet sich neben dem Schneckendurchmesser nach der Größe der Umfangsgeschwindigkeit, die von den Formmasseherstellern vorgegeben wird '''(Tabelle 1)'''.

[[Bild:Wirkung_des_Staud.jpg|left|300x300px]]

Der Wiederstand 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''' ==

Die Düse hat die Aufgabe, eine dichte Verbindung, möglichst ohne Druck- und Temperaturverlust, zwischen dem Spritzzylinder und dem Werkzeug herzustellen. Durch die Berührung mit dem kälteren Werkzeug kann der Düse und der verbleibenden Schmelze wärme entzogen werden. Abhilfe kann geschaffen werden, durch eine Düsenheizung sowie durch das Abheben der Düse vom Werkzeug nach der Nachdruckzeit.

=== Offene Düsen und Verschlussdüsen ===

[[Bild:offene Düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Nadelv.düse.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Schiebev.düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Quernadelv.düse.jpg|right|300x300px]]

Wenn es die Zähigkeit der Schmelze zulässt, wählt man meist eine '''offene Düse (Bild 1)'''. Die Druck- und Temperaturverluste sind wegen des glatten Kanals sehr gering. Außerdem ist die offene Düse leicht zu reinigen und zu spülen. Die Gefahr, dass Schmelze aus der Düse austreten kann, nimmt mit kleiner werdender Düsenbohrung (ca. 3- 8mm) ständig ab. Ist die Schmelze zu dünnflüssig, so müssen '''Verschlussdüsen''', z.B. Schieberverschlussdüsen '''(Bild 2)''', oder Nadelverschlussdüsen '''(Bild3)''', vorgesehen werden. Sie sind so konstruiert, das die Düsenöffnung nach jedem Einspritzvorgang verschlossen und dadurch das Ausströmen der Masse verhindert wird.
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 (RD) bei Konvexdüsen etwas kleiner ist, als der Radius der Angießbuchse (RA), 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.

== '''Schließeinheit''' ==

Die Schließeinheit nimmt an der beweglichen und an der festen Werkzeugplatte die jeweiligen Formhälften auf. Das Öffnen, Schließen und Zuhalten des Werkzeuges wird durch ein Kniehebelssystem oder durch einen vollhydraulischen Antrieb ausgeführt '''(Bild1, Spritzgießmaschine beim Thema Spritzeinheit)'''.

=== Schließkraft – Zuhaltekraft ===

[[Bild:Schließkraft.jpg|left|300x300px]][[Bild:Durchbiegung.jpg|right|300x300px]][[Bild:Stützrollen.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Schwimmhäute.jpg|left|280x280px]]

Die '''Schließkraft''' Fs ist die Kraft, die die Säulen nach dem Schließvorgang beansprucht und dehnt sowie die beiden Formhälften zusammendrückt '''(Bild 1)'''. Beim Einspritzen der Formmasse entsteht durch den Werkzeuginnendruck pw eine Auftriebskraft FA (FA= pw * A), die eine weitere Zugbeanspruchung und Dehnung der Säulen verursacht. Die Summe der Kräfte, die die Säulen beim Einspritzvorgang insgesamt belasten, wird als '''Zuhaltekraft''' Fz bezeichnet. Sie ist stets größer als die Schließkraft, und sie ist von der Steifigkeit der Maschine und des Werkzeuges abhängig.

Ist die '''Auftriebskraft''' größer als die Zuhaltekraft, so wird die Anlage zwischen den beiden Werkzeughälften aufgehoben und es tritt Schmelze zwischen den beiden Formhälften aus, die zur '''Grat'''- oder '''Schwimmhautbildung''' führt '''(Bild 2)'''. Diesen Vorgang nennt man auch '''Überspritzung''' oder '''Überladung'''.
Die '''Zuhaltekraft''' sollte trotzdem so klein wie möglich eingestellt werden, um auch einer Durchbiegung bei den Formnesttragenden Werkzeugplatten vorzubeugen. Diese '''Durchbiegung''' entsteht dadurch, dass beim Einspritzen der Werkzeuginnendruck versucht, die beiden Formhälften überwiegend im Bereich der Formhohlräume auseinander zu drücken, während die Zuhaltekräfte nur im Bereich der direkten Kraftübertragung wirken (Bild 1). Die Durchbiegung ist besonders groß bei geringer Steifigkeit der Platten und um die Bereiche gegenüber der düsenseitigen Zentrierbohrung und vor allem gegenüber dem Auswerfersystem '''(Bild 3)'''.
Die Durchbiegung führt zur Gratbildung und u.U. dazu, dass nicht der größtmögliche Einspritzdruck gewählt werden kann. Abhilfe kann dadurch geschaffen werden, dass zusätzliche Stützrollen vorgesehen werden, die mit einem Übermaß von 0,03mm … 0,05mm gegenüber den äußeren Abstützungen eingebaut werden '''(Bild 4)'''.
Auch wegen der beim Einspritzen erforderlichen Entlüftung der Werkzeughöhlung über die Berührungsflächen der beiden Formhälften sollte die Schließkraft so niedrig wie möglich sein.

== '''Gestalten von Spritzgießteilen''' ==

=== Maßtoleranzen bei Spritzgießteilen ===

[[Bild:Maßarten.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle1 Ermittlung.jpg|right|300x300px]]

Die erzielbaren Toleranzen sind größtenteils abhängig von der Schwindung, den Formmassen und der Art der Maße, wobei natürlich auch die Qualität der Spritzgießmaschine und des Werkzeuges eine Rolle spielen.

So lassen sich mit amorphen Formmassen kleinere Toleranzen leichter einhalten als mit teilkristallinen. '''Werkzeuggebundene''' Maße lassen sich genauer herstellen als '''nicht werkzeuggebundene''' Maße '''(Bild 1)'''.

DIN 16 901 bildet bei der Festlegung der Toleranzen zuerst Toleranzgruppen in Abhängigkeit der Formmassen und Schwindungskennwerte (siehe Tabellenbuch). Bezogen auf diese Toleranzgruppen und die festgelegte Maßart werden dann den verschiedenen Nennmaßbereichen die zulässigen Abweichungen zugeordnet.

Die Ermittlung der Allgemeintoleranz für das werkzeuggebundene Maß a im Bild 1, das 35mm betragen soll, zeigt die Tabelle 1.

=== Richtlinien zur Gestaltung von Spritzgießteilen (VDI 2006) ===

[[Bild:Mindetwanddicke.jpg|left|300x300px]][[Bild:Gestaltungsbeispiele.jpg|right|300x300px]]

Die Wanddicken müssen groß genug sein, damit die Formmasse das Werkzeug sicher füllen kann, ehe sie zu stark abkühlt oder ausgehärtet ist. Deshalb ist die '''Mindestwanddicke''' in Abhängigkeit vom '''Fließweg''' im Werkzeug und der Fließfähigkeit der Formmasse zu wählen '''(Bild 2)''' und Bild 2: Werkzeuginnendruck für einfache Teile beim Thema Druckverlauf).

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)'''.

[[Bild:Neigung.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle rautiefe.jpg|right|300x300px]][[Bild:Verzug.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Winkelverzug.jpg|left|300x300px]]

Um das Spritzgießteil leicht und schnell aus der Form entfernen zu können, müssen alle Flächen des Werkstückes, die in Öffnungsrichtung der Form liegen, eine leichte '''Neigung''' erhalten '''(Bild 1)'''. Zusätzlich muss sichergestellt sein, dass das Spritzgießteil beim Öffnen der Form von der schließseitigen Formhälfte mitgenommen und von der Auswerfervorrichtung entfernt wird. Weiterhin hängen die Entformungsschrägen speziell bei strukturierten Oberflächen von der Oberflächenrauigkeit der abzubildenden Kavitäten ab. Die Struktur kann aufgrund ihrer Tiefe wie eine Verzahnung zwischen Formteil und Werkzeugoberfläche wirken und somit die Entformung erschweren. Die Lage der Strukturrichtung parallel oder senkrecht zur Entformungsrichtung und die Materialpaarung Stahl- Kunststoffmasse ist von entscheidender Bedeutung '''(Tabelle 1)'''.

Als einfache Näherung sollte für eine Strukturtiefe von 0,02mm pro 1° Entformungsschrägen bei senkrechter Lage zur Entformungsrichtung nicht überschritten werden. Scharfe Ecken und Kanten können beim Einspritzvorgang des Kunststoffmaterials so stark scheren, dass es zu einer thermischen Schädigung des Kunststoffes kommen kann.

Eine Abrundung bei Umlenkungen wirkt nicht nur der Scherung entgegen, sondern auch dem '''Winkelverzug''' und der Kerbwirkung im Eckbereich. Der mögliche Verzug des Formteils wird in '''(Bild 2)''' dargestellt. Da die dünnen Formteilbereiche schneller abkühlen, werden sie durch die Schrumpfkraft der dickeren verformt.

In '''Bild 3''' kann das Volumenelement '''a''' seine Erstarrungswärme nur stark verzögert an das Werkzeug abgeben. Volumenelement '''b''' kühlt dagegen rascher ab, da es an zwei Seiten an das Werkzeug grenzt. Es entsteht ein '''Winkelverzug'''. Diesem kann durch Abrunden und durch verringerung der Wandstärke im Eckbereich entgegengewirkt werden.

== '''Schwindung''' ==

[[Bild:Tabelle1 Anhaltsw.jpg|left|600x600px]]

Bei der Festlegung des Formhohlraumes müssen die Schwindung und evtl. die Nachschwindung berücksichtigt werden.

Unter Schwindung versteht man die Maßänderung von Werkstücken durch das Zusammenziehen des Werkstoffes beim Abkühlen als Maßunterschied zwischen Werkzeugkavität und Formteil. Bei der Erfassung dieser Schwindung '''(Tabelle 1)''' kommt erschwerend hinzu, dass die Schwindungsdifferenz sowie die Nachschwindung berücksichtigt werden müssen.

Eine '''Schwindungsdifferenz''' tritt dann auf, wenn die Schwindungen in Fließrichtung und quer dazu unterschiedlich groß sind. Der Unterschied zwischen Längs- und Querschwindung ist die Schwindungsdifferenz. Bei einer größeren Schwindungsdifferenz kann dies zu Verwindungen oder zum Verzug des spritzgegossenen Formteils führen.

Die Formteilgeometrie und die Angusslage können Molekülorientierungen hervorrufen, wodurch die Schwindungsdifferenz beeinflusst werden kann. Durch die Verwendung von Füllstoffen kann die Schwindung vermindert werden. Bei faserigen Verstärkungsstoffen kann durch die Faserorientierung im Bauteil eine sehr große Schwindungsdifferenz entstehen. Die Temperaturdifferenz während der Verarbeitung und der Gebrauchstemperatur des Formteils ergibt eine vernachlässigbare Längenänderung der Glasfasern. Sind nun Glasfasern in einem Formteil durch den Materialfluss während des Füllvorganges stark orientiert, schwindet das Formteil quer zur Faser wesentlich stärker als längs dazu. Werden zum Beispiel Glaskugeln zugemischt, wird insgesamt eine geringere Schwindung beobachtet.

Die '''Nachschwindung''' ist der Unterschied zwischen dem Maß eines auf Raumtemperatur abgekühlten Spritzgießteils und dem Maß desselben Spritzgießteils nach der Einwirkung einer bestimmten Temperatur. Sie verursacht eine Nachkristallisation und kann während des Gebrauches oder auch gezielt durch Tempern eingebracht werden. Durch die Naschwindungen werden die Fertigteilabmessungen nochmals kleiner.

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.

== '''Aufbau von Spritzgießwerkzeugen''' ==

[[Bild:Spritzgießwerkzeug.jpg|center|900x600px]]

=== Einleitung der Spritzgießwerkzeuge ===

[[Bild:Tabell1 Einleitung.jpg|left|400x300px]]

Die Vielzahl der Unterschiedlichen Spritzgießanwendungen erfordert verschiedene Werkzeugarten. Sie werden nach Anzahl der Formhohlräume, nach Art des Angusssystems, nach Anzahl der Trennebenen und nach Art der Entformung unterschieden. Die unterschiedlichen Verarbeitungsmöglichkeiten im Spritzgießbereich führen zu einer Vielzahl von Sonderverfahren, welche nicht alle in der Übersicht '''(Tabelle 1)''' aufgeführt werden können.

== '''Angusssysteme''' ==

[[Bild:Angusssystem.jpg|left|300x300px]]

Der Anguss ist ein System von Strömungswegen, in denen die fließfähige Formmasse von der Düse der Spritzeinheit zur Formhöhlung (Kavität) fließt.

Dieses System kann aus dem Angusskegel, den Verteilerkanälen, der sog. Angussspinne und dem Anschnitt bestehen '''(Bild 1)'''. Bei Einfachwerkzeugen können sich die Strömungswege auf eine kegelige Bohrung beschränken, die direkt in die Formhöhlung mündet. Die Stelle, an der der Anguss in die Formhöhlung eintritt, nennt man den '''Anschnitt'''.
Den Zeitpunkt nach dem der Anschnitt „eingefroren“ (d.h. erstarrt) ist und somit der Nachdruck nicht mehr wirken kann, nennt man '''Siegelpunkt'''. Ein längeres Nachdrücken über diesen Zeitpunkt hinaus ist unnötig.

Der Zeitpunkt des Erstarrens kann durch eine Innendruckmessung oder durch das Bestimmen der Formteilmasse ermittelt werden. Das maximale Formteilgewicht ist erreicht, wenn der Anschnitt eingefroren ist.

Der Anguss ist so zu gestalten, dass die flüssige Masse möglichst auf kürzestem Wege, mit geringstem Wärme- und Druckverlust die Kavitäten gleichzeitig füllt. Die Querschnitte der Strömungswege müssen so bemessen sein, dass eine gleichmäßige Füllung des Angusssystems sowie der Formhöhlung erreicht wird.

=== Angussformen ===

Die Angussform ist so zu wählen, dass für den speziellen Fall die bereits erwähnten Forderungen erfüllt werden können. Außerdem müssen noch folgende Einflussgrößen berücksichtigt werden.

* Formteilgeometrie und Formteilvolumen
* Viskosität der Formmasse
* Art des Spritzgießwerkzeuges
* Fließweglänge

=== Stangen- oder Kegelanguss ===

[[Bild:Stangen& P.Anguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Stangenanguss.jpg|right|300x300px]]

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.

=== Punktanguss ===

[[Bild:Punktanguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Vergr. Vorkammer.jpg|right|300x300px]]

Beim Entformen reißt der Punktanguss am kleinsten Querschnitt ab und bleibt als Angusszäpfchen am Spritzgießteil '''(Bild 2b zum Thema Stangen und Punktanguss''' und '''Bild 4 Punktanguss mit Vorkammer)'''. Es entsteht dadurch keine Nacharbeit und keine optisch störende Bearbeitungsfläche wie beim Stangenanguss. Außerdem muss der Anguss, also die Formmasse, in der Vorkammer nicht entformt werden.

Der Punktanguss wird besonders für kleinteile und Massenartikel in Einfach- und Mehrfachwerkzeugen vorgesehen, sowie für Mehrfachangüsse bei einem größeren Formteil. Dann muss zum Entformen des Angussverteilers mit einem Dreiplattenwerkzeug gearbeitet werden.

Je kleiner die Bohrung des Punktangusses ist, desto leichter geht das Abreißen vor sich. Dabei ist jedoch neben der Wanddicke die Zähflüssigkeit (Viskosität) der Schmelze, sowie die Temperatur zu beachten.

[[Bild:Vork. mit v. Düsens..jpg|left|300x300px]][[Bild:Vork. m. beh. K-B.sp.jpg|right|300x300px]]

Kann die Formhöhlung durch den kleinen Punktanguss nicht mehr schnell genug gefüllt werden, so kühlt die Schmelze in der '''Vorkammer''' vorzeitig ab, so dass sie unter Umständen von Hand entfernt werden muss.

Deshalb wird die Vorkammer etwas vergrößert, so das die an der Innenwandung haftende abgekühlte Masse als Isolator wirkt '''(Bild 1)'''.

Der Kern der Schmelze, die sog. Plastische Seele, bleibt im Angussbereich flüssig. Die Verweildauer der Schmelze in der Vorkammer sollte aber nicht zu lang sein. Kurze Zyklen, d. h. mehrmaliges Einspritzen pro Minute, sind für das Funktionieren des Systems notwendig.

Ist die Spritzhäufigkeit nicht möglich, so wird eine Kupfer- Beryllium- Spitze in die Vorkammer eingeführt. Der Raum zwischen Kupferspitze und Innenwandung der Vorkammer füllt sich mit erkalteter Masse, die dann als Isolierung wirkt. Die Kupferspitze nimmt über die Düse genügend wärme auf, um die Masse im inneren flüssig zu halten '''(Bild 2)'''.

Eine weitere Möglichkeit, die Abkühlung der Formmasse zu verhindern, besteht darin, die Vorkammer durch spezielle Heizpatronen zu erwärmen '''(Bild 3)'''.

=== Teller- und Scheibenanguss ===

[[Bild:Telleranguss.jpg|left|300x300px]]

Teller- und Scheibenangüsse werden für ringförmige Spritzgießteile vorgesehen '''(Bild 1a)'''. Würde man hier mit einem Punktanguss oder mit zwei Anbindungen arbeiten, so entstünde eine '''Binde-''' und '''Fließnaht (Bild 1b)'''. Sie entsteht, wenn zwei Masseströme sich aufgrund vorzeitiger Abkühlung nicht mehr miteinander verbinden. Je kälter die zusammentreffenden Masseströme sind, desto sichtbarer sind die Bindenähte und umso geringer ist die Festigkeit. Bindenähte entstehen auch, wenn sich Masseströme an einem Kern teilen und sich wieder miteinander verbinden müssen.

Diese Qualitätsminderung kann z.B. durch die Erhöhung der Werkzeugtemperatur teilweise reduziert werden. Mit einer Zykluszeiterhöhung ist zu rechnen.

=== Schirmanguss ===

[[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)'''.

=== Ringanguss ===

[[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.

=== Film- oder Bandanguss ===

Flache teile schneidet man zweckmäßigerweise über ein seitliches oder zentrales Band, dem Filmanguss, an. Dadurch lassen sich, wie bei einem Einzelpunktanguss, ungünstige Fließverhältnisse, oder wie bei Mehrfachpunktangüssen, störende Bindenähte vermeiden '''(Bild 2c)'''.

Ebenso lässt sich die Verzugsneigung durch gleichmäßige Druckverhältnisse positiv beeinflussen.
Eine weitere Anwendung ist deshalb die Herstellung optischer Formteile, wie durchsichtige Abdeckungen und optische Linsen.

Filmanschnitte erfordern eine Nacharbeit durch abtrennen des Angusses.

=== Tunnelanguss ===

[[Bild:Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Beim Tunnelanguss wird das Spritzgießteil seitlich oder an den verdeckten Flächen oder an anderen problemlosen Stellen angespritzt und automatisch beim öffnen der Formhälften, oder beim Ausstoßen vom Angusssystem, getrennt (Bild 1).

Der Verteilerkanal führt entlang der Trennfläche nicht direkt in die Formhöhlung, sondern er geht kurz zuvor schräg als konischer Tunnel durch die düsenseitige Werkzeughälfte in den Formhohlraum.
Wird die schließseitige Formhälfte zurückgezogen, so müssen das Spritzgießteil und das Angießsystem mitgenommen werden. Dabei wird der Tunnelanguss am Anschnitt durch eine Schneidkante abgeschert '''(Bild 1)'''.

Das Mitnehmen des Formteils muss durch Aufschrumpfen auf den Kern geschehen, und die des Angusses durch einen eingearbeiteten Hinterschnitt.

Anschließend wird das Spritzgießteil und das Angießsystem durch die Auswerfer entformt.

Wird ein Tunnelanguss vorgesehen, so muss beachtet werden, dass sich der vom Formteil getrennte Anguss beim öffnen der Werkzeughälften ausreichend biegen muss. Damit der Anguss nicht bricht, muss er eine ausreichende Konizität haben und frei biegbar sein, möglichst mit einem definierten Biegepunkt.

Die Formmasse sollte zähelastisch oder beim Entformen noch nicht vollständig erstarrt sein. Nur dann arbeitet das System störungsfrei. Da beim Tunnelanguss die Druckverluste hoch sind, wird er überwiegend zu Herstellung einfacher und kleiner Spritzgießteile in Mehrfachwerkzeugen verwendet.

=== Gebogener Tunnelanguss ===

[[Bild:geb. Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Der gebogene Tunnelanguss, auch Haken- oder Säbelanguss genannt '''(Bild 2)''', bietet die Möglichkeit ein Spritzgießteil auf der Rückseite oder an verdeckter Stelle anzubinden.

Das Entformungsprinzip entspricht dem des Tunnelangusses. Die Verwendung ist auf elastische Formmassen beschrängt. Die große Durchbiegung bei der Entformung erfolgt während der Ausstoßbewegung.

Durch den geringen Fließquerschnitt im Anschnittbereich entstehen große Druckverluste. Dadurch ist dieses Angusssystem nur für einfache Artikel verwendbar.

=== Angießmöglichkeiten für Mehrfachwerkzeuge ===

[[Bild:Verteilersterne.jpg|left|300x300px]][[Bild:Reihenanguss.jpg|right|300x300px]]

In einem Mehrfachwerkzeug werden in einem Spritzvorgang mehrere Spritzgießteile gleichzeitig hergestellt. Liegen die Formhöhlungen, auch Formnester genannt, in der Trennfläche, so werden diese über Verteilerkanäle mit Schmelze versorgt '''(Bild 1)'''.

Liegen die Formhöhlungen zentrisch um den Mittelpunkt des Angusskegels, so nennt man das System der Verteilerkanäle '''Verteilersterne'''. Bei den Verteilersternen in '''Bild 1a''' sind die Fließwege der Formmassen gleich lang. Der Vorteil des Verteilersterns mit Ringkanal in '''Bild 1b''' liegt darin, dass die Gesamtlänge der Verteilerkanäle kürzer ist. Beim '''Reihenanguss''' '''(Bild 2)''' sind die Fließwege unterschiedlich lang, was zu einer geringeren Qualität des Spritzgießteils führen kann. Bild 2 zeigt ein Beispiel für eine ungleichmäßige Füllung der Formhohlräume. Diesen Nachteil kann man durch unterschiedliche Anschnittquerschnitte ausgleichen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der größeren Anzahl der gleichzeitig herstellbaren Spritzgießteile.

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.

=== Verteilerkanal- und Anschnittform ===

[[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.

Beim runden Anschnitt ist die Einarbeitung ebenfalls in beide Formhälften notwendig. Wird der rechteckige Querschnitt gewählt, so muss darauf geachtet werden, dass die Breite des Anschnittes ungefähr 2mm kleiner als der Verteilerkanal ist (Bild 3).

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''' ==

=== Dreiplattenwerkzeug ===

[[Bild:Dreiplattenwerkz.jpg|left|300x300px]]

Höhere Spritzgiezteile werden deshalb vom Boden her zentral angespritzt. 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.

=== Isolierkanalwerkzeug ===

[[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.

=== Etagenwerkzeug ===

[[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.

=== Heißkanalsysteme ===

[[Bild:Heißkanalwerkzeug.jpg|left|300x300px]]

Im Heißkanalsystem '''(Bild 1)''' wird die in den Verteilerkanälen enthaltene Masse durch Heizpatronen oder/ und Rohrheizkörper '''(Bild 2)''' ständig auf Schmelztemperatur gehalten. Um einen Wärmeübergang vom Heißkanalbereich auf das wesentlich kühlere Werkzeug zu meiden, müssen die Kontaktflächen minimiert, ein isolierend wirkender Luftspalt sowie Reflektorbleche vorgesehen werden. Thermofühler in verbindung mit einem Regelkreis sorgen für eine möglichst gleichmäßige Temperatur im Angießsystem.

Es werden außen- und innenbeheizte Heißkanalsysteme unterschieden.

'''Außenbeheizte''' Heißkanalsysteme transportieren Wärmeenergie von außen in den Verteilerkanal (Bild 2a).

'''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
* Anspritzpunkte in großer Entfernung von der Plastifiziereinheit realisierbar
* keine Nacharbeit zum Entfernen des Angusses
* Etagenwerkzeuge nur mit Heißkanalsystemen möglich

Die '''Nachteile''' von Heizkanalwerkzeugen sind:
* hohe Energiekosten
* größere Werkzeugeinbauhöhe
* höhere Werkzeugkosten
* Farb- und Materialwechsel schwierig

'''Anwendung''':
* Großserienwerkzeuge, große Losgrößen
* große Formteile mit mehreren Anspritzpunkten

== '''Sonstiges''' ==

Zur Vollständigkeit einer Spritzgießanlage müssen noch folgende Punkte genannt werden:
* die Werkzeugtemperierung, sie regelt die Wärme zu- und abführ (Kühlssystem)
* Serielle Anordnung des Kühlkreislaufes
* Parallele Anordnung des Kühlkreislaufes
* Entformungssysteme (Auswerfeinrichtungen), sie stoßen das Werkstück aus
* Auswerfsysteme bei Hinterschneidungen (äußere und innere Hinterschneidungen)
* Bewegliche Kernsegmente
* Elastische Zwangsentformung
* Zusammenfaltbarer Kern
* Entformung durch Rotation des Formteils
* Werkzeugentlüftung, um die Formen schnell genug zu füllen.

== '''Quellen''' ==

# Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Verlag, 53. Auflage
# Der Werkzeugbau, Europa Lehrmittel Verlag, 13. Auflage

[[Kategorie:Fertigungstechnik]]

Spritzgießen

2009-04-22T20:29:21Z

Sandra Kellinghusen: /* Heißkanalsysteme */

== '''Spritzgießen''' ==

=== Einleitung ===

Beim Spritzgießen werden überwiegend Thermoplaste1 im plastifizierten, fließfähigen Zustand in geteilte und 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|]]

=== 1Thermoplaste: ===
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.

=== Vorgänge beim Spritzgießen ===

[[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.

=== Werkstoffverhalten ===

Die Plastifizierte Formmasse sollte so schnell wie möglich in den Formhohlraum eingesprizt werden, damit Druck und Temperatur im Hohlraum überall gleich sind. Tritt dieser idealfall ein, ist eine gleichmäßige Struktur des Werkstoffes und ein gleichmäßiges Schwindungsverhalten im ganzen Spritzgießteil gewährleistet, sodass keine Spannungen und kein Verzug auftreten.

Dieser ideale Vorgang lässt sich leider nicht realisieren. Fließwiederstände im Werkzeug und in der Düse bewirken einen Druckabfall während des Einspritzens. Ungleichmäßiges Abkühlen der Formmasse im Werkzeughohlraum, der auch Kavität genannt wird, ergibt eine ungleichmäßige Werkstoffstruktur.

=== Molekühlorientierung ===

[[Bild:Amorpher Thermoplast.jpg|left|300x300px]]
[[Bild:Molekühlorientierung_0001.jpg|left|300x300px]]
[[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.

=== Kristallisationsgrad ===

[[Bild:Kristallisationsgrad.jpg|left|300x300px]]

{{Mark
|Bei teilkristallinen Werkstoffen kann sich auf Grund der schnellen Abkühlung im Bereich der Formwand keine Kristallisation bilden. Der Randbreich des Spritzgießteils hat darum einen amorphen Aufbau, währen der Kern einen mehr 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)'''.

=== Fließverhalten ===

[[Bild:Fließfront.jpg|left|300x300px]]
[[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)'''.}}

=== Einflussgrößen auf den Spritzvorgang ===

[[Bild:Einflussgrößen auf den Spritzvorgang.jpg|right|300x300px]]
[[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).

=== Druckverlauf ===

[[Bild:Druckverlauf.jpg|left|300x300px]][[Bild:Auswirkungen des Nachdruckes.jpg|right|300x300px]][[Bild:SGT mit Lunker.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Werkzeuginnendruck.jpg|left|300x300px]]

Durch den '''Einspritzdruck''', welcher in der Formmasse im Schneckenvorraum herrscht, wird im Formhohlraum aufgrund von Strömungswiederständen in der Düse und im Werkzeug ein zeitlich verzögerter und in der Höhe etwas geringerer '''Werkzeuginnendruck''' aufgebaut '''(Bild 1)'''. Dadurch füllt sich die Werkzeughöhlung mit Formmasse (Bild 1, '''Kurvenpunkt A''') und erzeugt die Ausformung der Konturen durch das Komprimieren (verdichten, zusammenpressen) der Formmasse. Der Maximale Werkzeuginnendruck (Bild 1, '''Kurvenpunkt B''') hängt von der Form, vom Werkstoff, von der Qualität des Spritzgießteils und vom Verhältnis zwischen Fließweg und Wanddicke ab. Dieses Verhältnis wird durch den maximalen Fließweg, den die Formmasse zurücklegen muss und der Wanddicke des Spritzgießteils gebildet '''(Bild 2)'''. Ist der gewünschte Werkzeuginnendruck erreicht, so wird der Einspritzdruck vermindert und als '''Nachdruck''' bezeichnet (Umschaltpunkt). Dieser füllt in der anschließenden Phase nur noch das Restvolumen auf und gleicht die Volumenminderung aus, die durch das Abkühlen der Schmelze eintritt. Der Innendruck fällt dabei leicht ab. Auswirkungen des Nachdruckes auf den Spritzvorgang zeigt die '''Tabelle 1'''.

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.

=== Formfüllungsgrad ===

[[Bild:Formfüllstudie.jpg|left|300x300px]]

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.

=== Abkühlung ===

[[Bild:Abkühlzeit für PS.jpg|left|300x300px]]

Wie schnell die Formstabilität der Formmasse beim Abkühlen eintritt, hängt von der '''Werkzeugtemperatur''' ab. Diese wiederum wird von der Art der Formmasse und von den Anforderungen an das Spritzgießteil sowie von der Wanddicke bestimmt '''(Bild 1)'''.
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 Vorgang vom Einspritzen der Schmelze in den Formhohlraum bis zum nächsten Einspritzvorgang bezeichnet man auch als '''Takt, Schuss''' oder '''Zyklus'''.

== '''Spritzgießmaschine''' ==

[[Bild:Spritzgießmaschiene.jpg|center|800x800px|]]

=== Die Aufgaben der Spritzgießmaschine ===

[[Bild:Aufgaben der Spritzgießmaschine.jpg|left|300x300px|]]

*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 der Form.

Die ersten beiden Aufgaben übernimmt die Spritzeinheit der Spritzmaschine, während die dritte Aufgabe die Schließeinheit durchführt.

=== Spritzeinheit ===

[[Bild:Spritzgießmaschiene_1.jpg|right|600x600px]]

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)'''.

[[Bild:Schneckenkolbenext.jpg| left|300x300px]]

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.

=== Einstellgrößen ===

[[Bild:Einstellgr Plastif.jpg|left|300x300px]]

Die Drehzahl der Schnecke richtet sich neben dem Schneckendurchmesser nach der Größe der Umfangsgeschwindigkeit, die von den Formmasseherstellern vorgegeben wird '''(Tabelle 1)'''.

[[Bild:Wirkung_des_Staud.jpg|left|300x300px]]

Der Wiederstand 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''' ==

Die Düse hat die Aufgabe, eine dichte Verbindung, möglichst ohne Druck- und Temperaturverlust, zwischen dem Spritzzylinder und dem Werkzeug herzustellen. Durch die Berührung mit dem kälteren Werkzeug kann der Düse und der verbleibenden Schmelze wärme entzogen werden. Abhilfe kann geschaffen werden, durch eine Düsenheizung sowie durch das Abheben der Düse vom Werkzeug nach der Nachdruckzeit.

=== Offene Düsen und Verschlussdüsen ===

[[Bild:offene Düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Nadelv.düse.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Schiebev.düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Quernadelv.düse.jpg|right|300x300px]]

Wenn es die Zähigkeit der Schmelze zulässt, wählt man meist eine '''offene Düse (Bild 1)'''. Die Druck- und Temperaturverluste sind wegen des glatten Kanals sehr gering. Außerdem ist die offene Düse leicht zu reinigen und zu spülen. Die Gefahr, dass Schmelze aus der Düse austreten kann, nimmt mit kleiner werdender Düsenbohrung (ca. 3- 8mm) ständig ab. Ist die Schmelze zu dünnflüssig, so müssen '''Verschlussdüsen''', z.B. Schieberverschlussdüsen '''(Bild 2)''', oder Nadelverschlussdüsen '''(Bild3)''', vorgesehen werden. Sie sind so konstruiert, das die Düsenöffnung nach jedem Einspritzvorgang verschlossen und dadurch das Ausströmen der Masse verhindert wird.
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 (RD) bei Konvexdüsen etwas kleiner ist, als der Radius der Angießbuchse (RA), 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.

== '''Schließeinheit''' ==

Die Schließeinheit nimmt an der beweglichen und an der festen Werkzeugplatte die jeweiligen Formhälften auf. Das Öffnen, Schließen und Zuhalten des Werkzeuges wird durch ein Kniehebelssystem oder durch einen vollhydraulischen Antrieb ausgeführt '''(Bild1, Spritzgießmaschine beim Thema Spritzeinheit)'''.

=== Schließkraft – Zuhaltekraft ===

[[Bild:Schließkraft.jpg|left|300x300px]][[Bild:Durchbiegung.jpg|right|300x300px]][[Bild:Stützrollen.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Schwimmhäute.jpg|left|280x280px]]

Die '''Schließkraft''' Fs ist die Kraft, die die Säulen nach dem Schließvorgang beansprucht und dehnt sowie die beiden Formhälften zusammendrückt '''(Bild 1)'''. Beim Einspritzen der Formmasse entsteht durch den Werkzeuginnendruck pw eine Auftriebskraft FA (FA= pw * A), die eine weitere Zugbeanspruchung und Dehnung der Säulen verursacht. Die Summe der Kräfte, die die Säulen beim Einspritzvorgang insgesamt belasten, wird als '''Zuhaltekraft''' Fz bezeichnet. Sie ist stets größer als die Schließkraft, und sie ist von der Steifigkeit der Maschine und des Werkzeuges abhängig.

Ist die '''Auftriebskraft''' größer als die Zuhaltekraft, so wird die Anlage zwischen den beiden Werkzeughälften aufgehoben und es tritt Schmelze zwischen den beiden Formhälften aus, die zur '''Grat'''- oder '''Schwimmhautbildung''' führt '''(Bild 2)'''. Diesen Vorgang nennt man auch '''Überspritzung''' oder '''Überladung'''.
Die '''Zuhaltekraft''' sollte trotzdem so klein wie möglich eingestellt werden, um auch einer Durchbiegung bei den Formnesttragenden Werkzeugplatten vorzubeugen. Diese '''Durchbiegung''' entsteht dadurch, dass beim Einspritzen der Werkzeuginnendruck versucht, die beiden Formhälften überwiegend im Bereich der Formhohlräume auseinander zu drücken, während die Zuhaltekräfte nur im Bereich der direkten Kraftübertragung wirken (Bild 1). Die Durchbiegung ist besonders groß bei geringer Steifigkeit der Platten und um die Bereiche gegenüber der düsenseitigen Zentrierbohrung und vor allem gegenüber dem Auswerfersystem '''(Bild 3)'''.
Die Durchbiegung führt zur Gratbildung und u.U. dazu, dass nicht der größtmögliche Einspritzdruck gewählt werden kann. Abhilfe kann dadurch geschaffen werden, dass zusätzliche Stützrollen vorgesehen werden, die mit einem Übermaß von 0,03mm … 0,05mm gegenüber den äußeren Abstützungen eingebaut werden '''(Bild 4)'''.
Auch wegen der beim Einspritzen erforderlichen Entlüftung der Werkzeughöhlung über die Berührungsflächen der beiden Formhälften sollte die Schließkraft so niedrig wie möglich sein.

== '''Gestalten von Spritzgießteilen''' ==

=== Maßtoleranzen bei Spritzgießteilen ===

[[Bild:Maßarten.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle1 Ermittlung.jpg|right|300x300px]]

Die erzielbaren Toleranzen sind größtenteils abhängig von der Schwindung, den Formmassen und der Art der Maße, wobei natürlich auch die Qualität der Spritzgießmaschine und des Werkzeuges eine Rolle spielen.

So lassen sich mit amorphen Formmassen kleinere Toleranzen leichter einhalten als mit teilkristallinen. '''Werkzeuggebundene''' Maße lassen sich genauer herstellen als '''nicht werkzeuggebundene''' Maße '''(Bild 1)'''.

DIN 16 901 bildet bei der Festlegung der Toleranzen zuerst Toleranzgruppen in Abhängigkeit der Formmassen und Schwindungskennwerte (siehe Tabellenbuch). Bezogen auf diese Toleranzgruppen und die festgelegte Maßart werden dann den verschiedenen Nennmaßbereichen die zulässigen Abweichungen zugeordnet.

Die Ermittlung der Allgemeintoleranz für das werkzeuggebundene Maß a im Bild 1, das 35mm betragen soll, zeigt die Tabelle 1.

=== Richtlinien zur Gestaltung von Spritzgießteilen (VDI 2006) ===

[[Bild:Mindetwanddicke.jpg|left|300x300px]][[Bild:Gestaltungsbeispiele.jpg|right|300x300px]]

Die Wanddicken müssen groß genug sein, damit die Formmasse das Werkzeug sicher füllen kann, ehe sie zu stark abkühlt oder ausgehärtet ist. Deshalb ist die '''Mindestwanddicke''' in Abhängigkeit vom '''Fließweg''' im Werkzeug und der Fließfähigkeit der Formmasse zu wählen '''(Bild 2)''' und Bild 2: Werkzeuginnendruck für einfache Teile beim Thema Druckverlauf).

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)'''.

[[Bild:Neigung.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle rautiefe.jpg|right|300x300px]][[Bild:Verzug.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Winkelverzug.jpg|left|300x300px]]

Um das Spritzgießteil leicht und schnell aus der Form entfernen zu können, müssen alle Flächen des Werkstückes, die in Öffnungsrichtung der Form liegen, eine leichte '''Neigung''' erhalten '''(Bild 1)'''. Zusätzlich muss sichergestellt sein, dass das Spritzgießteil beim Öffnen der Form von der schließseitigen Formhälfte mitgenommen und von der Auswerfervorrichtung entfernt wird. Weiterhin hängen die Entformungsschrägen speziell bei strukturierten Oberflächen von der Oberflächenrauigkeit der abzubildenden Kavitäten ab. Die Struktur kann aufgrund ihrer Tiefe wie eine Verzahnung zwischen Formteil und Werkzeugoberfläche wirken und somit die Entformung erschweren. Die Lage der Strukturrichtung parallel oder senkrecht zur Entformungsrichtung und die Materialpaarung Stahl- Kunststoffmasse ist von entscheidender Bedeutung '''(Tabelle 1)'''.

Als einfache Näherung sollte für eine Strukturtiefe von 0,02mm pro 1° Entformungsschrägen bei senkrechter Lage zur Entformungsrichtung nicht überschritten werden. Scharfe Ecken und Kanten können beim Einspritzvorgang des Kunststoffmaterials so stark scheren, dass es zu einer thermischen Schädigung des Kunststoffes kommen kann.

Eine Abrundung bei Umlenkungen wirkt nicht nur der Scherung entgegen, sondern auch dem '''Winkelverzug''' und der Kerbwirkung im Eckbereich. Der mögliche Verzug des Formteils wird in '''(Bild 2)''' dargestellt. Da die dünnen Formteilbereiche schneller abkühlen, werden sie durch die Schrumpfkraft der dickeren verformt.

In '''Bild 3''' kann das Volumenelement '''a''' seine Erstarrungswärme nur stark verzögert an das Werkzeug abgeben. Volumenelement '''b''' kühlt dagegen rascher ab, da es an zwei Seiten an das Werkzeug grenzt. Es entsteht ein '''Winkelverzug'''. Diesem kann durch Abrunden und durch verringerung der Wandstärke im Eckbereich entgegengewirkt werden.

== '''Schwindung''' ==

[[Bild:Tabelle1 Anhaltsw.jpg|left|600x600px]]

Bei der Festlegung des Formhohlraumes müssen die Schwindung und evtl. die Nachschwindung berücksichtigt werden.

Unter Schwindung versteht man die Maßänderung von Werkstücken durch das Zusammenziehen des Werkstoffes beim Abkühlen als Maßunterschied zwischen Werkzeugkavität und Formteil. Bei der Erfassung dieser Schwindung '''(Tabelle 1)''' kommt erschwerend hinzu, dass die Schwindungsdifferenz sowie die Nachschwindung berücksichtigt werden müssen.

Eine '''Schwindungsdifferenz''' tritt dann auf, wenn die Schwindungen in Fließrichtung und quer dazu unterschiedlich groß sind. Der Unterschied zwischen Längs- und Querschwindung ist die Schwindungsdifferenz. Bei einer größeren Schwindungsdifferenz kann dies zu Verwindungen oder zum Verzug des spritzgegossenen Formteils führen.

Die Formteilgeometrie und die Angusslage können Molekülorientierungen hervorrufen, wodurch die Schwindungsdifferenz beeinflusst werden kann. Durch die Verwendung von Füllstoffen kann die Schwindung vermindert werden. Bei faserigen Verstärkungsstoffen kann durch die Faserorientierung im Bauteil eine sehr große Schwindungsdifferenz entstehen. Die Temperaturdifferenz während der Verarbeitung und der Gebrauchstemperatur des Formteils ergibt eine vernachlässigbare Längenänderung der Glasfasern. Sind nun Glasfasern in einem Formteil durch den Materialfluss während des Füllvorganges stark orientiert, schwindet das Formteil quer zur Faser wesentlich stärker als längs dazu. Werden zum Beispiel Glaskugeln zugemischt, wird insgesamt eine geringere Schwindung beobachtet.

Die '''Nachschwindung''' ist der Unterschied zwischen dem Maß eines auf Raumtemperatur abgekühlten Spritzgießteils und dem Maß desselben Spritzgießteils nach der Einwirkung einer bestimmten Temperatur. Sie verursacht eine Nachkristallisation und kann während des Gebrauches oder auch gezielt durch Tempern eingebracht werden. Durch die Naschwindungen werden die Fertigteilabmessungen nochmals kleiner.

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.

== '''Aufbau von Spritzgießwerkzeugen''' ==

[[Bild:Spritzgießwerkzeug.jpg|center|900x600px]]

=== Einleitung der Spritzgießwerkzeuge ===

[[Bild:Tabell1 Einleitung.jpg|left|400x300px]]

Die Vielzahl der Unterschiedlichen Spritzgießanwendungen erfordert verschiedene Werkzeugarten. Sie werden nach Anzahl der Formhohlräume, nach Art des Angusssystems, nach Anzahl der Trennebenen und nach Art der Entformung unterschieden. Die unterschiedlichen Verarbeitungsmöglichkeiten im Spritzgießbereich führen zu einer Vielzahl von Sonderverfahren, welche nicht alle in der Übersicht '''(Tabelle 1)''' aufgeführt werden können.

== '''Angusssysteme''' ==

[[Bild:Angusssystem.jpg|left|300x300px]]

Der Anguss ist ein System von Strömungswegen, in denen die fließfähige Formmasse von der Düse der Spritzeinheit zur Formhöhlung (Kavität) fließt.

Dieses System kann aus dem Angusskegel, den Verteilerkanälen, der sog. Angussspinne und dem Anschnitt bestehen '''(Bild 1)'''. Bei Einfachwerkzeugen können sich die Strömungswege auf eine kegelige Bohrung beschränken, die direkt in die Formhöhlung mündet. Die Stelle, an der der Anguss in die Formhöhlung eintritt, nennt man den '''Anschnitt'''.
Den Zeitpunkt nach dem der Anschnitt „eingefroren“ (d.h. erstarrt) ist und somit der Nachdruck nicht mehr wirken kann, nennt man '''Siegelpunkt'''. Ein längeres Nachdrücken über diesen Zeitpunkt hinaus ist unnötig.

Der Zeitpunkt des Erstarrens kann durch eine Innendruckmessung oder durch das Bestimmen der Formteilmasse ermittelt werden. Das maximale Formteilgewicht ist erreicht, wenn der Anschnitt eingefroren ist.

Der Anguss ist so zu gestalten, dass die flüssige Masse möglichst auf kürzestem Wege, mit geringstem Wärme- und Druckverlust die Kavitäten gleichzeitig füllt. Die Querschnitte der Strömungswege müssen so bemessen sein, dass eine gleichmäßige Füllung des Angusssystems sowie der Formhöhlung erreicht wird.

=== Angussformen ===

Die Angussform ist so zu wählen, dass für den speziellen Fall die bereits erwähnten Forderungen erfüllt werden können. Außerdem müssen noch folgende Einflussgrößen berücksichtigt werden.

* Formteilgeometrie und Formteilvolumen
* Viskosität der Formmasse
* Art des Spritzgießwerkzeuges
* Fließweglänge

=== Stangen- oder Kegelanguss ===

[[Bild:Stangen& P.Anguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Stangenanguss.jpg|right|300x300px]]

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.

=== Punktanguss ===

[[Bild:Punktanguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Vergr. Vorkammer.jpg|right|300x300px]]

Beim Entformen reißt der Punktanguss am kleinsten Querschnitt ab und bleibt als Angusszäpfchen am Spritzgießteil '''(Bild 2b zum Thema Stangen und Punktanguss''' und '''Bild 4 Punktanguss mit Vorkammer)'''. Es entsteht dadurch keine Nacharbeit und keine optisch störende Bearbeitungsfläche wie beim Stangenanguss. Außerdem muss der Anguss, also die Formmasse, in der Vorkammer nicht entformt werden.

Der Punktanguss wird besonders für kleinteile und Massenartikel in Einfach- und Mehrfachwerkzeugen vorgesehen, sowie für Mehrfachangüsse bei einem größeren Formteil. Dann muss zum Entformen des Angussverteilers mit einem Dreiplattenwerkzeug gearbeitet werden.

Je kleiner die Bohrung des Punktangusses ist, desto leichter geht das Abreißen vor sich. Dabei ist jedoch neben der Wanddicke die Zähflüssigkeit (Viskosität) der Schmelze, sowie die Temperatur zu beachten.

[[Bild:Vork. mit v. Düsens..jpg|left|300x300px]][[Bild:Vork. m. beh. K-B.sp.jpg|right|300x300px]]

Kann die Formhöhlung durch den kleinen Punktanguss nicht mehr schnell genug gefüllt werden, so kühlt die Schmelze in der '''Vorkammer''' vorzeitig ab, so dass sie unter Umständen von Hand entfernt werden muss.

Deshalb wird die Vorkammer etwas vergrößert, so das die an der Innenwandung haftende abgekühlte Masse als Isolator wirkt '''(Bild 1)'''.

Der Kern der Schmelze, die sog. Plastische Seele, bleibt im Angussbereich flüssig. Die Verweildauer der Schmelze in der Vorkammer sollte aber nicht zu lang sein. Kurze Zyklen, d. h. mehrmaliges Einspritzen pro Minute, sind für das Funktionieren des Systems notwendig.

Ist die Spritzhäufigkeit nicht möglich, so wird eine Kupfer- Beryllium- Spitze in die Vorkammer eingeführt. Der Raum zwischen Kupferspitze und Innenwandung der Vorkammer füllt sich mit erkalteter Masse, die dann als Isolierung wirkt. Die Kupferspitze nimmt über die Düse genügend wärme auf, um die Masse im inneren flüssig zu halten '''(Bild 2)'''.

Eine weitere Möglichkeit, die Abkühlung der Formmasse zu verhindern, besteht darin, die Vorkammer durch spezielle Heizpatronen zu erwärmen '''(Bild 3)'''.

=== Teller- und Scheibenanguss ===

[[Bild:Telleranguss.jpg|left|300x300px]]

Teller- und Scheibenangüsse werden für ringförmige Spritzgießteile vorgesehen '''(Bild 1a)'''. Würde man hier mit einem Punktanguss oder mit zwei Anbindungen arbeiten, so entstünde eine '''Binde-''' und '''Fließnaht (Bild 1b)'''. Sie entsteht, wenn zwei Masseströme sich aufgrund vorzeitiger Abkühlung nicht mehr miteinander verbinden. Je kälter die zusammentreffenden Masseströme sind, desto sichtbarer sind die Bindenähte und umso geringer ist die Festigkeit. Bindenähte entstehen auch, wenn sich Masseströme an einem Kern teilen und sich wieder miteinander verbinden müssen.

Diese Qualitätsminderung kann z.B. durch die Erhöhung der Werkzeugtemperatur teilweise reduziert werden. Mit einer Zykluszeiterhöhung ist zu rechnen.

=== Schirmanguss ===

[[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)'''.

=== Ringanguss ===

[[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.

=== Film- oder Bandanguss ===

Flache teile schneidet man zweckmäßigerweise über ein seitliches oder zentrales Band, dem Filmanguss, an. Dadurch lassen sich, wie bei einem Einzelpunktanguss, ungünstige Fließverhältnisse, oder wie bei Mehrfachpunktangüssen, störende Bindenähte vermeiden '''(Bild 2c)'''.

Ebenso lässt sich die Verzugsneigung durch gleichmäßige Druckverhältnisse positiv beeinflussen.
Eine weitere Anwendung ist deshalb die Herstellung optischer Formteile, wie durchsichtige Abdeckungen und optische Linsen.

Filmanschnitte erfordern eine Nacharbeit durch abtrennen des Angusses.

=== Tunnelanguss ===

[[Bild:Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Beim Tunnelanguss wird das Spritzgießteil seitlich oder an den verdeckten Flächen oder an anderen problemlosen Stellen angespritzt und automatisch beim öffnen der Formhälften, oder beim Ausstoßen vom Angusssystem, getrennt (Bild 1).

Der Verteilerkanal führt entlang der Trennfläche nicht direkt in die Formhöhlung, sondern er geht kurz zuvor schräg als konischer Tunnel durch die düsenseitige Werkzeughälfte in den Formhohlraum.
Wird die schließseitige Formhälfte zurückgezogen, so müssen das Spritzgießteil und das Angießsystem mitgenommen werden. Dabei wird der Tunnelanguss am Anschnitt durch eine Schneidkante abgeschert '''(Bild 1)'''.

Das Mitnehmen des Formteils muss durch Aufschrumpfen auf den Kern geschehen, und die des Angusses durch einen eingearbeiteten Hinterschnitt.

Anschließend wird das Spritzgießteil und das Angießsystem durch die Auswerfer entformt.

Wird ein Tunnelanguss vorgesehen, so muss beachtet werden, dass sich der vom Formteil getrennte Anguss beim öffnen der Werkzeughälften ausreichend biegen muss. Damit der Anguss nicht bricht, muss er eine ausreichende Konizität haben und frei biegbar sein, möglichst mit einem definierten Biegepunkt.

Die Formmasse sollte zähelastisch oder beim Entformen noch nicht vollständig erstarrt sein. Nur dann arbeitet das System störungsfrei. Da beim Tunnelanguss die Druckverluste hoch sind, wird er überwiegend zu Herstellung einfacher und kleiner Spritzgießteile in Mehrfachwerkzeugen verwendet.

=== Gebogener Tunnelanguss ===

[[Bild:geb. Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Der gebogene Tunnelanguss, auch Haken- oder Säbelanguss genannt '''(Bild 2)''', bietet die Möglichkeit ein Spritzgießteil auf der Rückseite oder an verdeckter Stelle anzubinden.

Das Entformungsprinzip entspricht dem des Tunnelangusses. Die Verwendung ist auf elastische Formmassen beschrängt. Die große Durchbiegung bei der Entformung erfolgt während der Ausstoßbewegung.

Durch den geringen Fließquerschnitt im Anschnittbereich entstehen große Druckverluste. Dadurch ist dieses Angusssystem nur für einfache Artikel verwendbar.

=== Angießmöglichkeiten für Mehrfachwerkzeuge ===

[[Bild:Verteilersterne.jpg|left|300x300px]][[Bild:Reihenanguss.jpg|right|300x300px]]

In einem Mehrfachwerkzeug werden in einem Spritzvorgang mehrere Spritzgießteile gleichzeitig hergestellt. Liegen die Formhöhlungen, auch Formnester genannt, in der Trennfläche, so werden diese über Verteilerkanäle mit Schmelze versorgt '''(Bild 1)'''.

Liegen die Formhöhlungen zentrisch um den Mittelpunkt des Angusskegels, so nennt man das System der Verteilerkanäle '''Verteilersterne'''. Bei den Verteilersternen in '''Bild 1a''' sind die Fließwege der Formmassen gleich lang. Der Vorteil des Verteilersterns mit Ringkanal in '''Bild 1b''' liegt darin, dass die Gesamtlänge der Verteilerkanäle kürzer ist. Beim '''Reihenanguss''' '''(Bild 2)''' sind die Fließwege unterschiedlich lang, was zu einer geringeren Qualität des Spritzgießteils führen kann. Bild 2 zeigt ein Beispiel für eine ungleichmäßige Füllung der Formhohlräume. Diesen Nachteil kann man durch unterschiedliche Anschnittquerschnitte ausgleichen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der größeren Anzahl der gleichzeitig herstellbaren Spritzgießteile.

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.

=== Verteilerkanal- und Anschnittform ===

[[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.

Beim runden Anschnitt ist die Einarbeitung ebenfalls in beide Formhälften notwendig. Wird der rechteckige Querschnitt gewählt, so muss darauf geachtet werden, dass die Breite des Anschnittes ungefähr 2mm kleiner als der Verteilerkanal ist (Bild 3).

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''' ==

=== Dreiplattenwerkzeug ===

[[Bild:Dreiplattenwerkz.jpg|left|300x300px]]

Höhere Spritzgiezteile werden deshalb vom Boden her zentral angespritzt. 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.

=== Isolierkanalwerkzeug ===

[[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.

=== Etagenwerkzeug ===

[[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.

=== Heißkanalsysteme ===

[[Bild:Heißkanalwerkzeug.jpg|left|300x300px]]

Im Heißkanalsystem '''(Bild 1)''' wird die in den Verteilerkanälen enthaltene Masse durch Heizpatronen oder/ und Rohrheizkörper '''(Bild 2)''' ständig auf Schmelztemperatur gehalten. Um einen Wärmeübergang vom Heißkanalbereich auf das wesentlich kühlere Werkzeug zu meiden, müssen die Kontaktflächen minimiert, ein isolierend wirkender Luftspalt sowie Reflektorbleche vorgesehen werden. Thermofühler in verbindung mit einem Regelkreis sorgen für eine möglichst gleichmäßige Temperatur im Angießsystem.

Es werden außen- und innenbeheizte Heißkanalsysteme unterschieden.

'''Außenbeheizte''' Heißkanalsysteme transportieren Wärmeenergie von außen in den Verteilerkanal (Bild 2a).

'''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
* Anspritzpunkte in großer Entfernung von der Plastifiziereinheit realisierbar
* keine Nacharbeit zum Entfernen des Angusses
* Etagenwerkzeuge nur mit Heißkanalsystemen möglich

Die '''Nachteile''' von Heizkanalwerkzeugen sind:
* hohe Energiekosten
* größere Werkzeugeinbauhöhe
* höhere Werkzeugkosten
* Farb- und Materialwechsel schwierig

'''Anwendung''':
* Großserienwerkzeuge, große Losgrößen
* große Formteile mit mehreren Anspritzpunkten

== '''Sonstiges''' ==

Zur Vollständigkeit einer Spritzgießanlage müssen noch folgende Punkte genannt werden:
* die Werkzeugtemperierung, sie regelt die Wärme zu- und abführ (Kühlssystem)
* Serielle Anordnung des Kühlkreislaufes
* Parallele Anordnung des Kühlkreislaufes
* Entformungssysteme (Auswerfeinrichtungen), sie stoßen das Werkstück aus
* Auswerfsysteme bei Hinterschneidungen (äußere und innere Hinterschneidungen)
* Bewegliche Kernsegmente
* Elastische Zwangsentformung
* Zusammenfaltbarer Kern
* Entformung durch Rotation des Formteils
* Werkzeugentlüftung, um die Formen schnell genug zu füllen.

== '''Quellen''' ==

# Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Verlag, 53. Auflage
# Der Werkzeugbau, Europa Lehrmittel Verlag, 13. Auflage

[[Kategorie:Fertigungstechnik]]

Spritzgießen

2009-04-22T20:28:09Z

Sandra Kellinghusen: /* Heißkanalsysteme */

== '''Spritzgießen''' ==

=== Einleitung ===

Beim Spritzgießen werden überwiegend Thermoplaste1 im plastifizierten, fließfähigen Zustand in geteilte und 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|]]

=== 1Thermoplaste: ===
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.

=== Vorgänge beim Spritzgießen ===

[[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.

=== Werkstoffverhalten ===

Die Plastifizierte Formmasse sollte so schnell wie möglich in den Formhohlraum eingesprizt werden, damit Druck und Temperatur im Hohlraum überall gleich sind. Tritt dieser idealfall ein, ist eine gleichmäßige Struktur des Werkstoffes und ein gleichmäßiges Schwindungsverhalten im ganzen Spritzgießteil gewährleistet, sodass keine Spannungen und kein Verzug auftreten.

Dieser ideale Vorgang lässt sich leider nicht realisieren. Fließwiederstände im Werkzeug und in der Düse bewirken einen Druckabfall während des Einspritzens. Ungleichmäßiges Abkühlen der Formmasse im Werkzeughohlraum, der auch Kavität genannt wird, ergibt eine ungleichmäßige Werkstoffstruktur.

=== Molekühlorientierung ===

[[Bild:Amorpher Thermoplast.jpg|left|300x300px]]
[[Bild:Molekühlorientierung_0001.jpg|left|300x300px]]
[[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.

=== Kristallisationsgrad ===

[[Bild:Kristallisationsgrad.jpg|left|300x300px]]

{{Mark
|Bei teilkristallinen Werkstoffen kann sich auf Grund der schnellen Abkühlung im Bereich der Formwand keine Kristallisation bilden. Der Randbreich des Spritzgießteils hat darum einen amorphen Aufbau, währen der Kern einen mehr 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)'''.

=== Fließverhalten ===

[[Bild:Fließfront.jpg|left|300x300px]]
[[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)'''.}}

=== Einflussgrößen auf den Spritzvorgang ===

[[Bild:Einflussgrößen auf den Spritzvorgang.jpg|right|300x300px]]
[[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).

=== Druckverlauf ===

[[Bild:Druckverlauf.jpg|left|300x300px]][[Bild:Auswirkungen des Nachdruckes.jpg|right|300x300px]][[Bild:SGT mit Lunker.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Werkzeuginnendruck.jpg|left|300x300px]]

Durch den '''Einspritzdruck''', welcher in der Formmasse im Schneckenvorraum herrscht, wird im Formhohlraum aufgrund von Strömungswiederständen in der Düse und im Werkzeug ein zeitlich verzögerter und in der Höhe etwas geringerer '''Werkzeuginnendruck''' aufgebaut '''(Bild 1)'''. Dadurch füllt sich die Werkzeughöhlung mit Formmasse (Bild 1, '''Kurvenpunkt A''') und erzeugt die Ausformung der Konturen durch das Komprimieren (verdichten, zusammenpressen) der Formmasse. Der Maximale Werkzeuginnendruck (Bild 1, '''Kurvenpunkt B''') hängt von der Form, vom Werkstoff, von der Qualität des Spritzgießteils und vom Verhältnis zwischen Fließweg und Wanddicke ab. Dieses Verhältnis wird durch den maximalen Fließweg, den die Formmasse zurücklegen muss und der Wanddicke des Spritzgießteils gebildet '''(Bild 2)'''. Ist der gewünschte Werkzeuginnendruck erreicht, so wird der Einspritzdruck vermindert und als '''Nachdruck''' bezeichnet (Umschaltpunkt). Dieser füllt in der anschließenden Phase nur noch das Restvolumen auf und gleicht die Volumenminderung aus, die durch das Abkühlen der Schmelze eintritt. Der Innendruck fällt dabei leicht ab. Auswirkungen des Nachdruckes auf den Spritzvorgang zeigt die '''Tabelle 1'''.

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.

=== Formfüllungsgrad ===

[[Bild:Formfüllstudie.jpg|left|300x300px]]

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.

=== Abkühlung ===

[[Bild:Abkühlzeit für PS.jpg|left|300x300px]]

Wie schnell die Formstabilität der Formmasse beim Abkühlen eintritt, hängt von der '''Werkzeugtemperatur''' ab. Diese wiederum wird von der Art der Formmasse und von den Anforderungen an das Spritzgießteil sowie von der Wanddicke bestimmt '''(Bild 1)'''.
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 Vorgang vom Einspritzen der Schmelze in den Formhohlraum bis zum nächsten Einspritzvorgang bezeichnet man auch als '''Takt, Schuss''' oder '''Zyklus'''.

== '''Spritzgießmaschine''' ==

[[Bild:Spritzgießmaschiene.jpg|center|800x800px|]]

=== Die Aufgaben der Spritzgießmaschine ===

[[Bild:Aufgaben der Spritzgießmaschine.jpg|left|300x300px|]]

*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 der Form.

Die ersten beiden Aufgaben übernimmt die Spritzeinheit der Spritzmaschine, während die dritte Aufgabe die Schließeinheit durchführt.

=== Spritzeinheit ===

[[Bild:Spritzgießmaschiene_1.jpg|right|600x600px]]

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)'''.

[[Bild:Schneckenkolbenext.jpg| left|300x300px]]

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.

=== Einstellgrößen ===

[[Bild:Einstellgr Plastif.jpg|left|300x300px]]

Die Drehzahl der Schnecke richtet sich neben dem Schneckendurchmesser nach der Größe der Umfangsgeschwindigkeit, die von den Formmasseherstellern vorgegeben wird '''(Tabelle 1)'''.

[[Bild:Wirkung_des_Staud.jpg|left|300x300px]]

Der Wiederstand 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''' ==

Die Düse hat die Aufgabe, eine dichte Verbindung, möglichst ohne Druck- und Temperaturverlust, zwischen dem Spritzzylinder und dem Werkzeug herzustellen. Durch die Berührung mit dem kälteren Werkzeug kann der Düse und der verbleibenden Schmelze wärme entzogen werden. Abhilfe kann geschaffen werden, durch eine Düsenheizung sowie durch das Abheben der Düse vom Werkzeug nach der Nachdruckzeit.

=== Offene Düsen und Verschlussdüsen ===

[[Bild:offene Düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Nadelv.düse.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Schiebev.düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Quernadelv.düse.jpg|right|300x300px]]

Wenn es die Zähigkeit der Schmelze zulässt, wählt man meist eine '''offene Düse (Bild 1)'''. Die Druck- und Temperaturverluste sind wegen des glatten Kanals sehr gering. Außerdem ist die offene Düse leicht zu reinigen und zu spülen. Die Gefahr, dass Schmelze aus der Düse austreten kann, nimmt mit kleiner werdender Düsenbohrung (ca. 3- 8mm) ständig ab. Ist die Schmelze zu dünnflüssig, so müssen '''Verschlussdüsen''', z.B. Schieberverschlussdüsen '''(Bild 2)''', oder Nadelverschlussdüsen '''(Bild3)''', vorgesehen werden. Sie sind so konstruiert, das die Düsenöffnung nach jedem Einspritzvorgang verschlossen und dadurch das Ausströmen der Masse verhindert wird.
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 (RD) bei Konvexdüsen etwas kleiner ist, als der Radius der Angießbuchse (RA), 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.

== '''Schließeinheit''' ==

Die Schließeinheit nimmt an der beweglichen und an der festen Werkzeugplatte die jeweiligen Formhälften auf. Das Öffnen, Schließen und Zuhalten des Werkzeuges wird durch ein Kniehebelssystem oder durch einen vollhydraulischen Antrieb ausgeführt '''(Bild1, Spritzgießmaschine beim Thema Spritzeinheit)'''.

=== Schließkraft – Zuhaltekraft ===

[[Bild:Schließkraft.jpg|left|300x300px]][[Bild:Durchbiegung.jpg|right|300x300px]][[Bild:Stützrollen.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Schwimmhäute.jpg|left|280x280px]]

Die '''Schließkraft''' Fs ist die Kraft, die die Säulen nach dem Schließvorgang beansprucht und dehnt sowie die beiden Formhälften zusammendrückt '''(Bild 1)'''. Beim Einspritzen der Formmasse entsteht durch den Werkzeuginnendruck pw eine Auftriebskraft FA (FA= pw * A), die eine weitere Zugbeanspruchung und Dehnung der Säulen verursacht. Die Summe der Kräfte, die die Säulen beim Einspritzvorgang insgesamt belasten, wird als '''Zuhaltekraft''' Fz bezeichnet. Sie ist stets größer als die Schließkraft, und sie ist von der Steifigkeit der Maschine und des Werkzeuges abhängig.

Ist die '''Auftriebskraft''' größer als die Zuhaltekraft, so wird die Anlage zwischen den beiden Werkzeughälften aufgehoben und es tritt Schmelze zwischen den beiden Formhälften aus, die zur '''Grat'''- oder '''Schwimmhautbildung''' führt '''(Bild 2)'''. Diesen Vorgang nennt man auch '''Überspritzung''' oder '''Überladung'''.
Die '''Zuhaltekraft''' sollte trotzdem so klein wie möglich eingestellt werden, um auch einer Durchbiegung bei den Formnesttragenden Werkzeugplatten vorzubeugen. Diese '''Durchbiegung''' entsteht dadurch, dass beim Einspritzen der Werkzeuginnendruck versucht, die beiden Formhälften überwiegend im Bereich der Formhohlräume auseinander zu drücken, während die Zuhaltekräfte nur im Bereich der direkten Kraftübertragung wirken (Bild 1). Die Durchbiegung ist besonders groß bei geringer Steifigkeit der Platten und um die Bereiche gegenüber der düsenseitigen Zentrierbohrung und vor allem gegenüber dem Auswerfersystem '''(Bild 3)'''.
Die Durchbiegung führt zur Gratbildung und u.U. dazu, dass nicht der größtmögliche Einspritzdruck gewählt werden kann. Abhilfe kann dadurch geschaffen werden, dass zusätzliche Stützrollen vorgesehen werden, die mit einem Übermaß von 0,03mm … 0,05mm gegenüber den äußeren Abstützungen eingebaut werden '''(Bild 4)'''.
Auch wegen der beim Einspritzen erforderlichen Entlüftung der Werkzeughöhlung über die Berührungsflächen der beiden Formhälften sollte die Schließkraft so niedrig wie möglich sein.

== '''Gestalten von Spritzgießteilen''' ==

=== Maßtoleranzen bei Spritzgießteilen ===

[[Bild:Maßarten.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle1 Ermittlung.jpg|right|300x300px]]

Die erzielbaren Toleranzen sind größtenteils abhängig von der Schwindung, den Formmassen und der Art der Maße, wobei natürlich auch die Qualität der Spritzgießmaschine und des Werkzeuges eine Rolle spielen.

So lassen sich mit amorphen Formmassen kleinere Toleranzen leichter einhalten als mit teilkristallinen. '''Werkzeuggebundene''' Maße lassen sich genauer herstellen als '''nicht werkzeuggebundene''' Maße '''(Bild 1)'''.

DIN 16 901 bildet bei der Festlegung der Toleranzen zuerst Toleranzgruppen in Abhängigkeit der Formmassen und Schwindungskennwerte (siehe Tabellenbuch). Bezogen auf diese Toleranzgruppen und die festgelegte Maßart werden dann den verschiedenen Nennmaßbereichen die zulässigen Abweichungen zugeordnet.

Die Ermittlung der Allgemeintoleranz für das werkzeuggebundene Maß a im Bild 1, das 35mm betragen soll, zeigt die Tabelle 1.

=== Richtlinien zur Gestaltung von Spritzgießteilen (VDI 2006) ===

[[Bild:Mindetwanddicke.jpg|left|300x300px]][[Bild:Gestaltungsbeispiele.jpg|right|300x300px]]

Die Wanddicken müssen groß genug sein, damit die Formmasse das Werkzeug sicher füllen kann, ehe sie zu stark abkühlt oder ausgehärtet ist. Deshalb ist die '''Mindestwanddicke''' in Abhängigkeit vom '''Fließweg''' im Werkzeug und der Fließfähigkeit der Formmasse zu wählen '''(Bild 2)''' und Bild 2: Werkzeuginnendruck für einfache Teile beim Thema Druckverlauf).

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)'''.

[[Bild:Neigung.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle rautiefe.jpg|right|300x300px]][[Bild:Verzug.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Winkelverzug.jpg|left|300x300px]]

Um das Spritzgießteil leicht und schnell aus der Form entfernen zu können, müssen alle Flächen des Werkstückes, die in Öffnungsrichtung der Form liegen, eine leichte '''Neigung''' erhalten '''(Bild 1)'''. Zusätzlich muss sichergestellt sein, dass das Spritzgießteil beim Öffnen der Form von der schließseitigen Formhälfte mitgenommen und von der Auswerfervorrichtung entfernt wird. Weiterhin hängen die Entformungsschrägen speziell bei strukturierten Oberflächen von der Oberflächenrauigkeit der abzubildenden Kavitäten ab. Die Struktur kann aufgrund ihrer Tiefe wie eine Verzahnung zwischen Formteil und Werkzeugoberfläche wirken und somit die Entformung erschweren. Die Lage der Strukturrichtung parallel oder senkrecht zur Entformungsrichtung und die Materialpaarung Stahl- Kunststoffmasse ist von entscheidender Bedeutung '''(Tabelle 1)'''.

Als einfache Näherung sollte für eine Strukturtiefe von 0,02mm pro 1° Entformungsschrägen bei senkrechter Lage zur Entformungsrichtung nicht überschritten werden. Scharfe Ecken und Kanten können beim Einspritzvorgang des Kunststoffmaterials so stark scheren, dass es zu einer thermischen Schädigung des Kunststoffes kommen kann.

Eine Abrundung bei Umlenkungen wirkt nicht nur der Scherung entgegen, sondern auch dem '''Winkelverzug''' und der Kerbwirkung im Eckbereich. Der mögliche Verzug des Formteils wird in '''(Bild 2)''' dargestellt. Da die dünnen Formteilbereiche schneller abkühlen, werden sie durch die Schrumpfkraft der dickeren verformt.

In '''Bild 3''' kann das Volumenelement '''a''' seine Erstarrungswärme nur stark verzögert an das Werkzeug abgeben. Volumenelement '''b''' kühlt dagegen rascher ab, da es an zwei Seiten an das Werkzeug grenzt. Es entsteht ein '''Winkelverzug'''. Diesem kann durch Abrunden und durch verringerung der Wandstärke im Eckbereich entgegengewirkt werden.

== '''Schwindung''' ==

[[Bild:Tabelle1 Anhaltsw.jpg|left|600x600px]]

Bei der Festlegung des Formhohlraumes müssen die Schwindung und evtl. die Nachschwindung berücksichtigt werden.

Unter Schwindung versteht man die Maßänderung von Werkstücken durch das Zusammenziehen des Werkstoffes beim Abkühlen als Maßunterschied zwischen Werkzeugkavität und Formteil. Bei der Erfassung dieser Schwindung '''(Tabelle 1)''' kommt erschwerend hinzu, dass die Schwindungsdifferenz sowie die Nachschwindung berücksichtigt werden müssen.

Eine '''Schwindungsdifferenz''' tritt dann auf, wenn die Schwindungen in Fließrichtung und quer dazu unterschiedlich groß sind. Der Unterschied zwischen Längs- und Querschwindung ist die Schwindungsdifferenz. Bei einer größeren Schwindungsdifferenz kann dies zu Verwindungen oder zum Verzug des spritzgegossenen Formteils führen.

Die Formteilgeometrie und die Angusslage können Molekülorientierungen hervorrufen, wodurch die Schwindungsdifferenz beeinflusst werden kann. Durch die Verwendung von Füllstoffen kann die Schwindung vermindert werden. Bei faserigen Verstärkungsstoffen kann durch die Faserorientierung im Bauteil eine sehr große Schwindungsdifferenz entstehen. Die Temperaturdifferenz während der Verarbeitung und der Gebrauchstemperatur des Formteils ergibt eine vernachlässigbare Längenänderung der Glasfasern. Sind nun Glasfasern in einem Formteil durch den Materialfluss während des Füllvorganges stark orientiert, schwindet das Formteil quer zur Faser wesentlich stärker als längs dazu. Werden zum Beispiel Glaskugeln zugemischt, wird insgesamt eine geringere Schwindung beobachtet.

Die '''Nachschwindung''' ist der Unterschied zwischen dem Maß eines auf Raumtemperatur abgekühlten Spritzgießteils und dem Maß desselben Spritzgießteils nach der Einwirkung einer bestimmten Temperatur. Sie verursacht eine Nachkristallisation und kann während des Gebrauches oder auch gezielt durch Tempern eingebracht werden. Durch die Naschwindungen werden die Fertigteilabmessungen nochmals kleiner.

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.

== '''Aufbau von Spritzgießwerkzeugen''' ==

[[Bild:Spritzgießwerkzeug.jpg|center|900x600px]]

=== Einleitung der Spritzgießwerkzeuge ===

[[Bild:Tabell1 Einleitung.jpg|left|400x300px]]

Die Vielzahl der Unterschiedlichen Spritzgießanwendungen erfordert verschiedene Werkzeugarten. Sie werden nach Anzahl der Formhohlräume, nach Art des Angusssystems, nach Anzahl der Trennebenen und nach Art der Entformung unterschieden. Die unterschiedlichen Verarbeitungsmöglichkeiten im Spritzgießbereich führen zu einer Vielzahl von Sonderverfahren, welche nicht alle in der Übersicht '''(Tabelle 1)''' aufgeführt werden können.

== '''Angusssysteme''' ==

[[Bild:Angusssystem.jpg|left|300x300px]]

Der Anguss ist ein System von Strömungswegen, in denen die fließfähige Formmasse von der Düse der Spritzeinheit zur Formhöhlung (Kavität) fließt.

Dieses System kann aus dem Angusskegel, den Verteilerkanälen, der sog. Angussspinne und dem Anschnitt bestehen '''(Bild 1)'''. Bei Einfachwerkzeugen können sich die Strömungswege auf eine kegelige Bohrung beschränken, die direkt in die Formhöhlung mündet. Die Stelle, an der der Anguss in die Formhöhlung eintritt, nennt man den '''Anschnitt'''.
Den Zeitpunkt nach dem der Anschnitt „eingefroren“ (d.h. erstarrt) ist und somit der Nachdruck nicht mehr wirken kann, nennt man '''Siegelpunkt'''. Ein längeres Nachdrücken über diesen Zeitpunkt hinaus ist unnötig.

Der Zeitpunkt des Erstarrens kann durch eine Innendruckmessung oder durch das Bestimmen der Formteilmasse ermittelt werden. Das maximale Formteilgewicht ist erreicht, wenn der Anschnitt eingefroren ist.

Der Anguss ist so zu gestalten, dass die flüssige Masse möglichst auf kürzestem Wege, mit geringstem Wärme- und Druckverlust die Kavitäten gleichzeitig füllt. Die Querschnitte der Strömungswege müssen so bemessen sein, dass eine gleichmäßige Füllung des Angusssystems sowie der Formhöhlung erreicht wird.

=== Angussformen ===

Die Angussform ist so zu wählen, dass für den speziellen Fall die bereits erwähnten Forderungen erfüllt werden können. Außerdem müssen noch folgende Einflussgrößen berücksichtigt werden.

* Formteilgeometrie und Formteilvolumen
* Viskosität der Formmasse
* Art des Spritzgießwerkzeuges
* Fließweglänge

=== Stangen- oder Kegelanguss ===

[[Bild:Stangen& P.Anguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Stangenanguss.jpg|right|300x300px]]

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.

=== Punktanguss ===

[[Bild:Punktanguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Vergr. Vorkammer.jpg|right|300x300px]]

Beim Entformen reißt der Punktanguss am kleinsten Querschnitt ab und bleibt als Angusszäpfchen am Spritzgießteil '''(Bild 2b zum Thema Stangen und Punktanguss''' und '''Bild 4 Punktanguss mit Vorkammer)'''. Es entsteht dadurch keine Nacharbeit und keine optisch störende Bearbeitungsfläche wie beim Stangenanguss. Außerdem muss der Anguss, also die Formmasse, in der Vorkammer nicht entformt werden.

Der Punktanguss wird besonders für kleinteile und Massenartikel in Einfach- und Mehrfachwerkzeugen vorgesehen, sowie für Mehrfachangüsse bei einem größeren Formteil. Dann muss zum Entformen des Angussverteilers mit einem Dreiplattenwerkzeug gearbeitet werden.

Je kleiner die Bohrung des Punktangusses ist, desto leichter geht das Abreißen vor sich. Dabei ist jedoch neben der Wanddicke die Zähflüssigkeit (Viskosität) der Schmelze, sowie die Temperatur zu beachten.

[[Bild:Vork. mit v. Düsens..jpg|left|300x300px]][[Bild:Vork. m. beh. K-B.sp.jpg|right|300x300px]]

Kann die Formhöhlung durch den kleinen Punktanguss nicht mehr schnell genug gefüllt werden, so kühlt die Schmelze in der '''Vorkammer''' vorzeitig ab, so dass sie unter Umständen von Hand entfernt werden muss.

Deshalb wird die Vorkammer etwas vergrößert, so das die an der Innenwandung haftende abgekühlte Masse als Isolator wirkt '''(Bild 1)'''.

Der Kern der Schmelze, die sog. Plastische Seele, bleibt im Angussbereich flüssig. Die Verweildauer der Schmelze in der Vorkammer sollte aber nicht zu lang sein. Kurze Zyklen, d. h. mehrmaliges Einspritzen pro Minute, sind für das Funktionieren des Systems notwendig.

Ist die Spritzhäufigkeit nicht möglich, so wird eine Kupfer- Beryllium- Spitze in die Vorkammer eingeführt. Der Raum zwischen Kupferspitze und Innenwandung der Vorkammer füllt sich mit erkalteter Masse, die dann als Isolierung wirkt. Die Kupferspitze nimmt über die Düse genügend wärme auf, um die Masse im inneren flüssig zu halten '''(Bild 2)'''.

Eine weitere Möglichkeit, die Abkühlung der Formmasse zu verhindern, besteht darin, die Vorkammer durch spezielle Heizpatronen zu erwärmen '''(Bild 3)'''.

=== Teller- und Scheibenanguss ===

[[Bild:Telleranguss.jpg|left|300x300px]]

Teller- und Scheibenangüsse werden für ringförmige Spritzgießteile vorgesehen '''(Bild 1a)'''. Würde man hier mit einem Punktanguss oder mit zwei Anbindungen arbeiten, so entstünde eine '''Binde-''' und '''Fließnaht (Bild 1b)'''. Sie entsteht, wenn zwei Masseströme sich aufgrund vorzeitiger Abkühlung nicht mehr miteinander verbinden. Je kälter die zusammentreffenden Masseströme sind, desto sichtbarer sind die Bindenähte und umso geringer ist die Festigkeit. Bindenähte entstehen auch, wenn sich Masseströme an einem Kern teilen und sich wieder miteinander verbinden müssen.

Diese Qualitätsminderung kann z.B. durch die Erhöhung der Werkzeugtemperatur teilweise reduziert werden. Mit einer Zykluszeiterhöhung ist zu rechnen.

=== Schirmanguss ===

[[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)'''.

=== Ringanguss ===

[[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.

=== Film- oder Bandanguss ===

Flache teile schneidet man zweckmäßigerweise über ein seitliches oder zentrales Band, dem Filmanguss, an. Dadurch lassen sich, wie bei einem Einzelpunktanguss, ungünstige Fließverhältnisse, oder wie bei Mehrfachpunktangüssen, störende Bindenähte vermeiden '''(Bild 2c)'''.

Ebenso lässt sich die Verzugsneigung durch gleichmäßige Druckverhältnisse positiv beeinflussen.
Eine weitere Anwendung ist deshalb die Herstellung optischer Formteile, wie durchsichtige Abdeckungen und optische Linsen.

Filmanschnitte erfordern eine Nacharbeit durch abtrennen des Angusses.

=== Tunnelanguss ===

[[Bild:Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Beim Tunnelanguss wird das Spritzgießteil seitlich oder an den verdeckten Flächen oder an anderen problemlosen Stellen angespritzt und automatisch beim öffnen der Formhälften, oder beim Ausstoßen vom Angusssystem, getrennt (Bild 1).

Der Verteilerkanal führt entlang der Trennfläche nicht direkt in die Formhöhlung, sondern er geht kurz zuvor schräg als konischer Tunnel durch die düsenseitige Werkzeughälfte in den Formhohlraum.
Wird die schließseitige Formhälfte zurückgezogen, so müssen das Spritzgießteil und das Angießsystem mitgenommen werden. Dabei wird der Tunnelanguss am Anschnitt durch eine Schneidkante abgeschert '''(Bild 1)'''.

Das Mitnehmen des Formteils muss durch Aufschrumpfen auf den Kern geschehen, und die des Angusses durch einen eingearbeiteten Hinterschnitt.

Anschließend wird das Spritzgießteil und das Angießsystem durch die Auswerfer entformt.

Wird ein Tunnelanguss vorgesehen, so muss beachtet werden, dass sich der vom Formteil getrennte Anguss beim öffnen der Werkzeughälften ausreichend biegen muss. Damit der Anguss nicht bricht, muss er eine ausreichende Konizität haben und frei biegbar sein, möglichst mit einem definierten Biegepunkt.

Die Formmasse sollte zähelastisch oder beim Entformen noch nicht vollständig erstarrt sein. Nur dann arbeitet das System störungsfrei. Da beim Tunnelanguss die Druckverluste hoch sind, wird er überwiegend zu Herstellung einfacher und kleiner Spritzgießteile in Mehrfachwerkzeugen verwendet.

=== Gebogener Tunnelanguss ===

[[Bild:geb. Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Der gebogene Tunnelanguss, auch Haken- oder Säbelanguss genannt '''(Bild 2)''', bietet die Möglichkeit ein Spritzgießteil auf der Rückseite oder an verdeckter Stelle anzubinden.

Das Entformungsprinzip entspricht dem des Tunnelangusses. Die Verwendung ist auf elastische Formmassen beschrängt. Die große Durchbiegung bei der Entformung erfolgt während der Ausstoßbewegung.

Durch den geringen Fließquerschnitt im Anschnittbereich entstehen große Druckverluste. Dadurch ist dieses Angusssystem nur für einfache Artikel verwendbar.

=== Angießmöglichkeiten für Mehrfachwerkzeuge ===

[[Bild:Verteilersterne.jpg|left|300x300px]][[Bild:Reihenanguss.jpg|right|300x300px]]

In einem Mehrfachwerkzeug werden in einem Spritzvorgang mehrere Spritzgießteile gleichzeitig hergestellt. Liegen die Formhöhlungen, auch Formnester genannt, in der Trennfläche, so werden diese über Verteilerkanäle mit Schmelze versorgt '''(Bild 1)'''.

Liegen die Formhöhlungen zentrisch um den Mittelpunkt des Angusskegels, so nennt man das System der Verteilerkanäle '''Verteilersterne'''. Bei den Verteilersternen in '''Bild 1a''' sind die Fließwege der Formmassen gleich lang. Der Vorteil des Verteilersterns mit Ringkanal in '''Bild 1b''' liegt darin, dass die Gesamtlänge der Verteilerkanäle kürzer ist. Beim '''Reihenanguss''' '''(Bild 2)''' sind die Fließwege unterschiedlich lang, was zu einer geringeren Qualität des Spritzgießteils führen kann. Bild 2 zeigt ein Beispiel für eine ungleichmäßige Füllung der Formhohlräume. Diesen Nachteil kann man durch unterschiedliche Anschnittquerschnitte ausgleichen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der größeren Anzahl der gleichzeitig herstellbaren Spritzgießteile.

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.

=== Verteilerkanal- und Anschnittform ===

[[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.

Beim runden Anschnitt ist die Einarbeitung ebenfalls in beide Formhälften notwendig. Wird der rechteckige Querschnitt gewählt, so muss darauf geachtet werden, dass die Breite des Anschnittes ungefähr 2mm kleiner als der Verteilerkanal ist (Bild 3).

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''' ==

=== Dreiplattenwerkzeug ===

[[Bild:Dreiplattenwerkz.jpg|left|300x300px]]

Höhere Spritzgiezteile werden deshalb vom Boden her zentral angespritzt. 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.

=== Isolierkanalwerkzeug ===

[[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.

=== Etagenwerkzeug ===

[[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.

=== Heißkanalsysteme ===

[[Bild:Heißkanalwerkzeug.jpg|left|300x300px]]

Im Heißkanalsystem '''(Bild 1)''' wird die in den Verteilerkanälen enthaltene Masse durch Heizpatronen oder/ und Rohrheizkörper '''(Bild 2)''' ständig auf Schmelztemperatur gehalten. Um einen Wärmeübergang vom Heißkanalbereich auf das wesentlich kühlere Werkzeug zu meiden, müssen die Kontaktflächen minimiert, ein isolierend wirkender Luftspalt sowie Reflektorbleche vorgesehen werden. Thermofühler in verbindung mit einem Regelkreis sorgen für eine möglichst gleichmäßige Temperatur im Angießsystem.

Es werden außen- und innenbeheizte Heißkanalsysteme unterschieden.

'''Außenbeheizte''' Heißkanalsysteme transportieren Wärmeenergie von außen in den Verteilerkanal (Bild 2a).

'''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
* Anspritzpunkte in großer Entfernung von der Plastifiziereinheit realisierbar
* keine Nacharbeit zum Entfernen des Angusses
* Etagenwerkzeuge nur mit Heißkanalsystemen möglich

Die '''Nachteile''' von Heizkanalwerkzeugen sind:
* hohe Energiekosten
* größere Werkzeugeinbauhöhe
* höhere Werkzeugkosten
* Farb- und Materialwechsel schwierig

'''Anwendung''':
* Großserienwerkzeuge, große Losgrößen
* große Formteile mit mehreren Anspritzpunkten

== '''Sonstiges''' ==

Zur Vollständigkeit einer Spritzgießanlage müssen noch folgende Punkte genannt werden:
* die Werkzeugtemperierung, sie regelt die Wärme zu- und abführ (Kühlssystem)
* Serielle Anordnung des Kühlkreislaufes
* Parallele Anordnung des Kühlkreislaufes
* Entformungssysteme (Auswerfeinrichtungen), sie stoßen das Werkstück aus
* Auswerfsysteme bei Hinterschneidungen (äußere und innere Hinterschneidungen)
* Bewegliche Kernsegmente
* Elastische Zwangsentformung
* Zusammenfaltbarer Kern
* Entformung durch Rotation des Formteils
* Werkzeugentlüftung, um die Formen schnell genug zu füllen.

== '''Quellen''' ==

# Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Verlag, 53. Auflage
# Der Werkzeugbau, Europa Lehrmittel Verlag, 13. Auflage

[[Kategorie:Fertigungstechnik]]

Spritzgießen

2009-04-22T20:27:51Z

Sandra Kellinghusen: /* Heißkanalsysteme */

== '''Spritzgießen''' ==

=== Einleitung ===

Beim Spritzgießen werden überwiegend Thermoplaste1 im plastifizierten, fließfähigen Zustand in geteilte und 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|]]

=== 1Thermoplaste: ===
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.

=== Vorgänge beim Spritzgießen ===

[[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.

=== Werkstoffverhalten ===

Die Plastifizierte Formmasse sollte so schnell wie möglich in den Formhohlraum eingesprizt werden, damit Druck und Temperatur im Hohlraum überall gleich sind. Tritt dieser idealfall ein, ist eine gleichmäßige Struktur des Werkstoffes und ein gleichmäßiges Schwindungsverhalten im ganzen Spritzgießteil gewährleistet, sodass keine Spannungen und kein Verzug auftreten.

Dieser ideale Vorgang lässt sich leider nicht realisieren. Fließwiederstände im Werkzeug und in der Düse bewirken einen Druckabfall während des Einspritzens. Ungleichmäßiges Abkühlen der Formmasse im Werkzeughohlraum, der auch Kavität genannt wird, ergibt eine ungleichmäßige Werkstoffstruktur.

=== Molekühlorientierung ===

[[Bild:Amorpher Thermoplast.jpg|left|300x300px]]
[[Bild:Molekühlorientierung_0001.jpg|left|300x300px]]
[[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.

=== Kristallisationsgrad ===

[[Bild:Kristallisationsgrad.jpg|left|300x300px]]

{{Mark
|Bei teilkristallinen Werkstoffen kann sich auf Grund der schnellen Abkühlung im Bereich der Formwand keine Kristallisation bilden. Der Randbreich des Spritzgießteils hat darum einen amorphen Aufbau, währen der Kern einen mehr 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)'''.

=== Fließverhalten ===

[[Bild:Fließfront.jpg|left|300x300px]]
[[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)'''.}}

=== Einflussgrößen auf den Spritzvorgang ===

[[Bild:Einflussgrößen auf den Spritzvorgang.jpg|right|300x300px]]
[[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).

=== Druckverlauf ===

[[Bild:Druckverlauf.jpg|left|300x300px]][[Bild:Auswirkungen des Nachdruckes.jpg|right|300x300px]][[Bild:SGT mit Lunker.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Werkzeuginnendruck.jpg|left|300x300px]]

Durch den '''Einspritzdruck''', welcher in der Formmasse im Schneckenvorraum herrscht, wird im Formhohlraum aufgrund von Strömungswiederständen in der Düse und im Werkzeug ein zeitlich verzögerter und in der Höhe etwas geringerer '''Werkzeuginnendruck''' aufgebaut '''(Bild 1)'''. Dadurch füllt sich die Werkzeughöhlung mit Formmasse (Bild 1, '''Kurvenpunkt A''') und erzeugt die Ausformung der Konturen durch das Komprimieren (verdichten, zusammenpressen) der Formmasse. Der Maximale Werkzeuginnendruck (Bild 1, '''Kurvenpunkt B''') hängt von der Form, vom Werkstoff, von der Qualität des Spritzgießteils und vom Verhältnis zwischen Fließweg und Wanddicke ab. Dieses Verhältnis wird durch den maximalen Fließweg, den die Formmasse zurücklegen muss und der Wanddicke des Spritzgießteils gebildet '''(Bild 2)'''. Ist der gewünschte Werkzeuginnendruck erreicht, so wird der Einspritzdruck vermindert und als '''Nachdruck''' bezeichnet (Umschaltpunkt). Dieser füllt in der anschließenden Phase nur noch das Restvolumen auf und gleicht die Volumenminderung aus, die durch das Abkühlen der Schmelze eintritt. Der Innendruck fällt dabei leicht ab. Auswirkungen des Nachdruckes auf den Spritzvorgang zeigt die '''Tabelle 1'''.

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.

=== Formfüllungsgrad ===

[[Bild:Formfüllstudie.jpg|left|300x300px]]

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.

=== Abkühlung ===

[[Bild:Abkühlzeit für PS.jpg|left|300x300px]]

Wie schnell die Formstabilität der Formmasse beim Abkühlen eintritt, hängt von der '''Werkzeugtemperatur''' ab. Diese wiederum wird von der Art der Formmasse und von den Anforderungen an das Spritzgießteil sowie von der Wanddicke bestimmt '''(Bild 1)'''.
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 Vorgang vom Einspritzen der Schmelze in den Formhohlraum bis zum nächsten Einspritzvorgang bezeichnet man auch als '''Takt, Schuss''' oder '''Zyklus'''.

== '''Spritzgießmaschine''' ==

[[Bild:Spritzgießmaschiene.jpg|center|800x800px|]]

=== Die Aufgaben der Spritzgießmaschine ===

[[Bild:Aufgaben der Spritzgießmaschine.jpg|left|300x300px|]]

*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 der Form.

Die ersten beiden Aufgaben übernimmt die Spritzeinheit der Spritzmaschine, während die dritte Aufgabe die Schließeinheit durchführt.

=== Spritzeinheit ===

[[Bild:Spritzgießmaschiene_1.jpg|right|600x600px]]

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)'''.

[[Bild:Schneckenkolbenext.jpg| left|300x300px]]

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.

=== Einstellgrößen ===

[[Bild:Einstellgr Plastif.jpg|left|300x300px]]

Die Drehzahl der Schnecke richtet sich neben dem Schneckendurchmesser nach der Größe der Umfangsgeschwindigkeit, die von den Formmasseherstellern vorgegeben wird '''(Tabelle 1)'''.

[[Bild:Wirkung_des_Staud.jpg|left|300x300px]]

Der Wiederstand 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''' ==

Die Düse hat die Aufgabe, eine dichte Verbindung, möglichst ohne Druck- und Temperaturverlust, zwischen dem Spritzzylinder und dem Werkzeug herzustellen. Durch die Berührung mit dem kälteren Werkzeug kann der Düse und der verbleibenden Schmelze wärme entzogen werden. Abhilfe kann geschaffen werden, durch eine Düsenheizung sowie durch das Abheben der Düse vom Werkzeug nach der Nachdruckzeit.

=== Offene Düsen und Verschlussdüsen ===

[[Bild:offene Düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Nadelv.düse.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Schiebev.düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Quernadelv.düse.jpg|right|300x300px]]

Wenn es die Zähigkeit der Schmelze zulässt, wählt man meist eine '''offene Düse (Bild 1)'''. Die Druck- und Temperaturverluste sind wegen des glatten Kanals sehr gering. Außerdem ist die offene Düse leicht zu reinigen und zu spülen. Die Gefahr, dass Schmelze aus der Düse austreten kann, nimmt mit kleiner werdender Düsenbohrung (ca. 3- 8mm) ständig ab. Ist die Schmelze zu dünnflüssig, so müssen '''Verschlussdüsen''', z.B. Schieberverschlussdüsen '''(Bild 2)''', oder Nadelverschlussdüsen '''(Bild3)''', vorgesehen werden. Sie sind so konstruiert, das die Düsenöffnung nach jedem Einspritzvorgang verschlossen und dadurch das Ausströmen der Masse verhindert wird.
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 (RD) bei Konvexdüsen etwas kleiner ist, als der Radius der Angießbuchse (RA), 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.

== '''Schließeinheit''' ==

Die Schließeinheit nimmt an der beweglichen und an der festen Werkzeugplatte die jeweiligen Formhälften auf. Das Öffnen, Schließen und Zuhalten des Werkzeuges wird durch ein Kniehebelssystem oder durch einen vollhydraulischen Antrieb ausgeführt '''(Bild1, Spritzgießmaschine beim Thema Spritzeinheit)'''.

=== Schließkraft – Zuhaltekraft ===

[[Bild:Schließkraft.jpg|left|300x300px]][[Bild:Durchbiegung.jpg|right|300x300px]][[Bild:Stützrollen.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Schwimmhäute.jpg|left|280x280px]]

Die '''Schließkraft''' Fs ist die Kraft, die die Säulen nach dem Schließvorgang beansprucht und dehnt sowie die beiden Formhälften zusammendrückt '''(Bild 1)'''. Beim Einspritzen der Formmasse entsteht durch den Werkzeuginnendruck pw eine Auftriebskraft FA (FA= pw * A), die eine weitere Zugbeanspruchung und Dehnung der Säulen verursacht. Die Summe der Kräfte, die die Säulen beim Einspritzvorgang insgesamt belasten, wird als '''Zuhaltekraft''' Fz bezeichnet. Sie ist stets größer als die Schließkraft, und sie ist von der Steifigkeit der Maschine und des Werkzeuges abhängig.

Ist die '''Auftriebskraft''' größer als die Zuhaltekraft, so wird die Anlage zwischen den beiden Werkzeughälften aufgehoben und es tritt Schmelze zwischen den beiden Formhälften aus, die zur '''Grat'''- oder '''Schwimmhautbildung''' führt '''(Bild 2)'''. Diesen Vorgang nennt man auch '''Überspritzung''' oder '''Überladung'''.
Die '''Zuhaltekraft''' sollte trotzdem so klein wie möglich eingestellt werden, um auch einer Durchbiegung bei den Formnesttragenden Werkzeugplatten vorzubeugen. Diese '''Durchbiegung''' entsteht dadurch, dass beim Einspritzen der Werkzeuginnendruck versucht, die beiden Formhälften überwiegend im Bereich der Formhohlräume auseinander zu drücken, während die Zuhaltekräfte nur im Bereich der direkten Kraftübertragung wirken (Bild 1). Die Durchbiegung ist besonders groß bei geringer Steifigkeit der Platten und um die Bereiche gegenüber der düsenseitigen Zentrierbohrung und vor allem gegenüber dem Auswerfersystem '''(Bild 3)'''.
Die Durchbiegung führt zur Gratbildung und u.U. dazu, dass nicht der größtmögliche Einspritzdruck gewählt werden kann. Abhilfe kann dadurch geschaffen werden, dass zusätzliche Stützrollen vorgesehen werden, die mit einem Übermaß von 0,03mm … 0,05mm gegenüber den äußeren Abstützungen eingebaut werden '''(Bild 4)'''.
Auch wegen der beim Einspritzen erforderlichen Entlüftung der Werkzeughöhlung über die Berührungsflächen der beiden Formhälften sollte die Schließkraft so niedrig wie möglich sein.

== '''Gestalten von Spritzgießteilen''' ==

=== Maßtoleranzen bei Spritzgießteilen ===

[[Bild:Maßarten.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle1 Ermittlung.jpg|right|300x300px]]

Die erzielbaren Toleranzen sind größtenteils abhängig von der Schwindung, den Formmassen und der Art der Maße, wobei natürlich auch die Qualität der Spritzgießmaschine und des Werkzeuges eine Rolle spielen.

So lassen sich mit amorphen Formmassen kleinere Toleranzen leichter einhalten als mit teilkristallinen. '''Werkzeuggebundene''' Maße lassen sich genauer herstellen als '''nicht werkzeuggebundene''' Maße '''(Bild 1)'''.

DIN 16 901 bildet bei der Festlegung der Toleranzen zuerst Toleranzgruppen in Abhängigkeit der Formmassen und Schwindungskennwerte (siehe Tabellenbuch). Bezogen auf diese Toleranzgruppen und die festgelegte Maßart werden dann den verschiedenen Nennmaßbereichen die zulässigen Abweichungen zugeordnet.

Die Ermittlung der Allgemeintoleranz für das werkzeuggebundene Maß a im Bild 1, das 35mm betragen soll, zeigt die Tabelle 1.

=== Richtlinien zur Gestaltung von Spritzgießteilen (VDI 2006) ===

[[Bild:Mindetwanddicke.jpg|left|300x300px]][[Bild:Gestaltungsbeispiele.jpg|right|300x300px]]

Die Wanddicken müssen groß genug sein, damit die Formmasse das Werkzeug sicher füllen kann, ehe sie zu stark abkühlt oder ausgehärtet ist. Deshalb ist die '''Mindestwanddicke''' in Abhängigkeit vom '''Fließweg''' im Werkzeug und der Fließfähigkeit der Formmasse zu wählen '''(Bild 2)''' und Bild 2: Werkzeuginnendruck für einfache Teile beim Thema Druckverlauf).

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)'''.

[[Bild:Neigung.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle rautiefe.jpg|right|300x300px]][[Bild:Verzug.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Winkelverzug.jpg|left|300x300px]]

Um das Spritzgießteil leicht und schnell aus der Form entfernen zu können, müssen alle Flächen des Werkstückes, die in Öffnungsrichtung der Form liegen, eine leichte '''Neigung''' erhalten '''(Bild 1)'''. Zusätzlich muss sichergestellt sein, dass das Spritzgießteil beim Öffnen der Form von der schließseitigen Formhälfte mitgenommen und von der Auswerfervorrichtung entfernt wird. Weiterhin hängen die Entformungsschrägen speziell bei strukturierten Oberflächen von der Oberflächenrauigkeit der abzubildenden Kavitäten ab. Die Struktur kann aufgrund ihrer Tiefe wie eine Verzahnung zwischen Formteil und Werkzeugoberfläche wirken und somit die Entformung erschweren. Die Lage der Strukturrichtung parallel oder senkrecht zur Entformungsrichtung und die Materialpaarung Stahl- Kunststoffmasse ist von entscheidender Bedeutung '''(Tabelle 1)'''.

Als einfache Näherung sollte für eine Strukturtiefe von 0,02mm pro 1° Entformungsschrägen bei senkrechter Lage zur Entformungsrichtung nicht überschritten werden. Scharfe Ecken und Kanten können beim Einspritzvorgang des Kunststoffmaterials so stark scheren, dass es zu einer thermischen Schädigung des Kunststoffes kommen kann.

Eine Abrundung bei Umlenkungen wirkt nicht nur der Scherung entgegen, sondern auch dem '''Winkelverzug''' und der Kerbwirkung im Eckbereich. Der mögliche Verzug des Formteils wird in '''(Bild 2)''' dargestellt. Da die dünnen Formteilbereiche schneller abkühlen, werden sie durch die Schrumpfkraft der dickeren verformt.

In '''Bild 3''' kann das Volumenelement '''a''' seine Erstarrungswärme nur stark verzögert an das Werkzeug abgeben. Volumenelement '''b''' kühlt dagegen rascher ab, da es an zwei Seiten an das Werkzeug grenzt. Es entsteht ein '''Winkelverzug'''. Diesem kann durch Abrunden und durch verringerung der Wandstärke im Eckbereich entgegengewirkt werden.

== '''Schwindung''' ==

[[Bild:Tabelle1 Anhaltsw.jpg|left|600x600px]]

Bei der Festlegung des Formhohlraumes müssen die Schwindung und evtl. die Nachschwindung berücksichtigt werden.

Unter Schwindung versteht man die Maßänderung von Werkstücken durch das Zusammenziehen des Werkstoffes beim Abkühlen als Maßunterschied zwischen Werkzeugkavität und Formteil. Bei der Erfassung dieser Schwindung '''(Tabelle 1)''' kommt erschwerend hinzu, dass die Schwindungsdifferenz sowie die Nachschwindung berücksichtigt werden müssen.

Eine '''Schwindungsdifferenz''' tritt dann auf, wenn die Schwindungen in Fließrichtung und quer dazu unterschiedlich groß sind. Der Unterschied zwischen Längs- und Querschwindung ist die Schwindungsdifferenz. Bei einer größeren Schwindungsdifferenz kann dies zu Verwindungen oder zum Verzug des spritzgegossenen Formteils führen.

Die Formteilgeometrie und die Angusslage können Molekülorientierungen hervorrufen, wodurch die Schwindungsdifferenz beeinflusst werden kann. Durch die Verwendung von Füllstoffen kann die Schwindung vermindert werden. Bei faserigen Verstärkungsstoffen kann durch die Faserorientierung im Bauteil eine sehr große Schwindungsdifferenz entstehen. Die Temperaturdifferenz während der Verarbeitung und der Gebrauchstemperatur des Formteils ergibt eine vernachlässigbare Längenänderung der Glasfasern. Sind nun Glasfasern in einem Formteil durch den Materialfluss während des Füllvorganges stark orientiert, schwindet das Formteil quer zur Faser wesentlich stärker als längs dazu. Werden zum Beispiel Glaskugeln zugemischt, wird insgesamt eine geringere Schwindung beobachtet.

Die '''Nachschwindung''' ist der Unterschied zwischen dem Maß eines auf Raumtemperatur abgekühlten Spritzgießteils und dem Maß desselben Spritzgießteils nach der Einwirkung einer bestimmten Temperatur. Sie verursacht eine Nachkristallisation und kann während des Gebrauches oder auch gezielt durch Tempern eingebracht werden. Durch die Naschwindungen werden die Fertigteilabmessungen nochmals kleiner.

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.

== '''Aufbau von Spritzgießwerkzeugen''' ==

[[Bild:Spritzgießwerkzeug.jpg|center|900x600px]]

=== Einleitung der Spritzgießwerkzeuge ===

[[Bild:Tabell1 Einleitung.jpg|left|400x300px]]

Die Vielzahl der Unterschiedlichen Spritzgießanwendungen erfordert verschiedene Werkzeugarten. Sie werden nach Anzahl der Formhohlräume, nach Art des Angusssystems, nach Anzahl der Trennebenen und nach Art der Entformung unterschieden. Die unterschiedlichen Verarbeitungsmöglichkeiten im Spritzgießbereich führen zu einer Vielzahl von Sonderverfahren, welche nicht alle in der Übersicht '''(Tabelle 1)''' aufgeführt werden können.

== '''Angusssysteme''' ==

[[Bild:Angusssystem.jpg|left|300x300px]]

Der Anguss ist ein System von Strömungswegen, in denen die fließfähige Formmasse von der Düse der Spritzeinheit zur Formhöhlung (Kavität) fließt.

Dieses System kann aus dem Angusskegel, den Verteilerkanälen, der sog. Angussspinne und dem Anschnitt bestehen '''(Bild 1)'''. Bei Einfachwerkzeugen können sich die Strömungswege auf eine kegelige Bohrung beschränken, die direkt in die Formhöhlung mündet. Die Stelle, an der der Anguss in die Formhöhlung eintritt, nennt man den '''Anschnitt'''.
Den Zeitpunkt nach dem der Anschnitt „eingefroren“ (d.h. erstarrt) ist und somit der Nachdruck nicht mehr wirken kann, nennt man '''Siegelpunkt'''. Ein längeres Nachdrücken über diesen Zeitpunkt hinaus ist unnötig.

Der Zeitpunkt des Erstarrens kann durch eine Innendruckmessung oder durch das Bestimmen der Formteilmasse ermittelt werden. Das maximale Formteilgewicht ist erreicht, wenn der Anschnitt eingefroren ist.

Der Anguss ist so zu gestalten, dass die flüssige Masse möglichst auf kürzestem Wege, mit geringstem Wärme- und Druckverlust die Kavitäten gleichzeitig füllt. Die Querschnitte der Strömungswege müssen so bemessen sein, dass eine gleichmäßige Füllung des Angusssystems sowie der Formhöhlung erreicht wird.

=== Angussformen ===

Die Angussform ist so zu wählen, dass für den speziellen Fall die bereits erwähnten Forderungen erfüllt werden können. Außerdem müssen noch folgende Einflussgrößen berücksichtigt werden.

* Formteilgeometrie und Formteilvolumen
* Viskosität der Formmasse
* Art des Spritzgießwerkzeuges
* Fließweglänge

=== Stangen- oder Kegelanguss ===

[[Bild:Stangen& P.Anguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Stangenanguss.jpg|right|300x300px]]

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.

=== Punktanguss ===

[[Bild:Punktanguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Vergr. Vorkammer.jpg|right|300x300px]]

Beim Entformen reißt der Punktanguss am kleinsten Querschnitt ab und bleibt als Angusszäpfchen am Spritzgießteil '''(Bild 2b zum Thema Stangen und Punktanguss''' und '''Bild 4 Punktanguss mit Vorkammer)'''. Es entsteht dadurch keine Nacharbeit und keine optisch störende Bearbeitungsfläche wie beim Stangenanguss. Außerdem muss der Anguss, also die Formmasse, in der Vorkammer nicht entformt werden.

Der Punktanguss wird besonders für kleinteile und Massenartikel in Einfach- und Mehrfachwerkzeugen vorgesehen, sowie für Mehrfachangüsse bei einem größeren Formteil. Dann muss zum Entformen des Angussverteilers mit einem Dreiplattenwerkzeug gearbeitet werden.

Je kleiner die Bohrung des Punktangusses ist, desto leichter geht das Abreißen vor sich. Dabei ist jedoch neben der Wanddicke die Zähflüssigkeit (Viskosität) der Schmelze, sowie die Temperatur zu beachten.

[[Bild:Vork. mit v. Düsens..jpg|left|300x300px]][[Bild:Vork. m. beh. K-B.sp.jpg|right|300x300px]]

Kann die Formhöhlung durch den kleinen Punktanguss nicht mehr schnell genug gefüllt werden, so kühlt die Schmelze in der '''Vorkammer''' vorzeitig ab, so dass sie unter Umständen von Hand entfernt werden muss.

Deshalb wird die Vorkammer etwas vergrößert, so das die an der Innenwandung haftende abgekühlte Masse als Isolator wirkt '''(Bild 1)'''.

Der Kern der Schmelze, die sog. Plastische Seele, bleibt im Angussbereich flüssig. Die Verweildauer der Schmelze in der Vorkammer sollte aber nicht zu lang sein. Kurze Zyklen, d. h. mehrmaliges Einspritzen pro Minute, sind für das Funktionieren des Systems notwendig.

Ist die Spritzhäufigkeit nicht möglich, so wird eine Kupfer- Beryllium- Spitze in die Vorkammer eingeführt. Der Raum zwischen Kupferspitze und Innenwandung der Vorkammer füllt sich mit erkalteter Masse, die dann als Isolierung wirkt. Die Kupferspitze nimmt über die Düse genügend wärme auf, um die Masse im inneren flüssig zu halten '''(Bild 2)'''.

Eine weitere Möglichkeit, die Abkühlung der Formmasse zu verhindern, besteht darin, die Vorkammer durch spezielle Heizpatronen zu erwärmen '''(Bild 3)'''.

=== Teller- und Scheibenanguss ===

[[Bild:Telleranguss.jpg|left|300x300px]]

Teller- und Scheibenangüsse werden für ringförmige Spritzgießteile vorgesehen '''(Bild 1a)'''. Würde man hier mit einem Punktanguss oder mit zwei Anbindungen arbeiten, so entstünde eine '''Binde-''' und '''Fließnaht (Bild 1b)'''. Sie entsteht, wenn zwei Masseströme sich aufgrund vorzeitiger Abkühlung nicht mehr miteinander verbinden. Je kälter die zusammentreffenden Masseströme sind, desto sichtbarer sind die Bindenähte und umso geringer ist die Festigkeit. Bindenähte entstehen auch, wenn sich Masseströme an einem Kern teilen und sich wieder miteinander verbinden müssen.

Diese Qualitätsminderung kann z.B. durch die Erhöhung der Werkzeugtemperatur teilweise reduziert werden. Mit einer Zykluszeiterhöhung ist zu rechnen.

=== Schirmanguss ===

[[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)'''.

=== Ringanguss ===

[[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.

=== Film- oder Bandanguss ===

Flache teile schneidet man zweckmäßigerweise über ein seitliches oder zentrales Band, dem Filmanguss, an. Dadurch lassen sich, wie bei einem Einzelpunktanguss, ungünstige Fließverhältnisse, oder wie bei Mehrfachpunktangüssen, störende Bindenähte vermeiden '''(Bild 2c)'''.

Ebenso lässt sich die Verzugsneigung durch gleichmäßige Druckverhältnisse positiv beeinflussen.
Eine weitere Anwendung ist deshalb die Herstellung optischer Formteile, wie durchsichtige Abdeckungen und optische Linsen.

Filmanschnitte erfordern eine Nacharbeit durch abtrennen des Angusses.

=== Tunnelanguss ===

[[Bild:Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Beim Tunnelanguss wird das Spritzgießteil seitlich oder an den verdeckten Flächen oder an anderen problemlosen Stellen angespritzt und automatisch beim öffnen der Formhälften, oder beim Ausstoßen vom Angusssystem, getrennt (Bild 1).

Der Verteilerkanal führt entlang der Trennfläche nicht direkt in die Formhöhlung, sondern er geht kurz zuvor schräg als konischer Tunnel durch die düsenseitige Werkzeughälfte in den Formhohlraum.
Wird die schließseitige Formhälfte zurückgezogen, so müssen das Spritzgießteil und das Angießsystem mitgenommen werden. Dabei wird der Tunnelanguss am Anschnitt durch eine Schneidkante abgeschert '''(Bild 1)'''.

Das Mitnehmen des Formteils muss durch Aufschrumpfen auf den Kern geschehen, und die des Angusses durch einen eingearbeiteten Hinterschnitt.

Anschließend wird das Spritzgießteil und das Angießsystem durch die Auswerfer entformt.

Wird ein Tunnelanguss vorgesehen, so muss beachtet werden, dass sich der vom Formteil getrennte Anguss beim öffnen der Werkzeughälften ausreichend biegen muss. Damit der Anguss nicht bricht, muss er eine ausreichende Konizität haben und frei biegbar sein, möglichst mit einem definierten Biegepunkt.

Die Formmasse sollte zähelastisch oder beim Entformen noch nicht vollständig erstarrt sein. Nur dann arbeitet das System störungsfrei. Da beim Tunnelanguss die Druckverluste hoch sind, wird er überwiegend zu Herstellung einfacher und kleiner Spritzgießteile in Mehrfachwerkzeugen verwendet.

=== Gebogener Tunnelanguss ===

[[Bild:geb. Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Der gebogene Tunnelanguss, auch Haken- oder Säbelanguss genannt '''(Bild 2)''', bietet die Möglichkeit ein Spritzgießteil auf der Rückseite oder an verdeckter Stelle anzubinden.

Das Entformungsprinzip entspricht dem des Tunnelangusses. Die Verwendung ist auf elastische Formmassen beschrängt. Die große Durchbiegung bei der Entformung erfolgt während der Ausstoßbewegung.

Durch den geringen Fließquerschnitt im Anschnittbereich entstehen große Druckverluste. Dadurch ist dieses Angusssystem nur für einfache Artikel verwendbar.

=== Angießmöglichkeiten für Mehrfachwerkzeuge ===

[[Bild:Verteilersterne.jpg|left|300x300px]][[Bild:Reihenanguss.jpg|right|300x300px]]

In einem Mehrfachwerkzeug werden in einem Spritzvorgang mehrere Spritzgießteile gleichzeitig hergestellt. Liegen die Formhöhlungen, auch Formnester genannt, in der Trennfläche, so werden diese über Verteilerkanäle mit Schmelze versorgt '''(Bild 1)'''.

Liegen die Formhöhlungen zentrisch um den Mittelpunkt des Angusskegels, so nennt man das System der Verteilerkanäle '''Verteilersterne'''. Bei den Verteilersternen in '''Bild 1a''' sind die Fließwege der Formmassen gleich lang. Der Vorteil des Verteilersterns mit Ringkanal in '''Bild 1b''' liegt darin, dass die Gesamtlänge der Verteilerkanäle kürzer ist. Beim '''Reihenanguss''' '''(Bild 2)''' sind die Fließwege unterschiedlich lang, was zu einer geringeren Qualität des Spritzgießteils führen kann. Bild 2 zeigt ein Beispiel für eine ungleichmäßige Füllung der Formhohlräume. Diesen Nachteil kann man durch unterschiedliche Anschnittquerschnitte ausgleichen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der größeren Anzahl der gleichzeitig herstellbaren Spritzgießteile.

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.

=== Verteilerkanal- und Anschnittform ===

[[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.

Beim runden Anschnitt ist die Einarbeitung ebenfalls in beide Formhälften notwendig. Wird der rechteckige Querschnitt gewählt, so muss darauf geachtet werden, dass die Breite des Anschnittes ungefähr 2mm kleiner als der Verteilerkanal ist (Bild 3).

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''' ==

=== Dreiplattenwerkzeug ===

[[Bild:Dreiplattenwerkz.jpg|left|300x300px]]

Höhere Spritzgiezteile werden deshalb vom Boden her zentral angespritzt. 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.

=== Isolierkanalwerkzeug ===

[[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.

=== Etagenwerkzeug ===

[[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.

=== Heißkanalsysteme ===

[[Bild:Heißkanalwerkzeug.jpg|left|300x300px]]

Im Heißkanalsystem '''(Bild 1)''' wird die in den Verteilerkanälen enthaltene Masse durch Heizpatronen oder/ und Rohrheizkörper '''(Bild 2)''' ständig auf Schmelztemperatur gehalten. Um einen Wärmeübergang vom Heißkanalbereich auf das wesentlich kühlere Werkzeug zu meiden, müssen die Kontaktflächen minimiert, ein isolierend wirkender Luftspalt sowie Reflektorbleche vorgesehen werden. Thermofühler in verbindung mit einem Regelkreis sorgen für eine möglichst gleichmäßige Temperatur im Angießsystem.

Es werden außen- und innenbeheizte Heißkanalsysteme unterschieden.

'''Außenbeheizte''' Heißkanalsysteme transportieren Wärmeenergie von außen in den Verteilerkanal (Bild 2a).

'''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
* Anspritzpunkte in großer Entfernung von der Plastifiziereinheit realisierbar
* keine Nacharbeit zum Entfernen des Angusses
* Etagenwerkzeuge nur mit Heißkanalsystemen möglich

Die '''Nachteile''' von Heizkanalwerkzeugen sind:
* hohe Energiekosten
* größere Werkzeugeinbauhöhe
* höhere Werkzeugkosten
* Farb- und Materialwechsel schwierig

'''Anwendung''':
* Großserienwerkzeuge, große Losgrößen
* große Formteile mit mehreren Anspritzpunkten

== '''Sonstiges''' ==

Zur Vollständigkeit einer Spritzgießanlage müssen noch folgende Punkte genannt werden:
* die Werkzeugtemperierung, sie regelt die Wärme zu- und abführ (Kühlssystem)
* Serielle Anordnung des Kühlkreislaufes
* Parallele Anordnung des Kühlkreislaufes
* Entformungssysteme (Auswerfeinrichtungen), sie stoßen das Werkstück aus
* Auswerfsysteme bei Hinterschneidungen (äußere und innere Hinterschneidungen)
* Bewegliche Kernsegmente
* Elastische Zwangsentformung
* Zusammenfaltbarer Kern
* Entformung durch Rotation des Formteils
* Werkzeugentlüftung, um die Formen schnell genug zu füllen.

== '''Quellen''' ==

# Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Verlag, 53. Auflage
# Der Werkzeugbau, Europa Lehrmittel Verlag, 13. Auflage

[[Kategorie:Fertigungstechnik]]

Spritzgießen

2009-04-22T20:26:52Z

Sandra Kellinghusen: /* Etagenwerkzeug */

== '''Spritzgießen''' ==

=== Einleitung ===

Beim Spritzgießen werden überwiegend Thermoplaste1 im plastifizierten, fließfähigen Zustand in geteilte und 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|]]

=== 1Thermoplaste: ===
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.

=== Vorgänge beim Spritzgießen ===

[[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.

=== Werkstoffverhalten ===

Die Plastifizierte Formmasse sollte so schnell wie möglich in den Formhohlraum eingesprizt werden, damit Druck und Temperatur im Hohlraum überall gleich sind. Tritt dieser idealfall ein, ist eine gleichmäßige Struktur des Werkstoffes und ein gleichmäßiges Schwindungsverhalten im ganzen Spritzgießteil gewährleistet, sodass keine Spannungen und kein Verzug auftreten.

Dieser ideale Vorgang lässt sich leider nicht realisieren. Fließwiederstände im Werkzeug und in der Düse bewirken einen Druckabfall während des Einspritzens. Ungleichmäßiges Abkühlen der Formmasse im Werkzeughohlraum, der auch Kavität genannt wird, ergibt eine ungleichmäßige Werkstoffstruktur.

=== Molekühlorientierung ===

[[Bild:Amorpher Thermoplast.jpg|left|300x300px]]
[[Bild:Molekühlorientierung_0001.jpg|left|300x300px]]
[[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.

=== Kristallisationsgrad ===

[[Bild:Kristallisationsgrad.jpg|left|300x300px]]

{{Mark
|Bei teilkristallinen Werkstoffen kann sich auf Grund der schnellen Abkühlung im Bereich der Formwand keine Kristallisation bilden. Der Randbreich des Spritzgießteils hat darum einen amorphen Aufbau, währen der Kern einen mehr 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)'''.

=== Fließverhalten ===

[[Bild:Fließfront.jpg|left|300x300px]]
[[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)'''.}}

=== Einflussgrößen auf den Spritzvorgang ===

[[Bild:Einflussgrößen auf den Spritzvorgang.jpg|right|300x300px]]
[[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).

=== Druckverlauf ===

[[Bild:Druckverlauf.jpg|left|300x300px]][[Bild:Auswirkungen des Nachdruckes.jpg|right|300x300px]][[Bild:SGT mit Lunker.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Werkzeuginnendruck.jpg|left|300x300px]]

Durch den '''Einspritzdruck''', welcher in der Formmasse im Schneckenvorraum herrscht, wird im Formhohlraum aufgrund von Strömungswiederständen in der Düse und im Werkzeug ein zeitlich verzögerter und in der Höhe etwas geringerer '''Werkzeuginnendruck''' aufgebaut '''(Bild 1)'''. Dadurch füllt sich die Werkzeughöhlung mit Formmasse (Bild 1, '''Kurvenpunkt A''') und erzeugt die Ausformung der Konturen durch das Komprimieren (verdichten, zusammenpressen) der Formmasse. Der Maximale Werkzeuginnendruck (Bild 1, '''Kurvenpunkt B''') hängt von der Form, vom Werkstoff, von der Qualität des Spritzgießteils und vom Verhältnis zwischen Fließweg und Wanddicke ab. Dieses Verhältnis wird durch den maximalen Fließweg, den die Formmasse zurücklegen muss und der Wanddicke des Spritzgießteils gebildet '''(Bild 2)'''. Ist der gewünschte Werkzeuginnendruck erreicht, so wird der Einspritzdruck vermindert und als '''Nachdruck''' bezeichnet (Umschaltpunkt). Dieser füllt in der anschließenden Phase nur noch das Restvolumen auf und gleicht die Volumenminderung aus, die durch das Abkühlen der Schmelze eintritt. Der Innendruck fällt dabei leicht ab. Auswirkungen des Nachdruckes auf den Spritzvorgang zeigt die '''Tabelle 1'''.

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.

=== Formfüllungsgrad ===

[[Bild:Formfüllstudie.jpg|left|300x300px]]

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.

=== Abkühlung ===

[[Bild:Abkühlzeit für PS.jpg|left|300x300px]]

Wie schnell die Formstabilität der Formmasse beim Abkühlen eintritt, hängt von der '''Werkzeugtemperatur''' ab. Diese wiederum wird von der Art der Formmasse und von den Anforderungen an das Spritzgießteil sowie von der Wanddicke bestimmt '''(Bild 1)'''.
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 Vorgang vom Einspritzen der Schmelze in den Formhohlraum bis zum nächsten Einspritzvorgang bezeichnet man auch als '''Takt, Schuss''' oder '''Zyklus'''.

== '''Spritzgießmaschine''' ==

[[Bild:Spritzgießmaschiene.jpg|center|800x800px|]]

=== Die Aufgaben der Spritzgießmaschine ===

[[Bild:Aufgaben der Spritzgießmaschine.jpg|left|300x300px|]]

*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 der Form.

Die ersten beiden Aufgaben übernimmt die Spritzeinheit der Spritzmaschine, während die dritte Aufgabe die Schließeinheit durchführt.

=== Spritzeinheit ===

[[Bild:Spritzgießmaschiene_1.jpg|right|600x600px]]

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)'''.

[[Bild:Schneckenkolbenext.jpg| left|300x300px]]

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.

=== Einstellgrößen ===

[[Bild:Einstellgr Plastif.jpg|left|300x300px]]

Die Drehzahl der Schnecke richtet sich neben dem Schneckendurchmesser nach der Größe der Umfangsgeschwindigkeit, die von den Formmasseherstellern vorgegeben wird '''(Tabelle 1)'''.

[[Bild:Wirkung_des_Staud.jpg|left|300x300px]]

Der Wiederstand 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''' ==

Die Düse hat die Aufgabe, eine dichte Verbindung, möglichst ohne Druck- und Temperaturverlust, zwischen dem Spritzzylinder und dem Werkzeug herzustellen. Durch die Berührung mit dem kälteren Werkzeug kann der Düse und der verbleibenden Schmelze wärme entzogen werden. Abhilfe kann geschaffen werden, durch eine Düsenheizung sowie durch das Abheben der Düse vom Werkzeug nach der Nachdruckzeit.

=== Offene Düsen und Verschlussdüsen ===

[[Bild:offene Düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Nadelv.düse.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Schiebev.düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Quernadelv.düse.jpg|right|300x300px]]

Wenn es die Zähigkeit der Schmelze zulässt, wählt man meist eine '''offene Düse (Bild 1)'''. Die Druck- und Temperaturverluste sind wegen des glatten Kanals sehr gering. Außerdem ist die offene Düse leicht zu reinigen und zu spülen. Die Gefahr, dass Schmelze aus der Düse austreten kann, nimmt mit kleiner werdender Düsenbohrung (ca. 3- 8mm) ständig ab. Ist die Schmelze zu dünnflüssig, so müssen '''Verschlussdüsen''', z.B. Schieberverschlussdüsen '''(Bild 2)''', oder Nadelverschlussdüsen '''(Bild3)''', vorgesehen werden. Sie sind so konstruiert, das die Düsenöffnung nach jedem Einspritzvorgang verschlossen und dadurch das Ausströmen der Masse verhindert wird.
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 (RD) bei Konvexdüsen etwas kleiner ist, als der Radius der Angießbuchse (RA), 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.

== '''Schließeinheit''' ==

Die Schließeinheit nimmt an der beweglichen und an der festen Werkzeugplatte die jeweiligen Formhälften auf. Das Öffnen, Schließen und Zuhalten des Werkzeuges wird durch ein Kniehebelssystem oder durch einen vollhydraulischen Antrieb ausgeführt '''(Bild1, Spritzgießmaschine beim Thema Spritzeinheit)'''.

=== Schließkraft – Zuhaltekraft ===

[[Bild:Schließkraft.jpg|left|300x300px]][[Bild:Durchbiegung.jpg|right|300x300px]][[Bild:Stützrollen.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Schwimmhäute.jpg|left|280x280px]]

Die '''Schließkraft''' Fs ist die Kraft, die die Säulen nach dem Schließvorgang beansprucht und dehnt sowie die beiden Formhälften zusammendrückt '''(Bild 1)'''. Beim Einspritzen der Formmasse entsteht durch den Werkzeuginnendruck pw eine Auftriebskraft FA (FA= pw * A), die eine weitere Zugbeanspruchung und Dehnung der Säulen verursacht. Die Summe der Kräfte, die die Säulen beim Einspritzvorgang insgesamt belasten, wird als '''Zuhaltekraft''' Fz bezeichnet. Sie ist stets größer als die Schließkraft, und sie ist von der Steifigkeit der Maschine und des Werkzeuges abhängig.

Ist die '''Auftriebskraft''' größer als die Zuhaltekraft, so wird die Anlage zwischen den beiden Werkzeughälften aufgehoben und es tritt Schmelze zwischen den beiden Formhälften aus, die zur '''Grat'''- oder '''Schwimmhautbildung''' führt '''(Bild 2)'''. Diesen Vorgang nennt man auch '''Überspritzung''' oder '''Überladung'''.
Die '''Zuhaltekraft''' sollte trotzdem so klein wie möglich eingestellt werden, um auch einer Durchbiegung bei den Formnesttragenden Werkzeugplatten vorzubeugen. Diese '''Durchbiegung''' entsteht dadurch, dass beim Einspritzen der Werkzeuginnendruck versucht, die beiden Formhälften überwiegend im Bereich der Formhohlräume auseinander zu drücken, während die Zuhaltekräfte nur im Bereich der direkten Kraftübertragung wirken (Bild 1). Die Durchbiegung ist besonders groß bei geringer Steifigkeit der Platten und um die Bereiche gegenüber der düsenseitigen Zentrierbohrung und vor allem gegenüber dem Auswerfersystem '''(Bild 3)'''.
Die Durchbiegung führt zur Gratbildung und u.U. dazu, dass nicht der größtmögliche Einspritzdruck gewählt werden kann. Abhilfe kann dadurch geschaffen werden, dass zusätzliche Stützrollen vorgesehen werden, die mit einem Übermaß von 0,03mm … 0,05mm gegenüber den äußeren Abstützungen eingebaut werden '''(Bild 4)'''.
Auch wegen der beim Einspritzen erforderlichen Entlüftung der Werkzeughöhlung über die Berührungsflächen der beiden Formhälften sollte die Schließkraft so niedrig wie möglich sein.

== '''Gestalten von Spritzgießteilen''' ==

=== Maßtoleranzen bei Spritzgießteilen ===

[[Bild:Maßarten.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle1 Ermittlung.jpg|right|300x300px]]

Die erzielbaren Toleranzen sind größtenteils abhängig von der Schwindung, den Formmassen und der Art der Maße, wobei natürlich auch die Qualität der Spritzgießmaschine und des Werkzeuges eine Rolle spielen.

So lassen sich mit amorphen Formmassen kleinere Toleranzen leichter einhalten als mit teilkristallinen. '''Werkzeuggebundene''' Maße lassen sich genauer herstellen als '''nicht werkzeuggebundene''' Maße '''(Bild 1)'''.

DIN 16 901 bildet bei der Festlegung der Toleranzen zuerst Toleranzgruppen in Abhängigkeit der Formmassen und Schwindungskennwerte (siehe Tabellenbuch). Bezogen auf diese Toleranzgruppen und die festgelegte Maßart werden dann den verschiedenen Nennmaßbereichen die zulässigen Abweichungen zugeordnet.

Die Ermittlung der Allgemeintoleranz für das werkzeuggebundene Maß a im Bild 1, das 35mm betragen soll, zeigt die Tabelle 1.

=== Richtlinien zur Gestaltung von Spritzgießteilen (VDI 2006) ===

[[Bild:Mindetwanddicke.jpg|left|300x300px]][[Bild:Gestaltungsbeispiele.jpg|right|300x300px]]

Die Wanddicken müssen groß genug sein, damit die Formmasse das Werkzeug sicher füllen kann, ehe sie zu stark abkühlt oder ausgehärtet ist. Deshalb ist die '''Mindestwanddicke''' in Abhängigkeit vom '''Fließweg''' im Werkzeug und der Fließfähigkeit der Formmasse zu wählen '''(Bild 2)''' und Bild 2: Werkzeuginnendruck für einfache Teile beim Thema Druckverlauf).

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)'''.

[[Bild:Neigung.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle rautiefe.jpg|right|300x300px]][[Bild:Verzug.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Winkelverzug.jpg|left|300x300px]]

Um das Spritzgießteil leicht und schnell aus der Form entfernen zu können, müssen alle Flächen des Werkstückes, die in Öffnungsrichtung der Form liegen, eine leichte '''Neigung''' erhalten '''(Bild 1)'''. Zusätzlich muss sichergestellt sein, dass das Spritzgießteil beim Öffnen der Form von der schließseitigen Formhälfte mitgenommen und von der Auswerfervorrichtung entfernt wird. Weiterhin hängen die Entformungsschrägen speziell bei strukturierten Oberflächen von der Oberflächenrauigkeit der abzubildenden Kavitäten ab. Die Struktur kann aufgrund ihrer Tiefe wie eine Verzahnung zwischen Formteil und Werkzeugoberfläche wirken und somit die Entformung erschweren. Die Lage der Strukturrichtung parallel oder senkrecht zur Entformungsrichtung und die Materialpaarung Stahl- Kunststoffmasse ist von entscheidender Bedeutung '''(Tabelle 1)'''.

Als einfache Näherung sollte für eine Strukturtiefe von 0,02mm pro 1° Entformungsschrägen bei senkrechter Lage zur Entformungsrichtung nicht überschritten werden. Scharfe Ecken und Kanten können beim Einspritzvorgang des Kunststoffmaterials so stark scheren, dass es zu einer thermischen Schädigung des Kunststoffes kommen kann.

Eine Abrundung bei Umlenkungen wirkt nicht nur der Scherung entgegen, sondern auch dem '''Winkelverzug''' und der Kerbwirkung im Eckbereich. Der mögliche Verzug des Formteils wird in '''(Bild 2)''' dargestellt. Da die dünnen Formteilbereiche schneller abkühlen, werden sie durch die Schrumpfkraft der dickeren verformt.

In '''Bild 3''' kann das Volumenelement '''a''' seine Erstarrungswärme nur stark verzögert an das Werkzeug abgeben. Volumenelement '''b''' kühlt dagegen rascher ab, da es an zwei Seiten an das Werkzeug grenzt. Es entsteht ein '''Winkelverzug'''. Diesem kann durch Abrunden und durch verringerung der Wandstärke im Eckbereich entgegengewirkt werden.

== '''Schwindung''' ==

[[Bild:Tabelle1 Anhaltsw.jpg|left|600x600px]]

Bei der Festlegung des Formhohlraumes müssen die Schwindung und evtl. die Nachschwindung berücksichtigt werden.

Unter Schwindung versteht man die Maßänderung von Werkstücken durch das Zusammenziehen des Werkstoffes beim Abkühlen als Maßunterschied zwischen Werkzeugkavität und Formteil. Bei der Erfassung dieser Schwindung '''(Tabelle 1)''' kommt erschwerend hinzu, dass die Schwindungsdifferenz sowie die Nachschwindung berücksichtigt werden müssen.

Eine '''Schwindungsdifferenz''' tritt dann auf, wenn die Schwindungen in Fließrichtung und quer dazu unterschiedlich groß sind. Der Unterschied zwischen Längs- und Querschwindung ist die Schwindungsdifferenz. Bei einer größeren Schwindungsdifferenz kann dies zu Verwindungen oder zum Verzug des spritzgegossenen Formteils führen.

Die Formteilgeometrie und die Angusslage können Molekülorientierungen hervorrufen, wodurch die Schwindungsdifferenz beeinflusst werden kann. Durch die Verwendung von Füllstoffen kann die Schwindung vermindert werden. Bei faserigen Verstärkungsstoffen kann durch die Faserorientierung im Bauteil eine sehr große Schwindungsdifferenz entstehen. Die Temperaturdifferenz während der Verarbeitung und der Gebrauchstemperatur des Formteils ergibt eine vernachlässigbare Längenänderung der Glasfasern. Sind nun Glasfasern in einem Formteil durch den Materialfluss während des Füllvorganges stark orientiert, schwindet das Formteil quer zur Faser wesentlich stärker als längs dazu. Werden zum Beispiel Glaskugeln zugemischt, wird insgesamt eine geringere Schwindung beobachtet.

Die '''Nachschwindung''' ist der Unterschied zwischen dem Maß eines auf Raumtemperatur abgekühlten Spritzgießteils und dem Maß desselben Spritzgießteils nach der Einwirkung einer bestimmten Temperatur. Sie verursacht eine Nachkristallisation und kann während des Gebrauches oder auch gezielt durch Tempern eingebracht werden. Durch die Naschwindungen werden die Fertigteilabmessungen nochmals kleiner.

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.

== '''Aufbau von Spritzgießwerkzeugen''' ==

[[Bild:Spritzgießwerkzeug.jpg|center|900x600px]]

=== Einleitung der Spritzgießwerkzeuge ===

[[Bild:Tabell1 Einleitung.jpg|left|400x300px]]

Die Vielzahl der Unterschiedlichen Spritzgießanwendungen erfordert verschiedene Werkzeugarten. Sie werden nach Anzahl der Formhohlräume, nach Art des Angusssystems, nach Anzahl der Trennebenen und nach Art der Entformung unterschieden. Die unterschiedlichen Verarbeitungsmöglichkeiten im Spritzgießbereich führen zu einer Vielzahl von Sonderverfahren, welche nicht alle in der Übersicht '''(Tabelle 1)''' aufgeführt werden können.

== '''Angusssysteme''' ==

[[Bild:Angusssystem.jpg|left|300x300px]]

Der Anguss ist ein System von Strömungswegen, in denen die fließfähige Formmasse von der Düse der Spritzeinheit zur Formhöhlung (Kavität) fließt.

Dieses System kann aus dem Angusskegel, den Verteilerkanälen, der sog. Angussspinne und dem Anschnitt bestehen '''(Bild 1)'''. Bei Einfachwerkzeugen können sich die Strömungswege auf eine kegelige Bohrung beschränken, die direkt in die Formhöhlung mündet. Die Stelle, an der der Anguss in die Formhöhlung eintritt, nennt man den '''Anschnitt'''.
Den Zeitpunkt nach dem der Anschnitt „eingefroren“ (d.h. erstarrt) ist und somit der Nachdruck nicht mehr wirken kann, nennt man '''Siegelpunkt'''. Ein längeres Nachdrücken über diesen Zeitpunkt hinaus ist unnötig.

Der Zeitpunkt des Erstarrens kann durch eine Innendruckmessung oder durch das Bestimmen der Formteilmasse ermittelt werden. Das maximale Formteilgewicht ist erreicht, wenn der Anschnitt eingefroren ist.

Der Anguss ist so zu gestalten, dass die flüssige Masse möglichst auf kürzestem Wege, mit geringstem Wärme- und Druckverlust die Kavitäten gleichzeitig füllt. Die Querschnitte der Strömungswege müssen so bemessen sein, dass eine gleichmäßige Füllung des Angusssystems sowie der Formhöhlung erreicht wird.

=== Angussformen ===

Die Angussform ist so zu wählen, dass für den speziellen Fall die bereits erwähnten Forderungen erfüllt werden können. Außerdem müssen noch folgende Einflussgrößen berücksichtigt werden.

* Formteilgeometrie und Formteilvolumen
* Viskosität der Formmasse
* Art des Spritzgießwerkzeuges
* Fließweglänge

=== Stangen- oder Kegelanguss ===

[[Bild:Stangen& P.Anguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Stangenanguss.jpg|right|300x300px]]

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.

=== Punktanguss ===

[[Bild:Punktanguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Vergr. Vorkammer.jpg|right|300x300px]]

Beim Entformen reißt der Punktanguss am kleinsten Querschnitt ab und bleibt als Angusszäpfchen am Spritzgießteil '''(Bild 2b zum Thema Stangen und Punktanguss''' und '''Bild 4 Punktanguss mit Vorkammer)'''. Es entsteht dadurch keine Nacharbeit und keine optisch störende Bearbeitungsfläche wie beim Stangenanguss. Außerdem muss der Anguss, also die Formmasse, in der Vorkammer nicht entformt werden.

Der Punktanguss wird besonders für kleinteile und Massenartikel in Einfach- und Mehrfachwerkzeugen vorgesehen, sowie für Mehrfachangüsse bei einem größeren Formteil. Dann muss zum Entformen des Angussverteilers mit einem Dreiplattenwerkzeug gearbeitet werden.

Je kleiner die Bohrung des Punktangusses ist, desto leichter geht das Abreißen vor sich. Dabei ist jedoch neben der Wanddicke die Zähflüssigkeit (Viskosität) der Schmelze, sowie die Temperatur zu beachten.

[[Bild:Vork. mit v. Düsens..jpg|left|300x300px]][[Bild:Vork. m. beh. K-B.sp.jpg|right|300x300px]]

Kann die Formhöhlung durch den kleinen Punktanguss nicht mehr schnell genug gefüllt werden, so kühlt die Schmelze in der '''Vorkammer''' vorzeitig ab, so dass sie unter Umständen von Hand entfernt werden muss.

Deshalb wird die Vorkammer etwas vergrößert, so das die an der Innenwandung haftende abgekühlte Masse als Isolator wirkt '''(Bild 1)'''.

Der Kern der Schmelze, die sog. Plastische Seele, bleibt im Angussbereich flüssig. Die Verweildauer der Schmelze in der Vorkammer sollte aber nicht zu lang sein. Kurze Zyklen, d. h. mehrmaliges Einspritzen pro Minute, sind für das Funktionieren des Systems notwendig.

Ist die Spritzhäufigkeit nicht möglich, so wird eine Kupfer- Beryllium- Spitze in die Vorkammer eingeführt. Der Raum zwischen Kupferspitze und Innenwandung der Vorkammer füllt sich mit erkalteter Masse, die dann als Isolierung wirkt. Die Kupferspitze nimmt über die Düse genügend wärme auf, um die Masse im inneren flüssig zu halten '''(Bild 2)'''.

Eine weitere Möglichkeit, die Abkühlung der Formmasse zu verhindern, besteht darin, die Vorkammer durch spezielle Heizpatronen zu erwärmen '''(Bild 3)'''.

=== Teller- und Scheibenanguss ===

[[Bild:Telleranguss.jpg|left|300x300px]]

Teller- und Scheibenangüsse werden für ringförmige Spritzgießteile vorgesehen '''(Bild 1a)'''. Würde man hier mit einem Punktanguss oder mit zwei Anbindungen arbeiten, so entstünde eine '''Binde-''' und '''Fließnaht (Bild 1b)'''. Sie entsteht, wenn zwei Masseströme sich aufgrund vorzeitiger Abkühlung nicht mehr miteinander verbinden. Je kälter die zusammentreffenden Masseströme sind, desto sichtbarer sind die Bindenähte und umso geringer ist die Festigkeit. Bindenähte entstehen auch, wenn sich Masseströme an einem Kern teilen und sich wieder miteinander verbinden müssen.

Diese Qualitätsminderung kann z.B. durch die Erhöhung der Werkzeugtemperatur teilweise reduziert werden. Mit einer Zykluszeiterhöhung ist zu rechnen.

=== Schirmanguss ===

[[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)'''.

=== Ringanguss ===

[[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.

=== Film- oder Bandanguss ===

Flache teile schneidet man zweckmäßigerweise über ein seitliches oder zentrales Band, dem Filmanguss, an. Dadurch lassen sich, wie bei einem Einzelpunktanguss, ungünstige Fließverhältnisse, oder wie bei Mehrfachpunktangüssen, störende Bindenähte vermeiden '''(Bild 2c)'''.

Ebenso lässt sich die Verzugsneigung durch gleichmäßige Druckverhältnisse positiv beeinflussen.
Eine weitere Anwendung ist deshalb die Herstellung optischer Formteile, wie durchsichtige Abdeckungen und optische Linsen.

Filmanschnitte erfordern eine Nacharbeit durch abtrennen des Angusses.

=== Tunnelanguss ===

[[Bild:Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Beim Tunnelanguss wird das Spritzgießteil seitlich oder an den verdeckten Flächen oder an anderen problemlosen Stellen angespritzt und automatisch beim öffnen der Formhälften, oder beim Ausstoßen vom Angusssystem, getrennt (Bild 1).

Der Verteilerkanal führt entlang der Trennfläche nicht direkt in die Formhöhlung, sondern er geht kurz zuvor schräg als konischer Tunnel durch die düsenseitige Werkzeughälfte in den Formhohlraum.
Wird die schließseitige Formhälfte zurückgezogen, so müssen das Spritzgießteil und das Angießsystem mitgenommen werden. Dabei wird der Tunnelanguss am Anschnitt durch eine Schneidkante abgeschert '''(Bild 1)'''.

Das Mitnehmen des Formteils muss durch Aufschrumpfen auf den Kern geschehen, und die des Angusses durch einen eingearbeiteten Hinterschnitt.

Anschließend wird das Spritzgießteil und das Angießsystem durch die Auswerfer entformt.

Wird ein Tunnelanguss vorgesehen, so muss beachtet werden, dass sich der vom Formteil getrennte Anguss beim öffnen der Werkzeughälften ausreichend biegen muss. Damit der Anguss nicht bricht, muss er eine ausreichende Konizität haben und frei biegbar sein, möglichst mit einem definierten Biegepunkt.

Die Formmasse sollte zähelastisch oder beim Entformen noch nicht vollständig erstarrt sein. Nur dann arbeitet das System störungsfrei. Da beim Tunnelanguss die Druckverluste hoch sind, wird er überwiegend zu Herstellung einfacher und kleiner Spritzgießteile in Mehrfachwerkzeugen verwendet.

=== Gebogener Tunnelanguss ===

[[Bild:geb. Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Der gebogene Tunnelanguss, auch Haken- oder Säbelanguss genannt '''(Bild 2)''', bietet die Möglichkeit ein Spritzgießteil auf der Rückseite oder an verdeckter Stelle anzubinden.

Das Entformungsprinzip entspricht dem des Tunnelangusses. Die Verwendung ist auf elastische Formmassen beschrängt. Die große Durchbiegung bei der Entformung erfolgt während der Ausstoßbewegung.

Durch den geringen Fließquerschnitt im Anschnittbereich entstehen große Druckverluste. Dadurch ist dieses Angusssystem nur für einfache Artikel verwendbar.

=== Angießmöglichkeiten für Mehrfachwerkzeuge ===

[[Bild:Verteilersterne.jpg|left|300x300px]][[Bild:Reihenanguss.jpg|right|300x300px]]

In einem Mehrfachwerkzeug werden in einem Spritzvorgang mehrere Spritzgießteile gleichzeitig hergestellt. Liegen die Formhöhlungen, auch Formnester genannt, in der Trennfläche, so werden diese über Verteilerkanäle mit Schmelze versorgt '''(Bild 1)'''.

Liegen die Formhöhlungen zentrisch um den Mittelpunkt des Angusskegels, so nennt man das System der Verteilerkanäle '''Verteilersterne'''. Bei den Verteilersternen in '''Bild 1a''' sind die Fließwege der Formmassen gleich lang. Der Vorteil des Verteilersterns mit Ringkanal in '''Bild 1b''' liegt darin, dass die Gesamtlänge der Verteilerkanäle kürzer ist. Beim '''Reihenanguss''' '''(Bild 2)''' sind die Fließwege unterschiedlich lang, was zu einer geringeren Qualität des Spritzgießteils führen kann. Bild 2 zeigt ein Beispiel für eine ungleichmäßige Füllung der Formhohlräume. Diesen Nachteil kann man durch unterschiedliche Anschnittquerschnitte ausgleichen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der größeren Anzahl der gleichzeitig herstellbaren Spritzgießteile.

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.

=== Verteilerkanal- und Anschnittform ===

[[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.

Beim runden Anschnitt ist die Einarbeitung ebenfalls in beide Formhälften notwendig. Wird der rechteckige Querschnitt gewählt, so muss darauf geachtet werden, dass die Breite des Anschnittes ungefähr 2mm kleiner als der Verteilerkanal ist (Bild 3).

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''' ==

=== Dreiplattenwerkzeug ===

[[Bild:Dreiplattenwerkz.jpg|left|300x300px]]

Höhere Spritzgiezteile werden deshalb vom Boden her zentral angespritzt. 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.

=== Isolierkanalwerkzeug ===

[[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.

=== Etagenwerkzeug ===

[[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.

=== Heißkanalsysteme ===

[[Bild:Heißkanalwerkzeug.jpg|left|300x300px]]

Im Heißkanalsystem '''(Bild 1)''' wird die in den Verteilerkanälen enthaltene Masse durch Heizpatronen oder/ und Rohrheizkörper '''(Bild 2)''' ständig auf Schmelztemperatur gehalten. Um einen Wärmeübergang vom Heißkanalbereich auf das wesentlich kühlere Werkzeug zu meiden, müssen die Kontaktflächen minimiert, ein isolierend wirkender Luftspalt sowie Reflektorbleche vorgesehen werden. Thermofühler in verbindung mit einem Regelkreis sorgen für eine möglichst gleichmäßige Temperatur im Angießsystem.

Es werden außen- und innenbeheizte Heißkanalsysteme unterschieden.

'''Außenbeheizte''' Heißkanalsysteme transportieren Wärmeenergie von außen in den Verteilerkanal (Bild 2a).

'''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
* Anspritzpunkte in großer Entfernung von der Plastifiziereinheit realisierbar
* keine Nacharbeit zum Entfernen des Angusses
* Etagenwerkzeuge nur mit Heißkanalsystemen möglich

Die '''Nachteile''' von Heizkanalwerkzeugen sind:
* hohe Energiekosten
* größere Werkzeugeinbauhöhe
* höhere Werkzeugkosten
* Farb- und Materialwechsel schwierig

'''Anwendung''':
* Großserienwerkzeuge, große Losgrößen
* große Formteile mit mehreren Anspritzpunkten

== '''Sonstiges''' ==

Zur Vollständigkeit einer Spritzgießanlage müssen noch folgende Punkte genannt werden:
* die Werkzeugtemperierung, sie regelt die Wärme zu- und abführ (Kühlssystem)
* Serielle Anordnung des Kühlkreislaufes
* Parallele Anordnung des Kühlkreislaufes
* Entformungssysteme (Auswerfeinrichtungen), sie stoßen das Werkstück aus
* Auswerfsysteme bei Hinterschneidungen (äußere und innere Hinterschneidungen)
* Bewegliche Kernsegmente
* Elastische Zwangsentformung
* Zusammenfaltbarer Kern
* Entformung durch Rotation des Formteils
* Werkzeugentlüftung, um die Formen schnell genug zu füllen.

== '''Quellen''' ==

# Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Verlag, 53. Auflage
# Der Werkzeugbau, Europa Lehrmittel Verlag, 13. Auflage

[[Kategorie:Fertigungstechnik]]

Spritzgießen

2009-04-22T20:26:35Z

Sandra Kellinghusen: /* Etagenwerkzeug */

== '''Spritzgießen''' ==

=== Einleitung ===

Beim Spritzgießen werden überwiegend Thermoplaste1 im plastifizierten, fließfähigen Zustand in geteilte und 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|]]

=== 1Thermoplaste: ===
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.

=== Vorgänge beim Spritzgießen ===

[[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.

=== Werkstoffverhalten ===

Die Plastifizierte Formmasse sollte so schnell wie möglich in den Formhohlraum eingesprizt werden, damit Druck und Temperatur im Hohlraum überall gleich sind. Tritt dieser idealfall ein, ist eine gleichmäßige Struktur des Werkstoffes und ein gleichmäßiges Schwindungsverhalten im ganzen Spritzgießteil gewährleistet, sodass keine Spannungen und kein Verzug auftreten.

Dieser ideale Vorgang lässt sich leider nicht realisieren. Fließwiederstände im Werkzeug und in der Düse bewirken einen Druckabfall während des Einspritzens. Ungleichmäßiges Abkühlen der Formmasse im Werkzeughohlraum, der auch Kavität genannt wird, ergibt eine ungleichmäßige Werkstoffstruktur.

=== Molekühlorientierung ===

[[Bild:Amorpher Thermoplast.jpg|left|300x300px]]
[[Bild:Molekühlorientierung_0001.jpg|left|300x300px]]
[[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.

=== Kristallisationsgrad ===

[[Bild:Kristallisationsgrad.jpg|left|300x300px]]

{{Mark
|Bei teilkristallinen Werkstoffen kann sich auf Grund der schnellen Abkühlung im Bereich der Formwand keine Kristallisation bilden. Der Randbreich des Spritzgießteils hat darum einen amorphen Aufbau, währen der Kern einen mehr 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)'''.

=== Fließverhalten ===

[[Bild:Fließfront.jpg|left|300x300px]]
[[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)'''.}}

=== Einflussgrößen auf den Spritzvorgang ===

[[Bild:Einflussgrößen auf den Spritzvorgang.jpg|right|300x300px]]
[[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).

=== Druckverlauf ===

[[Bild:Druckverlauf.jpg|left|300x300px]][[Bild:Auswirkungen des Nachdruckes.jpg|right|300x300px]][[Bild:SGT mit Lunker.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Werkzeuginnendruck.jpg|left|300x300px]]

Durch den '''Einspritzdruck''', welcher in der Formmasse im Schneckenvorraum herrscht, wird im Formhohlraum aufgrund von Strömungswiederständen in der Düse und im Werkzeug ein zeitlich verzögerter und in der Höhe etwas geringerer '''Werkzeuginnendruck''' aufgebaut '''(Bild 1)'''. Dadurch füllt sich die Werkzeughöhlung mit Formmasse (Bild 1, '''Kurvenpunkt A''') und erzeugt die Ausformung der Konturen durch das Komprimieren (verdichten, zusammenpressen) der Formmasse. Der Maximale Werkzeuginnendruck (Bild 1, '''Kurvenpunkt B''') hängt von der Form, vom Werkstoff, von der Qualität des Spritzgießteils und vom Verhältnis zwischen Fließweg und Wanddicke ab. Dieses Verhältnis wird durch den maximalen Fließweg, den die Formmasse zurücklegen muss und der Wanddicke des Spritzgießteils gebildet '''(Bild 2)'''. Ist der gewünschte Werkzeuginnendruck erreicht, so wird der Einspritzdruck vermindert und als '''Nachdruck''' bezeichnet (Umschaltpunkt). Dieser füllt in der anschließenden Phase nur noch das Restvolumen auf und gleicht die Volumenminderung aus, die durch das Abkühlen der Schmelze eintritt. Der Innendruck fällt dabei leicht ab. Auswirkungen des Nachdruckes auf den Spritzvorgang zeigt die '''Tabelle 1'''.

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.

=== Formfüllungsgrad ===

[[Bild:Formfüllstudie.jpg|left|300x300px]]

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.

=== Abkühlung ===

[[Bild:Abkühlzeit für PS.jpg|left|300x300px]]

Wie schnell die Formstabilität der Formmasse beim Abkühlen eintritt, hängt von der '''Werkzeugtemperatur''' ab. Diese wiederum wird von der Art der Formmasse und von den Anforderungen an das Spritzgießteil sowie von der Wanddicke bestimmt '''(Bild 1)'''.
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 Vorgang vom Einspritzen der Schmelze in den Formhohlraum bis zum nächsten Einspritzvorgang bezeichnet man auch als '''Takt, Schuss''' oder '''Zyklus'''.

== '''Spritzgießmaschine''' ==

[[Bild:Spritzgießmaschiene.jpg|center|800x800px|]]

=== Die Aufgaben der Spritzgießmaschine ===

[[Bild:Aufgaben der Spritzgießmaschine.jpg|left|300x300px|]]

*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 der Form.

Die ersten beiden Aufgaben übernimmt die Spritzeinheit der Spritzmaschine, während die dritte Aufgabe die Schließeinheit durchführt.

=== Spritzeinheit ===

[[Bild:Spritzgießmaschiene_1.jpg|right|600x600px]]

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)'''.

[[Bild:Schneckenkolbenext.jpg| left|300x300px]]

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.

=== Einstellgrößen ===

[[Bild:Einstellgr Plastif.jpg|left|300x300px]]

Die Drehzahl der Schnecke richtet sich neben dem Schneckendurchmesser nach der Größe der Umfangsgeschwindigkeit, die von den Formmasseherstellern vorgegeben wird '''(Tabelle 1)'''.

[[Bild:Wirkung_des_Staud.jpg|left|300x300px]]

Der Wiederstand 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''' ==

Die Düse hat die Aufgabe, eine dichte Verbindung, möglichst ohne Druck- und Temperaturverlust, zwischen dem Spritzzylinder und dem Werkzeug herzustellen. Durch die Berührung mit dem kälteren Werkzeug kann der Düse und der verbleibenden Schmelze wärme entzogen werden. Abhilfe kann geschaffen werden, durch eine Düsenheizung sowie durch das Abheben der Düse vom Werkzeug nach der Nachdruckzeit.

=== Offene Düsen und Verschlussdüsen ===

[[Bild:offene Düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Nadelv.düse.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Schiebev.düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Quernadelv.düse.jpg|right|300x300px]]

Wenn es die Zähigkeit der Schmelze zulässt, wählt man meist eine '''offene Düse (Bild 1)'''. Die Druck- und Temperaturverluste sind wegen des glatten Kanals sehr gering. Außerdem ist die offene Düse leicht zu reinigen und zu spülen. Die Gefahr, dass Schmelze aus der Düse austreten kann, nimmt mit kleiner werdender Düsenbohrung (ca. 3- 8mm) ständig ab. Ist die Schmelze zu dünnflüssig, so müssen '''Verschlussdüsen''', z.B. Schieberverschlussdüsen '''(Bild 2)''', oder Nadelverschlussdüsen '''(Bild3)''', vorgesehen werden. Sie sind so konstruiert, das die Düsenöffnung nach jedem Einspritzvorgang verschlossen und dadurch das Ausströmen der Masse verhindert wird.
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 (RD) bei Konvexdüsen etwas kleiner ist, als der Radius der Angießbuchse (RA), 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.

== '''Schließeinheit''' ==

Die Schließeinheit nimmt an der beweglichen und an der festen Werkzeugplatte die jeweiligen Formhälften auf. Das Öffnen, Schließen und Zuhalten des Werkzeuges wird durch ein Kniehebelssystem oder durch einen vollhydraulischen Antrieb ausgeführt '''(Bild1, Spritzgießmaschine beim Thema Spritzeinheit)'''.

=== Schließkraft – Zuhaltekraft ===

[[Bild:Schließkraft.jpg|left|300x300px]][[Bild:Durchbiegung.jpg|right|300x300px]][[Bild:Stützrollen.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Schwimmhäute.jpg|left|280x280px]]

Die '''Schließkraft''' Fs ist die Kraft, die die Säulen nach dem Schließvorgang beansprucht und dehnt sowie die beiden Formhälften zusammendrückt '''(Bild 1)'''. Beim Einspritzen der Formmasse entsteht durch den Werkzeuginnendruck pw eine Auftriebskraft FA (FA= pw * A), die eine weitere Zugbeanspruchung und Dehnung der Säulen verursacht. Die Summe der Kräfte, die die Säulen beim Einspritzvorgang insgesamt belasten, wird als '''Zuhaltekraft''' Fz bezeichnet. Sie ist stets größer als die Schließkraft, und sie ist von der Steifigkeit der Maschine und des Werkzeuges abhängig.

Ist die '''Auftriebskraft''' größer als die Zuhaltekraft, so wird die Anlage zwischen den beiden Werkzeughälften aufgehoben und es tritt Schmelze zwischen den beiden Formhälften aus, die zur '''Grat'''- oder '''Schwimmhautbildung''' führt '''(Bild 2)'''. Diesen Vorgang nennt man auch '''Überspritzung''' oder '''Überladung'''.
Die '''Zuhaltekraft''' sollte trotzdem so klein wie möglich eingestellt werden, um auch einer Durchbiegung bei den Formnesttragenden Werkzeugplatten vorzubeugen. Diese '''Durchbiegung''' entsteht dadurch, dass beim Einspritzen der Werkzeuginnendruck versucht, die beiden Formhälften überwiegend im Bereich der Formhohlräume auseinander zu drücken, während die Zuhaltekräfte nur im Bereich der direkten Kraftübertragung wirken (Bild 1). Die Durchbiegung ist besonders groß bei geringer Steifigkeit der Platten und um die Bereiche gegenüber der düsenseitigen Zentrierbohrung und vor allem gegenüber dem Auswerfersystem '''(Bild 3)'''.
Die Durchbiegung führt zur Gratbildung und u.U. dazu, dass nicht der größtmögliche Einspritzdruck gewählt werden kann. Abhilfe kann dadurch geschaffen werden, dass zusätzliche Stützrollen vorgesehen werden, die mit einem Übermaß von 0,03mm … 0,05mm gegenüber den äußeren Abstützungen eingebaut werden '''(Bild 4)'''.
Auch wegen der beim Einspritzen erforderlichen Entlüftung der Werkzeughöhlung über die Berührungsflächen der beiden Formhälften sollte die Schließkraft so niedrig wie möglich sein.

== '''Gestalten von Spritzgießteilen''' ==

=== Maßtoleranzen bei Spritzgießteilen ===

[[Bild:Maßarten.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle1 Ermittlung.jpg|right|300x300px]]

Die erzielbaren Toleranzen sind größtenteils abhängig von der Schwindung, den Formmassen und der Art der Maße, wobei natürlich auch die Qualität der Spritzgießmaschine und des Werkzeuges eine Rolle spielen.

So lassen sich mit amorphen Formmassen kleinere Toleranzen leichter einhalten als mit teilkristallinen. '''Werkzeuggebundene''' Maße lassen sich genauer herstellen als '''nicht werkzeuggebundene''' Maße '''(Bild 1)'''.

DIN 16 901 bildet bei der Festlegung der Toleranzen zuerst Toleranzgruppen in Abhängigkeit der Formmassen und Schwindungskennwerte (siehe Tabellenbuch). Bezogen auf diese Toleranzgruppen und die festgelegte Maßart werden dann den verschiedenen Nennmaßbereichen die zulässigen Abweichungen zugeordnet.

Die Ermittlung der Allgemeintoleranz für das werkzeuggebundene Maß a im Bild 1, das 35mm betragen soll, zeigt die Tabelle 1.

=== Richtlinien zur Gestaltung von Spritzgießteilen (VDI 2006) ===

[[Bild:Mindetwanddicke.jpg|left|300x300px]][[Bild:Gestaltungsbeispiele.jpg|right|300x300px]]

Die Wanddicken müssen groß genug sein, damit die Formmasse das Werkzeug sicher füllen kann, ehe sie zu stark abkühlt oder ausgehärtet ist. Deshalb ist die '''Mindestwanddicke''' in Abhängigkeit vom '''Fließweg''' im Werkzeug und der Fließfähigkeit der Formmasse zu wählen '''(Bild 2)''' und Bild 2: Werkzeuginnendruck für einfache Teile beim Thema Druckverlauf).

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)'''.

[[Bild:Neigung.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle rautiefe.jpg|right|300x300px]][[Bild:Verzug.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Winkelverzug.jpg|left|300x300px]]

Um das Spritzgießteil leicht und schnell aus der Form entfernen zu können, müssen alle Flächen des Werkstückes, die in Öffnungsrichtung der Form liegen, eine leichte '''Neigung''' erhalten '''(Bild 1)'''. Zusätzlich muss sichergestellt sein, dass das Spritzgießteil beim Öffnen der Form von der schließseitigen Formhälfte mitgenommen und von der Auswerfervorrichtung entfernt wird. Weiterhin hängen die Entformungsschrägen speziell bei strukturierten Oberflächen von der Oberflächenrauigkeit der abzubildenden Kavitäten ab. Die Struktur kann aufgrund ihrer Tiefe wie eine Verzahnung zwischen Formteil und Werkzeugoberfläche wirken und somit die Entformung erschweren. Die Lage der Strukturrichtung parallel oder senkrecht zur Entformungsrichtung und die Materialpaarung Stahl- Kunststoffmasse ist von entscheidender Bedeutung '''(Tabelle 1)'''.

Als einfache Näherung sollte für eine Strukturtiefe von 0,02mm pro 1° Entformungsschrägen bei senkrechter Lage zur Entformungsrichtung nicht überschritten werden. Scharfe Ecken und Kanten können beim Einspritzvorgang des Kunststoffmaterials so stark scheren, dass es zu einer thermischen Schädigung des Kunststoffes kommen kann.

Eine Abrundung bei Umlenkungen wirkt nicht nur der Scherung entgegen, sondern auch dem '''Winkelverzug''' und der Kerbwirkung im Eckbereich. Der mögliche Verzug des Formteils wird in '''(Bild 2)''' dargestellt. Da die dünnen Formteilbereiche schneller abkühlen, werden sie durch die Schrumpfkraft der dickeren verformt.

In '''Bild 3''' kann das Volumenelement '''a''' seine Erstarrungswärme nur stark verzögert an das Werkzeug abgeben. Volumenelement '''b''' kühlt dagegen rascher ab, da es an zwei Seiten an das Werkzeug grenzt. Es entsteht ein '''Winkelverzug'''. Diesem kann durch Abrunden und durch verringerung der Wandstärke im Eckbereich entgegengewirkt werden.

== '''Schwindung''' ==

[[Bild:Tabelle1 Anhaltsw.jpg|left|600x600px]]

Bei der Festlegung des Formhohlraumes müssen die Schwindung und evtl. die Nachschwindung berücksichtigt werden.

Unter Schwindung versteht man die Maßänderung von Werkstücken durch das Zusammenziehen des Werkstoffes beim Abkühlen als Maßunterschied zwischen Werkzeugkavität und Formteil. Bei der Erfassung dieser Schwindung '''(Tabelle 1)''' kommt erschwerend hinzu, dass die Schwindungsdifferenz sowie die Nachschwindung berücksichtigt werden müssen.

Eine '''Schwindungsdifferenz''' tritt dann auf, wenn die Schwindungen in Fließrichtung und quer dazu unterschiedlich groß sind. Der Unterschied zwischen Längs- und Querschwindung ist die Schwindungsdifferenz. Bei einer größeren Schwindungsdifferenz kann dies zu Verwindungen oder zum Verzug des spritzgegossenen Formteils führen.

Die Formteilgeometrie und die Angusslage können Molekülorientierungen hervorrufen, wodurch die Schwindungsdifferenz beeinflusst werden kann. Durch die Verwendung von Füllstoffen kann die Schwindung vermindert werden. Bei faserigen Verstärkungsstoffen kann durch die Faserorientierung im Bauteil eine sehr große Schwindungsdifferenz entstehen. Die Temperaturdifferenz während der Verarbeitung und der Gebrauchstemperatur des Formteils ergibt eine vernachlässigbare Längenänderung der Glasfasern. Sind nun Glasfasern in einem Formteil durch den Materialfluss während des Füllvorganges stark orientiert, schwindet das Formteil quer zur Faser wesentlich stärker als längs dazu. Werden zum Beispiel Glaskugeln zugemischt, wird insgesamt eine geringere Schwindung beobachtet.

Die '''Nachschwindung''' ist der Unterschied zwischen dem Maß eines auf Raumtemperatur abgekühlten Spritzgießteils und dem Maß desselben Spritzgießteils nach der Einwirkung einer bestimmten Temperatur. Sie verursacht eine Nachkristallisation und kann während des Gebrauches oder auch gezielt durch Tempern eingebracht werden. Durch die Naschwindungen werden die Fertigteilabmessungen nochmals kleiner.

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.

== '''Aufbau von Spritzgießwerkzeugen''' ==

[[Bild:Spritzgießwerkzeug.jpg|center|900x600px]]

=== Einleitung der Spritzgießwerkzeuge ===

[[Bild:Tabell1 Einleitung.jpg|left|400x300px]]

Die Vielzahl der Unterschiedlichen Spritzgießanwendungen erfordert verschiedene Werkzeugarten. Sie werden nach Anzahl der Formhohlräume, nach Art des Angusssystems, nach Anzahl der Trennebenen und nach Art der Entformung unterschieden. Die unterschiedlichen Verarbeitungsmöglichkeiten im Spritzgießbereich führen zu einer Vielzahl von Sonderverfahren, welche nicht alle in der Übersicht '''(Tabelle 1)''' aufgeführt werden können.

== '''Angusssysteme''' ==

[[Bild:Angusssystem.jpg|left|300x300px]]

Der Anguss ist ein System von Strömungswegen, in denen die fließfähige Formmasse von der Düse der Spritzeinheit zur Formhöhlung (Kavität) fließt.

Dieses System kann aus dem Angusskegel, den Verteilerkanälen, der sog. Angussspinne und dem Anschnitt bestehen '''(Bild 1)'''. Bei Einfachwerkzeugen können sich die Strömungswege auf eine kegelige Bohrung beschränken, die direkt in die Formhöhlung mündet. Die Stelle, an der der Anguss in die Formhöhlung eintritt, nennt man den '''Anschnitt'''.
Den Zeitpunkt nach dem der Anschnitt „eingefroren“ (d.h. erstarrt) ist und somit der Nachdruck nicht mehr wirken kann, nennt man '''Siegelpunkt'''. Ein längeres Nachdrücken über diesen Zeitpunkt hinaus ist unnötig.

Der Zeitpunkt des Erstarrens kann durch eine Innendruckmessung oder durch das Bestimmen der Formteilmasse ermittelt werden. Das maximale Formteilgewicht ist erreicht, wenn der Anschnitt eingefroren ist.

Der Anguss ist so zu gestalten, dass die flüssige Masse möglichst auf kürzestem Wege, mit geringstem Wärme- und Druckverlust die Kavitäten gleichzeitig füllt. Die Querschnitte der Strömungswege müssen so bemessen sein, dass eine gleichmäßige Füllung des Angusssystems sowie der Formhöhlung erreicht wird.

=== Angussformen ===

Die Angussform ist so zu wählen, dass für den speziellen Fall die bereits erwähnten Forderungen erfüllt werden können. Außerdem müssen noch folgende Einflussgrößen berücksichtigt werden.

* Formteilgeometrie und Formteilvolumen
* Viskosität der Formmasse
* Art des Spritzgießwerkzeuges
* Fließweglänge

=== Stangen- oder Kegelanguss ===

[[Bild:Stangen& P.Anguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Stangenanguss.jpg|right|300x300px]]

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.

=== Punktanguss ===

[[Bild:Punktanguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Vergr. Vorkammer.jpg|right|300x300px]]

Beim Entformen reißt der Punktanguss am kleinsten Querschnitt ab und bleibt als Angusszäpfchen am Spritzgießteil '''(Bild 2b zum Thema Stangen und Punktanguss''' und '''Bild 4 Punktanguss mit Vorkammer)'''. Es entsteht dadurch keine Nacharbeit und keine optisch störende Bearbeitungsfläche wie beim Stangenanguss. Außerdem muss der Anguss, also die Formmasse, in der Vorkammer nicht entformt werden.

Der Punktanguss wird besonders für kleinteile und Massenartikel in Einfach- und Mehrfachwerkzeugen vorgesehen, sowie für Mehrfachangüsse bei einem größeren Formteil. Dann muss zum Entformen des Angussverteilers mit einem Dreiplattenwerkzeug gearbeitet werden.

Je kleiner die Bohrung des Punktangusses ist, desto leichter geht das Abreißen vor sich. Dabei ist jedoch neben der Wanddicke die Zähflüssigkeit (Viskosität) der Schmelze, sowie die Temperatur zu beachten.

[[Bild:Vork. mit v. Düsens..jpg|left|300x300px]][[Bild:Vork. m. beh. K-B.sp.jpg|right|300x300px]]

Kann die Formhöhlung durch den kleinen Punktanguss nicht mehr schnell genug gefüllt werden, so kühlt die Schmelze in der '''Vorkammer''' vorzeitig ab, so dass sie unter Umständen von Hand entfernt werden muss.

Deshalb wird die Vorkammer etwas vergrößert, so das die an der Innenwandung haftende abgekühlte Masse als Isolator wirkt '''(Bild 1)'''.

Der Kern der Schmelze, die sog. Plastische Seele, bleibt im Angussbereich flüssig. Die Verweildauer der Schmelze in der Vorkammer sollte aber nicht zu lang sein. Kurze Zyklen, d. h. mehrmaliges Einspritzen pro Minute, sind für das Funktionieren des Systems notwendig.

Ist die Spritzhäufigkeit nicht möglich, so wird eine Kupfer- Beryllium- Spitze in die Vorkammer eingeführt. Der Raum zwischen Kupferspitze und Innenwandung der Vorkammer füllt sich mit erkalteter Masse, die dann als Isolierung wirkt. Die Kupferspitze nimmt über die Düse genügend wärme auf, um die Masse im inneren flüssig zu halten '''(Bild 2)'''.

Eine weitere Möglichkeit, die Abkühlung der Formmasse zu verhindern, besteht darin, die Vorkammer durch spezielle Heizpatronen zu erwärmen '''(Bild 3)'''.

=== Teller- und Scheibenanguss ===

[[Bild:Telleranguss.jpg|left|300x300px]]

Teller- und Scheibenangüsse werden für ringförmige Spritzgießteile vorgesehen '''(Bild 1a)'''. Würde man hier mit einem Punktanguss oder mit zwei Anbindungen arbeiten, so entstünde eine '''Binde-''' und '''Fließnaht (Bild 1b)'''. Sie entsteht, wenn zwei Masseströme sich aufgrund vorzeitiger Abkühlung nicht mehr miteinander verbinden. Je kälter die zusammentreffenden Masseströme sind, desto sichtbarer sind die Bindenähte und umso geringer ist die Festigkeit. Bindenähte entstehen auch, wenn sich Masseströme an einem Kern teilen und sich wieder miteinander verbinden müssen.

Diese Qualitätsminderung kann z.B. durch die Erhöhung der Werkzeugtemperatur teilweise reduziert werden. Mit einer Zykluszeiterhöhung ist zu rechnen.

=== Schirmanguss ===

[[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)'''.

=== Ringanguss ===

[[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.

=== Film- oder Bandanguss ===

Flache teile schneidet man zweckmäßigerweise über ein seitliches oder zentrales Band, dem Filmanguss, an. Dadurch lassen sich, wie bei einem Einzelpunktanguss, ungünstige Fließverhältnisse, oder wie bei Mehrfachpunktangüssen, störende Bindenähte vermeiden '''(Bild 2c)'''.

Ebenso lässt sich die Verzugsneigung durch gleichmäßige Druckverhältnisse positiv beeinflussen.
Eine weitere Anwendung ist deshalb die Herstellung optischer Formteile, wie durchsichtige Abdeckungen und optische Linsen.

Filmanschnitte erfordern eine Nacharbeit durch abtrennen des Angusses.

=== Tunnelanguss ===

[[Bild:Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Beim Tunnelanguss wird das Spritzgießteil seitlich oder an den verdeckten Flächen oder an anderen problemlosen Stellen angespritzt und automatisch beim öffnen der Formhälften, oder beim Ausstoßen vom Angusssystem, getrennt (Bild 1).

Der Verteilerkanal führt entlang der Trennfläche nicht direkt in die Formhöhlung, sondern er geht kurz zuvor schräg als konischer Tunnel durch die düsenseitige Werkzeughälfte in den Formhohlraum.
Wird die schließseitige Formhälfte zurückgezogen, so müssen das Spritzgießteil und das Angießsystem mitgenommen werden. Dabei wird der Tunnelanguss am Anschnitt durch eine Schneidkante abgeschert '''(Bild 1)'''.

Das Mitnehmen des Formteils muss durch Aufschrumpfen auf den Kern geschehen, und die des Angusses durch einen eingearbeiteten Hinterschnitt.

Anschließend wird das Spritzgießteil und das Angießsystem durch die Auswerfer entformt.

Wird ein Tunnelanguss vorgesehen, so muss beachtet werden, dass sich der vom Formteil getrennte Anguss beim öffnen der Werkzeughälften ausreichend biegen muss. Damit der Anguss nicht bricht, muss er eine ausreichende Konizität haben und frei biegbar sein, möglichst mit einem definierten Biegepunkt.

Die Formmasse sollte zähelastisch oder beim Entformen noch nicht vollständig erstarrt sein. Nur dann arbeitet das System störungsfrei. Da beim Tunnelanguss die Druckverluste hoch sind, wird er überwiegend zu Herstellung einfacher und kleiner Spritzgießteile in Mehrfachwerkzeugen verwendet.

=== Gebogener Tunnelanguss ===

[[Bild:geb. Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Der gebogene Tunnelanguss, auch Haken- oder Säbelanguss genannt '''(Bild 2)''', bietet die Möglichkeit ein Spritzgießteil auf der Rückseite oder an verdeckter Stelle anzubinden.

Das Entformungsprinzip entspricht dem des Tunnelangusses. Die Verwendung ist auf elastische Formmassen beschrängt. Die große Durchbiegung bei der Entformung erfolgt während der Ausstoßbewegung.

Durch den geringen Fließquerschnitt im Anschnittbereich entstehen große Druckverluste. Dadurch ist dieses Angusssystem nur für einfache Artikel verwendbar.

=== Angießmöglichkeiten für Mehrfachwerkzeuge ===

[[Bild:Verteilersterne.jpg|left|300x300px]][[Bild:Reihenanguss.jpg|right|300x300px]]

In einem Mehrfachwerkzeug werden in einem Spritzvorgang mehrere Spritzgießteile gleichzeitig hergestellt. Liegen die Formhöhlungen, auch Formnester genannt, in der Trennfläche, so werden diese über Verteilerkanäle mit Schmelze versorgt '''(Bild 1)'''.

Liegen die Formhöhlungen zentrisch um den Mittelpunkt des Angusskegels, so nennt man das System der Verteilerkanäle '''Verteilersterne'''. Bei den Verteilersternen in '''Bild 1a''' sind die Fließwege der Formmassen gleich lang. Der Vorteil des Verteilersterns mit Ringkanal in '''Bild 1b''' liegt darin, dass die Gesamtlänge der Verteilerkanäle kürzer ist. Beim '''Reihenanguss''' '''(Bild 2)''' sind die Fließwege unterschiedlich lang, was zu einer geringeren Qualität des Spritzgießteils führen kann. Bild 2 zeigt ein Beispiel für eine ungleichmäßige Füllung der Formhohlräume. Diesen Nachteil kann man durch unterschiedliche Anschnittquerschnitte ausgleichen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der größeren Anzahl der gleichzeitig herstellbaren Spritzgießteile.

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.

=== Verteilerkanal- und Anschnittform ===

[[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.

Beim runden Anschnitt ist die Einarbeitung ebenfalls in beide Formhälften notwendig. Wird der rechteckige Querschnitt gewählt, so muss darauf geachtet werden, dass die Breite des Anschnittes ungefähr 2mm kleiner als der Verteilerkanal ist (Bild 3).

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''' ==

=== Dreiplattenwerkzeug ===

[[Bild:Dreiplattenwerkz.jpg|left|300x300px]]

Höhere Spritzgiezteile werden deshalb vom Boden her zentral angespritzt. 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.

=== Isolierkanalwerkzeug ===

[[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.

=== Etagenwerkzeug ===

[[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.

=== Heißkanalsysteme ===

[[Bild:Heißkanalwerkzeug.jpg|left|300x300px]]

Im Heißkanalsystem '''(Bild 1)''' wird die in den Verteilerkanälen enthaltene Masse durch Heizpatronen oder/ und Rohrheizkörper '''(Bild 2)''' ständig auf Schmelztemperatur gehalten. Um einen Wärmeübergang vom Heißkanalbereich auf das wesentlich kühlere Werkzeug zu meiden, müssen die Kontaktflächen minimiert, ein isolierend wirkender Luftspalt sowie Reflektorbleche vorgesehen werden. Thermofühler in verbindung mit einem Regelkreis sorgen für eine möglichst gleichmäßige Temperatur im Angießsystem.

Es werden außen- und innenbeheizte Heißkanalsysteme unterschieden.

'''Außenbeheizte''' Heißkanalsysteme transportieren Wärmeenergie von außen in den Verteilerkanal (Bild 2a).

'''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
* Anspritzpunkte in großer Entfernung von der Plastifiziereinheit realisierbar
* keine Nacharbeit zum Entfernen des Angusses
* Etagenwerkzeuge nur mit Heißkanalsystemen möglich

Die '''Nachteile''' von Heizkanalwerkzeugen sind:
* hohe Energiekosten
* größere Werkzeugeinbauhöhe
* höhere Werkzeugkosten
* Farb- und Materialwechsel schwierig

'''Anwendung''':
* Großserienwerkzeuge, große Losgrößen
* große Formteile mit mehreren Anspritzpunkten

== '''Sonstiges''' ==

Zur Vollständigkeit einer Spritzgießanlage müssen noch folgende Punkte genannt werden:
* die Werkzeugtemperierung, sie regelt die Wärme zu- und abführ (Kühlssystem)
* Serielle Anordnung des Kühlkreislaufes
* Parallele Anordnung des Kühlkreislaufes
* Entformungssysteme (Auswerfeinrichtungen), sie stoßen das Werkstück aus
* Auswerfsysteme bei Hinterschneidungen (äußere und innere Hinterschneidungen)
* Bewegliche Kernsegmente
* Elastische Zwangsentformung
* Zusammenfaltbarer Kern
* Entformung durch Rotation des Formteils
* Werkzeugentlüftung, um die Formen schnell genug zu füllen.

== '''Quellen''' ==

# Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Verlag, 53. Auflage
# Der Werkzeugbau, Europa Lehrmittel Verlag, 13. Auflage

[[Kategorie:Fertigungstechnik]]

Spritzgießen

2009-04-22T20:25:48Z

Sandra Kellinghusen: /* Isolierkanalwerkzeug */

== '''Spritzgießen''' ==

=== Einleitung ===

Beim Spritzgießen werden überwiegend Thermoplaste1 im plastifizierten, fließfähigen Zustand in geteilte und 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|]]

=== 1Thermoplaste: ===
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.

=== Vorgänge beim Spritzgießen ===

[[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.

=== Werkstoffverhalten ===

Die Plastifizierte Formmasse sollte so schnell wie möglich in den Formhohlraum eingesprizt werden, damit Druck und Temperatur im Hohlraum überall gleich sind. Tritt dieser idealfall ein, ist eine gleichmäßige Struktur des Werkstoffes und ein gleichmäßiges Schwindungsverhalten im ganzen Spritzgießteil gewährleistet, sodass keine Spannungen und kein Verzug auftreten.

Dieser ideale Vorgang lässt sich leider nicht realisieren. Fließwiederstände im Werkzeug und in der Düse bewirken einen Druckabfall während des Einspritzens. Ungleichmäßiges Abkühlen der Formmasse im Werkzeughohlraum, der auch Kavität genannt wird, ergibt eine ungleichmäßige Werkstoffstruktur.

=== Molekühlorientierung ===

[[Bild:Amorpher Thermoplast.jpg|left|300x300px]]
[[Bild:Molekühlorientierung_0001.jpg|left|300x300px]]
[[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.

=== Kristallisationsgrad ===

[[Bild:Kristallisationsgrad.jpg|left|300x300px]]

{{Mark
|Bei teilkristallinen Werkstoffen kann sich auf Grund der schnellen Abkühlung im Bereich der Formwand keine Kristallisation bilden. Der Randbreich des Spritzgießteils hat darum einen amorphen Aufbau, währen der Kern einen mehr 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)'''.

=== Fließverhalten ===

[[Bild:Fließfront.jpg|left|300x300px]]
[[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)'''.}}

=== Einflussgrößen auf den Spritzvorgang ===

[[Bild:Einflussgrößen auf den Spritzvorgang.jpg|right|300x300px]]
[[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).

=== Druckverlauf ===

[[Bild:Druckverlauf.jpg|left|300x300px]][[Bild:Auswirkungen des Nachdruckes.jpg|right|300x300px]][[Bild:SGT mit Lunker.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Werkzeuginnendruck.jpg|left|300x300px]]

Durch den '''Einspritzdruck''', welcher in der Formmasse im Schneckenvorraum herrscht, wird im Formhohlraum aufgrund von Strömungswiederständen in der Düse und im Werkzeug ein zeitlich verzögerter und in der Höhe etwas geringerer '''Werkzeuginnendruck''' aufgebaut '''(Bild 1)'''. Dadurch füllt sich die Werkzeughöhlung mit Formmasse (Bild 1, '''Kurvenpunkt A''') und erzeugt die Ausformung der Konturen durch das Komprimieren (verdichten, zusammenpressen) der Formmasse. Der Maximale Werkzeuginnendruck (Bild 1, '''Kurvenpunkt B''') hängt von der Form, vom Werkstoff, von der Qualität des Spritzgießteils und vom Verhältnis zwischen Fließweg und Wanddicke ab. Dieses Verhältnis wird durch den maximalen Fließweg, den die Formmasse zurücklegen muss und der Wanddicke des Spritzgießteils gebildet '''(Bild 2)'''. Ist der gewünschte Werkzeuginnendruck erreicht, so wird der Einspritzdruck vermindert und als '''Nachdruck''' bezeichnet (Umschaltpunkt). Dieser füllt in der anschließenden Phase nur noch das Restvolumen auf und gleicht die Volumenminderung aus, die durch das Abkühlen der Schmelze eintritt. Der Innendruck fällt dabei leicht ab. Auswirkungen des Nachdruckes auf den Spritzvorgang zeigt die '''Tabelle 1'''.

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.

=== Formfüllungsgrad ===

[[Bild:Formfüllstudie.jpg|left|300x300px]]

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.

=== Abkühlung ===

[[Bild:Abkühlzeit für PS.jpg|left|300x300px]]

Wie schnell die Formstabilität der Formmasse beim Abkühlen eintritt, hängt von der '''Werkzeugtemperatur''' ab. Diese wiederum wird von der Art der Formmasse und von den Anforderungen an das Spritzgießteil sowie von der Wanddicke bestimmt '''(Bild 1)'''.
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 Vorgang vom Einspritzen der Schmelze in den Formhohlraum bis zum nächsten Einspritzvorgang bezeichnet man auch als '''Takt, Schuss''' oder '''Zyklus'''.

== '''Spritzgießmaschine''' ==

[[Bild:Spritzgießmaschiene.jpg|center|800x800px|]]

=== Die Aufgaben der Spritzgießmaschine ===

[[Bild:Aufgaben der Spritzgießmaschine.jpg|left|300x300px|]]

*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 der Form.

Die ersten beiden Aufgaben übernimmt die Spritzeinheit der Spritzmaschine, während die dritte Aufgabe die Schließeinheit durchführt.

=== Spritzeinheit ===

[[Bild:Spritzgießmaschiene_1.jpg|right|600x600px]]

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)'''.

[[Bild:Schneckenkolbenext.jpg| left|300x300px]]

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.

=== Einstellgrößen ===

[[Bild:Einstellgr Plastif.jpg|left|300x300px]]

Die Drehzahl der Schnecke richtet sich neben dem Schneckendurchmesser nach der Größe der Umfangsgeschwindigkeit, die von den Formmasseherstellern vorgegeben wird '''(Tabelle 1)'''.

[[Bild:Wirkung_des_Staud.jpg|left|300x300px]]

Der Wiederstand 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''' ==

Die Düse hat die Aufgabe, eine dichte Verbindung, möglichst ohne Druck- und Temperaturverlust, zwischen dem Spritzzylinder und dem Werkzeug herzustellen. Durch die Berührung mit dem kälteren Werkzeug kann der Düse und der verbleibenden Schmelze wärme entzogen werden. Abhilfe kann geschaffen werden, durch eine Düsenheizung sowie durch das Abheben der Düse vom Werkzeug nach der Nachdruckzeit.

=== Offene Düsen und Verschlussdüsen ===

[[Bild:offene Düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Nadelv.düse.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Schiebev.düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Quernadelv.düse.jpg|right|300x300px]]

Wenn es die Zähigkeit der Schmelze zulässt, wählt man meist eine '''offene Düse (Bild 1)'''. Die Druck- und Temperaturverluste sind wegen des glatten Kanals sehr gering. Außerdem ist die offene Düse leicht zu reinigen und zu spülen. Die Gefahr, dass Schmelze aus der Düse austreten kann, nimmt mit kleiner werdender Düsenbohrung (ca. 3- 8mm) ständig ab. Ist die Schmelze zu dünnflüssig, so müssen '''Verschlussdüsen''', z.B. Schieberverschlussdüsen '''(Bild 2)''', oder Nadelverschlussdüsen '''(Bild3)''', vorgesehen werden. Sie sind so konstruiert, das die Düsenöffnung nach jedem Einspritzvorgang verschlossen und dadurch das Ausströmen der Masse verhindert wird.
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 (RD) bei Konvexdüsen etwas kleiner ist, als der Radius der Angießbuchse (RA), 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.

== '''Schließeinheit''' ==

Die Schließeinheit nimmt an der beweglichen und an der festen Werkzeugplatte die jeweiligen Formhälften auf. Das Öffnen, Schließen und Zuhalten des Werkzeuges wird durch ein Kniehebelssystem oder durch einen vollhydraulischen Antrieb ausgeführt '''(Bild1, Spritzgießmaschine beim Thema Spritzeinheit)'''.

=== Schließkraft – Zuhaltekraft ===

[[Bild:Schließkraft.jpg|left|300x300px]][[Bild:Durchbiegung.jpg|right|300x300px]][[Bild:Stützrollen.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Schwimmhäute.jpg|left|280x280px]]

Die '''Schließkraft''' Fs ist die Kraft, die die Säulen nach dem Schließvorgang beansprucht und dehnt sowie die beiden Formhälften zusammendrückt '''(Bild 1)'''. Beim Einspritzen der Formmasse entsteht durch den Werkzeuginnendruck pw eine Auftriebskraft FA (FA= pw * A), die eine weitere Zugbeanspruchung und Dehnung der Säulen verursacht. Die Summe der Kräfte, die die Säulen beim Einspritzvorgang insgesamt belasten, wird als '''Zuhaltekraft''' Fz bezeichnet. Sie ist stets größer als die Schließkraft, und sie ist von der Steifigkeit der Maschine und des Werkzeuges abhängig.

Ist die '''Auftriebskraft''' größer als die Zuhaltekraft, so wird die Anlage zwischen den beiden Werkzeughälften aufgehoben und es tritt Schmelze zwischen den beiden Formhälften aus, die zur '''Grat'''- oder '''Schwimmhautbildung''' führt '''(Bild 2)'''. Diesen Vorgang nennt man auch '''Überspritzung''' oder '''Überladung'''.
Die '''Zuhaltekraft''' sollte trotzdem so klein wie möglich eingestellt werden, um auch einer Durchbiegung bei den Formnesttragenden Werkzeugplatten vorzubeugen. Diese '''Durchbiegung''' entsteht dadurch, dass beim Einspritzen der Werkzeuginnendruck versucht, die beiden Formhälften überwiegend im Bereich der Formhohlräume auseinander zu drücken, während die Zuhaltekräfte nur im Bereich der direkten Kraftübertragung wirken (Bild 1). Die Durchbiegung ist besonders groß bei geringer Steifigkeit der Platten und um die Bereiche gegenüber der düsenseitigen Zentrierbohrung und vor allem gegenüber dem Auswerfersystem '''(Bild 3)'''.
Die Durchbiegung führt zur Gratbildung und u.U. dazu, dass nicht der größtmögliche Einspritzdruck gewählt werden kann. Abhilfe kann dadurch geschaffen werden, dass zusätzliche Stützrollen vorgesehen werden, die mit einem Übermaß von 0,03mm … 0,05mm gegenüber den äußeren Abstützungen eingebaut werden '''(Bild 4)'''.
Auch wegen der beim Einspritzen erforderlichen Entlüftung der Werkzeughöhlung über die Berührungsflächen der beiden Formhälften sollte die Schließkraft so niedrig wie möglich sein.

== '''Gestalten von Spritzgießteilen''' ==

=== Maßtoleranzen bei Spritzgießteilen ===

[[Bild:Maßarten.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle1 Ermittlung.jpg|right|300x300px]]

Die erzielbaren Toleranzen sind größtenteils abhängig von der Schwindung, den Formmassen und der Art der Maße, wobei natürlich auch die Qualität der Spritzgießmaschine und des Werkzeuges eine Rolle spielen.

So lassen sich mit amorphen Formmassen kleinere Toleranzen leichter einhalten als mit teilkristallinen. '''Werkzeuggebundene''' Maße lassen sich genauer herstellen als '''nicht werkzeuggebundene''' Maße '''(Bild 1)'''.

DIN 16 901 bildet bei der Festlegung der Toleranzen zuerst Toleranzgruppen in Abhängigkeit der Formmassen und Schwindungskennwerte (siehe Tabellenbuch). Bezogen auf diese Toleranzgruppen und die festgelegte Maßart werden dann den verschiedenen Nennmaßbereichen die zulässigen Abweichungen zugeordnet.

Die Ermittlung der Allgemeintoleranz für das werkzeuggebundene Maß a im Bild 1, das 35mm betragen soll, zeigt die Tabelle 1.

=== Richtlinien zur Gestaltung von Spritzgießteilen (VDI 2006) ===

[[Bild:Mindetwanddicke.jpg|left|300x300px]][[Bild:Gestaltungsbeispiele.jpg|right|300x300px]]

Die Wanddicken müssen groß genug sein, damit die Formmasse das Werkzeug sicher füllen kann, ehe sie zu stark abkühlt oder ausgehärtet ist. Deshalb ist die '''Mindestwanddicke''' in Abhängigkeit vom '''Fließweg''' im Werkzeug und der Fließfähigkeit der Formmasse zu wählen '''(Bild 2)''' und Bild 2: Werkzeuginnendruck für einfache Teile beim Thema Druckverlauf).

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)'''.

[[Bild:Neigung.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle rautiefe.jpg|right|300x300px]][[Bild:Verzug.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Winkelverzug.jpg|left|300x300px]]

Um das Spritzgießteil leicht und schnell aus der Form entfernen zu können, müssen alle Flächen des Werkstückes, die in Öffnungsrichtung der Form liegen, eine leichte '''Neigung''' erhalten '''(Bild 1)'''. Zusätzlich muss sichergestellt sein, dass das Spritzgießteil beim Öffnen der Form von der schließseitigen Formhälfte mitgenommen und von der Auswerfervorrichtung entfernt wird. Weiterhin hängen die Entformungsschrägen speziell bei strukturierten Oberflächen von der Oberflächenrauigkeit der abzubildenden Kavitäten ab. Die Struktur kann aufgrund ihrer Tiefe wie eine Verzahnung zwischen Formteil und Werkzeugoberfläche wirken und somit die Entformung erschweren. Die Lage der Strukturrichtung parallel oder senkrecht zur Entformungsrichtung und die Materialpaarung Stahl- Kunststoffmasse ist von entscheidender Bedeutung '''(Tabelle 1)'''.

Als einfache Näherung sollte für eine Strukturtiefe von 0,02mm pro 1° Entformungsschrägen bei senkrechter Lage zur Entformungsrichtung nicht überschritten werden. Scharfe Ecken und Kanten können beim Einspritzvorgang des Kunststoffmaterials so stark scheren, dass es zu einer thermischen Schädigung des Kunststoffes kommen kann.

Eine Abrundung bei Umlenkungen wirkt nicht nur der Scherung entgegen, sondern auch dem '''Winkelverzug''' und der Kerbwirkung im Eckbereich. Der mögliche Verzug des Formteils wird in '''(Bild 2)''' dargestellt. Da die dünnen Formteilbereiche schneller abkühlen, werden sie durch die Schrumpfkraft der dickeren verformt.

In '''Bild 3''' kann das Volumenelement '''a''' seine Erstarrungswärme nur stark verzögert an das Werkzeug abgeben. Volumenelement '''b''' kühlt dagegen rascher ab, da es an zwei Seiten an das Werkzeug grenzt. Es entsteht ein '''Winkelverzug'''. Diesem kann durch Abrunden und durch verringerung der Wandstärke im Eckbereich entgegengewirkt werden.

== '''Schwindung''' ==

[[Bild:Tabelle1 Anhaltsw.jpg|left|600x600px]]

Bei der Festlegung des Formhohlraumes müssen die Schwindung und evtl. die Nachschwindung berücksichtigt werden.

Unter Schwindung versteht man die Maßänderung von Werkstücken durch das Zusammenziehen des Werkstoffes beim Abkühlen als Maßunterschied zwischen Werkzeugkavität und Formteil. Bei der Erfassung dieser Schwindung '''(Tabelle 1)''' kommt erschwerend hinzu, dass die Schwindungsdifferenz sowie die Nachschwindung berücksichtigt werden müssen.

Eine '''Schwindungsdifferenz''' tritt dann auf, wenn die Schwindungen in Fließrichtung und quer dazu unterschiedlich groß sind. Der Unterschied zwischen Längs- und Querschwindung ist die Schwindungsdifferenz. Bei einer größeren Schwindungsdifferenz kann dies zu Verwindungen oder zum Verzug des spritzgegossenen Formteils führen.

Die Formteilgeometrie und die Angusslage können Molekülorientierungen hervorrufen, wodurch die Schwindungsdifferenz beeinflusst werden kann. Durch die Verwendung von Füllstoffen kann die Schwindung vermindert werden. Bei faserigen Verstärkungsstoffen kann durch die Faserorientierung im Bauteil eine sehr große Schwindungsdifferenz entstehen. Die Temperaturdifferenz während der Verarbeitung und der Gebrauchstemperatur des Formteils ergibt eine vernachlässigbare Längenänderung der Glasfasern. Sind nun Glasfasern in einem Formteil durch den Materialfluss während des Füllvorganges stark orientiert, schwindet das Formteil quer zur Faser wesentlich stärker als längs dazu. Werden zum Beispiel Glaskugeln zugemischt, wird insgesamt eine geringere Schwindung beobachtet.

Die '''Nachschwindung''' ist der Unterschied zwischen dem Maß eines auf Raumtemperatur abgekühlten Spritzgießteils und dem Maß desselben Spritzgießteils nach der Einwirkung einer bestimmten Temperatur. Sie verursacht eine Nachkristallisation und kann während des Gebrauches oder auch gezielt durch Tempern eingebracht werden. Durch die Naschwindungen werden die Fertigteilabmessungen nochmals kleiner.

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.

== '''Aufbau von Spritzgießwerkzeugen''' ==

[[Bild:Spritzgießwerkzeug.jpg|center|900x600px]]

=== Einleitung der Spritzgießwerkzeuge ===

[[Bild:Tabell1 Einleitung.jpg|left|400x300px]]

Die Vielzahl der Unterschiedlichen Spritzgießanwendungen erfordert verschiedene Werkzeugarten. Sie werden nach Anzahl der Formhohlräume, nach Art des Angusssystems, nach Anzahl der Trennebenen und nach Art der Entformung unterschieden. Die unterschiedlichen Verarbeitungsmöglichkeiten im Spritzgießbereich führen zu einer Vielzahl von Sonderverfahren, welche nicht alle in der Übersicht '''(Tabelle 1)''' aufgeführt werden können.

== '''Angusssysteme''' ==

[[Bild:Angusssystem.jpg|left|300x300px]]

Der Anguss ist ein System von Strömungswegen, in denen die fließfähige Formmasse von der Düse der Spritzeinheit zur Formhöhlung (Kavität) fließt.

Dieses System kann aus dem Angusskegel, den Verteilerkanälen, der sog. Angussspinne und dem Anschnitt bestehen '''(Bild 1)'''. Bei Einfachwerkzeugen können sich die Strömungswege auf eine kegelige Bohrung beschränken, die direkt in die Formhöhlung mündet. Die Stelle, an der der Anguss in die Formhöhlung eintritt, nennt man den '''Anschnitt'''.
Den Zeitpunkt nach dem der Anschnitt „eingefroren“ (d.h. erstarrt) ist und somit der Nachdruck nicht mehr wirken kann, nennt man '''Siegelpunkt'''. Ein längeres Nachdrücken über diesen Zeitpunkt hinaus ist unnötig.

Der Zeitpunkt des Erstarrens kann durch eine Innendruckmessung oder durch das Bestimmen der Formteilmasse ermittelt werden. Das maximale Formteilgewicht ist erreicht, wenn der Anschnitt eingefroren ist.

Der Anguss ist so zu gestalten, dass die flüssige Masse möglichst auf kürzestem Wege, mit geringstem Wärme- und Druckverlust die Kavitäten gleichzeitig füllt. Die Querschnitte der Strömungswege müssen so bemessen sein, dass eine gleichmäßige Füllung des Angusssystems sowie der Formhöhlung erreicht wird.

=== Angussformen ===

Die Angussform ist so zu wählen, dass für den speziellen Fall die bereits erwähnten Forderungen erfüllt werden können. Außerdem müssen noch folgende Einflussgrößen berücksichtigt werden.

* Formteilgeometrie und Formteilvolumen
* Viskosität der Formmasse
* Art des Spritzgießwerkzeuges
* Fließweglänge

=== Stangen- oder Kegelanguss ===

[[Bild:Stangen& P.Anguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Stangenanguss.jpg|right|300x300px]]

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.

=== Punktanguss ===

[[Bild:Punktanguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Vergr. Vorkammer.jpg|right|300x300px]]

Beim Entformen reißt der Punktanguss am kleinsten Querschnitt ab und bleibt als Angusszäpfchen am Spritzgießteil '''(Bild 2b zum Thema Stangen und Punktanguss''' und '''Bild 4 Punktanguss mit Vorkammer)'''. Es entsteht dadurch keine Nacharbeit und keine optisch störende Bearbeitungsfläche wie beim Stangenanguss. Außerdem muss der Anguss, also die Formmasse, in der Vorkammer nicht entformt werden.

Der Punktanguss wird besonders für kleinteile und Massenartikel in Einfach- und Mehrfachwerkzeugen vorgesehen, sowie für Mehrfachangüsse bei einem größeren Formteil. Dann muss zum Entformen des Angussverteilers mit einem Dreiplattenwerkzeug gearbeitet werden.

Je kleiner die Bohrung des Punktangusses ist, desto leichter geht das Abreißen vor sich. Dabei ist jedoch neben der Wanddicke die Zähflüssigkeit (Viskosität) der Schmelze, sowie die Temperatur zu beachten.

[[Bild:Vork. mit v. Düsens..jpg|left|300x300px]][[Bild:Vork. m. beh. K-B.sp.jpg|right|300x300px]]

Kann die Formhöhlung durch den kleinen Punktanguss nicht mehr schnell genug gefüllt werden, so kühlt die Schmelze in der '''Vorkammer''' vorzeitig ab, so dass sie unter Umständen von Hand entfernt werden muss.

Deshalb wird die Vorkammer etwas vergrößert, so das die an der Innenwandung haftende abgekühlte Masse als Isolator wirkt '''(Bild 1)'''.

Der Kern der Schmelze, die sog. Plastische Seele, bleibt im Angussbereich flüssig. Die Verweildauer der Schmelze in der Vorkammer sollte aber nicht zu lang sein. Kurze Zyklen, d. h. mehrmaliges Einspritzen pro Minute, sind für das Funktionieren des Systems notwendig.

Ist die Spritzhäufigkeit nicht möglich, so wird eine Kupfer- Beryllium- Spitze in die Vorkammer eingeführt. Der Raum zwischen Kupferspitze und Innenwandung der Vorkammer füllt sich mit erkalteter Masse, die dann als Isolierung wirkt. Die Kupferspitze nimmt über die Düse genügend wärme auf, um die Masse im inneren flüssig zu halten '''(Bild 2)'''.

Eine weitere Möglichkeit, die Abkühlung der Formmasse zu verhindern, besteht darin, die Vorkammer durch spezielle Heizpatronen zu erwärmen '''(Bild 3)'''.

=== Teller- und Scheibenanguss ===

[[Bild:Telleranguss.jpg|left|300x300px]]

Teller- und Scheibenangüsse werden für ringförmige Spritzgießteile vorgesehen '''(Bild 1a)'''. Würde man hier mit einem Punktanguss oder mit zwei Anbindungen arbeiten, so entstünde eine '''Binde-''' und '''Fließnaht (Bild 1b)'''. Sie entsteht, wenn zwei Masseströme sich aufgrund vorzeitiger Abkühlung nicht mehr miteinander verbinden. Je kälter die zusammentreffenden Masseströme sind, desto sichtbarer sind die Bindenähte und umso geringer ist die Festigkeit. Bindenähte entstehen auch, wenn sich Masseströme an einem Kern teilen und sich wieder miteinander verbinden müssen.

Diese Qualitätsminderung kann z.B. durch die Erhöhung der Werkzeugtemperatur teilweise reduziert werden. Mit einer Zykluszeiterhöhung ist zu rechnen.

=== Schirmanguss ===

[[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)'''.

=== Ringanguss ===

[[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.

=== Film- oder Bandanguss ===

Flache teile schneidet man zweckmäßigerweise über ein seitliches oder zentrales Band, dem Filmanguss, an. Dadurch lassen sich, wie bei einem Einzelpunktanguss, ungünstige Fließverhältnisse, oder wie bei Mehrfachpunktangüssen, störende Bindenähte vermeiden '''(Bild 2c)'''.

Ebenso lässt sich die Verzugsneigung durch gleichmäßige Druckverhältnisse positiv beeinflussen.
Eine weitere Anwendung ist deshalb die Herstellung optischer Formteile, wie durchsichtige Abdeckungen und optische Linsen.

Filmanschnitte erfordern eine Nacharbeit durch abtrennen des Angusses.

=== Tunnelanguss ===

[[Bild:Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Beim Tunnelanguss wird das Spritzgießteil seitlich oder an den verdeckten Flächen oder an anderen problemlosen Stellen angespritzt und automatisch beim öffnen der Formhälften, oder beim Ausstoßen vom Angusssystem, getrennt (Bild 1).

Der Verteilerkanal führt entlang der Trennfläche nicht direkt in die Formhöhlung, sondern er geht kurz zuvor schräg als konischer Tunnel durch die düsenseitige Werkzeughälfte in den Formhohlraum.
Wird die schließseitige Formhälfte zurückgezogen, so müssen das Spritzgießteil und das Angießsystem mitgenommen werden. Dabei wird der Tunnelanguss am Anschnitt durch eine Schneidkante abgeschert '''(Bild 1)'''.

Das Mitnehmen des Formteils muss durch Aufschrumpfen auf den Kern geschehen, und die des Angusses durch einen eingearbeiteten Hinterschnitt.

Anschließend wird das Spritzgießteil und das Angießsystem durch die Auswerfer entformt.

Wird ein Tunnelanguss vorgesehen, so muss beachtet werden, dass sich der vom Formteil getrennte Anguss beim öffnen der Werkzeughälften ausreichend biegen muss. Damit der Anguss nicht bricht, muss er eine ausreichende Konizität haben und frei biegbar sein, möglichst mit einem definierten Biegepunkt.

Die Formmasse sollte zähelastisch oder beim Entformen noch nicht vollständig erstarrt sein. Nur dann arbeitet das System störungsfrei. Da beim Tunnelanguss die Druckverluste hoch sind, wird er überwiegend zu Herstellung einfacher und kleiner Spritzgießteile in Mehrfachwerkzeugen verwendet.

=== Gebogener Tunnelanguss ===

[[Bild:geb. Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Der gebogene Tunnelanguss, auch Haken- oder Säbelanguss genannt '''(Bild 2)''', bietet die Möglichkeit ein Spritzgießteil auf der Rückseite oder an verdeckter Stelle anzubinden.

Das Entformungsprinzip entspricht dem des Tunnelangusses. Die Verwendung ist auf elastische Formmassen beschrängt. Die große Durchbiegung bei der Entformung erfolgt während der Ausstoßbewegung.

Durch den geringen Fließquerschnitt im Anschnittbereich entstehen große Druckverluste. Dadurch ist dieses Angusssystem nur für einfache Artikel verwendbar.

=== Angießmöglichkeiten für Mehrfachwerkzeuge ===

[[Bild:Verteilersterne.jpg|left|300x300px]][[Bild:Reihenanguss.jpg|right|300x300px]]

In einem Mehrfachwerkzeug werden in einem Spritzvorgang mehrere Spritzgießteile gleichzeitig hergestellt. Liegen die Formhöhlungen, auch Formnester genannt, in der Trennfläche, so werden diese über Verteilerkanäle mit Schmelze versorgt '''(Bild 1)'''.

Liegen die Formhöhlungen zentrisch um den Mittelpunkt des Angusskegels, so nennt man das System der Verteilerkanäle '''Verteilersterne'''. Bei den Verteilersternen in '''Bild 1a''' sind die Fließwege der Formmassen gleich lang. Der Vorteil des Verteilersterns mit Ringkanal in '''Bild 1b''' liegt darin, dass die Gesamtlänge der Verteilerkanäle kürzer ist. Beim '''Reihenanguss''' '''(Bild 2)''' sind die Fließwege unterschiedlich lang, was zu einer geringeren Qualität des Spritzgießteils führen kann. Bild 2 zeigt ein Beispiel für eine ungleichmäßige Füllung der Formhohlräume. Diesen Nachteil kann man durch unterschiedliche Anschnittquerschnitte ausgleichen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der größeren Anzahl der gleichzeitig herstellbaren Spritzgießteile.

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.

=== Verteilerkanal- und Anschnittform ===

[[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.

Beim runden Anschnitt ist die Einarbeitung ebenfalls in beide Formhälften notwendig. Wird der rechteckige Querschnitt gewählt, so muss darauf geachtet werden, dass die Breite des Anschnittes ungefähr 2mm kleiner als der Verteilerkanal ist (Bild 3).

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''' ==

=== Dreiplattenwerkzeug ===

[[Bild:Dreiplattenwerkz.jpg|left|300x300px]]

Höhere Spritzgiezteile werden deshalb vom Boden her zentral angespritzt. 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.

=== Isolierkanalwerkzeug ===

[[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.

=== Etagenwerkzeug ===

[[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.

=== Heißkanalsysteme ===

[[Bild:Heißkanalwerkzeug.jpg|left|300x300px]]

Im Heißkanalsystem '''(Bild 1)''' wird die in den Verteilerkanälen enthaltene Masse durch Heizpatronen oder/ und Rohrheizkörper '''(Bild 2)''' ständig auf Schmelztemperatur gehalten. Um einen Wärmeübergang vom Heißkanalbereich auf das wesentlich kühlere Werkzeug zu meiden, müssen die Kontaktflächen minimiert, ein isolierend wirkender Luftspalt sowie Reflektorbleche vorgesehen werden. Thermofühler in verbindung mit einem Regelkreis sorgen für eine möglichst gleichmäßige Temperatur im Angießsystem.

Es werden außen- und innenbeheizte Heißkanalsysteme unterschieden.

'''Außenbeheizte''' Heißkanalsysteme transportieren Wärmeenergie von außen in den Verteilerkanal (Bild 2a).

'''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
* Anspritzpunkte in großer Entfernung von der Plastifiziereinheit realisierbar
* keine Nacharbeit zum Entfernen des Angusses
* Etagenwerkzeuge nur mit Heißkanalsystemen möglich

Die '''Nachteile''' von Heizkanalwerkzeugen sind:
* hohe Energiekosten
* größere Werkzeugeinbauhöhe
* höhere Werkzeugkosten
* Farb- und Materialwechsel schwierig

'''Anwendung''':
* Großserienwerkzeuge, große Losgrößen
* große Formteile mit mehreren Anspritzpunkten

== '''Sonstiges''' ==

Zur Vollständigkeit einer Spritzgießanlage müssen noch folgende Punkte genannt werden:
* die Werkzeugtemperierung, sie regelt die Wärme zu- und abführ (Kühlssystem)
* Serielle Anordnung des Kühlkreislaufes
* Parallele Anordnung des Kühlkreislaufes
* Entformungssysteme (Auswerfeinrichtungen), sie stoßen das Werkstück aus
* Auswerfsysteme bei Hinterschneidungen (äußere und innere Hinterschneidungen)
* Bewegliche Kernsegmente
* Elastische Zwangsentformung
* Zusammenfaltbarer Kern
* Entformung durch Rotation des Formteils
* Werkzeugentlüftung, um die Formen schnell genug zu füllen.

== '''Quellen''' ==

# Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Verlag, 53. Auflage
# Der Werkzeugbau, Europa Lehrmittel Verlag, 13. Auflage

[[Kategorie:Fertigungstechnik]]

Spritzgießen

2009-04-22T20:25:26Z

Sandra Kellinghusen: /* Isolierkanalwerkzeug */

== '''Spritzgießen''' ==

=== Einleitung ===

Beim Spritzgießen werden überwiegend Thermoplaste1 im plastifizierten, fließfähigen Zustand in geteilte und 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|]]

=== 1Thermoplaste: ===
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.

=== Vorgänge beim Spritzgießen ===

[[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.

=== Werkstoffverhalten ===

Die Plastifizierte Formmasse sollte so schnell wie möglich in den Formhohlraum eingesprizt werden, damit Druck und Temperatur im Hohlraum überall gleich sind. Tritt dieser idealfall ein, ist eine gleichmäßige Struktur des Werkstoffes und ein gleichmäßiges Schwindungsverhalten im ganzen Spritzgießteil gewährleistet, sodass keine Spannungen und kein Verzug auftreten.

Dieser ideale Vorgang lässt sich leider nicht realisieren. Fließwiederstände im Werkzeug und in der Düse bewirken einen Druckabfall während des Einspritzens. Ungleichmäßiges Abkühlen der Formmasse im Werkzeughohlraum, der auch Kavität genannt wird, ergibt eine ungleichmäßige Werkstoffstruktur.

=== Molekühlorientierung ===

[[Bild:Amorpher Thermoplast.jpg|left|300x300px]]
[[Bild:Molekühlorientierung_0001.jpg|left|300x300px]]
[[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.

=== Kristallisationsgrad ===

[[Bild:Kristallisationsgrad.jpg|left|300x300px]]

{{Mark
|Bei teilkristallinen Werkstoffen kann sich auf Grund der schnellen Abkühlung im Bereich der Formwand keine Kristallisation bilden. Der Randbreich des Spritzgießteils hat darum einen amorphen Aufbau, währen der Kern einen mehr 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)'''.

=== Fließverhalten ===

[[Bild:Fließfront.jpg|left|300x300px]]
[[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)'''.}}

=== Einflussgrößen auf den Spritzvorgang ===

[[Bild:Einflussgrößen auf den Spritzvorgang.jpg|right|300x300px]]
[[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).

=== Druckverlauf ===

[[Bild:Druckverlauf.jpg|left|300x300px]][[Bild:Auswirkungen des Nachdruckes.jpg|right|300x300px]][[Bild:SGT mit Lunker.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Werkzeuginnendruck.jpg|left|300x300px]]

Durch den '''Einspritzdruck''', welcher in der Formmasse im Schneckenvorraum herrscht, wird im Formhohlraum aufgrund von Strömungswiederständen in der Düse und im Werkzeug ein zeitlich verzögerter und in der Höhe etwas geringerer '''Werkzeuginnendruck''' aufgebaut '''(Bild 1)'''. Dadurch füllt sich die Werkzeughöhlung mit Formmasse (Bild 1, '''Kurvenpunkt A''') und erzeugt die Ausformung der Konturen durch das Komprimieren (verdichten, zusammenpressen) der Formmasse. Der Maximale Werkzeuginnendruck (Bild 1, '''Kurvenpunkt B''') hängt von der Form, vom Werkstoff, von der Qualität des Spritzgießteils und vom Verhältnis zwischen Fließweg und Wanddicke ab. Dieses Verhältnis wird durch den maximalen Fließweg, den die Formmasse zurücklegen muss und der Wanddicke des Spritzgießteils gebildet '''(Bild 2)'''. Ist der gewünschte Werkzeuginnendruck erreicht, so wird der Einspritzdruck vermindert und als '''Nachdruck''' bezeichnet (Umschaltpunkt). Dieser füllt in der anschließenden Phase nur noch das Restvolumen auf und gleicht die Volumenminderung aus, die durch das Abkühlen der Schmelze eintritt. Der Innendruck fällt dabei leicht ab. Auswirkungen des Nachdruckes auf den Spritzvorgang zeigt die '''Tabelle 1'''.

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.

=== Formfüllungsgrad ===

[[Bild:Formfüllstudie.jpg|left|300x300px]]

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.

=== Abkühlung ===

[[Bild:Abkühlzeit für PS.jpg|left|300x300px]]

Wie schnell die Formstabilität der Formmasse beim Abkühlen eintritt, hängt von der '''Werkzeugtemperatur''' ab. Diese wiederum wird von der Art der Formmasse und von den Anforderungen an das Spritzgießteil sowie von der Wanddicke bestimmt '''(Bild 1)'''.
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 Vorgang vom Einspritzen der Schmelze in den Formhohlraum bis zum nächsten Einspritzvorgang bezeichnet man auch als '''Takt, Schuss''' oder '''Zyklus'''.

== '''Spritzgießmaschine''' ==

[[Bild:Spritzgießmaschiene.jpg|center|800x800px|]]

=== Die Aufgaben der Spritzgießmaschine ===

[[Bild:Aufgaben der Spritzgießmaschine.jpg|left|300x300px|]]

*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 der Form.

Die ersten beiden Aufgaben übernimmt die Spritzeinheit der Spritzmaschine, während die dritte Aufgabe die Schließeinheit durchführt.

=== Spritzeinheit ===

[[Bild:Spritzgießmaschiene_1.jpg|right|600x600px]]

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)'''.

[[Bild:Schneckenkolbenext.jpg| left|300x300px]]

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.

=== Einstellgrößen ===

[[Bild:Einstellgr Plastif.jpg|left|300x300px]]

Die Drehzahl der Schnecke richtet sich neben dem Schneckendurchmesser nach der Größe der Umfangsgeschwindigkeit, die von den Formmasseherstellern vorgegeben wird '''(Tabelle 1)'''.

[[Bild:Wirkung_des_Staud.jpg|left|300x300px]]

Der Wiederstand 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''' ==

Die Düse hat die Aufgabe, eine dichte Verbindung, möglichst ohne Druck- und Temperaturverlust, zwischen dem Spritzzylinder und dem Werkzeug herzustellen. Durch die Berührung mit dem kälteren Werkzeug kann der Düse und der verbleibenden Schmelze wärme entzogen werden. Abhilfe kann geschaffen werden, durch eine Düsenheizung sowie durch das Abheben der Düse vom Werkzeug nach der Nachdruckzeit.

=== Offene Düsen und Verschlussdüsen ===

[[Bild:offene Düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Nadelv.düse.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Schiebev.düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Quernadelv.düse.jpg|right|300x300px]]

Wenn es die Zähigkeit der Schmelze zulässt, wählt man meist eine '''offene Düse (Bild 1)'''. Die Druck- und Temperaturverluste sind wegen des glatten Kanals sehr gering. Außerdem ist die offene Düse leicht zu reinigen und zu spülen. Die Gefahr, dass Schmelze aus der Düse austreten kann, nimmt mit kleiner werdender Düsenbohrung (ca. 3- 8mm) ständig ab. Ist die Schmelze zu dünnflüssig, so müssen '''Verschlussdüsen''', z.B. Schieberverschlussdüsen '''(Bild 2)''', oder Nadelverschlussdüsen '''(Bild3)''', vorgesehen werden. Sie sind so konstruiert, das die Düsenöffnung nach jedem Einspritzvorgang verschlossen und dadurch das Ausströmen der Masse verhindert wird.
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 (RD) bei Konvexdüsen etwas kleiner ist, als der Radius der Angießbuchse (RA), 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.

== '''Schließeinheit''' ==

Die Schließeinheit nimmt an der beweglichen und an der festen Werkzeugplatte die jeweiligen Formhälften auf. Das Öffnen, Schließen und Zuhalten des Werkzeuges wird durch ein Kniehebelssystem oder durch einen vollhydraulischen Antrieb ausgeführt '''(Bild1, Spritzgießmaschine beim Thema Spritzeinheit)'''.

=== Schließkraft – Zuhaltekraft ===

[[Bild:Schließkraft.jpg|left|300x300px]][[Bild:Durchbiegung.jpg|right|300x300px]][[Bild:Stützrollen.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Schwimmhäute.jpg|left|280x280px]]

Die '''Schließkraft''' Fs ist die Kraft, die die Säulen nach dem Schließvorgang beansprucht und dehnt sowie die beiden Formhälften zusammendrückt '''(Bild 1)'''. Beim Einspritzen der Formmasse entsteht durch den Werkzeuginnendruck pw eine Auftriebskraft FA (FA= pw * A), die eine weitere Zugbeanspruchung und Dehnung der Säulen verursacht. Die Summe der Kräfte, die die Säulen beim Einspritzvorgang insgesamt belasten, wird als '''Zuhaltekraft''' Fz bezeichnet. Sie ist stets größer als die Schließkraft, und sie ist von der Steifigkeit der Maschine und des Werkzeuges abhängig.

Ist die '''Auftriebskraft''' größer als die Zuhaltekraft, so wird die Anlage zwischen den beiden Werkzeughälften aufgehoben und es tritt Schmelze zwischen den beiden Formhälften aus, die zur '''Grat'''- oder '''Schwimmhautbildung''' führt '''(Bild 2)'''. Diesen Vorgang nennt man auch '''Überspritzung''' oder '''Überladung'''.
Die '''Zuhaltekraft''' sollte trotzdem so klein wie möglich eingestellt werden, um auch einer Durchbiegung bei den Formnesttragenden Werkzeugplatten vorzubeugen. Diese '''Durchbiegung''' entsteht dadurch, dass beim Einspritzen der Werkzeuginnendruck versucht, die beiden Formhälften überwiegend im Bereich der Formhohlräume auseinander zu drücken, während die Zuhaltekräfte nur im Bereich der direkten Kraftübertragung wirken (Bild 1). Die Durchbiegung ist besonders groß bei geringer Steifigkeit der Platten und um die Bereiche gegenüber der düsenseitigen Zentrierbohrung und vor allem gegenüber dem Auswerfersystem '''(Bild 3)'''.
Die Durchbiegung führt zur Gratbildung und u.U. dazu, dass nicht der größtmögliche Einspritzdruck gewählt werden kann. Abhilfe kann dadurch geschaffen werden, dass zusätzliche Stützrollen vorgesehen werden, die mit einem Übermaß von 0,03mm … 0,05mm gegenüber den äußeren Abstützungen eingebaut werden '''(Bild 4)'''.
Auch wegen der beim Einspritzen erforderlichen Entlüftung der Werkzeughöhlung über die Berührungsflächen der beiden Formhälften sollte die Schließkraft so niedrig wie möglich sein.

== '''Gestalten von Spritzgießteilen''' ==

=== Maßtoleranzen bei Spritzgießteilen ===

[[Bild:Maßarten.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle1 Ermittlung.jpg|right|300x300px]]

Die erzielbaren Toleranzen sind größtenteils abhängig von der Schwindung, den Formmassen und der Art der Maße, wobei natürlich auch die Qualität der Spritzgießmaschine und des Werkzeuges eine Rolle spielen.

So lassen sich mit amorphen Formmassen kleinere Toleranzen leichter einhalten als mit teilkristallinen. '''Werkzeuggebundene''' Maße lassen sich genauer herstellen als '''nicht werkzeuggebundene''' Maße '''(Bild 1)'''.

DIN 16 901 bildet bei der Festlegung der Toleranzen zuerst Toleranzgruppen in Abhängigkeit der Formmassen und Schwindungskennwerte (siehe Tabellenbuch). Bezogen auf diese Toleranzgruppen und die festgelegte Maßart werden dann den verschiedenen Nennmaßbereichen die zulässigen Abweichungen zugeordnet.

Die Ermittlung der Allgemeintoleranz für das werkzeuggebundene Maß a im Bild 1, das 35mm betragen soll, zeigt die Tabelle 1.

=== Richtlinien zur Gestaltung von Spritzgießteilen (VDI 2006) ===

[[Bild:Mindetwanddicke.jpg|left|300x300px]][[Bild:Gestaltungsbeispiele.jpg|right|300x300px]]

Die Wanddicken müssen groß genug sein, damit die Formmasse das Werkzeug sicher füllen kann, ehe sie zu stark abkühlt oder ausgehärtet ist. Deshalb ist die '''Mindestwanddicke''' in Abhängigkeit vom '''Fließweg''' im Werkzeug und der Fließfähigkeit der Formmasse zu wählen '''(Bild 2)''' und Bild 2: Werkzeuginnendruck für einfache Teile beim Thema Druckverlauf).

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)'''.

[[Bild:Neigung.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle rautiefe.jpg|right|300x300px]][[Bild:Verzug.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Winkelverzug.jpg|left|300x300px]]

Um das Spritzgießteil leicht und schnell aus der Form entfernen zu können, müssen alle Flächen des Werkstückes, die in Öffnungsrichtung der Form liegen, eine leichte '''Neigung''' erhalten '''(Bild 1)'''. Zusätzlich muss sichergestellt sein, dass das Spritzgießteil beim Öffnen der Form von der schließseitigen Formhälfte mitgenommen und von der Auswerfervorrichtung entfernt wird. Weiterhin hängen die Entformungsschrägen speziell bei strukturierten Oberflächen von der Oberflächenrauigkeit der abzubildenden Kavitäten ab. Die Struktur kann aufgrund ihrer Tiefe wie eine Verzahnung zwischen Formteil und Werkzeugoberfläche wirken und somit die Entformung erschweren. Die Lage der Strukturrichtung parallel oder senkrecht zur Entformungsrichtung und die Materialpaarung Stahl- Kunststoffmasse ist von entscheidender Bedeutung '''(Tabelle 1)'''.

Als einfache Näherung sollte für eine Strukturtiefe von 0,02mm pro 1° Entformungsschrägen bei senkrechter Lage zur Entformungsrichtung nicht überschritten werden. Scharfe Ecken und Kanten können beim Einspritzvorgang des Kunststoffmaterials so stark scheren, dass es zu einer thermischen Schädigung des Kunststoffes kommen kann.

Eine Abrundung bei Umlenkungen wirkt nicht nur der Scherung entgegen, sondern auch dem '''Winkelverzug''' und der Kerbwirkung im Eckbereich. Der mögliche Verzug des Formteils wird in '''(Bild 2)''' dargestellt. Da die dünnen Formteilbereiche schneller abkühlen, werden sie durch die Schrumpfkraft der dickeren verformt.

In '''Bild 3''' kann das Volumenelement '''a''' seine Erstarrungswärme nur stark verzögert an das Werkzeug abgeben. Volumenelement '''b''' kühlt dagegen rascher ab, da es an zwei Seiten an das Werkzeug grenzt. Es entsteht ein '''Winkelverzug'''. Diesem kann durch Abrunden und durch verringerung der Wandstärke im Eckbereich entgegengewirkt werden.

== '''Schwindung''' ==

[[Bild:Tabelle1 Anhaltsw.jpg|left|600x600px]]

Bei der Festlegung des Formhohlraumes müssen die Schwindung und evtl. die Nachschwindung berücksichtigt werden.

Unter Schwindung versteht man die Maßänderung von Werkstücken durch das Zusammenziehen des Werkstoffes beim Abkühlen als Maßunterschied zwischen Werkzeugkavität und Formteil. Bei der Erfassung dieser Schwindung '''(Tabelle 1)''' kommt erschwerend hinzu, dass die Schwindungsdifferenz sowie die Nachschwindung berücksichtigt werden müssen.

Eine '''Schwindungsdifferenz''' tritt dann auf, wenn die Schwindungen in Fließrichtung und quer dazu unterschiedlich groß sind. Der Unterschied zwischen Längs- und Querschwindung ist die Schwindungsdifferenz. Bei einer größeren Schwindungsdifferenz kann dies zu Verwindungen oder zum Verzug des spritzgegossenen Formteils führen.

Die Formteilgeometrie und die Angusslage können Molekülorientierungen hervorrufen, wodurch die Schwindungsdifferenz beeinflusst werden kann. Durch die Verwendung von Füllstoffen kann die Schwindung vermindert werden. Bei faserigen Verstärkungsstoffen kann durch die Faserorientierung im Bauteil eine sehr große Schwindungsdifferenz entstehen. Die Temperaturdifferenz während der Verarbeitung und der Gebrauchstemperatur des Formteils ergibt eine vernachlässigbare Längenänderung der Glasfasern. Sind nun Glasfasern in einem Formteil durch den Materialfluss während des Füllvorganges stark orientiert, schwindet das Formteil quer zur Faser wesentlich stärker als längs dazu. Werden zum Beispiel Glaskugeln zugemischt, wird insgesamt eine geringere Schwindung beobachtet.

Die '''Nachschwindung''' ist der Unterschied zwischen dem Maß eines auf Raumtemperatur abgekühlten Spritzgießteils und dem Maß desselben Spritzgießteils nach der Einwirkung einer bestimmten Temperatur. Sie verursacht eine Nachkristallisation und kann während des Gebrauches oder auch gezielt durch Tempern eingebracht werden. Durch die Naschwindungen werden die Fertigteilabmessungen nochmals kleiner.

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.

== '''Aufbau von Spritzgießwerkzeugen''' ==

[[Bild:Spritzgießwerkzeug.jpg|center|900x600px]]

=== Einleitung der Spritzgießwerkzeuge ===

[[Bild:Tabell1 Einleitung.jpg|left|400x300px]]

Die Vielzahl der Unterschiedlichen Spritzgießanwendungen erfordert verschiedene Werkzeugarten. Sie werden nach Anzahl der Formhohlräume, nach Art des Angusssystems, nach Anzahl der Trennebenen und nach Art der Entformung unterschieden. Die unterschiedlichen Verarbeitungsmöglichkeiten im Spritzgießbereich führen zu einer Vielzahl von Sonderverfahren, welche nicht alle in der Übersicht '''(Tabelle 1)''' aufgeführt werden können.

== '''Angusssysteme''' ==

[[Bild:Angusssystem.jpg|left|300x300px]]

Der Anguss ist ein System von Strömungswegen, in denen die fließfähige Formmasse von der Düse der Spritzeinheit zur Formhöhlung (Kavität) fließt.

Dieses System kann aus dem Angusskegel, den Verteilerkanälen, der sog. Angussspinne und dem Anschnitt bestehen '''(Bild 1)'''. Bei Einfachwerkzeugen können sich die Strömungswege auf eine kegelige Bohrung beschränken, die direkt in die Formhöhlung mündet. Die Stelle, an der der Anguss in die Formhöhlung eintritt, nennt man den '''Anschnitt'''.
Den Zeitpunkt nach dem der Anschnitt „eingefroren“ (d.h. erstarrt) ist und somit der Nachdruck nicht mehr wirken kann, nennt man '''Siegelpunkt'''. Ein längeres Nachdrücken über diesen Zeitpunkt hinaus ist unnötig.

Der Zeitpunkt des Erstarrens kann durch eine Innendruckmessung oder durch das Bestimmen der Formteilmasse ermittelt werden. Das maximale Formteilgewicht ist erreicht, wenn der Anschnitt eingefroren ist.

Der Anguss ist so zu gestalten, dass die flüssige Masse möglichst auf kürzestem Wege, mit geringstem Wärme- und Druckverlust die Kavitäten gleichzeitig füllt. Die Querschnitte der Strömungswege müssen so bemessen sein, dass eine gleichmäßige Füllung des Angusssystems sowie der Formhöhlung erreicht wird.

=== Angussformen ===

Die Angussform ist so zu wählen, dass für den speziellen Fall die bereits erwähnten Forderungen erfüllt werden können. Außerdem müssen noch folgende Einflussgrößen berücksichtigt werden.

* Formteilgeometrie und Formteilvolumen
* Viskosität der Formmasse
* Art des Spritzgießwerkzeuges
* Fließweglänge

=== Stangen- oder Kegelanguss ===

[[Bild:Stangen& P.Anguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Stangenanguss.jpg|right|300x300px]]

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.

=== Punktanguss ===

[[Bild:Punktanguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Vergr. Vorkammer.jpg|right|300x300px]]

Beim Entformen reißt der Punktanguss am kleinsten Querschnitt ab und bleibt als Angusszäpfchen am Spritzgießteil '''(Bild 2b zum Thema Stangen und Punktanguss''' und '''Bild 4 Punktanguss mit Vorkammer)'''. Es entsteht dadurch keine Nacharbeit und keine optisch störende Bearbeitungsfläche wie beim Stangenanguss. Außerdem muss der Anguss, also die Formmasse, in der Vorkammer nicht entformt werden.

Der Punktanguss wird besonders für kleinteile und Massenartikel in Einfach- und Mehrfachwerkzeugen vorgesehen, sowie für Mehrfachangüsse bei einem größeren Formteil. Dann muss zum Entformen des Angussverteilers mit einem Dreiplattenwerkzeug gearbeitet werden.

Je kleiner die Bohrung des Punktangusses ist, desto leichter geht das Abreißen vor sich. Dabei ist jedoch neben der Wanddicke die Zähflüssigkeit (Viskosität) der Schmelze, sowie die Temperatur zu beachten.

[[Bild:Vork. mit v. Düsens..jpg|left|300x300px]][[Bild:Vork. m. beh. K-B.sp.jpg|right|300x300px]]

Kann die Formhöhlung durch den kleinen Punktanguss nicht mehr schnell genug gefüllt werden, so kühlt die Schmelze in der '''Vorkammer''' vorzeitig ab, so dass sie unter Umständen von Hand entfernt werden muss.

Deshalb wird die Vorkammer etwas vergrößert, so das die an der Innenwandung haftende abgekühlte Masse als Isolator wirkt '''(Bild 1)'''.

Der Kern der Schmelze, die sog. Plastische Seele, bleibt im Angussbereich flüssig. Die Verweildauer der Schmelze in der Vorkammer sollte aber nicht zu lang sein. Kurze Zyklen, d. h. mehrmaliges Einspritzen pro Minute, sind für das Funktionieren des Systems notwendig.

Ist die Spritzhäufigkeit nicht möglich, so wird eine Kupfer- Beryllium- Spitze in die Vorkammer eingeführt. Der Raum zwischen Kupferspitze und Innenwandung der Vorkammer füllt sich mit erkalteter Masse, die dann als Isolierung wirkt. Die Kupferspitze nimmt über die Düse genügend wärme auf, um die Masse im inneren flüssig zu halten '''(Bild 2)'''.

Eine weitere Möglichkeit, die Abkühlung der Formmasse zu verhindern, besteht darin, die Vorkammer durch spezielle Heizpatronen zu erwärmen '''(Bild 3)'''.

=== Teller- und Scheibenanguss ===

[[Bild:Telleranguss.jpg|left|300x300px]]

Teller- und Scheibenangüsse werden für ringförmige Spritzgießteile vorgesehen '''(Bild 1a)'''. Würde man hier mit einem Punktanguss oder mit zwei Anbindungen arbeiten, so entstünde eine '''Binde-''' und '''Fließnaht (Bild 1b)'''. Sie entsteht, wenn zwei Masseströme sich aufgrund vorzeitiger Abkühlung nicht mehr miteinander verbinden. Je kälter die zusammentreffenden Masseströme sind, desto sichtbarer sind die Bindenähte und umso geringer ist die Festigkeit. Bindenähte entstehen auch, wenn sich Masseströme an einem Kern teilen und sich wieder miteinander verbinden müssen.

Diese Qualitätsminderung kann z.B. durch die Erhöhung der Werkzeugtemperatur teilweise reduziert werden. Mit einer Zykluszeiterhöhung ist zu rechnen.

=== Schirmanguss ===

[[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)'''.

=== Ringanguss ===

[[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.

=== Film- oder Bandanguss ===

Flache teile schneidet man zweckmäßigerweise über ein seitliches oder zentrales Band, dem Filmanguss, an. Dadurch lassen sich, wie bei einem Einzelpunktanguss, ungünstige Fließverhältnisse, oder wie bei Mehrfachpunktangüssen, störende Bindenähte vermeiden '''(Bild 2c)'''.

Ebenso lässt sich die Verzugsneigung durch gleichmäßige Druckverhältnisse positiv beeinflussen.
Eine weitere Anwendung ist deshalb die Herstellung optischer Formteile, wie durchsichtige Abdeckungen und optische Linsen.

Filmanschnitte erfordern eine Nacharbeit durch abtrennen des Angusses.

=== Tunnelanguss ===

[[Bild:Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Beim Tunnelanguss wird das Spritzgießteil seitlich oder an den verdeckten Flächen oder an anderen problemlosen Stellen angespritzt und automatisch beim öffnen der Formhälften, oder beim Ausstoßen vom Angusssystem, getrennt (Bild 1).

Der Verteilerkanal führt entlang der Trennfläche nicht direkt in die Formhöhlung, sondern er geht kurz zuvor schräg als konischer Tunnel durch die düsenseitige Werkzeughälfte in den Formhohlraum.
Wird die schließseitige Formhälfte zurückgezogen, so müssen das Spritzgießteil und das Angießsystem mitgenommen werden. Dabei wird der Tunnelanguss am Anschnitt durch eine Schneidkante abgeschert '''(Bild 1)'''.

Das Mitnehmen des Formteils muss durch Aufschrumpfen auf den Kern geschehen, und die des Angusses durch einen eingearbeiteten Hinterschnitt.

Anschließend wird das Spritzgießteil und das Angießsystem durch die Auswerfer entformt.

Wird ein Tunnelanguss vorgesehen, so muss beachtet werden, dass sich der vom Formteil getrennte Anguss beim öffnen der Werkzeughälften ausreichend biegen muss. Damit der Anguss nicht bricht, muss er eine ausreichende Konizität haben und frei biegbar sein, möglichst mit einem definierten Biegepunkt.

Die Formmasse sollte zähelastisch oder beim Entformen noch nicht vollständig erstarrt sein. Nur dann arbeitet das System störungsfrei. Da beim Tunnelanguss die Druckverluste hoch sind, wird er überwiegend zu Herstellung einfacher und kleiner Spritzgießteile in Mehrfachwerkzeugen verwendet.

=== Gebogener Tunnelanguss ===

[[Bild:geb. Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Der gebogene Tunnelanguss, auch Haken- oder Säbelanguss genannt '''(Bild 2)''', bietet die Möglichkeit ein Spritzgießteil auf der Rückseite oder an verdeckter Stelle anzubinden.

Das Entformungsprinzip entspricht dem des Tunnelangusses. Die Verwendung ist auf elastische Formmassen beschrängt. Die große Durchbiegung bei der Entformung erfolgt während der Ausstoßbewegung.

Durch den geringen Fließquerschnitt im Anschnittbereich entstehen große Druckverluste. Dadurch ist dieses Angusssystem nur für einfache Artikel verwendbar.

=== Angießmöglichkeiten für Mehrfachwerkzeuge ===

[[Bild:Verteilersterne.jpg|left|300x300px]][[Bild:Reihenanguss.jpg|right|300x300px]]

In einem Mehrfachwerkzeug werden in einem Spritzvorgang mehrere Spritzgießteile gleichzeitig hergestellt. Liegen die Formhöhlungen, auch Formnester genannt, in der Trennfläche, so werden diese über Verteilerkanäle mit Schmelze versorgt '''(Bild 1)'''.

Liegen die Formhöhlungen zentrisch um den Mittelpunkt des Angusskegels, so nennt man das System der Verteilerkanäle '''Verteilersterne'''. Bei den Verteilersternen in '''Bild 1a''' sind die Fließwege der Formmassen gleich lang. Der Vorteil des Verteilersterns mit Ringkanal in '''Bild 1b''' liegt darin, dass die Gesamtlänge der Verteilerkanäle kürzer ist. Beim '''Reihenanguss''' '''(Bild 2)''' sind die Fließwege unterschiedlich lang, was zu einer geringeren Qualität des Spritzgießteils führen kann. Bild 2 zeigt ein Beispiel für eine ungleichmäßige Füllung der Formhohlräume. Diesen Nachteil kann man durch unterschiedliche Anschnittquerschnitte ausgleichen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der größeren Anzahl der gleichzeitig herstellbaren Spritzgießteile.

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.

=== Verteilerkanal- und Anschnittform ===

[[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.

Beim runden Anschnitt ist die Einarbeitung ebenfalls in beide Formhälften notwendig. Wird der rechteckige Querschnitt gewählt, so muss darauf geachtet werden, dass die Breite des Anschnittes ungefähr 2mm kleiner als der Verteilerkanal ist (Bild 3).

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''' ==

=== Dreiplattenwerkzeug ===

[[Bild:Dreiplattenwerkz.jpg|left|300x300px]]

Höhere Spritzgiezteile werden deshalb vom Boden her zentral angespritzt. 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.

=== Isolierkanalwerkzeug ===

[[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.

=== Etagenwerkzeug ===

[[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.

=== Heißkanalsysteme ===

[[Bild:Heißkanalwerkzeug.jpg|left|300x300px]]

Im Heißkanalsystem '''(Bild 1)''' wird die in den Verteilerkanälen enthaltene Masse durch Heizpatronen oder/ und Rohrheizkörper '''(Bild 2)''' ständig auf Schmelztemperatur gehalten. Um einen Wärmeübergang vom Heißkanalbereich auf das wesentlich kühlere Werkzeug zu meiden, müssen die Kontaktflächen minimiert, ein isolierend wirkender Luftspalt sowie Reflektorbleche vorgesehen werden. Thermofühler in verbindung mit einem Regelkreis sorgen für eine möglichst gleichmäßige Temperatur im Angießsystem.

Es werden außen- und innenbeheizte Heißkanalsysteme unterschieden.

'''Außenbeheizte''' Heißkanalsysteme transportieren Wärmeenergie von außen in den Verteilerkanal (Bild 2a).

'''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
* Anspritzpunkte in großer Entfernung von der Plastifiziereinheit realisierbar
* keine Nacharbeit zum Entfernen des Angusses
* Etagenwerkzeuge nur mit Heißkanalsystemen möglich

Die '''Nachteile''' von Heizkanalwerkzeugen sind:
* hohe Energiekosten
* größere Werkzeugeinbauhöhe
* höhere Werkzeugkosten
* Farb- und Materialwechsel schwierig

'''Anwendung''':
* Großserienwerkzeuge, große Losgrößen
* große Formteile mit mehreren Anspritzpunkten

== '''Sonstiges''' ==

Zur Vollständigkeit einer Spritzgießanlage müssen noch folgende Punkte genannt werden:
* die Werkzeugtemperierung, sie regelt die Wärme zu- und abführ (Kühlssystem)
* Serielle Anordnung des Kühlkreislaufes
* Parallele Anordnung des Kühlkreislaufes
* Entformungssysteme (Auswerfeinrichtungen), sie stoßen das Werkstück aus
* Auswerfsysteme bei Hinterschneidungen (äußere und innere Hinterschneidungen)
* Bewegliche Kernsegmente
* Elastische Zwangsentformung
* Zusammenfaltbarer Kern
* Entformung durch Rotation des Formteils
* Werkzeugentlüftung, um die Formen schnell genug zu füllen.

== '''Quellen''' ==

# Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Verlag, 53. Auflage
# Der Werkzeugbau, Europa Lehrmittel Verlag, 13. Auflage

[[Kategorie:Fertigungstechnik]]

Spritzgießen

2009-04-22T20:23:57Z

Sandra Kellinghusen: /* Dreiplattenwerkzeug */

== '''Spritzgießen''' ==

=== Einleitung ===

Beim Spritzgießen werden überwiegend Thermoplaste1 im plastifizierten, fließfähigen Zustand in geteilte und 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|]]

=== 1Thermoplaste: ===
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.

=== Vorgänge beim Spritzgießen ===

[[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.

=== Werkstoffverhalten ===

Die Plastifizierte Formmasse sollte so schnell wie möglich in den Formhohlraum eingesprizt werden, damit Druck und Temperatur im Hohlraum überall gleich sind. Tritt dieser idealfall ein, ist eine gleichmäßige Struktur des Werkstoffes und ein gleichmäßiges Schwindungsverhalten im ganzen Spritzgießteil gewährleistet, sodass keine Spannungen und kein Verzug auftreten.

Dieser ideale Vorgang lässt sich leider nicht realisieren. Fließwiederstände im Werkzeug und in der Düse bewirken einen Druckabfall während des Einspritzens. Ungleichmäßiges Abkühlen der Formmasse im Werkzeughohlraum, der auch Kavität genannt wird, ergibt eine ungleichmäßige Werkstoffstruktur.

=== Molekühlorientierung ===

[[Bild:Amorpher Thermoplast.jpg|left|300x300px]]
[[Bild:Molekühlorientierung_0001.jpg|left|300x300px]]
[[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.

=== Kristallisationsgrad ===

[[Bild:Kristallisationsgrad.jpg|left|300x300px]]

{{Mark
|Bei teilkristallinen Werkstoffen kann sich auf Grund der schnellen Abkühlung im Bereich der Formwand keine Kristallisation bilden. Der Randbreich des Spritzgießteils hat darum einen amorphen Aufbau, währen der Kern einen mehr 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)'''.

=== Fließverhalten ===

[[Bild:Fließfront.jpg|left|300x300px]]
[[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)'''.}}

=== Einflussgrößen auf den Spritzvorgang ===

[[Bild:Einflussgrößen auf den Spritzvorgang.jpg|right|300x300px]]
[[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).

=== Druckverlauf ===

[[Bild:Druckverlauf.jpg|left|300x300px]][[Bild:Auswirkungen des Nachdruckes.jpg|right|300x300px]][[Bild:SGT mit Lunker.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Werkzeuginnendruck.jpg|left|300x300px]]

Durch den '''Einspritzdruck''', welcher in der Formmasse im Schneckenvorraum herrscht, wird im Formhohlraum aufgrund von Strömungswiederständen in der Düse und im Werkzeug ein zeitlich verzögerter und in der Höhe etwas geringerer '''Werkzeuginnendruck''' aufgebaut '''(Bild 1)'''. Dadurch füllt sich die Werkzeughöhlung mit Formmasse (Bild 1, '''Kurvenpunkt A''') und erzeugt die Ausformung der Konturen durch das Komprimieren (verdichten, zusammenpressen) der Formmasse. Der Maximale Werkzeuginnendruck (Bild 1, '''Kurvenpunkt B''') hängt von der Form, vom Werkstoff, von der Qualität des Spritzgießteils und vom Verhältnis zwischen Fließweg und Wanddicke ab. Dieses Verhältnis wird durch den maximalen Fließweg, den die Formmasse zurücklegen muss und der Wanddicke des Spritzgießteils gebildet '''(Bild 2)'''. Ist der gewünschte Werkzeuginnendruck erreicht, so wird der Einspritzdruck vermindert und als '''Nachdruck''' bezeichnet (Umschaltpunkt). Dieser füllt in der anschließenden Phase nur noch das Restvolumen auf und gleicht die Volumenminderung aus, die durch das Abkühlen der Schmelze eintritt. Der Innendruck fällt dabei leicht ab. Auswirkungen des Nachdruckes auf den Spritzvorgang zeigt die '''Tabelle 1'''.

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.

=== Formfüllungsgrad ===

[[Bild:Formfüllstudie.jpg|left|300x300px]]

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.

=== Abkühlung ===

[[Bild:Abkühlzeit für PS.jpg|left|300x300px]]

Wie schnell die Formstabilität der Formmasse beim Abkühlen eintritt, hängt von der '''Werkzeugtemperatur''' ab. Diese wiederum wird von der Art der Formmasse und von den Anforderungen an das Spritzgießteil sowie von der Wanddicke bestimmt '''(Bild 1)'''.
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 Vorgang vom Einspritzen der Schmelze in den Formhohlraum bis zum nächsten Einspritzvorgang bezeichnet man auch als '''Takt, Schuss''' oder '''Zyklus'''.

== '''Spritzgießmaschine''' ==

[[Bild:Spritzgießmaschiene.jpg|center|800x800px|]]

=== Die Aufgaben der Spritzgießmaschine ===

[[Bild:Aufgaben der Spritzgießmaschine.jpg|left|300x300px|]]

*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 der Form.

Die ersten beiden Aufgaben übernimmt die Spritzeinheit der Spritzmaschine, während die dritte Aufgabe die Schließeinheit durchführt.

=== Spritzeinheit ===

[[Bild:Spritzgießmaschiene_1.jpg|right|600x600px]]

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)'''.

[[Bild:Schneckenkolbenext.jpg| left|300x300px]]

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.

=== Einstellgrößen ===

[[Bild:Einstellgr Plastif.jpg|left|300x300px]]

Die Drehzahl der Schnecke richtet sich neben dem Schneckendurchmesser nach der Größe der Umfangsgeschwindigkeit, die von den Formmasseherstellern vorgegeben wird '''(Tabelle 1)'''.

[[Bild:Wirkung_des_Staud.jpg|left|300x300px]]

Der Wiederstand 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''' ==

Die Düse hat die Aufgabe, eine dichte Verbindung, möglichst ohne Druck- und Temperaturverlust, zwischen dem Spritzzylinder und dem Werkzeug herzustellen. Durch die Berührung mit dem kälteren Werkzeug kann der Düse und der verbleibenden Schmelze wärme entzogen werden. Abhilfe kann geschaffen werden, durch eine Düsenheizung sowie durch das Abheben der Düse vom Werkzeug nach der Nachdruckzeit.

=== Offene Düsen und Verschlussdüsen ===

[[Bild:offene Düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Nadelv.düse.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Schiebev.düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Quernadelv.düse.jpg|right|300x300px]]

Wenn es die Zähigkeit der Schmelze zulässt, wählt man meist eine '''offene Düse (Bild 1)'''. Die Druck- und Temperaturverluste sind wegen des glatten Kanals sehr gering. Außerdem ist die offene Düse leicht zu reinigen und zu spülen. Die Gefahr, dass Schmelze aus der Düse austreten kann, nimmt mit kleiner werdender Düsenbohrung (ca. 3- 8mm) ständig ab. Ist die Schmelze zu dünnflüssig, so müssen '''Verschlussdüsen''', z.B. Schieberverschlussdüsen '''(Bild 2)''', oder Nadelverschlussdüsen '''(Bild3)''', vorgesehen werden. Sie sind so konstruiert, das die Düsenöffnung nach jedem Einspritzvorgang verschlossen und dadurch das Ausströmen der Masse verhindert wird.
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 (RD) bei Konvexdüsen etwas kleiner ist, als der Radius der Angießbuchse (RA), 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.

== '''Schließeinheit''' ==

Die Schließeinheit nimmt an der beweglichen und an der festen Werkzeugplatte die jeweiligen Formhälften auf. Das Öffnen, Schließen und Zuhalten des Werkzeuges wird durch ein Kniehebelssystem oder durch einen vollhydraulischen Antrieb ausgeführt '''(Bild1, Spritzgießmaschine beim Thema Spritzeinheit)'''.

=== Schließkraft – Zuhaltekraft ===

[[Bild:Schließkraft.jpg|left|300x300px]][[Bild:Durchbiegung.jpg|right|300x300px]][[Bild:Stützrollen.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Schwimmhäute.jpg|left|280x280px]]

Die '''Schließkraft''' Fs ist die Kraft, die die Säulen nach dem Schließvorgang beansprucht und dehnt sowie die beiden Formhälften zusammendrückt '''(Bild 1)'''. Beim Einspritzen der Formmasse entsteht durch den Werkzeuginnendruck pw eine Auftriebskraft FA (FA= pw * A), die eine weitere Zugbeanspruchung und Dehnung der Säulen verursacht. Die Summe der Kräfte, die die Säulen beim Einspritzvorgang insgesamt belasten, wird als '''Zuhaltekraft''' Fz bezeichnet. Sie ist stets größer als die Schließkraft, und sie ist von der Steifigkeit der Maschine und des Werkzeuges abhängig.

Ist die '''Auftriebskraft''' größer als die Zuhaltekraft, so wird die Anlage zwischen den beiden Werkzeughälften aufgehoben und es tritt Schmelze zwischen den beiden Formhälften aus, die zur '''Grat'''- oder '''Schwimmhautbildung''' führt '''(Bild 2)'''. Diesen Vorgang nennt man auch '''Überspritzung''' oder '''Überladung'''.
Die '''Zuhaltekraft''' sollte trotzdem so klein wie möglich eingestellt werden, um auch einer Durchbiegung bei den Formnesttragenden Werkzeugplatten vorzubeugen. Diese '''Durchbiegung''' entsteht dadurch, dass beim Einspritzen der Werkzeuginnendruck versucht, die beiden Formhälften überwiegend im Bereich der Formhohlräume auseinander zu drücken, während die Zuhaltekräfte nur im Bereich der direkten Kraftübertragung wirken (Bild 1). Die Durchbiegung ist besonders groß bei geringer Steifigkeit der Platten und um die Bereiche gegenüber der düsenseitigen Zentrierbohrung und vor allem gegenüber dem Auswerfersystem '''(Bild 3)'''.
Die Durchbiegung führt zur Gratbildung und u.U. dazu, dass nicht der größtmögliche Einspritzdruck gewählt werden kann. Abhilfe kann dadurch geschaffen werden, dass zusätzliche Stützrollen vorgesehen werden, die mit einem Übermaß von 0,03mm … 0,05mm gegenüber den äußeren Abstützungen eingebaut werden '''(Bild 4)'''.
Auch wegen der beim Einspritzen erforderlichen Entlüftung der Werkzeughöhlung über die Berührungsflächen der beiden Formhälften sollte die Schließkraft so niedrig wie möglich sein.

== '''Gestalten von Spritzgießteilen''' ==

=== Maßtoleranzen bei Spritzgießteilen ===

[[Bild:Maßarten.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle1 Ermittlung.jpg|right|300x300px]]

Die erzielbaren Toleranzen sind größtenteils abhängig von der Schwindung, den Formmassen und der Art der Maße, wobei natürlich auch die Qualität der Spritzgießmaschine und des Werkzeuges eine Rolle spielen.

So lassen sich mit amorphen Formmassen kleinere Toleranzen leichter einhalten als mit teilkristallinen. '''Werkzeuggebundene''' Maße lassen sich genauer herstellen als '''nicht werkzeuggebundene''' Maße '''(Bild 1)'''.

DIN 16 901 bildet bei der Festlegung der Toleranzen zuerst Toleranzgruppen in Abhängigkeit der Formmassen und Schwindungskennwerte (siehe Tabellenbuch). Bezogen auf diese Toleranzgruppen und die festgelegte Maßart werden dann den verschiedenen Nennmaßbereichen die zulässigen Abweichungen zugeordnet.

Die Ermittlung der Allgemeintoleranz für das werkzeuggebundene Maß a im Bild 1, das 35mm betragen soll, zeigt die Tabelle 1.

=== Richtlinien zur Gestaltung von Spritzgießteilen (VDI 2006) ===

[[Bild:Mindetwanddicke.jpg|left|300x300px]][[Bild:Gestaltungsbeispiele.jpg|right|300x300px]]

Die Wanddicken müssen groß genug sein, damit die Formmasse das Werkzeug sicher füllen kann, ehe sie zu stark abkühlt oder ausgehärtet ist. Deshalb ist die '''Mindestwanddicke''' in Abhängigkeit vom '''Fließweg''' im Werkzeug und der Fließfähigkeit der Formmasse zu wählen '''(Bild 2)''' und Bild 2: Werkzeuginnendruck für einfache Teile beim Thema Druckverlauf).

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)'''.

[[Bild:Neigung.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle rautiefe.jpg|right|300x300px]][[Bild:Verzug.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Winkelverzug.jpg|left|300x300px]]

Um das Spritzgießteil leicht und schnell aus der Form entfernen zu können, müssen alle Flächen des Werkstückes, die in Öffnungsrichtung der Form liegen, eine leichte '''Neigung''' erhalten '''(Bild 1)'''. Zusätzlich muss sichergestellt sein, dass das Spritzgießteil beim Öffnen der Form von der schließseitigen Formhälfte mitgenommen und von der Auswerfervorrichtung entfernt wird. Weiterhin hängen die Entformungsschrägen speziell bei strukturierten Oberflächen von der Oberflächenrauigkeit der abzubildenden Kavitäten ab. Die Struktur kann aufgrund ihrer Tiefe wie eine Verzahnung zwischen Formteil und Werkzeugoberfläche wirken und somit die Entformung erschweren. Die Lage der Strukturrichtung parallel oder senkrecht zur Entformungsrichtung und die Materialpaarung Stahl- Kunststoffmasse ist von entscheidender Bedeutung '''(Tabelle 1)'''.

Als einfache Näherung sollte für eine Strukturtiefe von 0,02mm pro 1° Entformungsschrägen bei senkrechter Lage zur Entformungsrichtung nicht überschritten werden. Scharfe Ecken und Kanten können beim Einspritzvorgang des Kunststoffmaterials so stark scheren, dass es zu einer thermischen Schädigung des Kunststoffes kommen kann.

Eine Abrundung bei Umlenkungen wirkt nicht nur der Scherung entgegen, sondern auch dem '''Winkelverzug''' und der Kerbwirkung im Eckbereich. Der mögliche Verzug des Formteils wird in '''(Bild 2)''' dargestellt. Da die dünnen Formteilbereiche schneller abkühlen, werden sie durch die Schrumpfkraft der dickeren verformt.

In '''Bild 3''' kann das Volumenelement '''a''' seine Erstarrungswärme nur stark verzögert an das Werkzeug abgeben. Volumenelement '''b''' kühlt dagegen rascher ab, da es an zwei Seiten an das Werkzeug grenzt. Es entsteht ein '''Winkelverzug'''. Diesem kann durch Abrunden und durch verringerung der Wandstärke im Eckbereich entgegengewirkt werden.

== '''Schwindung''' ==

[[Bild:Tabelle1 Anhaltsw.jpg|left|600x600px]]

Bei der Festlegung des Formhohlraumes müssen die Schwindung und evtl. die Nachschwindung berücksichtigt werden.

Unter Schwindung versteht man die Maßänderung von Werkstücken durch das Zusammenziehen des Werkstoffes beim Abkühlen als Maßunterschied zwischen Werkzeugkavität und Formteil. Bei der Erfassung dieser Schwindung '''(Tabelle 1)''' kommt erschwerend hinzu, dass die Schwindungsdifferenz sowie die Nachschwindung berücksichtigt werden müssen.

Eine '''Schwindungsdifferenz''' tritt dann auf, wenn die Schwindungen in Fließrichtung und quer dazu unterschiedlich groß sind. Der Unterschied zwischen Längs- und Querschwindung ist die Schwindungsdifferenz. Bei einer größeren Schwindungsdifferenz kann dies zu Verwindungen oder zum Verzug des spritzgegossenen Formteils führen.

Die Formteilgeometrie und die Angusslage können Molekülorientierungen hervorrufen, wodurch die Schwindungsdifferenz beeinflusst werden kann. Durch die Verwendung von Füllstoffen kann die Schwindung vermindert werden. Bei faserigen Verstärkungsstoffen kann durch die Faserorientierung im Bauteil eine sehr große Schwindungsdifferenz entstehen. Die Temperaturdifferenz während der Verarbeitung und der Gebrauchstemperatur des Formteils ergibt eine vernachlässigbare Längenänderung der Glasfasern. Sind nun Glasfasern in einem Formteil durch den Materialfluss während des Füllvorganges stark orientiert, schwindet das Formteil quer zur Faser wesentlich stärker als längs dazu. Werden zum Beispiel Glaskugeln zugemischt, wird insgesamt eine geringere Schwindung beobachtet.

Die '''Nachschwindung''' ist der Unterschied zwischen dem Maß eines auf Raumtemperatur abgekühlten Spritzgießteils und dem Maß desselben Spritzgießteils nach der Einwirkung einer bestimmten Temperatur. Sie verursacht eine Nachkristallisation und kann während des Gebrauches oder auch gezielt durch Tempern eingebracht werden. Durch die Naschwindungen werden die Fertigteilabmessungen nochmals kleiner.

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.

== '''Aufbau von Spritzgießwerkzeugen''' ==

[[Bild:Spritzgießwerkzeug.jpg|center|900x600px]]

=== Einleitung der Spritzgießwerkzeuge ===

[[Bild:Tabell1 Einleitung.jpg|left|400x300px]]

Die Vielzahl der Unterschiedlichen Spritzgießanwendungen erfordert verschiedene Werkzeugarten. Sie werden nach Anzahl der Formhohlräume, nach Art des Angusssystems, nach Anzahl der Trennebenen und nach Art der Entformung unterschieden. Die unterschiedlichen Verarbeitungsmöglichkeiten im Spritzgießbereich führen zu einer Vielzahl von Sonderverfahren, welche nicht alle in der Übersicht '''(Tabelle 1)''' aufgeführt werden können.

== '''Angusssysteme''' ==

[[Bild:Angusssystem.jpg|left|300x300px]]

Der Anguss ist ein System von Strömungswegen, in denen die fließfähige Formmasse von der Düse der Spritzeinheit zur Formhöhlung (Kavität) fließt.

Dieses System kann aus dem Angusskegel, den Verteilerkanälen, der sog. Angussspinne und dem Anschnitt bestehen '''(Bild 1)'''. Bei Einfachwerkzeugen können sich die Strömungswege auf eine kegelige Bohrung beschränken, die direkt in die Formhöhlung mündet. Die Stelle, an der der Anguss in die Formhöhlung eintritt, nennt man den '''Anschnitt'''.
Den Zeitpunkt nach dem der Anschnitt „eingefroren“ (d.h. erstarrt) ist und somit der Nachdruck nicht mehr wirken kann, nennt man '''Siegelpunkt'''. Ein längeres Nachdrücken über diesen Zeitpunkt hinaus ist unnötig.

Der Zeitpunkt des Erstarrens kann durch eine Innendruckmessung oder durch das Bestimmen der Formteilmasse ermittelt werden. Das maximale Formteilgewicht ist erreicht, wenn der Anschnitt eingefroren ist.

Der Anguss ist so zu gestalten, dass die flüssige Masse möglichst auf kürzestem Wege, mit geringstem Wärme- und Druckverlust die Kavitäten gleichzeitig füllt. Die Querschnitte der Strömungswege müssen so bemessen sein, dass eine gleichmäßige Füllung des Angusssystems sowie der Formhöhlung erreicht wird.

=== Angussformen ===

Die Angussform ist so zu wählen, dass für den speziellen Fall die bereits erwähnten Forderungen erfüllt werden können. Außerdem müssen noch folgende Einflussgrößen berücksichtigt werden.

* Formteilgeometrie und Formteilvolumen
* Viskosität der Formmasse
* Art des Spritzgießwerkzeuges
* Fließweglänge

=== Stangen- oder Kegelanguss ===

[[Bild:Stangen& P.Anguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Stangenanguss.jpg|right|300x300px]]

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.

=== Punktanguss ===

[[Bild:Punktanguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Vergr. Vorkammer.jpg|right|300x300px]]

Beim Entformen reißt der Punktanguss am kleinsten Querschnitt ab und bleibt als Angusszäpfchen am Spritzgießteil '''(Bild 2b zum Thema Stangen und Punktanguss''' und '''Bild 4 Punktanguss mit Vorkammer)'''. Es entsteht dadurch keine Nacharbeit und keine optisch störende Bearbeitungsfläche wie beim Stangenanguss. Außerdem muss der Anguss, also die Formmasse, in der Vorkammer nicht entformt werden.

Der Punktanguss wird besonders für kleinteile und Massenartikel in Einfach- und Mehrfachwerkzeugen vorgesehen, sowie für Mehrfachangüsse bei einem größeren Formteil. Dann muss zum Entformen des Angussverteilers mit einem Dreiplattenwerkzeug gearbeitet werden.

Je kleiner die Bohrung des Punktangusses ist, desto leichter geht das Abreißen vor sich. Dabei ist jedoch neben der Wanddicke die Zähflüssigkeit (Viskosität) der Schmelze, sowie die Temperatur zu beachten.

[[Bild:Vork. mit v. Düsens..jpg|left|300x300px]][[Bild:Vork. m. beh. K-B.sp.jpg|right|300x300px]]

Kann die Formhöhlung durch den kleinen Punktanguss nicht mehr schnell genug gefüllt werden, so kühlt die Schmelze in der '''Vorkammer''' vorzeitig ab, so dass sie unter Umständen von Hand entfernt werden muss.

Deshalb wird die Vorkammer etwas vergrößert, so das die an der Innenwandung haftende abgekühlte Masse als Isolator wirkt '''(Bild 1)'''.

Der Kern der Schmelze, die sog. Plastische Seele, bleibt im Angussbereich flüssig. Die Verweildauer der Schmelze in der Vorkammer sollte aber nicht zu lang sein. Kurze Zyklen, d. h. mehrmaliges Einspritzen pro Minute, sind für das Funktionieren des Systems notwendig.

Ist die Spritzhäufigkeit nicht möglich, so wird eine Kupfer- Beryllium- Spitze in die Vorkammer eingeführt. Der Raum zwischen Kupferspitze und Innenwandung der Vorkammer füllt sich mit erkalteter Masse, die dann als Isolierung wirkt. Die Kupferspitze nimmt über die Düse genügend wärme auf, um die Masse im inneren flüssig zu halten '''(Bild 2)'''.

Eine weitere Möglichkeit, die Abkühlung der Formmasse zu verhindern, besteht darin, die Vorkammer durch spezielle Heizpatronen zu erwärmen '''(Bild 3)'''.

=== Teller- und Scheibenanguss ===

[[Bild:Telleranguss.jpg|left|300x300px]]

Teller- und Scheibenangüsse werden für ringförmige Spritzgießteile vorgesehen '''(Bild 1a)'''. Würde man hier mit einem Punktanguss oder mit zwei Anbindungen arbeiten, so entstünde eine '''Binde-''' und '''Fließnaht (Bild 1b)'''. Sie entsteht, wenn zwei Masseströme sich aufgrund vorzeitiger Abkühlung nicht mehr miteinander verbinden. Je kälter die zusammentreffenden Masseströme sind, desto sichtbarer sind die Bindenähte und umso geringer ist die Festigkeit. Bindenähte entstehen auch, wenn sich Masseströme an einem Kern teilen und sich wieder miteinander verbinden müssen.

Diese Qualitätsminderung kann z.B. durch die Erhöhung der Werkzeugtemperatur teilweise reduziert werden. Mit einer Zykluszeiterhöhung ist zu rechnen.

=== Schirmanguss ===

[[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)'''.

=== Ringanguss ===

[[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.

=== Film- oder Bandanguss ===

Flache teile schneidet man zweckmäßigerweise über ein seitliches oder zentrales Band, dem Filmanguss, an. Dadurch lassen sich, wie bei einem Einzelpunktanguss, ungünstige Fließverhältnisse, oder wie bei Mehrfachpunktangüssen, störende Bindenähte vermeiden '''(Bild 2c)'''.

Ebenso lässt sich die Verzugsneigung durch gleichmäßige Druckverhältnisse positiv beeinflussen.
Eine weitere Anwendung ist deshalb die Herstellung optischer Formteile, wie durchsichtige Abdeckungen und optische Linsen.

Filmanschnitte erfordern eine Nacharbeit durch abtrennen des Angusses.

=== Tunnelanguss ===

[[Bild:Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Beim Tunnelanguss wird das Spritzgießteil seitlich oder an den verdeckten Flächen oder an anderen problemlosen Stellen angespritzt und automatisch beim öffnen der Formhälften, oder beim Ausstoßen vom Angusssystem, getrennt (Bild 1).

Der Verteilerkanal führt entlang der Trennfläche nicht direkt in die Formhöhlung, sondern er geht kurz zuvor schräg als konischer Tunnel durch die düsenseitige Werkzeughälfte in den Formhohlraum.
Wird die schließseitige Formhälfte zurückgezogen, so müssen das Spritzgießteil und das Angießsystem mitgenommen werden. Dabei wird der Tunnelanguss am Anschnitt durch eine Schneidkante abgeschert '''(Bild 1)'''.

Das Mitnehmen des Formteils muss durch Aufschrumpfen auf den Kern geschehen, und die des Angusses durch einen eingearbeiteten Hinterschnitt.

Anschließend wird das Spritzgießteil und das Angießsystem durch die Auswerfer entformt.

Wird ein Tunnelanguss vorgesehen, so muss beachtet werden, dass sich der vom Formteil getrennte Anguss beim öffnen der Werkzeughälften ausreichend biegen muss. Damit der Anguss nicht bricht, muss er eine ausreichende Konizität haben und frei biegbar sein, möglichst mit einem definierten Biegepunkt.

Die Formmasse sollte zähelastisch oder beim Entformen noch nicht vollständig erstarrt sein. Nur dann arbeitet das System störungsfrei. Da beim Tunnelanguss die Druckverluste hoch sind, wird er überwiegend zu Herstellung einfacher und kleiner Spritzgießteile in Mehrfachwerkzeugen verwendet.

=== Gebogener Tunnelanguss ===

[[Bild:geb. Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Der gebogene Tunnelanguss, auch Haken- oder Säbelanguss genannt '''(Bild 2)''', bietet die Möglichkeit ein Spritzgießteil auf der Rückseite oder an verdeckter Stelle anzubinden.

Das Entformungsprinzip entspricht dem des Tunnelangusses. Die Verwendung ist auf elastische Formmassen beschrängt. Die große Durchbiegung bei der Entformung erfolgt während der Ausstoßbewegung.

Durch den geringen Fließquerschnitt im Anschnittbereich entstehen große Druckverluste. Dadurch ist dieses Angusssystem nur für einfache Artikel verwendbar.

=== Angießmöglichkeiten für Mehrfachwerkzeuge ===

[[Bild:Verteilersterne.jpg|left|300x300px]][[Bild:Reihenanguss.jpg|right|300x300px]]

In einem Mehrfachwerkzeug werden in einem Spritzvorgang mehrere Spritzgießteile gleichzeitig hergestellt. Liegen die Formhöhlungen, auch Formnester genannt, in der Trennfläche, so werden diese über Verteilerkanäle mit Schmelze versorgt '''(Bild 1)'''.

Liegen die Formhöhlungen zentrisch um den Mittelpunkt des Angusskegels, so nennt man das System der Verteilerkanäle '''Verteilersterne'''. Bei den Verteilersternen in '''Bild 1a''' sind die Fließwege der Formmassen gleich lang. Der Vorteil des Verteilersterns mit Ringkanal in '''Bild 1b''' liegt darin, dass die Gesamtlänge der Verteilerkanäle kürzer ist. Beim '''Reihenanguss''' '''(Bild 2)''' sind die Fließwege unterschiedlich lang, was zu einer geringeren Qualität des Spritzgießteils führen kann. Bild 2 zeigt ein Beispiel für eine ungleichmäßige Füllung der Formhohlräume. Diesen Nachteil kann man durch unterschiedliche Anschnittquerschnitte ausgleichen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der größeren Anzahl der gleichzeitig herstellbaren Spritzgießteile.

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.

=== Verteilerkanal- und Anschnittform ===

[[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.

Beim runden Anschnitt ist die Einarbeitung ebenfalls in beide Formhälften notwendig. Wird der rechteckige Querschnitt gewählt, so muss darauf geachtet werden, dass die Breite des Anschnittes ungefähr 2mm kleiner als der Verteilerkanal ist (Bild 3).

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''' ==

=== Dreiplattenwerkzeug ===

[[Bild:Dreiplattenwerkz.jpg|left|300x300px]]

Höhere Spritzgiezteile werden deshalb vom Boden her zentral angespritzt. 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.

=== Isolierkanalwerkzeug ===

[[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.

=== Etagenwerkzeug ===

[[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.

=== Heißkanalsysteme ===

[[Bild:Heißkanalwerkzeug.jpg|left|300x300px]]

Im Heißkanalsystem '''(Bild 1)''' wird die in den Verteilerkanälen enthaltene Masse durch Heizpatronen oder/ und Rohrheizkörper '''(Bild 2)''' ständig auf Schmelztemperatur gehalten. Um einen Wärmeübergang vom Heißkanalbereich auf das wesentlich kühlere Werkzeug zu meiden, müssen die Kontaktflächen minimiert, ein isolierend wirkender Luftspalt sowie Reflektorbleche vorgesehen werden. Thermofühler in verbindung mit einem Regelkreis sorgen für eine möglichst gleichmäßige Temperatur im Angießsystem.

Es werden außen- und innenbeheizte Heißkanalsysteme unterschieden.

'''Außenbeheizte''' Heißkanalsysteme transportieren Wärmeenergie von außen in den Verteilerkanal (Bild 2a).

'''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
* Anspritzpunkte in großer Entfernung von der Plastifiziereinheit realisierbar
* keine Nacharbeit zum Entfernen des Angusses
* Etagenwerkzeuge nur mit Heißkanalsystemen möglich

Die '''Nachteile''' von Heizkanalwerkzeugen sind:
* hohe Energiekosten
* größere Werkzeugeinbauhöhe
* höhere Werkzeugkosten
* Farb- und Materialwechsel schwierig

'''Anwendung''':
* Großserienwerkzeuge, große Losgrößen
* große Formteile mit mehreren Anspritzpunkten

== '''Sonstiges''' ==

Zur Vollständigkeit einer Spritzgießanlage müssen noch folgende Punkte genannt werden:
* die Werkzeugtemperierung, sie regelt die Wärme zu- und abführ (Kühlssystem)
* Serielle Anordnung des Kühlkreislaufes
* Parallele Anordnung des Kühlkreislaufes
* Entformungssysteme (Auswerfeinrichtungen), sie stoßen das Werkstück aus
* Auswerfsysteme bei Hinterschneidungen (äußere und innere Hinterschneidungen)
* Bewegliche Kernsegmente
* Elastische Zwangsentformung
* Zusammenfaltbarer Kern
* Entformung durch Rotation des Formteils
* Werkzeugentlüftung, um die Formen schnell genug zu füllen.

== '''Quellen''' ==

# Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Verlag, 53. Auflage
# Der Werkzeugbau, Europa Lehrmittel Verlag, 13. Auflage

[[Kategorie:Fertigungstechnik]]

Spritzgießen

2009-04-22T20:21:02Z

Sandra Kellinghusen: /* '''Werkzeugarten''' */

== '''Spritzgießen''' ==

=== Einleitung ===

Beim Spritzgießen werden überwiegend Thermoplaste1 im plastifizierten, fließfähigen Zustand in geteilte und 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|]]

=== 1Thermoplaste: ===
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.

=== Vorgänge beim Spritzgießen ===

[[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.

=== Werkstoffverhalten ===

Die Plastifizierte Formmasse sollte so schnell wie möglich in den Formhohlraum eingesprizt werden, damit Druck und Temperatur im Hohlraum überall gleich sind. Tritt dieser idealfall ein, ist eine gleichmäßige Struktur des Werkstoffes und ein gleichmäßiges Schwindungsverhalten im ganzen Spritzgießteil gewährleistet, sodass keine Spannungen und kein Verzug auftreten.

Dieser ideale Vorgang lässt sich leider nicht realisieren. Fließwiederstände im Werkzeug und in der Düse bewirken einen Druckabfall während des Einspritzens. Ungleichmäßiges Abkühlen der Formmasse im Werkzeughohlraum, der auch Kavität genannt wird, ergibt eine ungleichmäßige Werkstoffstruktur.

=== Molekühlorientierung ===

[[Bild:Amorpher Thermoplast.jpg|left|300x300px]]
[[Bild:Molekühlorientierung_0001.jpg|left|300x300px]]
[[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.

=== Kristallisationsgrad ===

[[Bild:Kristallisationsgrad.jpg|left|300x300px]]

{{Mark
|Bei teilkristallinen Werkstoffen kann sich auf Grund der schnellen Abkühlung im Bereich der Formwand keine Kristallisation bilden. Der Randbreich des Spritzgießteils hat darum einen amorphen Aufbau, währen der Kern einen mehr 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)'''.

=== Fließverhalten ===

[[Bild:Fließfront.jpg|left|300x300px]]
[[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)'''.}}

=== Einflussgrößen auf den Spritzvorgang ===

[[Bild:Einflussgrößen auf den Spritzvorgang.jpg|right|300x300px]]
[[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).

=== Druckverlauf ===

[[Bild:Druckverlauf.jpg|left|300x300px]][[Bild:Auswirkungen des Nachdruckes.jpg|right|300x300px]][[Bild:SGT mit Lunker.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Werkzeuginnendruck.jpg|left|300x300px]]

Durch den '''Einspritzdruck''', welcher in der Formmasse im Schneckenvorraum herrscht, wird im Formhohlraum aufgrund von Strömungswiederständen in der Düse und im Werkzeug ein zeitlich verzögerter und in der Höhe etwas geringerer '''Werkzeuginnendruck''' aufgebaut '''(Bild 1)'''. Dadurch füllt sich die Werkzeughöhlung mit Formmasse (Bild 1, '''Kurvenpunkt A''') und erzeugt die Ausformung der Konturen durch das Komprimieren (verdichten, zusammenpressen) der Formmasse. Der Maximale Werkzeuginnendruck (Bild 1, '''Kurvenpunkt B''') hängt von der Form, vom Werkstoff, von der Qualität des Spritzgießteils und vom Verhältnis zwischen Fließweg und Wanddicke ab. Dieses Verhältnis wird durch den maximalen Fließweg, den die Formmasse zurücklegen muss und der Wanddicke des Spritzgießteils gebildet '''(Bild 2)'''. Ist der gewünschte Werkzeuginnendruck erreicht, so wird der Einspritzdruck vermindert und als '''Nachdruck''' bezeichnet (Umschaltpunkt). Dieser füllt in der anschließenden Phase nur noch das Restvolumen auf und gleicht die Volumenminderung aus, die durch das Abkühlen der Schmelze eintritt. Der Innendruck fällt dabei leicht ab. Auswirkungen des Nachdruckes auf den Spritzvorgang zeigt die '''Tabelle 1'''.

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.

=== Formfüllungsgrad ===

[[Bild:Formfüllstudie.jpg|left|300x300px]]

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.

=== Abkühlung ===

[[Bild:Abkühlzeit für PS.jpg|left|300x300px]]

Wie schnell die Formstabilität der Formmasse beim Abkühlen eintritt, hängt von der '''Werkzeugtemperatur''' ab. Diese wiederum wird von der Art der Formmasse und von den Anforderungen an das Spritzgießteil sowie von der Wanddicke bestimmt '''(Bild 1)'''.
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 Vorgang vom Einspritzen der Schmelze in den Formhohlraum bis zum nächsten Einspritzvorgang bezeichnet man auch als '''Takt, Schuss''' oder '''Zyklus'''.

== '''Spritzgießmaschine''' ==

[[Bild:Spritzgießmaschiene.jpg|center|800x800px|]]

=== Die Aufgaben der Spritzgießmaschine ===

[[Bild:Aufgaben der Spritzgießmaschine.jpg|left|300x300px|]]

*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 der Form.

Die ersten beiden Aufgaben übernimmt die Spritzeinheit der Spritzmaschine, während die dritte Aufgabe die Schließeinheit durchführt.

=== Spritzeinheit ===

[[Bild:Spritzgießmaschiene_1.jpg|right|600x600px]]

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)'''.

[[Bild:Schneckenkolbenext.jpg| left|300x300px]]

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.

=== Einstellgrößen ===

[[Bild:Einstellgr Plastif.jpg|left|300x300px]]

Die Drehzahl der Schnecke richtet sich neben dem Schneckendurchmesser nach der Größe der Umfangsgeschwindigkeit, die von den Formmasseherstellern vorgegeben wird '''(Tabelle 1)'''.

[[Bild:Wirkung_des_Staud.jpg|left|300x300px]]

Der Wiederstand 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''' ==

Die Düse hat die Aufgabe, eine dichte Verbindung, möglichst ohne Druck- und Temperaturverlust, zwischen dem Spritzzylinder und dem Werkzeug herzustellen. Durch die Berührung mit dem kälteren Werkzeug kann der Düse und der verbleibenden Schmelze wärme entzogen werden. Abhilfe kann geschaffen werden, durch eine Düsenheizung sowie durch das Abheben der Düse vom Werkzeug nach der Nachdruckzeit.

=== Offene Düsen und Verschlussdüsen ===

[[Bild:offene Düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Nadelv.düse.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Schiebev.düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Quernadelv.düse.jpg|right|300x300px]]

Wenn es die Zähigkeit der Schmelze zulässt, wählt man meist eine '''offene Düse (Bild 1)'''. Die Druck- und Temperaturverluste sind wegen des glatten Kanals sehr gering. Außerdem ist die offene Düse leicht zu reinigen und zu spülen. Die Gefahr, dass Schmelze aus der Düse austreten kann, nimmt mit kleiner werdender Düsenbohrung (ca. 3- 8mm) ständig ab. Ist die Schmelze zu dünnflüssig, so müssen '''Verschlussdüsen''', z.B. Schieberverschlussdüsen '''(Bild 2)''', oder Nadelverschlussdüsen '''(Bild3)''', vorgesehen werden. Sie sind so konstruiert, das die Düsenöffnung nach jedem Einspritzvorgang verschlossen und dadurch das Ausströmen der Masse verhindert wird.
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 (RD) bei Konvexdüsen etwas kleiner ist, als der Radius der Angießbuchse (RA), 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.

== '''Schließeinheit''' ==

Die Schließeinheit nimmt an der beweglichen und an der festen Werkzeugplatte die jeweiligen Formhälften auf. Das Öffnen, Schließen und Zuhalten des Werkzeuges wird durch ein Kniehebelssystem oder durch einen vollhydraulischen Antrieb ausgeführt '''(Bild1, Spritzgießmaschine beim Thema Spritzeinheit)'''.

=== Schließkraft – Zuhaltekraft ===

[[Bild:Schließkraft.jpg|left|300x300px]][[Bild:Durchbiegung.jpg|right|300x300px]][[Bild:Stützrollen.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Schwimmhäute.jpg|left|280x280px]]

Die '''Schließkraft''' Fs ist die Kraft, die die Säulen nach dem Schließvorgang beansprucht und dehnt sowie die beiden Formhälften zusammendrückt '''(Bild 1)'''. Beim Einspritzen der Formmasse entsteht durch den Werkzeuginnendruck pw eine Auftriebskraft FA (FA= pw * A), die eine weitere Zugbeanspruchung und Dehnung der Säulen verursacht. Die Summe der Kräfte, die die Säulen beim Einspritzvorgang insgesamt belasten, wird als '''Zuhaltekraft''' Fz bezeichnet. Sie ist stets größer als die Schließkraft, und sie ist von der Steifigkeit der Maschine und des Werkzeuges abhängig.

Ist die '''Auftriebskraft''' größer als die Zuhaltekraft, so wird die Anlage zwischen den beiden Werkzeughälften aufgehoben und es tritt Schmelze zwischen den beiden Formhälften aus, die zur '''Grat'''- oder '''Schwimmhautbildung''' führt '''(Bild 2)'''. Diesen Vorgang nennt man auch '''Überspritzung''' oder '''Überladung'''.
Die '''Zuhaltekraft''' sollte trotzdem so klein wie möglich eingestellt werden, um auch einer Durchbiegung bei den Formnesttragenden Werkzeugplatten vorzubeugen. Diese '''Durchbiegung''' entsteht dadurch, dass beim Einspritzen der Werkzeuginnendruck versucht, die beiden Formhälften überwiegend im Bereich der Formhohlräume auseinander zu drücken, während die Zuhaltekräfte nur im Bereich der direkten Kraftübertragung wirken (Bild 1). Die Durchbiegung ist besonders groß bei geringer Steifigkeit der Platten und um die Bereiche gegenüber der düsenseitigen Zentrierbohrung und vor allem gegenüber dem Auswerfersystem '''(Bild 3)'''.
Die Durchbiegung führt zur Gratbildung und u.U. dazu, dass nicht der größtmögliche Einspritzdruck gewählt werden kann. Abhilfe kann dadurch geschaffen werden, dass zusätzliche Stützrollen vorgesehen werden, die mit einem Übermaß von 0,03mm … 0,05mm gegenüber den äußeren Abstützungen eingebaut werden '''(Bild 4)'''.
Auch wegen der beim Einspritzen erforderlichen Entlüftung der Werkzeughöhlung über die Berührungsflächen der beiden Formhälften sollte die Schließkraft so niedrig wie möglich sein.

== '''Gestalten von Spritzgießteilen''' ==

=== Maßtoleranzen bei Spritzgießteilen ===

[[Bild:Maßarten.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle1 Ermittlung.jpg|right|300x300px]]

Die erzielbaren Toleranzen sind größtenteils abhängig von der Schwindung, den Formmassen und der Art der Maße, wobei natürlich auch die Qualität der Spritzgießmaschine und des Werkzeuges eine Rolle spielen.

So lassen sich mit amorphen Formmassen kleinere Toleranzen leichter einhalten als mit teilkristallinen. '''Werkzeuggebundene''' Maße lassen sich genauer herstellen als '''nicht werkzeuggebundene''' Maße '''(Bild 1)'''.

DIN 16 901 bildet bei der Festlegung der Toleranzen zuerst Toleranzgruppen in Abhängigkeit der Formmassen und Schwindungskennwerte (siehe Tabellenbuch). Bezogen auf diese Toleranzgruppen und die festgelegte Maßart werden dann den verschiedenen Nennmaßbereichen die zulässigen Abweichungen zugeordnet.

Die Ermittlung der Allgemeintoleranz für das werkzeuggebundene Maß a im Bild 1, das 35mm betragen soll, zeigt die Tabelle 1.

=== Richtlinien zur Gestaltung von Spritzgießteilen (VDI 2006) ===

[[Bild:Mindetwanddicke.jpg|left|300x300px]][[Bild:Gestaltungsbeispiele.jpg|right|300x300px]]

Die Wanddicken müssen groß genug sein, damit die Formmasse das Werkzeug sicher füllen kann, ehe sie zu stark abkühlt oder ausgehärtet ist. Deshalb ist die '''Mindestwanddicke''' in Abhängigkeit vom '''Fließweg''' im Werkzeug und der Fließfähigkeit der Formmasse zu wählen '''(Bild 2)''' und Bild 2: Werkzeuginnendruck für einfache Teile beim Thema Druckverlauf).

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)'''.

[[Bild:Neigung.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle rautiefe.jpg|right|300x300px]][[Bild:Verzug.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Winkelverzug.jpg|left|300x300px]]

Um das Spritzgießteil leicht und schnell aus der Form entfernen zu können, müssen alle Flächen des Werkstückes, die in Öffnungsrichtung der Form liegen, eine leichte '''Neigung''' erhalten '''(Bild 1)'''. Zusätzlich muss sichergestellt sein, dass das Spritzgießteil beim Öffnen der Form von der schließseitigen Formhälfte mitgenommen und von der Auswerfervorrichtung entfernt wird. Weiterhin hängen die Entformungsschrägen speziell bei strukturierten Oberflächen von der Oberflächenrauigkeit der abzubildenden Kavitäten ab. Die Struktur kann aufgrund ihrer Tiefe wie eine Verzahnung zwischen Formteil und Werkzeugoberfläche wirken und somit die Entformung erschweren. Die Lage der Strukturrichtung parallel oder senkrecht zur Entformungsrichtung und die Materialpaarung Stahl- Kunststoffmasse ist von entscheidender Bedeutung '''(Tabelle 1)'''.

Als einfache Näherung sollte für eine Strukturtiefe von 0,02mm pro 1° Entformungsschrägen bei senkrechter Lage zur Entformungsrichtung nicht überschritten werden. Scharfe Ecken und Kanten können beim Einspritzvorgang des Kunststoffmaterials so stark scheren, dass es zu einer thermischen Schädigung des Kunststoffes kommen kann.

Eine Abrundung bei Umlenkungen wirkt nicht nur der Scherung entgegen, sondern auch dem '''Winkelverzug''' und der Kerbwirkung im Eckbereich. Der mögliche Verzug des Formteils wird in '''(Bild 2)''' dargestellt. Da die dünnen Formteilbereiche schneller abkühlen, werden sie durch die Schrumpfkraft der dickeren verformt.

In '''Bild 3''' kann das Volumenelement '''a''' seine Erstarrungswärme nur stark verzögert an das Werkzeug abgeben. Volumenelement '''b''' kühlt dagegen rascher ab, da es an zwei Seiten an das Werkzeug grenzt. Es entsteht ein '''Winkelverzug'''. Diesem kann durch Abrunden und durch verringerung der Wandstärke im Eckbereich entgegengewirkt werden.

== '''Schwindung''' ==

[[Bild:Tabelle1 Anhaltsw.jpg|left|600x600px]]

Bei der Festlegung des Formhohlraumes müssen die Schwindung und evtl. die Nachschwindung berücksichtigt werden.

Unter Schwindung versteht man die Maßänderung von Werkstücken durch das Zusammenziehen des Werkstoffes beim Abkühlen als Maßunterschied zwischen Werkzeugkavität und Formteil. Bei der Erfassung dieser Schwindung '''(Tabelle 1)''' kommt erschwerend hinzu, dass die Schwindungsdifferenz sowie die Nachschwindung berücksichtigt werden müssen.

Eine '''Schwindungsdifferenz''' tritt dann auf, wenn die Schwindungen in Fließrichtung und quer dazu unterschiedlich groß sind. Der Unterschied zwischen Längs- und Querschwindung ist die Schwindungsdifferenz. Bei einer größeren Schwindungsdifferenz kann dies zu Verwindungen oder zum Verzug des spritzgegossenen Formteils führen.

Die Formteilgeometrie und die Angusslage können Molekülorientierungen hervorrufen, wodurch die Schwindungsdifferenz beeinflusst werden kann. Durch die Verwendung von Füllstoffen kann die Schwindung vermindert werden. Bei faserigen Verstärkungsstoffen kann durch die Faserorientierung im Bauteil eine sehr große Schwindungsdifferenz entstehen. Die Temperaturdifferenz während der Verarbeitung und der Gebrauchstemperatur des Formteils ergibt eine vernachlässigbare Längenänderung der Glasfasern. Sind nun Glasfasern in einem Formteil durch den Materialfluss während des Füllvorganges stark orientiert, schwindet das Formteil quer zur Faser wesentlich stärker als längs dazu. Werden zum Beispiel Glaskugeln zugemischt, wird insgesamt eine geringere Schwindung beobachtet.

Die '''Nachschwindung''' ist der Unterschied zwischen dem Maß eines auf Raumtemperatur abgekühlten Spritzgießteils und dem Maß desselben Spritzgießteils nach der Einwirkung einer bestimmten Temperatur. Sie verursacht eine Nachkristallisation und kann während des Gebrauches oder auch gezielt durch Tempern eingebracht werden. Durch die Naschwindungen werden die Fertigteilabmessungen nochmals kleiner.

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.

== '''Aufbau von Spritzgießwerkzeugen''' ==

[[Bild:Spritzgießwerkzeug.jpg|center|900x600px]]

=== Einleitung der Spritzgießwerkzeuge ===

[[Bild:Tabell1 Einleitung.jpg|left|400x300px]]

Die Vielzahl der Unterschiedlichen Spritzgießanwendungen erfordert verschiedene Werkzeugarten. Sie werden nach Anzahl der Formhohlräume, nach Art des Angusssystems, nach Anzahl der Trennebenen und nach Art der Entformung unterschieden. Die unterschiedlichen Verarbeitungsmöglichkeiten im Spritzgießbereich führen zu einer Vielzahl von Sonderverfahren, welche nicht alle in der Übersicht '''(Tabelle 1)''' aufgeführt werden können.

== '''Angusssysteme''' ==

[[Bild:Angusssystem.jpg|left|300x300px]]

Der Anguss ist ein System von Strömungswegen, in denen die fließfähige Formmasse von der Düse der Spritzeinheit zur Formhöhlung (Kavität) fließt.

Dieses System kann aus dem Angusskegel, den Verteilerkanälen, der sog. Angussspinne und dem Anschnitt bestehen '''(Bild 1)'''. Bei Einfachwerkzeugen können sich die Strömungswege auf eine kegelige Bohrung beschränken, die direkt in die Formhöhlung mündet. Die Stelle, an der der Anguss in die Formhöhlung eintritt, nennt man den '''Anschnitt'''.
Den Zeitpunkt nach dem der Anschnitt „eingefroren“ (d.h. erstarrt) ist und somit der Nachdruck nicht mehr wirken kann, nennt man '''Siegelpunkt'''. Ein längeres Nachdrücken über diesen Zeitpunkt hinaus ist unnötig.

Der Zeitpunkt des Erstarrens kann durch eine Innendruckmessung oder durch das Bestimmen der Formteilmasse ermittelt werden. Das maximale Formteilgewicht ist erreicht, wenn der Anschnitt eingefroren ist.

Der Anguss ist so zu gestalten, dass die flüssige Masse möglichst auf kürzestem Wege, mit geringstem Wärme- und Druckverlust die Kavitäten gleichzeitig füllt. Die Querschnitte der Strömungswege müssen so bemessen sein, dass eine gleichmäßige Füllung des Angusssystems sowie der Formhöhlung erreicht wird.

=== Angussformen ===

Die Angussform ist so zu wählen, dass für den speziellen Fall die bereits erwähnten Forderungen erfüllt werden können. Außerdem müssen noch folgende Einflussgrößen berücksichtigt werden.

* Formteilgeometrie und Formteilvolumen
* Viskosität der Formmasse
* Art des Spritzgießwerkzeuges
* Fließweglänge

=== Stangen- oder Kegelanguss ===

[[Bild:Stangen& P.Anguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Stangenanguss.jpg|right|300x300px]]

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.

=== Punktanguss ===

[[Bild:Punktanguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Vergr. Vorkammer.jpg|right|300x300px]]

Beim Entformen reißt der Punktanguss am kleinsten Querschnitt ab und bleibt als Angusszäpfchen am Spritzgießteil '''(Bild 2b zum Thema Stangen und Punktanguss''' und '''Bild 4 Punktanguss mit Vorkammer)'''. Es entsteht dadurch keine Nacharbeit und keine optisch störende Bearbeitungsfläche wie beim Stangenanguss. Außerdem muss der Anguss, also die Formmasse, in der Vorkammer nicht entformt werden.

Der Punktanguss wird besonders für kleinteile und Massenartikel in Einfach- und Mehrfachwerkzeugen vorgesehen, sowie für Mehrfachangüsse bei einem größeren Formteil. Dann muss zum Entformen des Angussverteilers mit einem Dreiplattenwerkzeug gearbeitet werden.

Je kleiner die Bohrung des Punktangusses ist, desto leichter geht das Abreißen vor sich. Dabei ist jedoch neben der Wanddicke die Zähflüssigkeit (Viskosität) der Schmelze, sowie die Temperatur zu beachten.

[[Bild:Vork. mit v. Düsens..jpg|left|300x300px]][[Bild:Vork. m. beh. K-B.sp.jpg|right|300x300px]]

Kann die Formhöhlung durch den kleinen Punktanguss nicht mehr schnell genug gefüllt werden, so kühlt die Schmelze in der '''Vorkammer''' vorzeitig ab, so dass sie unter Umständen von Hand entfernt werden muss.

Deshalb wird die Vorkammer etwas vergrößert, so das die an der Innenwandung haftende abgekühlte Masse als Isolator wirkt '''(Bild 1)'''.

Der Kern der Schmelze, die sog. Plastische Seele, bleibt im Angussbereich flüssig. Die Verweildauer der Schmelze in der Vorkammer sollte aber nicht zu lang sein. Kurze Zyklen, d. h. mehrmaliges Einspritzen pro Minute, sind für das Funktionieren des Systems notwendig.

Ist die Spritzhäufigkeit nicht möglich, so wird eine Kupfer- Beryllium- Spitze in die Vorkammer eingeführt. Der Raum zwischen Kupferspitze und Innenwandung der Vorkammer füllt sich mit erkalteter Masse, die dann als Isolierung wirkt. Die Kupferspitze nimmt über die Düse genügend wärme auf, um die Masse im inneren flüssig zu halten '''(Bild 2)'''.

Eine weitere Möglichkeit, die Abkühlung der Formmasse zu verhindern, besteht darin, die Vorkammer durch spezielle Heizpatronen zu erwärmen '''(Bild 3)'''.

=== Teller- und Scheibenanguss ===

[[Bild:Telleranguss.jpg|left|300x300px]]

Teller- und Scheibenangüsse werden für ringförmige Spritzgießteile vorgesehen '''(Bild 1a)'''. Würde man hier mit einem Punktanguss oder mit zwei Anbindungen arbeiten, so entstünde eine '''Binde-''' und '''Fließnaht (Bild 1b)'''. Sie entsteht, wenn zwei Masseströme sich aufgrund vorzeitiger Abkühlung nicht mehr miteinander verbinden. Je kälter die zusammentreffenden Masseströme sind, desto sichtbarer sind die Bindenähte und umso geringer ist die Festigkeit. Bindenähte entstehen auch, wenn sich Masseströme an einem Kern teilen und sich wieder miteinander verbinden müssen.

Diese Qualitätsminderung kann z.B. durch die Erhöhung der Werkzeugtemperatur teilweise reduziert werden. Mit einer Zykluszeiterhöhung ist zu rechnen.

=== Schirmanguss ===

[[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)'''.

=== Ringanguss ===

[[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.

=== Film- oder Bandanguss ===

Flache teile schneidet man zweckmäßigerweise über ein seitliches oder zentrales Band, dem Filmanguss, an. Dadurch lassen sich, wie bei einem Einzelpunktanguss, ungünstige Fließverhältnisse, oder wie bei Mehrfachpunktangüssen, störende Bindenähte vermeiden '''(Bild 2c)'''.

Ebenso lässt sich die Verzugsneigung durch gleichmäßige Druckverhältnisse positiv beeinflussen.
Eine weitere Anwendung ist deshalb die Herstellung optischer Formteile, wie durchsichtige Abdeckungen und optische Linsen.

Filmanschnitte erfordern eine Nacharbeit durch abtrennen des Angusses.

=== Tunnelanguss ===

[[Bild:Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Beim Tunnelanguss wird das Spritzgießteil seitlich oder an den verdeckten Flächen oder an anderen problemlosen Stellen angespritzt und automatisch beim öffnen der Formhälften, oder beim Ausstoßen vom Angusssystem, getrennt (Bild 1).

Der Verteilerkanal führt entlang der Trennfläche nicht direkt in die Formhöhlung, sondern er geht kurz zuvor schräg als konischer Tunnel durch die düsenseitige Werkzeughälfte in den Formhohlraum.
Wird die schließseitige Formhälfte zurückgezogen, so müssen das Spritzgießteil und das Angießsystem mitgenommen werden. Dabei wird der Tunnelanguss am Anschnitt durch eine Schneidkante abgeschert '''(Bild 1)'''.

Das Mitnehmen des Formteils muss durch Aufschrumpfen auf den Kern geschehen, und die des Angusses durch einen eingearbeiteten Hinterschnitt.

Anschließend wird das Spritzgießteil und das Angießsystem durch die Auswerfer entformt.

Wird ein Tunnelanguss vorgesehen, so muss beachtet werden, dass sich der vom Formteil getrennte Anguss beim öffnen der Werkzeughälften ausreichend biegen muss. Damit der Anguss nicht bricht, muss er eine ausreichende Konizität haben und frei biegbar sein, möglichst mit einem definierten Biegepunkt.

Die Formmasse sollte zähelastisch oder beim Entformen noch nicht vollständig erstarrt sein. Nur dann arbeitet das System störungsfrei. Da beim Tunnelanguss die Druckverluste hoch sind, wird er überwiegend zu Herstellung einfacher und kleiner Spritzgießteile in Mehrfachwerkzeugen verwendet.

=== Gebogener Tunnelanguss ===

[[Bild:geb. Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Der gebogene Tunnelanguss, auch Haken- oder Säbelanguss genannt '''(Bild 2)''', bietet die Möglichkeit ein Spritzgießteil auf der Rückseite oder an verdeckter Stelle anzubinden.

Das Entformungsprinzip entspricht dem des Tunnelangusses. Die Verwendung ist auf elastische Formmassen beschrängt. Die große Durchbiegung bei der Entformung erfolgt während der Ausstoßbewegung.

Durch den geringen Fließquerschnitt im Anschnittbereich entstehen große Druckverluste. Dadurch ist dieses Angusssystem nur für einfache Artikel verwendbar.

=== Angießmöglichkeiten für Mehrfachwerkzeuge ===

[[Bild:Verteilersterne.jpg|left|300x300px]][[Bild:Reihenanguss.jpg|right|300x300px]]

In einem Mehrfachwerkzeug werden in einem Spritzvorgang mehrere Spritzgießteile gleichzeitig hergestellt. Liegen die Formhöhlungen, auch Formnester genannt, in der Trennfläche, so werden diese über Verteilerkanäle mit Schmelze versorgt '''(Bild 1)'''.

Liegen die Formhöhlungen zentrisch um den Mittelpunkt des Angusskegels, so nennt man das System der Verteilerkanäle '''Verteilersterne'''. Bei den Verteilersternen in '''Bild 1a''' sind die Fließwege der Formmassen gleich lang. Der Vorteil des Verteilersterns mit Ringkanal in '''Bild 1b''' liegt darin, dass die Gesamtlänge der Verteilerkanäle kürzer ist. Beim '''Reihenanguss''' '''(Bild 2)''' sind die Fließwege unterschiedlich lang, was zu einer geringeren Qualität des Spritzgießteils führen kann. Bild 2 zeigt ein Beispiel für eine ungleichmäßige Füllung der Formhohlräume. Diesen Nachteil kann man durch unterschiedliche Anschnittquerschnitte ausgleichen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der größeren Anzahl der gleichzeitig herstellbaren Spritzgießteile.

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.

=== Verteilerkanal- und Anschnittform ===

[[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.

Beim runden Anschnitt ist die Einarbeitung ebenfalls in beide Formhälften notwendig. Wird der rechteckige Querschnitt gewählt, so muss darauf geachtet werden, dass die Breite des Anschnittes ungefähr 2mm kleiner als der Verteilerkanal ist (Bild 3).

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''' ==

=== Dreiplattenwerkzeug ===

[[Bild:Dreiplattenwerkz.jpg|left|300x300px]]

Höhere Spritzgiezteile werden deshalb vom Boden her zentral angespritzt. 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.

=== Isolierkanalwerkzeug ===

[[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.

=== Etagenwerkzeug ===

[[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.

=== Heißkanalsysteme ===

[[Bild:Heißkanalwerkzeug.jpg|left|300x300px]]

Im Heißkanalsystem '''(Bild 1)''' wird die in den Verteilerkanälen enthaltene Masse durch Heizpatronen oder/ und Rohrheizkörper '''(Bild 2)''' ständig auf Schmelztemperatur gehalten. Um einen Wärmeübergang vom Heißkanalbereich auf das wesentlich kühlere Werkzeug zu meiden, müssen die Kontaktflächen minimiert, ein isolierend wirkender Luftspalt sowie Reflektorbleche vorgesehen werden. Thermofühler in verbindung mit einem Regelkreis sorgen für eine möglichst gleichmäßige Temperatur im Angießsystem.

Es werden außen- und innenbeheizte Heißkanalsysteme unterschieden.

'''Außenbeheizte''' Heißkanalsysteme transportieren Wärmeenergie von außen in den Verteilerkanal (Bild 2a).

'''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
* Anspritzpunkte in großer Entfernung von der Plastifiziereinheit realisierbar
* keine Nacharbeit zum Entfernen des Angusses
* Etagenwerkzeuge nur mit Heißkanalsystemen möglich

Die '''Nachteile''' von Heizkanalwerkzeugen sind:
* hohe Energiekosten
* größere Werkzeugeinbauhöhe
* höhere Werkzeugkosten
* Farb- und Materialwechsel schwierig

'''Anwendung''':
* Großserienwerkzeuge, große Losgrößen
* große Formteile mit mehreren Anspritzpunkten

== '''Sonstiges''' ==

Zur Vollständigkeit einer Spritzgießanlage müssen noch folgende Punkte genannt werden:
* die Werkzeugtemperierung, sie regelt die Wärme zu- und abführ (Kühlssystem)
* Serielle Anordnung des Kühlkreislaufes
* Parallele Anordnung des Kühlkreislaufes
* Entformungssysteme (Auswerfeinrichtungen), sie stoßen das Werkstück aus
* Auswerfsysteme bei Hinterschneidungen (äußere und innere Hinterschneidungen)
* Bewegliche Kernsegmente
* Elastische Zwangsentformung
* Zusammenfaltbarer Kern
* Entformung durch Rotation des Formteils
* Werkzeugentlüftung, um die Formen schnell genug zu füllen.

== '''Quellen''' ==

# Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Verlag, 53. Auflage
# Der Werkzeugbau, Europa Lehrmittel Verlag, 13. Auflage

[[Kategorie:Fertigungstechnik]]

Spritzgießen

2009-04-22T20:10:43Z

Sandra Kellinghusen: /* Einflussgrößen auf den Spritzvorgang */

== '''Spritzgießen''' ==

=== Einleitung ===

Beim Spritzgießen werden überwiegend Thermoplaste1 im plastifizierten, fließfähigen Zustand in geteilte und 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|]]

=== 1Thermoplaste: ===
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.

=== Vorgänge beim Spritzgießen ===

[[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.

=== Werkstoffverhalten ===

Die Plastifizierte Formmasse sollte so schnell wie möglich in den Formhohlraum eingesprizt werden, damit Druck und Temperatur im Hohlraum überall gleich sind. Tritt dieser idealfall ein, ist eine gleichmäßige Struktur des Werkstoffes und ein gleichmäßiges Schwindungsverhalten im ganzen Spritzgießteil gewährleistet, sodass keine Spannungen und kein Verzug auftreten.

Dieser ideale Vorgang lässt sich leider nicht realisieren. Fließwiederstände im Werkzeug und in der Düse bewirken einen Druckabfall während des Einspritzens. Ungleichmäßiges Abkühlen der Formmasse im Werkzeughohlraum, der auch Kavität genannt wird, ergibt eine ungleichmäßige Werkstoffstruktur.

=== Molekühlorientierung ===

[[Bild:Amorpher Thermoplast.jpg|left|300x300px]]
[[Bild:Molekühlorientierung_0001.jpg|left|300x300px]]
[[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.

=== Kristallisationsgrad ===

[[Bild:Kristallisationsgrad.jpg|left|300x300px]]

{{Mark
|Bei teilkristallinen Werkstoffen kann sich auf Grund der schnellen Abkühlung im Bereich der Formwand keine Kristallisation bilden. Der Randbreich des Spritzgießteils hat darum einen amorphen Aufbau, währen der Kern einen mehr 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)'''.

=== Fließverhalten ===

[[Bild:Fließfront.jpg|left|300x300px]]
[[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)'''.}}

=== Einflussgrößen auf den Spritzvorgang ===

[[Bild:Einflussgrößen auf den Spritzvorgang.jpg|right|300x300px]]
[[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).

=== Druckverlauf ===

[[Bild:Druckverlauf.jpg|left|300x300px]][[Bild:Auswirkungen des Nachdruckes.jpg|right|300x300px]][[Bild:SGT mit Lunker.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Werkzeuginnendruck.jpg|left|300x300px]]

Durch den '''Einspritzdruck''', welcher in der Formmasse im Schneckenvorraum herrscht, wird im Formhohlraum aufgrund von Strömungswiederständen in der Düse und im Werkzeug ein zeitlich verzögerter und in der Höhe etwas geringerer '''Werkzeuginnendruck''' aufgebaut '''(Bild 1)'''. Dadurch füllt sich die Werkzeughöhlung mit Formmasse (Bild 1, '''Kurvenpunkt A''') und erzeugt die Ausformung der Konturen durch das Komprimieren (verdichten, zusammenpressen) der Formmasse. Der Maximale Werkzeuginnendruck (Bild 1, '''Kurvenpunkt B''') hängt von der Form, vom Werkstoff, von der Qualität des Spritzgießteils und vom Verhältnis zwischen Fließweg und Wanddicke ab. Dieses Verhältnis wird durch den maximalen Fließweg, den die Formmasse zurücklegen muss und der Wanddicke des Spritzgießteils gebildet '''(Bild 2)'''. Ist der gewünschte Werkzeuginnendruck erreicht, so wird der Einspritzdruck vermindert und als '''Nachdruck''' bezeichnet (Umschaltpunkt). Dieser füllt in der anschließenden Phase nur noch das Restvolumen auf und gleicht die Volumenminderung aus, die durch das Abkühlen der Schmelze eintritt. Der Innendruck fällt dabei leicht ab. Auswirkungen des Nachdruckes auf den Spritzvorgang zeigt die '''Tabelle 1'''.

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.

=== Formfüllungsgrad ===

[[Bild:Formfüllstudie.jpg|left|300x300px]]

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.

=== Abkühlung ===

[[Bild:Abkühlzeit für PS.jpg|left|300x300px]]

Wie schnell die Formstabilität der Formmasse beim Abkühlen eintritt, hängt von der '''Werkzeugtemperatur''' ab. Diese wiederum wird von der Art der Formmasse und von den Anforderungen an das Spritzgießteil sowie von der Wanddicke bestimmt '''(Bild 1)'''.
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 Vorgang vom Einspritzen der Schmelze in den Formhohlraum bis zum nächsten Einspritzvorgang bezeichnet man auch als '''Takt, Schuss''' oder '''Zyklus'''.

== '''Spritzgießmaschine''' ==

[[Bild:Spritzgießmaschiene.jpg|center|800x800px|]]

=== Die Aufgaben der Spritzgießmaschine ===

[[Bild:Aufgaben der Spritzgießmaschine.jpg|left|300x300px|]]

*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 der Form.

Die ersten beiden Aufgaben übernimmt die Spritzeinheit der Spritzmaschine, während die dritte Aufgabe die Schließeinheit durchführt.

=== Spritzeinheit ===

[[Bild:Spritzgießmaschiene_1.jpg|right|600x600px]]

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)'''.

[[Bild:Schneckenkolbenext.jpg| left|300x300px]]

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.

=== Einstellgrößen ===

[[Bild:Einstellgr Plastif.jpg|left|300x300px]]

Die Drehzahl der Schnecke richtet sich neben dem Schneckendurchmesser nach der Größe der Umfangsgeschwindigkeit, die von den Formmasseherstellern vorgegeben wird '''(Tabelle 1)'''.

[[Bild:Wirkung_des_Staud.jpg|left|300x300px]]

Der Wiederstand 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''' ==

Die Düse hat die Aufgabe, eine dichte Verbindung, möglichst ohne Druck- und Temperaturverlust, zwischen dem Spritzzylinder und dem Werkzeug herzustellen. Durch die Berührung mit dem kälteren Werkzeug kann der Düse und der verbleibenden Schmelze wärme entzogen werden. Abhilfe kann geschaffen werden, durch eine Düsenheizung sowie durch das Abheben der Düse vom Werkzeug nach der Nachdruckzeit.

=== Offene Düsen und Verschlussdüsen ===

[[Bild:offene Düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Nadelv.düse.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Schiebev.düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Quernadelv.düse.jpg|right|300x300px]]

Wenn es die Zähigkeit der Schmelze zulässt, wählt man meist eine '''offene Düse (Bild 1)'''. Die Druck- und Temperaturverluste sind wegen des glatten Kanals sehr gering. Außerdem ist die offene Düse leicht zu reinigen und zu spülen. Die Gefahr, dass Schmelze aus der Düse austreten kann, nimmt mit kleiner werdender Düsenbohrung (ca. 3- 8mm) ständig ab. Ist die Schmelze zu dünnflüssig, so müssen '''Verschlussdüsen''', z.B. Schieberverschlussdüsen '''(Bild 2)''', oder Nadelverschlussdüsen '''(Bild3)''', vorgesehen werden. Sie sind so konstruiert, das die Düsenöffnung nach jedem Einspritzvorgang verschlossen und dadurch das Ausströmen der Masse verhindert wird.
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 (RD) bei Konvexdüsen etwas kleiner ist, als der Radius der Angießbuchse (RA), 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.

== '''Schließeinheit''' ==

Die Schließeinheit nimmt an der beweglichen und an der festen Werkzeugplatte die jeweiligen Formhälften auf. Das Öffnen, Schließen und Zuhalten des Werkzeuges wird durch ein Kniehebelssystem oder durch einen vollhydraulischen Antrieb ausgeführt '''(Bild1, Spritzgießmaschine beim Thema Spritzeinheit)'''.

=== Schließkraft – Zuhaltekraft ===

[[Bild:Schließkraft.jpg|left|300x300px]][[Bild:Durchbiegung.jpg|right|300x300px]][[Bild:Stützrollen.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Schwimmhäute.jpg|left|280x280px]]

Die '''Schließkraft''' Fs ist die Kraft, die die Säulen nach dem Schließvorgang beansprucht und dehnt sowie die beiden Formhälften zusammendrückt '''(Bild 1)'''. Beim Einspritzen der Formmasse entsteht durch den Werkzeuginnendruck pw eine Auftriebskraft FA (FA= pw * A), die eine weitere Zugbeanspruchung und Dehnung der Säulen verursacht. Die Summe der Kräfte, die die Säulen beim Einspritzvorgang insgesamt belasten, wird als '''Zuhaltekraft''' Fz bezeichnet. Sie ist stets größer als die Schließkraft, und sie ist von der Steifigkeit der Maschine und des Werkzeuges abhängig.

Ist die '''Auftriebskraft''' größer als die Zuhaltekraft, so wird die Anlage zwischen den beiden Werkzeughälften aufgehoben und es tritt Schmelze zwischen den beiden Formhälften aus, die zur '''Grat'''- oder '''Schwimmhautbildung''' führt '''(Bild 2)'''. Diesen Vorgang nennt man auch '''Überspritzung''' oder '''Überladung'''.
Die '''Zuhaltekraft''' sollte trotzdem so klein wie möglich eingestellt werden, um auch einer Durchbiegung bei den Formnesttragenden Werkzeugplatten vorzubeugen. Diese '''Durchbiegung''' entsteht dadurch, dass beim Einspritzen der Werkzeuginnendruck versucht, die beiden Formhälften überwiegend im Bereich der Formhohlräume auseinander zu drücken, während die Zuhaltekräfte nur im Bereich der direkten Kraftübertragung wirken (Bild 1). Die Durchbiegung ist besonders groß bei geringer Steifigkeit der Platten und um die Bereiche gegenüber der düsenseitigen Zentrierbohrung und vor allem gegenüber dem Auswerfersystem '''(Bild 3)'''.
Die Durchbiegung führt zur Gratbildung und u.U. dazu, dass nicht der größtmögliche Einspritzdruck gewählt werden kann. Abhilfe kann dadurch geschaffen werden, dass zusätzliche Stützrollen vorgesehen werden, die mit einem Übermaß von 0,03mm … 0,05mm gegenüber den äußeren Abstützungen eingebaut werden '''(Bild 4)'''.
Auch wegen der beim Einspritzen erforderlichen Entlüftung der Werkzeughöhlung über die Berührungsflächen der beiden Formhälften sollte die Schließkraft so niedrig wie möglich sein.

== '''Gestalten von Spritzgießteilen''' ==

=== Maßtoleranzen bei Spritzgießteilen ===

[[Bild:Maßarten.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle1 Ermittlung.jpg|right|300x300px]]

Die erzielbaren Toleranzen sind größtenteils abhängig von der Schwindung, den Formmassen und der Art der Maße, wobei natürlich auch die Qualität der Spritzgießmaschine und des Werkzeuges eine Rolle spielen.

So lassen sich mit amorphen Formmassen kleinere Toleranzen leichter einhalten als mit teilkristallinen. '''Werkzeuggebundene''' Maße lassen sich genauer herstellen als '''nicht werkzeuggebundene''' Maße '''(Bild 1)'''.

DIN 16 901 bildet bei der Festlegung der Toleranzen zuerst Toleranzgruppen in Abhängigkeit der Formmassen und Schwindungskennwerte (siehe Tabellenbuch). Bezogen auf diese Toleranzgruppen und die festgelegte Maßart werden dann den verschiedenen Nennmaßbereichen die zulässigen Abweichungen zugeordnet.

Die Ermittlung der Allgemeintoleranz für das werkzeuggebundene Maß a im Bild 1, das 35mm betragen soll, zeigt die Tabelle 1.

=== Richtlinien zur Gestaltung von Spritzgießteilen (VDI 2006) ===

[[Bild:Mindetwanddicke.jpg|left|300x300px]][[Bild:Gestaltungsbeispiele.jpg|right|300x300px]]

Die Wanddicken müssen groß genug sein, damit die Formmasse das Werkzeug sicher füllen kann, ehe sie zu stark abkühlt oder ausgehärtet ist. Deshalb ist die '''Mindestwanddicke''' in Abhängigkeit vom '''Fließweg''' im Werkzeug und der Fließfähigkeit der Formmasse zu wählen '''(Bild 2)''' und Bild 2: Werkzeuginnendruck für einfache Teile beim Thema Druckverlauf).

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)'''.

[[Bild:Neigung.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle rautiefe.jpg|right|300x300px]][[Bild:Verzug.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Winkelverzug.jpg|left|300x300px]]

Um das Spritzgießteil leicht und schnell aus der Form entfernen zu können, müssen alle Flächen des Werkstückes, die in Öffnungsrichtung der Form liegen, eine leichte '''Neigung''' erhalten '''(Bild 1)'''. Zusätzlich muss sichergestellt sein, dass das Spritzgießteil beim Öffnen der Form von der schließseitigen Formhälfte mitgenommen und von der Auswerfervorrichtung entfernt wird. Weiterhin hängen die Entformungsschrägen speziell bei strukturierten Oberflächen von der Oberflächenrauigkeit der abzubildenden Kavitäten ab. Die Struktur kann aufgrund ihrer Tiefe wie eine Verzahnung zwischen Formteil und Werkzeugoberfläche wirken und somit die Entformung erschweren. Die Lage der Strukturrichtung parallel oder senkrecht zur Entformungsrichtung und die Materialpaarung Stahl- Kunststoffmasse ist von entscheidender Bedeutung '''(Tabelle 1)'''.

Als einfache Näherung sollte für eine Strukturtiefe von 0,02mm pro 1° Entformungsschrägen bei senkrechter Lage zur Entformungsrichtung nicht überschritten werden. Scharfe Ecken und Kanten können beim Einspritzvorgang des Kunststoffmaterials so stark scheren, dass es zu einer thermischen Schädigung des Kunststoffes kommen kann.

Eine Abrundung bei Umlenkungen wirkt nicht nur der Scherung entgegen, sondern auch dem '''Winkelverzug''' und der Kerbwirkung im Eckbereich. Der mögliche Verzug des Formteils wird in '''(Bild 2)''' dargestellt. Da die dünnen Formteilbereiche schneller abkühlen, werden sie durch die Schrumpfkraft der dickeren verformt.

In '''Bild 3''' kann das Volumenelement '''a''' seine Erstarrungswärme nur stark verzögert an das Werkzeug abgeben. Volumenelement '''b''' kühlt dagegen rascher ab, da es an zwei Seiten an das Werkzeug grenzt. Es entsteht ein '''Winkelverzug'''. Diesem kann durch Abrunden und durch verringerung der Wandstärke im Eckbereich entgegengewirkt werden.

== '''Schwindung''' ==

[[Bild:Tabelle1 Anhaltsw.jpg|left|600x600px]]

Bei der Festlegung des Formhohlraumes müssen die Schwindung und evtl. die Nachschwindung berücksichtigt werden.

Unter Schwindung versteht man die Maßänderung von Werkstücken durch das Zusammenziehen des Werkstoffes beim Abkühlen als Maßunterschied zwischen Werkzeugkavität und Formteil. Bei der Erfassung dieser Schwindung '''(Tabelle 1)''' kommt erschwerend hinzu, dass die Schwindungsdifferenz sowie die Nachschwindung berücksichtigt werden müssen.

Eine '''Schwindungsdifferenz''' tritt dann auf, wenn die Schwindungen in Fließrichtung und quer dazu unterschiedlich groß sind. Der Unterschied zwischen Längs- und Querschwindung ist die Schwindungsdifferenz. Bei einer größeren Schwindungsdifferenz kann dies zu Verwindungen oder zum Verzug des spritzgegossenen Formteils führen.

Die Formteilgeometrie und die Angusslage können Molekülorientierungen hervorrufen, wodurch die Schwindungsdifferenz beeinflusst werden kann. Durch die Verwendung von Füllstoffen kann die Schwindung vermindert werden. Bei faserigen Verstärkungsstoffen kann durch die Faserorientierung im Bauteil eine sehr große Schwindungsdifferenz entstehen. Die Temperaturdifferenz während der Verarbeitung und der Gebrauchstemperatur des Formteils ergibt eine vernachlässigbare Längenänderung der Glasfasern. Sind nun Glasfasern in einem Formteil durch den Materialfluss während des Füllvorganges stark orientiert, schwindet das Formteil quer zur Faser wesentlich stärker als längs dazu. Werden zum Beispiel Glaskugeln zugemischt, wird insgesamt eine geringere Schwindung beobachtet.

Die '''Nachschwindung''' ist der Unterschied zwischen dem Maß eines auf Raumtemperatur abgekühlten Spritzgießteils und dem Maß desselben Spritzgießteils nach der Einwirkung einer bestimmten Temperatur. Sie verursacht eine Nachkristallisation und kann während des Gebrauches oder auch gezielt durch Tempern eingebracht werden. Durch die Naschwindungen werden die Fertigteilabmessungen nochmals kleiner.

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.

== '''Aufbau von Spritzgießwerkzeugen''' ==

[[Bild:Spritzgießwerkzeug.jpg|center|900x600px]]

=== Einleitung der Spritzgießwerkzeuge ===

[[Bild:Tabell1 Einleitung.jpg|left|400x300px]]

Die Vielzahl der Unterschiedlichen Spritzgießanwendungen erfordert verschiedene Werkzeugarten. Sie werden nach Anzahl der Formhohlräume, nach Art des Angusssystems, nach Anzahl der Trennebenen und nach Art der Entformung unterschieden. Die unterschiedlichen Verarbeitungsmöglichkeiten im Spritzgießbereich führen zu einer Vielzahl von Sonderverfahren, welche nicht alle in der Übersicht '''(Tabelle 1)''' aufgeführt werden können.

== '''Angusssysteme''' ==

[[Bild:Angusssystem.jpg|left|300x300px]]

Der Anguss ist ein System von Strömungswegen, in denen die fließfähige Formmasse von der Düse der Spritzeinheit zur Formhöhlung (Kavität) fließt.

Dieses System kann aus dem Angusskegel, den Verteilerkanälen, der sog. Angussspinne und dem Anschnitt bestehen '''(Bild 1)'''. Bei Einfachwerkzeugen können sich die Strömungswege auf eine kegelige Bohrung beschränken, die direkt in die Formhöhlung mündet. Die Stelle, an der der Anguss in die Formhöhlung eintritt, nennt man den '''Anschnitt'''.
Den Zeitpunkt nach dem der Anschnitt „eingefroren“ (d.h. erstarrt) ist und somit der Nachdruck nicht mehr wirken kann, nennt man '''Siegelpunkt'''. Ein längeres Nachdrücken über diesen Zeitpunkt hinaus ist unnötig.

Der Zeitpunkt des Erstarrens kann durch eine Innendruckmessung oder durch das Bestimmen der Formteilmasse ermittelt werden. Das maximale Formteilgewicht ist erreicht, wenn der Anschnitt eingefroren ist.

Der Anguss ist so zu gestalten, dass die flüssige Masse möglichst auf kürzestem Wege, mit geringstem Wärme- und Druckverlust die Kavitäten gleichzeitig füllt. Die Querschnitte der Strömungswege müssen so bemessen sein, dass eine gleichmäßige Füllung des Angusssystems sowie der Formhöhlung erreicht wird.

=== Angussformen ===

Die Angussform ist so zu wählen, dass für den speziellen Fall die bereits erwähnten Forderungen erfüllt werden können. Außerdem müssen noch folgende Einflussgrößen berücksichtigt werden.

* Formteilgeometrie und Formteilvolumen
* Viskosität der Formmasse
* Art des Spritzgießwerkzeuges
* Fließweglänge

=== Stangen- oder Kegelanguss ===

[[Bild:Stangen& P.Anguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Stangenanguss.jpg|right|300x300px]]

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.

=== Punktanguss ===

[[Bild:Punktanguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Vergr. Vorkammer.jpg|right|300x300px]]

Beim Entformen reißt der Punktanguss am kleinsten Querschnitt ab und bleibt als Angusszäpfchen am Spritzgießteil '''(Bild 2b zum Thema Stangen und Punktanguss''' und '''Bild 4 Punktanguss mit Vorkammer)'''. Es entsteht dadurch keine Nacharbeit und keine optisch störende Bearbeitungsfläche wie beim Stangenanguss. Außerdem muss der Anguss, also die Formmasse, in der Vorkammer nicht entformt werden.

Der Punktanguss wird besonders für kleinteile und Massenartikel in Einfach- und Mehrfachwerkzeugen vorgesehen, sowie für Mehrfachangüsse bei einem größeren Formteil. Dann muss zum Entformen des Angussverteilers mit einem Dreiplattenwerkzeug gearbeitet werden.

Je kleiner die Bohrung des Punktangusses ist, desto leichter geht das Abreißen vor sich. Dabei ist jedoch neben der Wanddicke die Zähflüssigkeit (Viskosität) der Schmelze, sowie die Temperatur zu beachten.

[[Bild:Vork. mit v. Düsens..jpg|left|300x300px]][[Bild:Vork. m. beh. K-B.sp.jpg|right|300x300px]]

Kann die Formhöhlung durch den kleinen Punktanguss nicht mehr schnell genug gefüllt werden, so kühlt die Schmelze in der '''Vorkammer''' vorzeitig ab, so dass sie unter Umständen von Hand entfernt werden muss.

Deshalb wird die Vorkammer etwas vergrößert, so das die an der Innenwandung haftende abgekühlte Masse als Isolator wirkt '''(Bild 1)'''.

Der Kern der Schmelze, die sog. Plastische Seele, bleibt im Angussbereich flüssig. Die Verweildauer der Schmelze in der Vorkammer sollte aber nicht zu lang sein. Kurze Zyklen, d. h. mehrmaliges Einspritzen pro Minute, sind für das Funktionieren des Systems notwendig.

Ist die Spritzhäufigkeit nicht möglich, so wird eine Kupfer- Beryllium- Spitze in die Vorkammer eingeführt. Der Raum zwischen Kupferspitze und Innenwandung der Vorkammer füllt sich mit erkalteter Masse, die dann als Isolierung wirkt. Die Kupferspitze nimmt über die Düse genügend wärme auf, um die Masse im inneren flüssig zu halten '''(Bild 2)'''.

Eine weitere Möglichkeit, die Abkühlung der Formmasse zu verhindern, besteht darin, die Vorkammer durch spezielle Heizpatronen zu erwärmen '''(Bild 3)'''.

=== Teller- und Scheibenanguss ===

[[Bild:Telleranguss.jpg|left|300x300px]]

Teller- und Scheibenangüsse werden für ringförmige Spritzgießteile vorgesehen '''(Bild 1a)'''. Würde man hier mit einem Punktanguss oder mit zwei Anbindungen arbeiten, so entstünde eine '''Binde-''' und '''Fließnaht (Bild 1b)'''. Sie entsteht, wenn zwei Masseströme sich aufgrund vorzeitiger Abkühlung nicht mehr miteinander verbinden. Je kälter die zusammentreffenden Masseströme sind, desto sichtbarer sind die Bindenähte und umso geringer ist die Festigkeit. Bindenähte entstehen auch, wenn sich Masseströme an einem Kern teilen und sich wieder miteinander verbinden müssen.

Diese Qualitätsminderung kann z.B. durch die Erhöhung der Werkzeugtemperatur teilweise reduziert werden. Mit einer Zykluszeiterhöhung ist zu rechnen.

=== Schirmanguss ===

[[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)'''.

=== Ringanguss ===

[[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.

=== Film- oder Bandanguss ===

Flache teile schneidet man zweckmäßigerweise über ein seitliches oder zentrales Band, dem Filmanguss, an. Dadurch lassen sich, wie bei einem Einzelpunktanguss, ungünstige Fließverhältnisse, oder wie bei Mehrfachpunktangüssen, störende Bindenähte vermeiden '''(Bild 2c)'''.

Ebenso lässt sich die Verzugsneigung durch gleichmäßige Druckverhältnisse positiv beeinflussen.
Eine weitere Anwendung ist deshalb die Herstellung optischer Formteile, wie durchsichtige Abdeckungen und optische Linsen.

Filmanschnitte erfordern eine Nacharbeit durch abtrennen des Angusses.

=== Tunnelanguss ===

[[Bild:Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Beim Tunnelanguss wird das Spritzgießteil seitlich oder an den verdeckten Flächen oder an anderen problemlosen Stellen angespritzt und automatisch beim öffnen der Formhälften, oder beim Ausstoßen vom Angusssystem, getrennt (Bild 1).

Der Verteilerkanal führt entlang der Trennfläche nicht direkt in die Formhöhlung, sondern er geht kurz zuvor schräg als konischer Tunnel durch die düsenseitige Werkzeughälfte in den Formhohlraum.
Wird die schließseitige Formhälfte zurückgezogen, so müssen das Spritzgießteil und das Angießsystem mitgenommen werden. Dabei wird der Tunnelanguss am Anschnitt durch eine Schneidkante abgeschert '''(Bild 1)'''.

Das Mitnehmen des Formteils muss durch Aufschrumpfen auf den Kern geschehen, und die des Angusses durch einen eingearbeiteten Hinterschnitt.

Anschließend wird das Spritzgießteil und das Angießsystem durch die Auswerfer entformt.

Wird ein Tunnelanguss vorgesehen, so muss beachtet werden, dass sich der vom Formteil getrennte Anguss beim öffnen der Werkzeughälften ausreichend biegen muss. Damit der Anguss nicht bricht, muss er eine ausreichende Konizität haben und frei biegbar sein, möglichst mit einem definierten Biegepunkt.

Die Formmasse sollte zähelastisch oder beim Entformen noch nicht vollständig erstarrt sein. Nur dann arbeitet das System störungsfrei. Da beim Tunnelanguss die Druckverluste hoch sind, wird er überwiegend zu Herstellung einfacher und kleiner Spritzgießteile in Mehrfachwerkzeugen verwendet.

=== Gebogener Tunnelanguss ===

[[Bild:geb. Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Der gebogene Tunnelanguss, auch Haken- oder Säbelanguss genannt '''(Bild 2)''', bietet die Möglichkeit ein Spritzgießteil auf der Rückseite oder an verdeckter Stelle anzubinden.

Das Entformungsprinzip entspricht dem des Tunnelangusses. Die Verwendung ist auf elastische Formmassen beschrängt. Die große Durchbiegung bei der Entformung erfolgt während der Ausstoßbewegung.

Durch den geringen Fließquerschnitt im Anschnittbereich entstehen große Druckverluste. Dadurch ist dieses Angusssystem nur für einfache Artikel verwendbar.

=== Angießmöglichkeiten für Mehrfachwerkzeuge ===

[[Bild:Verteilersterne.jpg|left|300x300px]][[Bild:Reihenanguss.jpg|right|300x300px]]

In einem Mehrfachwerkzeug werden in einem Spritzvorgang mehrere Spritzgießteile gleichzeitig hergestellt. Liegen die Formhöhlungen, auch Formnester genannt, in der Trennfläche, so werden diese über Verteilerkanäle mit Schmelze versorgt '''(Bild 1)'''.

Liegen die Formhöhlungen zentrisch um den Mittelpunkt des Angusskegels, so nennt man das System der Verteilerkanäle '''Verteilersterne'''. Bei den Verteilersternen in '''Bild 1a''' sind die Fließwege der Formmassen gleich lang. Der Vorteil des Verteilersterns mit Ringkanal in '''Bild 1b''' liegt darin, dass die Gesamtlänge der Verteilerkanäle kürzer ist. Beim '''Reihenanguss''' '''(Bild 2)''' sind die Fließwege unterschiedlich lang, was zu einer geringeren Qualität des Spritzgießteils führen kann. Bild 2 zeigt ein Beispiel für eine ungleichmäßige Füllung der Formhohlräume. Diesen Nachteil kann man durch unterschiedliche Anschnittquerschnitte ausgleichen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der größeren Anzahl der gleichzeitig herstellbaren Spritzgießteile.

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.

=== Verteilerkanal- und Anschnittform ===

[[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.

Beim runden Anschnitt ist die Einarbeitung ebenfalls in beide Formhälften notwendig. Wird der rechteckige Querschnitt gewählt, so muss darauf geachtet werden, dass die Breite des Anschnittes ungefähr 2mm kleiner als der Verteilerkanal ist (Bild 3).

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''' ==

=== Dreiplattenwerkzeug ===

[[Bild:Dreiplattenwerkz.jpg|left|300x300px]]

Höhere Spritzgiezteile werden deshalb vom Boden her zentral angespritzt. 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.

=== Isolierkanalwerkzeug ===

[[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.

=== Etagenwerkzeug ===

[[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.

=== Heißkanalsysteme ===

[[Bild:Heißkanalwerkzeug.jpg|left|300x300px]]

Im Heißkanalsystem '''(Bild 1)''' wird die in den Verteilerkanälen enthaltene Masse durch Heizpatronen oder/ und Rohrheizkörper '''(Bild 2)''' ständig auf Schmelztemperatur gehalten. Um einen Wärmeübergang vom Heißkanalbereich auf das wesentlich kühlere Werkzeug zu meiden, müssen die Kontaktflächen minimiert, ein isolierend wirkender Luftspalt sowie Reflektorbleche vorgesehen werden. Thermofühler in verbindung mit einem Regelkreis sorgen für eine möglichst gleichmäßige Temperatur im Angießsystem.

Es werden außen- und innenbeheizte Heißkanalsysteme unterschieden.

'''Außenbeheizte''' Heißkanalsysteme transportieren Wärmeenergie von außen in den Verteilerkanal (Bild 2a).

'''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
* Anspritzpunkte in großer Entfernung von der Plastifiziereinheit realisierbar
* keine Nacharbeit zum Entfernen des Angusses
* Etagenwerkzeuge nur mit Heißkanalsystemen möglich

Die '''Nachteile''' von Heizkanalwerkzeugen sind:
* hohe Energiekosten
* größere Werkzeugeinbauhöhe
* höhere Werkzeugkosten
* Farb- und Materialwechsel schwierig

'''Anwendung''':
* Großserienwerkzeuge, große Losgrößen
* große Formteile mit mehreren Anspritzpunkten

== '''Sonstiges''' ==

Zur Vollständigkeit einer Spritzgießanlage müssen noch folgende Punkte genannt werden:
* die Werkzeugtemperierung, sie regelt die Wärme zu- und abführ (Kühlssystem)
* Serielle Anordnung des Kühlkreislaufes
* Parallele Anordnung des Kühlkreislaufes
* Entformungssysteme (Auswerfeinrichtungen), sie stoßen das Werkstück aus
* Auswerfsysteme bei Hinterschneidungen (äußere und innere Hinterschneidungen)
* Bewegliche Kernsegmente
* Elastische Zwangsentformung
* Zusammenfaltbarer Kern
* Entformung durch Rotation des Formteils
* Werkzeugentlüftung, um die Formen schnell genug zu füllen.

== '''Quellen''' ==

# Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Verlag, 53. Auflage
# Der Werkzeugbau, Europa Lehrmittel Verlag, 13. Auflage

[[Kategorie:Fertigungstechnik]]

Spritzgießen

2009-04-22T20:08:58Z

Sandra Kellinghusen: /* Punktanguss */

== '''Spritzgießen''' ==

=== Einleitung ===

Beim Spritzgießen werden überwiegend Thermoplaste1 im plastifizierten, fließfähigen Zustand in geteilte und 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|]]

=== 1Thermoplaste: ===
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.

=== Vorgänge beim Spritzgießen ===

[[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.

=== Werkstoffverhalten ===

Die Plastifizierte Formmasse sollte so schnell wie möglich in den Formhohlraum eingesprizt werden, damit Druck und Temperatur im Hohlraum überall gleich sind. Tritt dieser idealfall ein, ist eine gleichmäßige Struktur des Werkstoffes und ein gleichmäßiges Schwindungsverhalten im ganzen Spritzgießteil gewährleistet, sodass keine Spannungen und kein Verzug auftreten.

Dieser ideale Vorgang lässt sich leider nicht realisieren. Fließwiederstände im Werkzeug und in der Düse bewirken einen Druckabfall während des Einspritzens. Ungleichmäßiges Abkühlen der Formmasse im Werkzeughohlraum, der auch Kavität genannt wird, ergibt eine ungleichmäßige Werkstoffstruktur.

=== Molekühlorientierung ===

[[Bild:Amorpher Thermoplast.jpg|left|300x300px]]
[[Bild:Molekühlorientierung_0001.jpg|left|300x300px]]
[[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.

=== Kristallisationsgrad ===

[[Bild:Kristallisationsgrad.jpg|left|300x300px]]

{{Mark
|Bei teilkristallinen Werkstoffen kann sich auf Grund der schnellen Abkühlung im Bereich der Formwand keine Kristallisation bilden. Der Randbreich des Spritzgießteils hat darum einen amorphen Aufbau, währen der Kern einen mehr 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)'''.

=== Fließverhalten ===

[[Bild:Fließfront.jpg|left|300x300px]]
[[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)'''.}}

=== Einflussgrößen auf den Spritzvorgang ===

[[Bild:Einflussgrößen auf den Spritzvorgang.jpg|right|300x300px]]
[[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, 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).

=== Druckverlauf ===

[[Bild:Druckverlauf.jpg|left|300x300px]][[Bild:Auswirkungen des Nachdruckes.jpg|right|300x300px]][[Bild:SGT mit Lunker.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Werkzeuginnendruck.jpg|left|300x300px]]

Durch den '''Einspritzdruck''', welcher in der Formmasse im Schneckenvorraum herrscht, wird im Formhohlraum aufgrund von Strömungswiederständen in der Düse und im Werkzeug ein zeitlich verzögerter und in der Höhe etwas geringerer '''Werkzeuginnendruck''' aufgebaut '''(Bild 1)'''. Dadurch füllt sich die Werkzeughöhlung mit Formmasse (Bild 1, '''Kurvenpunkt A''') und erzeugt die Ausformung der Konturen durch das Komprimieren (verdichten, zusammenpressen) der Formmasse. Der Maximale Werkzeuginnendruck (Bild 1, '''Kurvenpunkt B''') hängt von der Form, vom Werkstoff, von der Qualität des Spritzgießteils und vom Verhältnis zwischen Fließweg und Wanddicke ab. Dieses Verhältnis wird durch den maximalen Fließweg, den die Formmasse zurücklegen muss und der Wanddicke des Spritzgießteils gebildet '''(Bild 2)'''. Ist der gewünschte Werkzeuginnendruck erreicht, so wird der Einspritzdruck vermindert und als '''Nachdruck''' bezeichnet (Umschaltpunkt). Dieser füllt in der anschließenden Phase nur noch das Restvolumen auf und gleicht die Volumenminderung aus, die durch das Abkühlen der Schmelze eintritt. Der Innendruck fällt dabei leicht ab. Auswirkungen des Nachdruckes auf den Spritzvorgang zeigt die '''Tabelle 1'''.

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.

=== Formfüllungsgrad ===

[[Bild:Formfüllstudie.jpg|left|300x300px]]

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.

=== Abkühlung ===

[[Bild:Abkühlzeit für PS.jpg|left|300x300px]]

Wie schnell die Formstabilität der Formmasse beim Abkühlen eintritt, hängt von der '''Werkzeugtemperatur''' ab. Diese wiederum wird von der Art der Formmasse und von den Anforderungen an das Spritzgießteil sowie von der Wanddicke bestimmt '''(Bild 1)'''.
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 Vorgang vom Einspritzen der Schmelze in den Formhohlraum bis zum nächsten Einspritzvorgang bezeichnet man auch als '''Takt, Schuss''' oder '''Zyklus'''.

== '''Spritzgießmaschine''' ==

[[Bild:Spritzgießmaschiene.jpg|center|800x800px|]]

=== Die Aufgaben der Spritzgießmaschine ===

[[Bild:Aufgaben der Spritzgießmaschine.jpg|left|300x300px|]]

*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 der Form.

Die ersten beiden Aufgaben übernimmt die Spritzeinheit der Spritzmaschine, während die dritte Aufgabe die Schließeinheit durchführt.

=== Spritzeinheit ===

[[Bild:Spritzgießmaschiene_1.jpg|right|600x600px]]

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)'''.

[[Bild:Schneckenkolbenext.jpg| left|300x300px]]

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.

=== Einstellgrößen ===

[[Bild:Einstellgr Plastif.jpg|left|300x300px]]

Die Drehzahl der Schnecke richtet sich neben dem Schneckendurchmesser nach der Größe der Umfangsgeschwindigkeit, die von den Formmasseherstellern vorgegeben wird '''(Tabelle 1)'''.

[[Bild:Wirkung_des_Staud.jpg|left|300x300px]]

Der Wiederstand 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''' ==

Die Düse hat die Aufgabe, eine dichte Verbindung, möglichst ohne Druck- und Temperaturverlust, zwischen dem Spritzzylinder und dem Werkzeug herzustellen. Durch die Berührung mit dem kälteren Werkzeug kann der Düse und der verbleibenden Schmelze wärme entzogen werden. Abhilfe kann geschaffen werden, durch eine Düsenheizung sowie durch das Abheben der Düse vom Werkzeug nach der Nachdruckzeit.

=== Offene Düsen und Verschlussdüsen ===

[[Bild:offene Düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Nadelv.düse.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Schiebev.düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Quernadelv.düse.jpg|right|300x300px]]

Wenn es die Zähigkeit der Schmelze zulässt, wählt man meist eine '''offene Düse (Bild 1)'''. Die Druck- und Temperaturverluste sind wegen des glatten Kanals sehr gering. Außerdem ist die offene Düse leicht zu reinigen und zu spülen. Die Gefahr, dass Schmelze aus der Düse austreten kann, nimmt mit kleiner werdender Düsenbohrung (ca. 3- 8mm) ständig ab. Ist die Schmelze zu dünnflüssig, so müssen '''Verschlussdüsen''', z.B. Schieberverschlussdüsen '''(Bild 2)''', oder Nadelverschlussdüsen '''(Bild3)''', vorgesehen werden. Sie sind so konstruiert, das die Düsenöffnung nach jedem Einspritzvorgang verschlossen und dadurch das Ausströmen der Masse verhindert wird.
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 (RD) bei Konvexdüsen etwas kleiner ist, als der Radius der Angießbuchse (RA), 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.

== '''Schließeinheit''' ==

Die Schließeinheit nimmt an der beweglichen und an der festen Werkzeugplatte die jeweiligen Formhälften auf. Das Öffnen, Schließen und Zuhalten des Werkzeuges wird durch ein Kniehebelssystem oder durch einen vollhydraulischen Antrieb ausgeführt '''(Bild1, Spritzgießmaschine beim Thema Spritzeinheit)'''.

=== Schließkraft – Zuhaltekraft ===

[[Bild:Schließkraft.jpg|left|300x300px]][[Bild:Durchbiegung.jpg|right|300x300px]][[Bild:Stützrollen.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Schwimmhäute.jpg|left|280x280px]]

Die '''Schließkraft''' Fs ist die Kraft, die die Säulen nach dem Schließvorgang beansprucht und dehnt sowie die beiden Formhälften zusammendrückt '''(Bild 1)'''. Beim Einspritzen der Formmasse entsteht durch den Werkzeuginnendruck pw eine Auftriebskraft FA (FA= pw * A), die eine weitere Zugbeanspruchung und Dehnung der Säulen verursacht. Die Summe der Kräfte, die die Säulen beim Einspritzvorgang insgesamt belasten, wird als '''Zuhaltekraft''' Fz bezeichnet. Sie ist stets größer als die Schließkraft, und sie ist von der Steifigkeit der Maschine und des Werkzeuges abhängig.

Ist die '''Auftriebskraft''' größer als die Zuhaltekraft, so wird die Anlage zwischen den beiden Werkzeughälften aufgehoben und es tritt Schmelze zwischen den beiden Formhälften aus, die zur '''Grat'''- oder '''Schwimmhautbildung''' führt '''(Bild 2)'''. Diesen Vorgang nennt man auch '''Überspritzung''' oder '''Überladung'''.
Die '''Zuhaltekraft''' sollte trotzdem so klein wie möglich eingestellt werden, um auch einer Durchbiegung bei den Formnesttragenden Werkzeugplatten vorzubeugen. Diese '''Durchbiegung''' entsteht dadurch, dass beim Einspritzen der Werkzeuginnendruck versucht, die beiden Formhälften überwiegend im Bereich der Formhohlräume auseinander zu drücken, während die Zuhaltekräfte nur im Bereich der direkten Kraftübertragung wirken (Bild 1). Die Durchbiegung ist besonders groß bei geringer Steifigkeit der Platten und um die Bereiche gegenüber der düsenseitigen Zentrierbohrung und vor allem gegenüber dem Auswerfersystem '''(Bild 3)'''.
Die Durchbiegung führt zur Gratbildung und u.U. dazu, dass nicht der größtmögliche Einspritzdruck gewählt werden kann. Abhilfe kann dadurch geschaffen werden, dass zusätzliche Stützrollen vorgesehen werden, die mit einem Übermaß von 0,03mm … 0,05mm gegenüber den äußeren Abstützungen eingebaut werden '''(Bild 4)'''.
Auch wegen der beim Einspritzen erforderlichen Entlüftung der Werkzeughöhlung über die Berührungsflächen der beiden Formhälften sollte die Schließkraft so niedrig wie möglich sein.

== '''Gestalten von Spritzgießteilen''' ==

=== Maßtoleranzen bei Spritzgießteilen ===

[[Bild:Maßarten.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle1 Ermittlung.jpg|right|300x300px]]

Die erzielbaren Toleranzen sind größtenteils abhängig von der Schwindung, den Formmassen und der Art der Maße, wobei natürlich auch die Qualität der Spritzgießmaschine und des Werkzeuges eine Rolle spielen.

So lassen sich mit amorphen Formmassen kleinere Toleranzen leichter einhalten als mit teilkristallinen. '''Werkzeuggebundene''' Maße lassen sich genauer herstellen als '''nicht werkzeuggebundene''' Maße '''(Bild 1)'''.

DIN 16 901 bildet bei der Festlegung der Toleranzen zuerst Toleranzgruppen in Abhängigkeit der Formmassen und Schwindungskennwerte (siehe Tabellenbuch). Bezogen auf diese Toleranzgruppen und die festgelegte Maßart werden dann den verschiedenen Nennmaßbereichen die zulässigen Abweichungen zugeordnet.

Die Ermittlung der Allgemeintoleranz für das werkzeuggebundene Maß a im Bild 1, das 35mm betragen soll, zeigt die Tabelle 1.

=== Richtlinien zur Gestaltung von Spritzgießteilen (VDI 2006) ===

[[Bild:Mindetwanddicke.jpg|left|300x300px]][[Bild:Gestaltungsbeispiele.jpg|right|300x300px]]

Die Wanddicken müssen groß genug sein, damit die Formmasse das Werkzeug sicher füllen kann, ehe sie zu stark abkühlt oder ausgehärtet ist. Deshalb ist die '''Mindestwanddicke''' in Abhängigkeit vom '''Fließweg''' im Werkzeug und der Fließfähigkeit der Formmasse zu wählen '''(Bild 2)''' und Bild 2: Werkzeuginnendruck für einfache Teile beim Thema Druckverlauf).

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)'''.

[[Bild:Neigung.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle rautiefe.jpg|right|300x300px]][[Bild:Verzug.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Winkelverzug.jpg|left|300x300px]]

Um das Spritzgießteil leicht und schnell aus der Form entfernen zu können, müssen alle Flächen des Werkstückes, die in Öffnungsrichtung der Form liegen, eine leichte '''Neigung''' erhalten '''(Bild 1)'''. Zusätzlich muss sichergestellt sein, dass das Spritzgießteil beim Öffnen der Form von der schließseitigen Formhälfte mitgenommen und von der Auswerfervorrichtung entfernt wird. Weiterhin hängen die Entformungsschrägen speziell bei strukturierten Oberflächen von der Oberflächenrauigkeit der abzubildenden Kavitäten ab. Die Struktur kann aufgrund ihrer Tiefe wie eine Verzahnung zwischen Formteil und Werkzeugoberfläche wirken und somit die Entformung erschweren. Die Lage der Strukturrichtung parallel oder senkrecht zur Entformungsrichtung und die Materialpaarung Stahl- Kunststoffmasse ist von entscheidender Bedeutung '''(Tabelle 1)'''.

Als einfache Näherung sollte für eine Strukturtiefe von 0,02mm pro 1° Entformungsschrägen bei senkrechter Lage zur Entformungsrichtung nicht überschritten werden. Scharfe Ecken und Kanten können beim Einspritzvorgang des Kunststoffmaterials so stark scheren, dass es zu einer thermischen Schädigung des Kunststoffes kommen kann.

Eine Abrundung bei Umlenkungen wirkt nicht nur der Scherung entgegen, sondern auch dem '''Winkelverzug''' und der Kerbwirkung im Eckbereich. Der mögliche Verzug des Formteils wird in '''(Bild 2)''' dargestellt. Da die dünnen Formteilbereiche schneller abkühlen, werden sie durch die Schrumpfkraft der dickeren verformt.

In '''Bild 3''' kann das Volumenelement '''a''' seine Erstarrungswärme nur stark verzögert an das Werkzeug abgeben. Volumenelement '''b''' kühlt dagegen rascher ab, da es an zwei Seiten an das Werkzeug grenzt. Es entsteht ein '''Winkelverzug'''. Diesem kann durch Abrunden und durch verringerung der Wandstärke im Eckbereich entgegengewirkt werden.

== '''Schwindung''' ==

[[Bild:Tabelle1 Anhaltsw.jpg|left|600x600px]]

Bei der Festlegung des Formhohlraumes müssen die Schwindung und evtl. die Nachschwindung berücksichtigt werden.

Unter Schwindung versteht man die Maßänderung von Werkstücken durch das Zusammenziehen des Werkstoffes beim Abkühlen als Maßunterschied zwischen Werkzeugkavität und Formteil. Bei der Erfassung dieser Schwindung '''(Tabelle 1)''' kommt erschwerend hinzu, dass die Schwindungsdifferenz sowie die Nachschwindung berücksichtigt werden müssen.

Eine '''Schwindungsdifferenz''' tritt dann auf, wenn die Schwindungen in Fließrichtung und quer dazu unterschiedlich groß sind. Der Unterschied zwischen Längs- und Querschwindung ist die Schwindungsdifferenz. Bei einer größeren Schwindungsdifferenz kann dies zu Verwindungen oder zum Verzug des spritzgegossenen Formteils führen.

Die Formteilgeometrie und die Angusslage können Molekülorientierungen hervorrufen, wodurch die Schwindungsdifferenz beeinflusst werden kann. Durch die Verwendung von Füllstoffen kann die Schwindung vermindert werden. Bei faserigen Verstärkungsstoffen kann durch die Faserorientierung im Bauteil eine sehr große Schwindungsdifferenz entstehen. Die Temperaturdifferenz während der Verarbeitung und der Gebrauchstemperatur des Formteils ergibt eine vernachlässigbare Längenänderung der Glasfasern. Sind nun Glasfasern in einem Formteil durch den Materialfluss während des Füllvorganges stark orientiert, schwindet das Formteil quer zur Faser wesentlich stärker als längs dazu. Werden zum Beispiel Glaskugeln zugemischt, wird insgesamt eine geringere Schwindung beobachtet.

Die '''Nachschwindung''' ist der Unterschied zwischen dem Maß eines auf Raumtemperatur abgekühlten Spritzgießteils und dem Maß desselben Spritzgießteils nach der Einwirkung einer bestimmten Temperatur. Sie verursacht eine Nachkristallisation und kann während des Gebrauches oder auch gezielt durch Tempern eingebracht werden. Durch die Naschwindungen werden die Fertigteilabmessungen nochmals kleiner.

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.

== '''Aufbau von Spritzgießwerkzeugen''' ==

[[Bild:Spritzgießwerkzeug.jpg|center|900x600px]]

=== Einleitung der Spritzgießwerkzeuge ===

[[Bild:Tabell1 Einleitung.jpg|left|400x300px]]

Die Vielzahl der Unterschiedlichen Spritzgießanwendungen erfordert verschiedene Werkzeugarten. Sie werden nach Anzahl der Formhohlräume, nach Art des Angusssystems, nach Anzahl der Trennebenen und nach Art der Entformung unterschieden. Die unterschiedlichen Verarbeitungsmöglichkeiten im Spritzgießbereich führen zu einer Vielzahl von Sonderverfahren, welche nicht alle in der Übersicht '''(Tabelle 1)''' aufgeführt werden können.

== '''Angusssysteme''' ==

[[Bild:Angusssystem.jpg|left|300x300px]]

Der Anguss ist ein System von Strömungswegen, in denen die fließfähige Formmasse von der Düse der Spritzeinheit zur Formhöhlung (Kavität) fließt.

Dieses System kann aus dem Angusskegel, den Verteilerkanälen, der sog. Angussspinne und dem Anschnitt bestehen '''(Bild 1)'''. Bei Einfachwerkzeugen können sich die Strömungswege auf eine kegelige Bohrung beschränken, die direkt in die Formhöhlung mündet. Die Stelle, an der der Anguss in die Formhöhlung eintritt, nennt man den '''Anschnitt'''.
Den Zeitpunkt nach dem der Anschnitt „eingefroren“ (d.h. erstarrt) ist und somit der Nachdruck nicht mehr wirken kann, nennt man '''Siegelpunkt'''. Ein längeres Nachdrücken über diesen Zeitpunkt hinaus ist unnötig.

Der Zeitpunkt des Erstarrens kann durch eine Innendruckmessung oder durch das Bestimmen der Formteilmasse ermittelt werden. Das maximale Formteilgewicht ist erreicht, wenn der Anschnitt eingefroren ist.

Der Anguss ist so zu gestalten, dass die flüssige Masse möglichst auf kürzestem Wege, mit geringstem Wärme- und Druckverlust die Kavitäten gleichzeitig füllt. Die Querschnitte der Strömungswege müssen so bemessen sein, dass eine gleichmäßige Füllung des Angusssystems sowie der Formhöhlung erreicht wird.

=== Angussformen ===

Die Angussform ist so zu wählen, dass für den speziellen Fall die bereits erwähnten Forderungen erfüllt werden können. Außerdem müssen noch folgende Einflussgrößen berücksichtigt werden.

* Formteilgeometrie und Formteilvolumen
* Viskosität der Formmasse
* Art des Spritzgießwerkzeuges
* Fließweglänge

=== Stangen- oder Kegelanguss ===

[[Bild:Stangen& P.Anguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Stangenanguss.jpg|right|300x300px]]

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.

=== Punktanguss ===

[[Bild:Punktanguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Vergr. Vorkammer.jpg|right|300x300px]]

Beim Entformen reißt der Punktanguss am kleinsten Querschnitt ab und bleibt als Angusszäpfchen am Spritzgießteil '''(Bild 2b zum Thema Stangen und Punktanguss''' und '''Bild 4 Punktanguss mit Vorkammer)'''. Es entsteht dadurch keine Nacharbeit und keine optisch störende Bearbeitungsfläche wie beim Stangenanguss. Außerdem muss der Anguss, also die Formmasse, in der Vorkammer nicht entformt werden.

Der Punktanguss wird besonders für kleinteile und Massenartikel in Einfach- und Mehrfachwerkzeugen vorgesehen, sowie für Mehrfachangüsse bei einem größeren Formteil. Dann muss zum Entformen des Angussverteilers mit einem Dreiplattenwerkzeug gearbeitet werden.

Je kleiner die Bohrung des Punktangusses ist, desto leichter geht das Abreißen vor sich. Dabei ist jedoch neben der Wanddicke die Zähflüssigkeit (Viskosität) der Schmelze, sowie die Temperatur zu beachten.

[[Bild:Vork. mit v. Düsens..jpg|left|300x300px]][[Bild:Vork. m. beh. K-B.sp.jpg|right|300x300px]]

Kann die Formhöhlung durch den kleinen Punktanguss nicht mehr schnell genug gefüllt werden, so kühlt die Schmelze in der '''Vorkammer''' vorzeitig ab, so dass sie unter Umständen von Hand entfernt werden muss.

Deshalb wird die Vorkammer etwas vergrößert, so das die an der Innenwandung haftende abgekühlte Masse als Isolator wirkt '''(Bild 1)'''.

Der Kern der Schmelze, die sog. Plastische Seele, bleibt im Angussbereich flüssig. Die Verweildauer der Schmelze in der Vorkammer sollte aber nicht zu lang sein. Kurze Zyklen, d. h. mehrmaliges Einspritzen pro Minute, sind für das Funktionieren des Systems notwendig.

Ist die Spritzhäufigkeit nicht möglich, so wird eine Kupfer- Beryllium- Spitze in die Vorkammer eingeführt. Der Raum zwischen Kupferspitze und Innenwandung der Vorkammer füllt sich mit erkalteter Masse, die dann als Isolierung wirkt. Die Kupferspitze nimmt über die Düse genügend wärme auf, um die Masse im inneren flüssig zu halten '''(Bild 2)'''.

Eine weitere Möglichkeit, die Abkühlung der Formmasse zu verhindern, besteht darin, die Vorkammer durch spezielle Heizpatronen zu erwärmen '''(Bild 3)'''.

=== Teller- und Scheibenanguss ===

[[Bild:Telleranguss.jpg|left|300x300px]]

Teller- und Scheibenangüsse werden für ringförmige Spritzgießteile vorgesehen '''(Bild 1a)'''. Würde man hier mit einem Punktanguss oder mit zwei Anbindungen arbeiten, so entstünde eine '''Binde-''' und '''Fließnaht (Bild 1b)'''. Sie entsteht, wenn zwei Masseströme sich aufgrund vorzeitiger Abkühlung nicht mehr miteinander verbinden. Je kälter die zusammentreffenden Masseströme sind, desto sichtbarer sind die Bindenähte und umso geringer ist die Festigkeit. Bindenähte entstehen auch, wenn sich Masseströme an einem Kern teilen und sich wieder miteinander verbinden müssen.

Diese Qualitätsminderung kann z.B. durch die Erhöhung der Werkzeugtemperatur teilweise reduziert werden. Mit einer Zykluszeiterhöhung ist zu rechnen.

=== Schirmanguss ===

[[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)'''.

=== Ringanguss ===

[[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.

=== Film- oder Bandanguss ===

Flache teile schneidet man zweckmäßigerweise über ein seitliches oder zentrales Band, dem Filmanguss, an. Dadurch lassen sich, wie bei einem Einzelpunktanguss, ungünstige Fließverhältnisse, oder wie bei Mehrfachpunktangüssen, störende Bindenähte vermeiden '''(Bild 2c)'''.

Ebenso lässt sich die Verzugsneigung durch gleichmäßige Druckverhältnisse positiv beeinflussen.
Eine weitere Anwendung ist deshalb die Herstellung optischer Formteile, wie durchsichtige Abdeckungen und optische Linsen.

Filmanschnitte erfordern eine Nacharbeit durch abtrennen des Angusses.

=== Tunnelanguss ===

[[Bild:Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Beim Tunnelanguss wird das Spritzgießteil seitlich oder an den verdeckten Flächen oder an anderen problemlosen Stellen angespritzt und automatisch beim öffnen der Formhälften, oder beim Ausstoßen vom Angusssystem, getrennt (Bild 1).

Der Verteilerkanal führt entlang der Trennfläche nicht direkt in die Formhöhlung, sondern er geht kurz zuvor schräg als konischer Tunnel durch die düsenseitige Werkzeughälfte in den Formhohlraum.
Wird die schließseitige Formhälfte zurückgezogen, so müssen das Spritzgießteil und das Angießsystem mitgenommen werden. Dabei wird der Tunnelanguss am Anschnitt durch eine Schneidkante abgeschert '''(Bild 1)'''.

Das Mitnehmen des Formteils muss durch Aufschrumpfen auf den Kern geschehen, und die des Angusses durch einen eingearbeiteten Hinterschnitt.

Anschließend wird das Spritzgießteil und das Angießsystem durch die Auswerfer entformt.

Wird ein Tunnelanguss vorgesehen, so muss beachtet werden, dass sich der vom Formteil getrennte Anguss beim öffnen der Werkzeughälften ausreichend biegen muss. Damit der Anguss nicht bricht, muss er eine ausreichende Konizität haben und frei biegbar sein, möglichst mit einem definierten Biegepunkt.

Die Formmasse sollte zähelastisch oder beim Entformen noch nicht vollständig erstarrt sein. Nur dann arbeitet das System störungsfrei. Da beim Tunnelanguss die Druckverluste hoch sind, wird er überwiegend zu Herstellung einfacher und kleiner Spritzgießteile in Mehrfachwerkzeugen verwendet.

=== Gebogener Tunnelanguss ===

[[Bild:geb. Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Der gebogene Tunnelanguss, auch Haken- oder Säbelanguss genannt '''(Bild 2)''', bietet die Möglichkeit ein Spritzgießteil auf der Rückseite oder an verdeckter Stelle anzubinden.

Das Entformungsprinzip entspricht dem des Tunnelangusses. Die Verwendung ist auf elastische Formmassen beschrängt. Die große Durchbiegung bei der Entformung erfolgt während der Ausstoßbewegung.

Durch den geringen Fließquerschnitt im Anschnittbereich entstehen große Druckverluste. Dadurch ist dieses Angusssystem nur für einfache Artikel verwendbar.

=== Angießmöglichkeiten für Mehrfachwerkzeuge ===

[[Bild:Verteilersterne.jpg|left|300x300px]][[Bild:Reihenanguss.jpg|right|300x300px]]

In einem Mehrfachwerkzeug werden in einem Spritzvorgang mehrere Spritzgießteile gleichzeitig hergestellt. Liegen die Formhöhlungen, auch Formnester genannt, in der Trennfläche, so werden diese über Verteilerkanäle mit Schmelze versorgt '''(Bild 1)'''.

Liegen die Formhöhlungen zentrisch um den Mittelpunkt des Angusskegels, so nennt man das System der Verteilerkanäle '''Verteilersterne'''. Bei den Verteilersternen in '''Bild 1a''' sind die Fließwege der Formmassen gleich lang. Der Vorteil des Verteilersterns mit Ringkanal in '''Bild 1b''' liegt darin, dass die Gesamtlänge der Verteilerkanäle kürzer ist. Beim '''Reihenanguss''' '''(Bild 2)''' sind die Fließwege unterschiedlich lang, was zu einer geringeren Qualität des Spritzgießteils führen kann. Bild 2 zeigt ein Beispiel für eine ungleichmäßige Füllung der Formhohlräume. Diesen Nachteil kann man durch unterschiedliche Anschnittquerschnitte ausgleichen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der größeren Anzahl der gleichzeitig herstellbaren Spritzgießteile.

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.

=== Verteilerkanal- und Anschnittform ===

[[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.

Beim runden Anschnitt ist die Einarbeitung ebenfalls in beide Formhälften notwendig. Wird der rechteckige Querschnitt gewählt, so muss darauf geachtet werden, dass die Breite des Anschnittes ungefähr 2mm kleiner als der Verteilerkanal ist (Bild 3).

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''' ==

=== Dreiplattenwerkzeug ===

[[Bild:Dreiplattenwerkz.jpg|left|300x300px]]

Höhere Spritzgiezteile werden deshalb vom Boden her zentral angespritzt. 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.

=== Isolierkanalwerkzeug ===

[[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.

=== Etagenwerkzeug ===

[[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.

=== Heißkanalsysteme ===

[[Bild:Heißkanalwerkzeug.jpg|left|300x300px]]

Im Heißkanalsystem '''(Bild 1)''' wird die in den Verteilerkanälen enthaltene Masse durch Heizpatronen oder/ und Rohrheizkörper '''(Bild 2)''' ständig auf Schmelztemperatur gehalten. Um einen Wärmeübergang vom Heißkanalbereich auf das wesentlich kühlere Werkzeug zu meiden, müssen die Kontaktflächen minimiert, ein isolierend wirkender Luftspalt sowie Reflektorbleche vorgesehen werden. Thermofühler in verbindung mit einem Regelkreis sorgen für eine möglichst gleichmäßige Temperatur im Angießsystem.

Es werden außen- und innenbeheizte Heißkanalsysteme unterschieden.

'''Außenbeheizte''' Heißkanalsysteme transportieren Wärmeenergie von außen in den Verteilerkanal (Bild 2a).

'''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
* Anspritzpunkte in großer Entfernung von der Plastifiziereinheit realisierbar
* keine Nacharbeit zum Entfernen des Angusses
* Etagenwerkzeuge nur mit Heißkanalsystemen möglich

Die '''Nachteile''' von Heizkanalwerkzeugen sind:
* hohe Energiekosten
* größere Werkzeugeinbauhöhe
* höhere Werkzeugkosten
* Farb- und Materialwechsel schwierig

'''Anwendung''':
* Großserienwerkzeuge, große Losgrößen
* große Formteile mit mehreren Anspritzpunkten

== '''Sonstiges''' ==

Zur Vollständigkeit einer Spritzgießanlage müssen noch folgende Punkte genannt werden:
* die Werkzeugtemperierung, sie regelt die Wärme zu- und abführ (Kühlssystem)
* Serielle Anordnung des Kühlkreislaufes
* Parallele Anordnung des Kühlkreislaufes
* Entformungssysteme (Auswerfeinrichtungen), sie stoßen das Werkstück aus
* Auswerfsysteme bei Hinterschneidungen (äußere und innere Hinterschneidungen)
* Bewegliche Kernsegmente
* Elastische Zwangsentformung
* Zusammenfaltbarer Kern
* Entformung durch Rotation des Formteils
* Werkzeugentlüftung, um die Formen schnell genug zu füllen.

== '''Quellen''' ==

# Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Verlag, 53. Auflage
# Der Werkzeugbau, Europa Lehrmittel Verlag, 13. Auflage

[[Kategorie:Fertigungstechnik]]

Spritzgießen

2009-04-22T20:08:40Z

Sandra Kellinghusen: /* Punktanguss */

== '''Spritzgießen''' ==

=== Einleitung ===

Beim Spritzgießen werden überwiegend Thermoplaste1 im plastifizierten, fließfähigen Zustand in geteilte und 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|]]

=== 1Thermoplaste: ===
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.

=== Vorgänge beim Spritzgießen ===

[[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.

=== Werkstoffverhalten ===

Die Plastifizierte Formmasse sollte so schnell wie möglich in den Formhohlraum eingesprizt werden, damit Druck und Temperatur im Hohlraum überall gleich sind. Tritt dieser idealfall ein, ist eine gleichmäßige Struktur des Werkstoffes und ein gleichmäßiges Schwindungsverhalten im ganzen Spritzgießteil gewährleistet, sodass keine Spannungen und kein Verzug auftreten.

Dieser ideale Vorgang lässt sich leider nicht realisieren. Fließwiederstände im Werkzeug und in der Düse bewirken einen Druckabfall während des Einspritzens. Ungleichmäßiges Abkühlen der Formmasse im Werkzeughohlraum, der auch Kavität genannt wird, ergibt eine ungleichmäßige Werkstoffstruktur.

=== Molekühlorientierung ===

[[Bild:Amorpher Thermoplast.jpg|left|300x300px]]
[[Bild:Molekühlorientierung_0001.jpg|left|300x300px]]
[[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.

=== Kristallisationsgrad ===

[[Bild:Kristallisationsgrad.jpg|left|300x300px]]

{{Mark
|Bei teilkristallinen Werkstoffen kann sich auf Grund der schnellen Abkühlung im Bereich der Formwand keine Kristallisation bilden. Der Randbreich des Spritzgießteils hat darum einen amorphen Aufbau, währen der Kern einen mehr 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)'''.

=== Fließverhalten ===

[[Bild:Fließfront.jpg|left|300x300px]]
[[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)'''.}}

=== Einflussgrößen auf den Spritzvorgang ===

[[Bild:Einflussgrößen auf den Spritzvorgang.jpg|right|300x300px]]
[[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, 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).

=== Druckverlauf ===

[[Bild:Druckverlauf.jpg|left|300x300px]][[Bild:Auswirkungen des Nachdruckes.jpg|right|300x300px]][[Bild:SGT mit Lunker.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Werkzeuginnendruck.jpg|left|300x300px]]

Durch den '''Einspritzdruck''', welcher in der Formmasse im Schneckenvorraum herrscht, wird im Formhohlraum aufgrund von Strömungswiederständen in der Düse und im Werkzeug ein zeitlich verzögerter und in der Höhe etwas geringerer '''Werkzeuginnendruck''' aufgebaut '''(Bild 1)'''. Dadurch füllt sich die Werkzeughöhlung mit Formmasse (Bild 1, '''Kurvenpunkt A''') und erzeugt die Ausformung der Konturen durch das Komprimieren (verdichten, zusammenpressen) der Formmasse. Der Maximale Werkzeuginnendruck (Bild 1, '''Kurvenpunkt B''') hängt von der Form, vom Werkstoff, von der Qualität des Spritzgießteils und vom Verhältnis zwischen Fließweg und Wanddicke ab. Dieses Verhältnis wird durch den maximalen Fließweg, den die Formmasse zurücklegen muss und der Wanddicke des Spritzgießteils gebildet '''(Bild 2)'''. Ist der gewünschte Werkzeuginnendruck erreicht, so wird der Einspritzdruck vermindert und als '''Nachdruck''' bezeichnet (Umschaltpunkt). Dieser füllt in der anschließenden Phase nur noch das Restvolumen auf und gleicht die Volumenminderung aus, die durch das Abkühlen der Schmelze eintritt. Der Innendruck fällt dabei leicht ab. Auswirkungen des Nachdruckes auf den Spritzvorgang zeigt die '''Tabelle 1'''.

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.

=== Formfüllungsgrad ===

[[Bild:Formfüllstudie.jpg|left|300x300px]]

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.

=== Abkühlung ===

[[Bild:Abkühlzeit für PS.jpg|left|300x300px]]

Wie schnell die Formstabilität der Formmasse beim Abkühlen eintritt, hängt von der '''Werkzeugtemperatur''' ab. Diese wiederum wird von der Art der Formmasse und von den Anforderungen an das Spritzgießteil sowie von der Wanddicke bestimmt '''(Bild 1)'''.
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 Vorgang vom Einspritzen der Schmelze in den Formhohlraum bis zum nächsten Einspritzvorgang bezeichnet man auch als '''Takt, Schuss''' oder '''Zyklus'''.

== '''Spritzgießmaschine''' ==

[[Bild:Spritzgießmaschiene.jpg|center|800x800px|]]

=== Die Aufgaben der Spritzgießmaschine ===

[[Bild:Aufgaben der Spritzgießmaschine.jpg|left|300x300px|]]

*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 der Form.

Die ersten beiden Aufgaben übernimmt die Spritzeinheit der Spritzmaschine, während die dritte Aufgabe die Schließeinheit durchführt.

=== Spritzeinheit ===

[[Bild:Spritzgießmaschiene_1.jpg|right|600x600px]]

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)'''.

[[Bild:Schneckenkolbenext.jpg| left|300x300px]]

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.

=== Einstellgrößen ===

[[Bild:Einstellgr Plastif.jpg|left|300x300px]]

Die Drehzahl der Schnecke richtet sich neben dem Schneckendurchmesser nach der Größe der Umfangsgeschwindigkeit, die von den Formmasseherstellern vorgegeben wird '''(Tabelle 1)'''.

[[Bild:Wirkung_des_Staud.jpg|left|300x300px]]

Der Wiederstand 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''' ==

Die Düse hat die Aufgabe, eine dichte Verbindung, möglichst ohne Druck- und Temperaturverlust, zwischen dem Spritzzylinder und dem Werkzeug herzustellen. Durch die Berührung mit dem kälteren Werkzeug kann der Düse und der verbleibenden Schmelze wärme entzogen werden. Abhilfe kann geschaffen werden, durch eine Düsenheizung sowie durch das Abheben der Düse vom Werkzeug nach der Nachdruckzeit.

=== Offene Düsen und Verschlussdüsen ===

[[Bild:offene Düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Nadelv.düse.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Schiebev.düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Quernadelv.düse.jpg|right|300x300px]]

Wenn es die Zähigkeit der Schmelze zulässt, wählt man meist eine '''offene Düse (Bild 1)'''. Die Druck- und Temperaturverluste sind wegen des glatten Kanals sehr gering. Außerdem ist die offene Düse leicht zu reinigen und zu spülen. Die Gefahr, dass Schmelze aus der Düse austreten kann, nimmt mit kleiner werdender Düsenbohrung (ca. 3- 8mm) ständig ab. Ist die Schmelze zu dünnflüssig, so müssen '''Verschlussdüsen''', z.B. Schieberverschlussdüsen '''(Bild 2)''', oder Nadelverschlussdüsen '''(Bild3)''', vorgesehen werden. Sie sind so konstruiert, das die Düsenöffnung nach jedem Einspritzvorgang verschlossen und dadurch das Ausströmen der Masse verhindert wird.
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 (RD) bei Konvexdüsen etwas kleiner ist, als der Radius der Angießbuchse (RA), 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.

== '''Schließeinheit''' ==

Die Schließeinheit nimmt an der beweglichen und an der festen Werkzeugplatte die jeweiligen Formhälften auf. Das Öffnen, Schließen und Zuhalten des Werkzeuges wird durch ein Kniehebelssystem oder durch einen vollhydraulischen Antrieb ausgeführt '''(Bild1, Spritzgießmaschine beim Thema Spritzeinheit)'''.

=== Schließkraft – Zuhaltekraft ===

[[Bild:Schließkraft.jpg|left|300x300px]][[Bild:Durchbiegung.jpg|right|300x300px]][[Bild:Stützrollen.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Schwimmhäute.jpg|left|280x280px]]

Die '''Schließkraft''' Fs ist die Kraft, die die Säulen nach dem Schließvorgang beansprucht und dehnt sowie die beiden Formhälften zusammendrückt '''(Bild 1)'''. Beim Einspritzen der Formmasse entsteht durch den Werkzeuginnendruck pw eine Auftriebskraft FA (FA= pw * A), die eine weitere Zugbeanspruchung und Dehnung der Säulen verursacht. Die Summe der Kräfte, die die Säulen beim Einspritzvorgang insgesamt belasten, wird als '''Zuhaltekraft''' Fz bezeichnet. Sie ist stets größer als die Schließkraft, und sie ist von der Steifigkeit der Maschine und des Werkzeuges abhängig.

Ist die '''Auftriebskraft''' größer als die Zuhaltekraft, so wird die Anlage zwischen den beiden Werkzeughälften aufgehoben und es tritt Schmelze zwischen den beiden Formhälften aus, die zur '''Grat'''- oder '''Schwimmhautbildung''' führt '''(Bild 2)'''. Diesen Vorgang nennt man auch '''Überspritzung''' oder '''Überladung'''.
Die '''Zuhaltekraft''' sollte trotzdem so klein wie möglich eingestellt werden, um auch einer Durchbiegung bei den Formnesttragenden Werkzeugplatten vorzubeugen. Diese '''Durchbiegung''' entsteht dadurch, dass beim Einspritzen der Werkzeuginnendruck versucht, die beiden Formhälften überwiegend im Bereich der Formhohlräume auseinander zu drücken, während die Zuhaltekräfte nur im Bereich der direkten Kraftübertragung wirken (Bild 1). Die Durchbiegung ist besonders groß bei geringer Steifigkeit der Platten und um die Bereiche gegenüber der düsenseitigen Zentrierbohrung und vor allem gegenüber dem Auswerfersystem '''(Bild 3)'''.
Die Durchbiegung führt zur Gratbildung und u.U. dazu, dass nicht der größtmögliche Einspritzdruck gewählt werden kann. Abhilfe kann dadurch geschaffen werden, dass zusätzliche Stützrollen vorgesehen werden, die mit einem Übermaß von 0,03mm … 0,05mm gegenüber den äußeren Abstützungen eingebaut werden '''(Bild 4)'''.
Auch wegen der beim Einspritzen erforderlichen Entlüftung der Werkzeughöhlung über die Berührungsflächen der beiden Formhälften sollte die Schließkraft so niedrig wie möglich sein.

== '''Gestalten von Spritzgießteilen''' ==

=== Maßtoleranzen bei Spritzgießteilen ===

[[Bild:Maßarten.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle1 Ermittlung.jpg|right|300x300px]]

Die erzielbaren Toleranzen sind größtenteils abhängig von der Schwindung, den Formmassen und der Art der Maße, wobei natürlich auch die Qualität der Spritzgießmaschine und des Werkzeuges eine Rolle spielen.

So lassen sich mit amorphen Formmassen kleinere Toleranzen leichter einhalten als mit teilkristallinen. '''Werkzeuggebundene''' Maße lassen sich genauer herstellen als '''nicht werkzeuggebundene''' Maße '''(Bild 1)'''.

DIN 16 901 bildet bei der Festlegung der Toleranzen zuerst Toleranzgruppen in Abhängigkeit der Formmassen und Schwindungskennwerte (siehe Tabellenbuch). Bezogen auf diese Toleranzgruppen und die festgelegte Maßart werden dann den verschiedenen Nennmaßbereichen die zulässigen Abweichungen zugeordnet.

Die Ermittlung der Allgemeintoleranz für das werkzeuggebundene Maß a im Bild 1, das 35mm betragen soll, zeigt die Tabelle 1.

=== Richtlinien zur Gestaltung von Spritzgießteilen (VDI 2006) ===

[[Bild:Mindetwanddicke.jpg|left|300x300px]][[Bild:Gestaltungsbeispiele.jpg|right|300x300px]]

Die Wanddicken müssen groß genug sein, damit die Formmasse das Werkzeug sicher füllen kann, ehe sie zu stark abkühlt oder ausgehärtet ist. Deshalb ist die '''Mindestwanddicke''' in Abhängigkeit vom '''Fließweg''' im Werkzeug und der Fließfähigkeit der Formmasse zu wählen '''(Bild 2)''' und Bild 2: Werkzeuginnendruck für einfache Teile beim Thema Druckverlauf).

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)'''.

[[Bild:Neigung.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle rautiefe.jpg|right|300x300px]][[Bild:Verzug.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Winkelverzug.jpg|left|300x300px]]

Um das Spritzgießteil leicht und schnell aus der Form entfernen zu können, müssen alle Flächen des Werkstückes, die in Öffnungsrichtung der Form liegen, eine leichte '''Neigung''' erhalten '''(Bild 1)'''. Zusätzlich muss sichergestellt sein, dass das Spritzgießteil beim Öffnen der Form von der schließseitigen Formhälfte mitgenommen und von der Auswerfervorrichtung entfernt wird. Weiterhin hängen die Entformungsschrägen speziell bei strukturierten Oberflächen von der Oberflächenrauigkeit der abzubildenden Kavitäten ab. Die Struktur kann aufgrund ihrer Tiefe wie eine Verzahnung zwischen Formteil und Werkzeugoberfläche wirken und somit die Entformung erschweren. Die Lage der Strukturrichtung parallel oder senkrecht zur Entformungsrichtung und die Materialpaarung Stahl- Kunststoffmasse ist von entscheidender Bedeutung '''(Tabelle 1)'''.

Als einfache Näherung sollte für eine Strukturtiefe von 0,02mm pro 1° Entformungsschrägen bei senkrechter Lage zur Entformungsrichtung nicht überschritten werden. Scharfe Ecken und Kanten können beim Einspritzvorgang des Kunststoffmaterials so stark scheren, dass es zu einer thermischen Schädigung des Kunststoffes kommen kann.

Eine Abrundung bei Umlenkungen wirkt nicht nur der Scherung entgegen, sondern auch dem '''Winkelverzug''' und der Kerbwirkung im Eckbereich. Der mögliche Verzug des Formteils wird in '''(Bild 2)''' dargestellt. Da die dünnen Formteilbereiche schneller abkühlen, werden sie durch die Schrumpfkraft der dickeren verformt.

In '''Bild 3''' kann das Volumenelement '''a''' seine Erstarrungswärme nur stark verzögert an das Werkzeug abgeben. Volumenelement '''b''' kühlt dagegen rascher ab, da es an zwei Seiten an das Werkzeug grenzt. Es entsteht ein '''Winkelverzug'''. Diesem kann durch Abrunden und durch verringerung der Wandstärke im Eckbereich entgegengewirkt werden.

== '''Schwindung''' ==

[[Bild:Tabelle1 Anhaltsw.jpg|left|600x600px]]

Bei der Festlegung des Formhohlraumes müssen die Schwindung und evtl. die Nachschwindung berücksichtigt werden.

Unter Schwindung versteht man die Maßänderung von Werkstücken durch das Zusammenziehen des Werkstoffes beim Abkühlen als Maßunterschied zwischen Werkzeugkavität und Formteil. Bei der Erfassung dieser Schwindung '''(Tabelle 1)''' kommt erschwerend hinzu, dass die Schwindungsdifferenz sowie die Nachschwindung berücksichtigt werden müssen.

Eine '''Schwindungsdifferenz''' tritt dann auf, wenn die Schwindungen in Fließrichtung und quer dazu unterschiedlich groß sind. Der Unterschied zwischen Längs- und Querschwindung ist die Schwindungsdifferenz. Bei einer größeren Schwindungsdifferenz kann dies zu Verwindungen oder zum Verzug des spritzgegossenen Formteils führen.

Die Formteilgeometrie und die Angusslage können Molekülorientierungen hervorrufen, wodurch die Schwindungsdifferenz beeinflusst werden kann. Durch die Verwendung von Füllstoffen kann die Schwindung vermindert werden. Bei faserigen Verstärkungsstoffen kann durch die Faserorientierung im Bauteil eine sehr große Schwindungsdifferenz entstehen. Die Temperaturdifferenz während der Verarbeitung und der Gebrauchstemperatur des Formteils ergibt eine vernachlässigbare Längenänderung der Glasfasern. Sind nun Glasfasern in einem Formteil durch den Materialfluss während des Füllvorganges stark orientiert, schwindet das Formteil quer zur Faser wesentlich stärker als längs dazu. Werden zum Beispiel Glaskugeln zugemischt, wird insgesamt eine geringere Schwindung beobachtet.

Die '''Nachschwindung''' ist der Unterschied zwischen dem Maß eines auf Raumtemperatur abgekühlten Spritzgießteils und dem Maß desselben Spritzgießteils nach der Einwirkung einer bestimmten Temperatur. Sie verursacht eine Nachkristallisation und kann während des Gebrauches oder auch gezielt durch Tempern eingebracht werden. Durch die Naschwindungen werden die Fertigteilabmessungen nochmals kleiner.

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.

== '''Aufbau von Spritzgießwerkzeugen''' ==

[[Bild:Spritzgießwerkzeug.jpg|center|900x600px]]

=== Einleitung der Spritzgießwerkzeuge ===

[[Bild:Tabell1 Einleitung.jpg|left|400x300px]]

Die Vielzahl der Unterschiedlichen Spritzgießanwendungen erfordert verschiedene Werkzeugarten. Sie werden nach Anzahl der Formhohlräume, nach Art des Angusssystems, nach Anzahl der Trennebenen und nach Art der Entformung unterschieden. Die unterschiedlichen Verarbeitungsmöglichkeiten im Spritzgießbereich führen zu einer Vielzahl von Sonderverfahren, welche nicht alle in der Übersicht '''(Tabelle 1)''' aufgeführt werden können.

== '''Angusssysteme''' ==

[[Bild:Angusssystem.jpg|left|300x300px]]

Der Anguss ist ein System von Strömungswegen, in denen die fließfähige Formmasse von der Düse der Spritzeinheit zur Formhöhlung (Kavität) fließt.

Dieses System kann aus dem Angusskegel, den Verteilerkanälen, der sog. Angussspinne und dem Anschnitt bestehen '''(Bild 1)'''. Bei Einfachwerkzeugen können sich die Strömungswege auf eine kegelige Bohrung beschränken, die direkt in die Formhöhlung mündet. Die Stelle, an der der Anguss in die Formhöhlung eintritt, nennt man den '''Anschnitt'''.
Den Zeitpunkt nach dem der Anschnitt „eingefroren“ (d.h. erstarrt) ist und somit der Nachdruck nicht mehr wirken kann, nennt man '''Siegelpunkt'''. Ein längeres Nachdrücken über diesen Zeitpunkt hinaus ist unnötig.

Der Zeitpunkt des Erstarrens kann durch eine Innendruckmessung oder durch das Bestimmen der Formteilmasse ermittelt werden. Das maximale Formteilgewicht ist erreicht, wenn der Anschnitt eingefroren ist.

Der Anguss ist so zu gestalten, dass die flüssige Masse möglichst auf kürzestem Wege, mit geringstem Wärme- und Druckverlust die Kavitäten gleichzeitig füllt. Die Querschnitte der Strömungswege müssen so bemessen sein, dass eine gleichmäßige Füllung des Angusssystems sowie der Formhöhlung erreicht wird.

=== Angussformen ===

Die Angussform ist so zu wählen, dass für den speziellen Fall die bereits erwähnten Forderungen erfüllt werden können. Außerdem müssen noch folgende Einflussgrößen berücksichtigt werden.

* Formteilgeometrie und Formteilvolumen
* Viskosität der Formmasse
* Art des Spritzgießwerkzeuges
* Fließweglänge

=== Stangen- oder Kegelanguss ===

[[Bild:Stangen& P.Anguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Stangenanguss.jpg|right|300x300px]]

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.

=== Punktanguss ===

[[Bild:Punktanguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Vergr. Vorkammer.jpg|right|300x300px]]

Beim Entformen reißt der Punktanguss am kleinsten Querschnitt ab und bleibt als Angusszäpfchen am Spritzgießteil '''(Bild 2b zum Thema Stangen und Punktanguss''' und '''Bild 4 Punktanguss mit Vorkammer)'''. Es entsteht dadurch keine Nacharbeit und keine optisch störende Bearbeitungsfläche wie beim Stangenanguss. Außerdem muss der Anguss, also die Formmasse, in der Vorkammer nicht entformt werden.

Der Punktanguss wird besonders für kleinteile und Massenartikel in Einfach- und Mehrfachwerkzeugen vorgesehen, sowie für Mehrfachangüsse bei einem größeren Formteil. Dann muss zum Entformen des Angussverteilers mit einem Dreiplattenwerkzeug gearbeitet werden.

Je kleiner die Bohrung des Punktangusses ist, desto leichter geht das Abreißen vor sich. Dabei ist jedoch neben der Wanddicke die Zähflüssigkeit (Viskosität) der Schmelze, sowie die Temperatur zu beachten.

[[Bild:Vork. mit v. Düsens..jpg|left|300x300px]][[Bild:Vork. m. beh. K-B.sp.jpg|right|300x300px]]

Kann die Formhöhlung durch den kleinen Punktanguss nicht mehr schnell genug gefüllt werden, so kühlt die Schmelze in der '''Vorkammer''' vorzeitig ab, so dass sie unter Umständen von Hand entfernt werden muss.

Deshalb wird die Vorkammer etwas vergrößert, so das die an der Innenwandung haftende abgekühlte Masse als Isolator wirkt '''(Bild 1)'''.

Der Kern der Schmelze, die sog. Plastische Seele, bleibt im Angussbereich flüssig. Die Verweildauer der Schmelze in der Vorkammer sollte aber nicht zu lang sein. Kurze Zyklen, d. h. mehrmaliges Einspritzen pro Minute, sind für das Funktionieren des Systems notwendig.

Ist die Spritzhäufigkeit nicht möglich, so wird eine Kupfer- Beryllium- Spitze in die Vorkammer eingeführt. Der Raum zwischen Kupferspitze und Innenwandung der Vorkammer füllt sich mit erkalteter Masse, die dann als Isolierung wirkt. Die Kupferspitze nimmt über die Düse genügend wärme auf, um die Masse im inneren flüssig zu halten '''(Bild 2)'''.

Eine weitere Möglichkeit, die Abkühlung der Formmasse zu verhindern, besteht darin, die Vorkammer durch spezielle Heizpatronen zu erwärmen '''(Bild 3)'''.

=== Teller- und Scheibenanguss ===

[[Bild:Telleranguss.jpg|left|300x300px]]

Teller- und Scheibenangüsse werden für ringförmige Spritzgießteile vorgesehen '''(Bild 1a)'''. Würde man hier mit einem Punktanguss oder mit zwei Anbindungen arbeiten, so entstünde eine '''Binde-''' und '''Fließnaht (Bild 1b)'''. Sie entsteht, wenn zwei Masseströme sich aufgrund vorzeitiger Abkühlung nicht mehr miteinander verbinden. Je kälter die zusammentreffenden Masseströme sind, desto sichtbarer sind die Bindenähte und umso geringer ist die Festigkeit. Bindenähte entstehen auch, wenn sich Masseströme an einem Kern teilen und sich wieder miteinander verbinden müssen.

Diese Qualitätsminderung kann z.B. durch die Erhöhung der Werkzeugtemperatur teilweise reduziert werden. Mit einer Zykluszeiterhöhung ist zu rechnen.

=== Schirmanguss ===

[[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)'''.

=== Ringanguss ===

[[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.

=== Film- oder Bandanguss ===

Flache teile schneidet man zweckmäßigerweise über ein seitliches oder zentrales Band, dem Filmanguss, an. Dadurch lassen sich, wie bei einem Einzelpunktanguss, ungünstige Fließverhältnisse, oder wie bei Mehrfachpunktangüssen, störende Bindenähte vermeiden '''(Bild 2c)'''.

Ebenso lässt sich die Verzugsneigung durch gleichmäßige Druckverhältnisse positiv beeinflussen.
Eine weitere Anwendung ist deshalb die Herstellung optischer Formteile, wie durchsichtige Abdeckungen und optische Linsen.

Filmanschnitte erfordern eine Nacharbeit durch abtrennen des Angusses.

=== Tunnelanguss ===

[[Bild:Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Beim Tunnelanguss wird das Spritzgießteil seitlich oder an den verdeckten Flächen oder an anderen problemlosen Stellen angespritzt und automatisch beim öffnen der Formhälften, oder beim Ausstoßen vom Angusssystem, getrennt (Bild 1).

Der Verteilerkanal führt entlang der Trennfläche nicht direkt in die Formhöhlung, sondern er geht kurz zuvor schräg als konischer Tunnel durch die düsenseitige Werkzeughälfte in den Formhohlraum.
Wird die schließseitige Formhälfte zurückgezogen, so müssen das Spritzgießteil und das Angießsystem mitgenommen werden. Dabei wird der Tunnelanguss am Anschnitt durch eine Schneidkante abgeschert '''(Bild 1)'''.

Das Mitnehmen des Formteils muss durch Aufschrumpfen auf den Kern geschehen, und die des Angusses durch einen eingearbeiteten Hinterschnitt.

Anschließend wird das Spritzgießteil und das Angießsystem durch die Auswerfer entformt.

Wird ein Tunnelanguss vorgesehen, so muss beachtet werden, dass sich der vom Formteil getrennte Anguss beim öffnen der Werkzeughälften ausreichend biegen muss. Damit der Anguss nicht bricht, muss er eine ausreichende Konizität haben und frei biegbar sein, möglichst mit einem definierten Biegepunkt.

Die Formmasse sollte zähelastisch oder beim Entformen noch nicht vollständig erstarrt sein. Nur dann arbeitet das System störungsfrei. Da beim Tunnelanguss die Druckverluste hoch sind, wird er überwiegend zu Herstellung einfacher und kleiner Spritzgießteile in Mehrfachwerkzeugen verwendet.

=== Gebogener Tunnelanguss ===

[[Bild:geb. Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Der gebogene Tunnelanguss, auch Haken- oder Säbelanguss genannt '''(Bild 2)''', bietet die Möglichkeit ein Spritzgießteil auf der Rückseite oder an verdeckter Stelle anzubinden.

Das Entformungsprinzip entspricht dem des Tunnelangusses. Die Verwendung ist auf elastische Formmassen beschrängt. Die große Durchbiegung bei der Entformung erfolgt während der Ausstoßbewegung.

Durch den geringen Fließquerschnitt im Anschnittbereich entstehen große Druckverluste. Dadurch ist dieses Angusssystem nur für einfache Artikel verwendbar.

=== Angießmöglichkeiten für Mehrfachwerkzeuge ===

[[Bild:Verteilersterne.jpg|left|300x300px]][[Bild:Reihenanguss.jpg|right|300x300px]]

In einem Mehrfachwerkzeug werden in einem Spritzvorgang mehrere Spritzgießteile gleichzeitig hergestellt. Liegen die Formhöhlungen, auch Formnester genannt, in der Trennfläche, so werden diese über Verteilerkanäle mit Schmelze versorgt '''(Bild 1)'''.

Liegen die Formhöhlungen zentrisch um den Mittelpunkt des Angusskegels, so nennt man das System der Verteilerkanäle '''Verteilersterne'''. Bei den Verteilersternen in '''Bild 1a''' sind die Fließwege der Formmassen gleich lang. Der Vorteil des Verteilersterns mit Ringkanal in '''Bild 1b''' liegt darin, dass die Gesamtlänge der Verteilerkanäle kürzer ist. Beim '''Reihenanguss''' '''(Bild 2)''' sind die Fließwege unterschiedlich lang, was zu einer geringeren Qualität des Spritzgießteils führen kann. Bild 2 zeigt ein Beispiel für eine ungleichmäßige Füllung der Formhohlräume. Diesen Nachteil kann man durch unterschiedliche Anschnittquerschnitte ausgleichen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der größeren Anzahl der gleichzeitig herstellbaren Spritzgießteile.

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.

=== Verteilerkanal- und Anschnittform ===

[[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.

Beim runden Anschnitt ist die Einarbeitung ebenfalls in beide Formhälften notwendig. Wird der rechteckige Querschnitt gewählt, so muss darauf geachtet werden, dass die Breite des Anschnittes ungefähr 2mm kleiner als der Verteilerkanal ist (Bild 3).

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''' ==

=== Dreiplattenwerkzeug ===

[[Bild:Dreiplattenwerkz.jpg|left|300x300px]]

Höhere Spritzgiezteile werden deshalb vom Boden her zentral angespritzt. 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.

=== Isolierkanalwerkzeug ===

[[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.

=== Etagenwerkzeug ===

[[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.

=== Heißkanalsysteme ===

[[Bild:Heißkanalwerkzeug.jpg|left|300x300px]]

Im Heißkanalsystem '''(Bild 1)''' wird die in den Verteilerkanälen enthaltene Masse durch Heizpatronen oder/ und Rohrheizkörper '''(Bild 2)''' ständig auf Schmelztemperatur gehalten. Um einen Wärmeübergang vom Heißkanalbereich auf das wesentlich kühlere Werkzeug zu meiden, müssen die Kontaktflächen minimiert, ein isolierend wirkender Luftspalt sowie Reflektorbleche vorgesehen werden. Thermofühler in verbindung mit einem Regelkreis sorgen für eine möglichst gleichmäßige Temperatur im Angießsystem.

Es werden außen- und innenbeheizte Heißkanalsysteme unterschieden.

'''Außenbeheizte''' Heißkanalsysteme transportieren Wärmeenergie von außen in den Verteilerkanal (Bild 2a).

'''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
* Anspritzpunkte in großer Entfernung von der Plastifiziereinheit realisierbar
* keine Nacharbeit zum Entfernen des Angusses
* Etagenwerkzeuge nur mit Heißkanalsystemen möglich

Die '''Nachteile''' von Heizkanalwerkzeugen sind:
* hohe Energiekosten
* größere Werkzeugeinbauhöhe
* höhere Werkzeugkosten
* Farb- und Materialwechsel schwierig

'''Anwendung''':
* Großserienwerkzeuge, große Losgrößen
* große Formteile mit mehreren Anspritzpunkten

== '''Sonstiges''' ==

Zur Vollständigkeit einer Spritzgießanlage müssen noch folgende Punkte genannt werden:
* die Werkzeugtemperierung, sie regelt die Wärme zu- und abführ (Kühlssystem)
* Serielle Anordnung des Kühlkreislaufes
* Parallele Anordnung des Kühlkreislaufes
* Entformungssysteme (Auswerfeinrichtungen), sie stoßen das Werkstück aus
* Auswerfsysteme bei Hinterschneidungen (äußere und innere Hinterschneidungen)
* Bewegliche Kernsegmente
* Elastische Zwangsentformung
* Zusammenfaltbarer Kern
* Entformung durch Rotation des Formteils
* Werkzeugentlüftung, um die Formen schnell genug zu füllen.

== '''Quellen''' ==

# Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Verlag, 53. Auflage
# Der Werkzeugbau, Europa Lehrmittel Verlag, 13. Auflage

[[Kategorie:Fertigungstechnik]]

Spritzgießen

2009-04-22T20:08:18Z

Sandra Kellinghusen: /* Punktanguss */

== '''Spritzgießen''' ==

=== Einleitung ===

Beim Spritzgießen werden überwiegend Thermoplaste1 im plastifizierten, fließfähigen Zustand in geteilte und 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|]]

=== 1Thermoplaste: ===
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.

=== Vorgänge beim Spritzgießen ===

[[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.

=== Werkstoffverhalten ===

Die Plastifizierte Formmasse sollte so schnell wie möglich in den Formhohlraum eingesprizt werden, damit Druck und Temperatur im Hohlraum überall gleich sind. Tritt dieser idealfall ein, ist eine gleichmäßige Struktur des Werkstoffes und ein gleichmäßiges Schwindungsverhalten im ganzen Spritzgießteil gewährleistet, sodass keine Spannungen und kein Verzug auftreten.

Dieser ideale Vorgang lässt sich leider nicht realisieren. Fließwiederstände im Werkzeug und in der Düse bewirken einen Druckabfall während des Einspritzens. Ungleichmäßiges Abkühlen der Formmasse im Werkzeughohlraum, der auch Kavität genannt wird, ergibt eine ungleichmäßige Werkstoffstruktur.

=== Molekühlorientierung ===

[[Bild:Amorpher Thermoplast.jpg|left|300x300px]]
[[Bild:Molekühlorientierung_0001.jpg|left|300x300px]]
[[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.

=== Kristallisationsgrad ===

[[Bild:Kristallisationsgrad.jpg|left|300x300px]]

{{Mark
|Bei teilkristallinen Werkstoffen kann sich auf Grund der schnellen Abkühlung im Bereich der Formwand keine Kristallisation bilden. Der Randbreich des Spritzgießteils hat darum einen amorphen Aufbau, währen der Kern einen mehr 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)'''.

=== Fließverhalten ===

[[Bild:Fließfront.jpg|left|300x300px]]
[[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)'''.}}

=== Einflussgrößen auf den Spritzvorgang ===

[[Bild:Einflussgrößen auf den Spritzvorgang.jpg|right|300x300px]]
[[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, 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).

=== Druckverlauf ===

[[Bild:Druckverlauf.jpg|left|300x300px]][[Bild:Auswirkungen des Nachdruckes.jpg|right|300x300px]][[Bild:SGT mit Lunker.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Werkzeuginnendruck.jpg|left|300x300px]]

Durch den '''Einspritzdruck''', welcher in der Formmasse im Schneckenvorraum herrscht, wird im Formhohlraum aufgrund von Strömungswiederständen in der Düse und im Werkzeug ein zeitlich verzögerter und in der Höhe etwas geringerer '''Werkzeuginnendruck''' aufgebaut '''(Bild 1)'''. Dadurch füllt sich die Werkzeughöhlung mit Formmasse (Bild 1, '''Kurvenpunkt A''') und erzeugt die Ausformung der Konturen durch das Komprimieren (verdichten, zusammenpressen) der Formmasse. Der Maximale Werkzeuginnendruck (Bild 1, '''Kurvenpunkt B''') hängt von der Form, vom Werkstoff, von der Qualität des Spritzgießteils und vom Verhältnis zwischen Fließweg und Wanddicke ab. Dieses Verhältnis wird durch den maximalen Fließweg, den die Formmasse zurücklegen muss und der Wanddicke des Spritzgießteils gebildet '''(Bild 2)'''. Ist der gewünschte Werkzeuginnendruck erreicht, so wird der Einspritzdruck vermindert und als '''Nachdruck''' bezeichnet (Umschaltpunkt). Dieser füllt in der anschließenden Phase nur noch das Restvolumen auf und gleicht die Volumenminderung aus, die durch das Abkühlen der Schmelze eintritt. Der Innendruck fällt dabei leicht ab. Auswirkungen des Nachdruckes auf den Spritzvorgang zeigt die '''Tabelle 1'''.

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.

=== Formfüllungsgrad ===

[[Bild:Formfüllstudie.jpg|left|300x300px]]

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.

=== Abkühlung ===

[[Bild:Abkühlzeit für PS.jpg|left|300x300px]]

Wie schnell die Formstabilität der Formmasse beim Abkühlen eintritt, hängt von der '''Werkzeugtemperatur''' ab. Diese wiederum wird von der Art der Formmasse und von den Anforderungen an das Spritzgießteil sowie von der Wanddicke bestimmt '''(Bild 1)'''.
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 Vorgang vom Einspritzen der Schmelze in den Formhohlraum bis zum nächsten Einspritzvorgang bezeichnet man auch als '''Takt, Schuss''' oder '''Zyklus'''.

== '''Spritzgießmaschine''' ==

[[Bild:Spritzgießmaschiene.jpg|center|800x800px|]]

=== Die Aufgaben der Spritzgießmaschine ===

[[Bild:Aufgaben der Spritzgießmaschine.jpg|left|300x300px|]]

*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 der Form.

Die ersten beiden Aufgaben übernimmt die Spritzeinheit der Spritzmaschine, während die dritte Aufgabe die Schließeinheit durchführt.

=== Spritzeinheit ===

[[Bild:Spritzgießmaschiene_1.jpg|right|600x600px]]

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)'''.

[[Bild:Schneckenkolbenext.jpg| left|300x300px]]

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.

=== Einstellgrößen ===

[[Bild:Einstellgr Plastif.jpg|left|300x300px]]

Die Drehzahl der Schnecke richtet sich neben dem Schneckendurchmesser nach der Größe der Umfangsgeschwindigkeit, die von den Formmasseherstellern vorgegeben wird '''(Tabelle 1)'''.

[[Bild:Wirkung_des_Staud.jpg|left|300x300px]]

Der Wiederstand 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''' ==

Die Düse hat die Aufgabe, eine dichte Verbindung, möglichst ohne Druck- und Temperaturverlust, zwischen dem Spritzzylinder und dem Werkzeug herzustellen. Durch die Berührung mit dem kälteren Werkzeug kann der Düse und der verbleibenden Schmelze wärme entzogen werden. Abhilfe kann geschaffen werden, durch eine Düsenheizung sowie durch das Abheben der Düse vom Werkzeug nach der Nachdruckzeit.

=== Offene Düsen und Verschlussdüsen ===

[[Bild:offene Düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Nadelv.düse.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Schiebev.düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Quernadelv.düse.jpg|right|300x300px]]

Wenn es die Zähigkeit der Schmelze zulässt, wählt man meist eine '''offene Düse (Bild 1)'''. Die Druck- und Temperaturverluste sind wegen des glatten Kanals sehr gering. Außerdem ist die offene Düse leicht zu reinigen und zu spülen. Die Gefahr, dass Schmelze aus der Düse austreten kann, nimmt mit kleiner werdender Düsenbohrung (ca. 3- 8mm) ständig ab. Ist die Schmelze zu dünnflüssig, so müssen '''Verschlussdüsen''', z.B. Schieberverschlussdüsen '''(Bild 2)''', oder Nadelverschlussdüsen '''(Bild3)''', vorgesehen werden. Sie sind so konstruiert, das die Düsenöffnung nach jedem Einspritzvorgang verschlossen und dadurch das Ausströmen der Masse verhindert wird.
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 (RD) bei Konvexdüsen etwas kleiner ist, als der Radius der Angießbuchse (RA), 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.

== '''Schließeinheit''' ==

Die Schließeinheit nimmt an der beweglichen und an der festen Werkzeugplatte die jeweiligen Formhälften auf. Das Öffnen, Schließen und Zuhalten des Werkzeuges wird durch ein Kniehebelssystem oder durch einen vollhydraulischen Antrieb ausgeführt '''(Bild1, Spritzgießmaschine beim Thema Spritzeinheit)'''.

=== Schließkraft – Zuhaltekraft ===

[[Bild:Schließkraft.jpg|left|300x300px]][[Bild:Durchbiegung.jpg|right|300x300px]][[Bild:Stützrollen.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Schwimmhäute.jpg|left|280x280px]]

Die '''Schließkraft''' Fs ist die Kraft, die die Säulen nach dem Schließvorgang beansprucht und dehnt sowie die beiden Formhälften zusammendrückt '''(Bild 1)'''. Beim Einspritzen der Formmasse entsteht durch den Werkzeuginnendruck pw eine Auftriebskraft FA (FA= pw * A), die eine weitere Zugbeanspruchung und Dehnung der Säulen verursacht. Die Summe der Kräfte, die die Säulen beim Einspritzvorgang insgesamt belasten, wird als '''Zuhaltekraft''' Fz bezeichnet. Sie ist stets größer als die Schließkraft, und sie ist von der Steifigkeit der Maschine und des Werkzeuges abhängig.

Ist die '''Auftriebskraft''' größer als die Zuhaltekraft, so wird die Anlage zwischen den beiden Werkzeughälften aufgehoben und es tritt Schmelze zwischen den beiden Formhälften aus, die zur '''Grat'''- oder '''Schwimmhautbildung''' führt '''(Bild 2)'''. Diesen Vorgang nennt man auch '''Überspritzung''' oder '''Überladung'''.
Die '''Zuhaltekraft''' sollte trotzdem so klein wie möglich eingestellt werden, um auch einer Durchbiegung bei den Formnesttragenden Werkzeugplatten vorzubeugen. Diese '''Durchbiegung''' entsteht dadurch, dass beim Einspritzen der Werkzeuginnendruck versucht, die beiden Formhälften überwiegend im Bereich der Formhohlräume auseinander zu drücken, während die Zuhaltekräfte nur im Bereich der direkten Kraftübertragung wirken (Bild 1). Die Durchbiegung ist besonders groß bei geringer Steifigkeit der Platten und um die Bereiche gegenüber der düsenseitigen Zentrierbohrung und vor allem gegenüber dem Auswerfersystem '''(Bild 3)'''.
Die Durchbiegung führt zur Gratbildung und u.U. dazu, dass nicht der größtmögliche Einspritzdruck gewählt werden kann. Abhilfe kann dadurch geschaffen werden, dass zusätzliche Stützrollen vorgesehen werden, die mit einem Übermaß von 0,03mm … 0,05mm gegenüber den äußeren Abstützungen eingebaut werden '''(Bild 4)'''.
Auch wegen der beim Einspritzen erforderlichen Entlüftung der Werkzeughöhlung über die Berührungsflächen der beiden Formhälften sollte die Schließkraft so niedrig wie möglich sein.

== '''Gestalten von Spritzgießteilen''' ==

=== Maßtoleranzen bei Spritzgießteilen ===

[[Bild:Maßarten.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle1 Ermittlung.jpg|right|300x300px]]

Die erzielbaren Toleranzen sind größtenteils abhängig von der Schwindung, den Formmassen und der Art der Maße, wobei natürlich auch die Qualität der Spritzgießmaschine und des Werkzeuges eine Rolle spielen.

So lassen sich mit amorphen Formmassen kleinere Toleranzen leichter einhalten als mit teilkristallinen. '''Werkzeuggebundene''' Maße lassen sich genauer herstellen als '''nicht werkzeuggebundene''' Maße '''(Bild 1)'''.

DIN 16 901 bildet bei der Festlegung der Toleranzen zuerst Toleranzgruppen in Abhängigkeit der Formmassen und Schwindungskennwerte (siehe Tabellenbuch). Bezogen auf diese Toleranzgruppen und die festgelegte Maßart werden dann den verschiedenen Nennmaßbereichen die zulässigen Abweichungen zugeordnet.

Die Ermittlung der Allgemeintoleranz für das werkzeuggebundene Maß a im Bild 1, das 35mm betragen soll, zeigt die Tabelle 1.

=== Richtlinien zur Gestaltung von Spritzgießteilen (VDI 2006) ===

[[Bild:Mindetwanddicke.jpg|left|300x300px]][[Bild:Gestaltungsbeispiele.jpg|right|300x300px]]

Die Wanddicken müssen groß genug sein, damit die Formmasse das Werkzeug sicher füllen kann, ehe sie zu stark abkühlt oder ausgehärtet ist. Deshalb ist die '''Mindestwanddicke''' in Abhängigkeit vom '''Fließweg''' im Werkzeug und der Fließfähigkeit der Formmasse zu wählen '''(Bild 2)''' und Bild 2: Werkzeuginnendruck für einfache Teile beim Thema Druckverlauf).

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)'''.

[[Bild:Neigung.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle rautiefe.jpg|right|300x300px]][[Bild:Verzug.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Winkelverzug.jpg|left|300x300px]]

Um das Spritzgießteil leicht und schnell aus der Form entfernen zu können, müssen alle Flächen des Werkstückes, die in Öffnungsrichtung der Form liegen, eine leichte '''Neigung''' erhalten '''(Bild 1)'''. Zusätzlich muss sichergestellt sein, dass das Spritzgießteil beim Öffnen der Form von der schließseitigen Formhälfte mitgenommen und von der Auswerfervorrichtung entfernt wird. Weiterhin hängen die Entformungsschrägen speziell bei strukturierten Oberflächen von der Oberflächenrauigkeit der abzubildenden Kavitäten ab. Die Struktur kann aufgrund ihrer Tiefe wie eine Verzahnung zwischen Formteil und Werkzeugoberfläche wirken und somit die Entformung erschweren. Die Lage der Strukturrichtung parallel oder senkrecht zur Entformungsrichtung und die Materialpaarung Stahl- Kunststoffmasse ist von entscheidender Bedeutung '''(Tabelle 1)'''.

Als einfache Näherung sollte für eine Strukturtiefe von 0,02mm pro 1° Entformungsschrägen bei senkrechter Lage zur Entformungsrichtung nicht überschritten werden. Scharfe Ecken und Kanten können beim Einspritzvorgang des Kunststoffmaterials so stark scheren, dass es zu einer thermischen Schädigung des Kunststoffes kommen kann.

Eine Abrundung bei Umlenkungen wirkt nicht nur der Scherung entgegen, sondern auch dem '''Winkelverzug''' und der Kerbwirkung im Eckbereich. Der mögliche Verzug des Formteils wird in '''(Bild 2)''' dargestellt. Da die dünnen Formteilbereiche schneller abkühlen, werden sie durch die Schrumpfkraft der dickeren verformt.

In '''Bild 3''' kann das Volumenelement '''a''' seine Erstarrungswärme nur stark verzögert an das Werkzeug abgeben. Volumenelement '''b''' kühlt dagegen rascher ab, da es an zwei Seiten an das Werkzeug grenzt. Es entsteht ein '''Winkelverzug'''. Diesem kann durch Abrunden und durch verringerung der Wandstärke im Eckbereich entgegengewirkt werden.

== '''Schwindung''' ==

[[Bild:Tabelle1 Anhaltsw.jpg|left|600x600px]]

Bei der Festlegung des Formhohlraumes müssen die Schwindung und evtl. die Nachschwindung berücksichtigt werden.

Unter Schwindung versteht man die Maßänderung von Werkstücken durch das Zusammenziehen des Werkstoffes beim Abkühlen als Maßunterschied zwischen Werkzeugkavität und Formteil. Bei der Erfassung dieser Schwindung '''(Tabelle 1)''' kommt erschwerend hinzu, dass die Schwindungsdifferenz sowie die Nachschwindung berücksichtigt werden müssen.

Eine '''Schwindungsdifferenz''' tritt dann auf, wenn die Schwindungen in Fließrichtung und quer dazu unterschiedlich groß sind. Der Unterschied zwischen Längs- und Querschwindung ist die Schwindungsdifferenz. Bei einer größeren Schwindungsdifferenz kann dies zu Verwindungen oder zum Verzug des spritzgegossenen Formteils führen.

Die Formteilgeometrie und die Angusslage können Molekülorientierungen hervorrufen, wodurch die Schwindungsdifferenz beeinflusst werden kann. Durch die Verwendung von Füllstoffen kann die Schwindung vermindert werden. Bei faserigen Verstärkungsstoffen kann durch die Faserorientierung im Bauteil eine sehr große Schwindungsdifferenz entstehen. Die Temperaturdifferenz während der Verarbeitung und der Gebrauchstemperatur des Formteils ergibt eine vernachlässigbare Längenänderung der Glasfasern. Sind nun Glasfasern in einem Formteil durch den Materialfluss während des Füllvorganges stark orientiert, schwindet das Formteil quer zur Faser wesentlich stärker als längs dazu. Werden zum Beispiel Glaskugeln zugemischt, wird insgesamt eine geringere Schwindung beobachtet.

Die '''Nachschwindung''' ist der Unterschied zwischen dem Maß eines auf Raumtemperatur abgekühlten Spritzgießteils und dem Maß desselben Spritzgießteils nach der Einwirkung einer bestimmten Temperatur. Sie verursacht eine Nachkristallisation und kann während des Gebrauches oder auch gezielt durch Tempern eingebracht werden. Durch die Naschwindungen werden die Fertigteilabmessungen nochmals kleiner.

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.

== '''Aufbau von Spritzgießwerkzeugen''' ==

[[Bild:Spritzgießwerkzeug.jpg|center|900x600px]]

=== Einleitung der Spritzgießwerkzeuge ===

[[Bild:Tabell1 Einleitung.jpg|left|400x300px]]

Die Vielzahl der Unterschiedlichen Spritzgießanwendungen erfordert verschiedene Werkzeugarten. Sie werden nach Anzahl der Formhohlräume, nach Art des Angusssystems, nach Anzahl der Trennebenen und nach Art der Entformung unterschieden. Die unterschiedlichen Verarbeitungsmöglichkeiten im Spritzgießbereich führen zu einer Vielzahl von Sonderverfahren, welche nicht alle in der Übersicht '''(Tabelle 1)''' aufgeführt werden können.

== '''Angusssysteme''' ==

[[Bild:Angusssystem.jpg|left|300x300px]]

Der Anguss ist ein System von Strömungswegen, in denen die fließfähige Formmasse von der Düse der Spritzeinheit zur Formhöhlung (Kavität) fließt.

Dieses System kann aus dem Angusskegel, den Verteilerkanälen, der sog. Angussspinne und dem Anschnitt bestehen '''(Bild 1)'''. Bei Einfachwerkzeugen können sich die Strömungswege auf eine kegelige Bohrung beschränken, die direkt in die Formhöhlung mündet. Die Stelle, an der der Anguss in die Formhöhlung eintritt, nennt man den '''Anschnitt'''.
Den Zeitpunkt nach dem der Anschnitt „eingefroren“ (d.h. erstarrt) ist und somit der Nachdruck nicht mehr wirken kann, nennt man '''Siegelpunkt'''. Ein längeres Nachdrücken über diesen Zeitpunkt hinaus ist unnötig.

Der Zeitpunkt des Erstarrens kann durch eine Innendruckmessung oder durch das Bestimmen der Formteilmasse ermittelt werden. Das maximale Formteilgewicht ist erreicht, wenn der Anschnitt eingefroren ist.

Der Anguss ist so zu gestalten, dass die flüssige Masse möglichst auf kürzestem Wege, mit geringstem Wärme- und Druckverlust die Kavitäten gleichzeitig füllt. Die Querschnitte der Strömungswege müssen so bemessen sein, dass eine gleichmäßige Füllung des Angusssystems sowie der Formhöhlung erreicht wird.

=== Angussformen ===

Die Angussform ist so zu wählen, dass für den speziellen Fall die bereits erwähnten Forderungen erfüllt werden können. Außerdem müssen noch folgende Einflussgrößen berücksichtigt werden.

* Formteilgeometrie und Formteilvolumen
* Viskosität der Formmasse
* Art des Spritzgießwerkzeuges
* Fließweglänge

=== Stangen- oder Kegelanguss ===

[[Bild:Stangen& P.Anguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Stangenanguss.jpg|right|300x300px]]

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.

=== Punktanguss ===

[[Bild:Punktanguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Vergr. Vorkammer.jpg|right|300x300px]]

Beim Entformen reißt der Punktanguss am kleinsten Querschnitt ab und bleibt als Angusszäpfchen am Spritzgießteil '''(Bild 2b zum Thema Stangen und Punktanguss''' und '''Bild 4 Punktanguss mit Vorkammer)'''. Es entsteht dadurch keine Nacharbeit und keine optisch störende Bearbeitungsfläche wie beim Stangenanguss. Außerdem muss der Anguss, also die Formmasse, in der Vorkammer nicht entformt werden.

Der Punktanguss wird besonders für kleinteile und Massenartikel in Einfach- und Mehrfachwerkzeugen vorgesehen, sowie für Mehrfachangüsse bei einem größeren Formteil. Dann muss zum Entformen des Angussverteilers mit einem Dreiplattenwerkzeug gearbeitet werden.

Je kleiner die Bohrung des Punktangusses ist, desto leichter geht das Abreißen vor sich. Dabei ist jedoch neben der Wanddicke die Zähflüssigkeit (Viskosität) der Schmelze, sowie die Temperatur zu beachten.

[[Bild:Vork. mit v. Düsens..jpg|left|300x300px]][[Bild:Vork. m. beh. K-B.sp.jpg|right|300x300px]]

Kann die Formhöhlung durch den kleinen Punktanguss nicht mehr schnell genug gefüllt werden, so kühlt die Schmelze in der '''Vorkammer''' vorzeitig ab, so dass sie unter Umständen von Hand entfernt werden muss.

Deshalb wird die Vorkammer etwas vergrößert, so das die an der Innenwandung haftende abgekühlte Masse als Isolator wirkt '''(Bild 1)'''.

Der Kern der Schmelze, die sog. Plastische Seele, bleibt im Angussbereich flüssig. Die Verweildauer der Schmelze in der Vorkammer sollte aber nicht zu lang sein. Kurze Zyklen, d. h. mehrmaliges Einspritzen pro Minute, sind für das Funktionieren des Systems notwendig.

Ist die Spritzhäufigkeit nicht möglich, so wird eine Kupfer- Beryllium- Spitze in die Vorkammer eingeführt. Der Raum zwischen Kupferspitze und Innenwandung der Vorkammer füllt sich mit erkalteter Masse, die dann als Isolierung wirkt. Die Kupferspitze nimmt über die Düse genügend wärme auf, um die Masse im inneren flüssig zu halten '''(Bild 2)'''.

Eine weitere Möglichkeit, die Abkühlung der Formmasse zu verhindern, besteht darin, die Vorkammer durch spezielle Heizpatronen zu erwärmen '''(Bild 3)'''.

=== Teller- und Scheibenanguss ===

[[Bild:Telleranguss.jpg|left|300x300px]]

Teller- und Scheibenangüsse werden für ringförmige Spritzgießteile vorgesehen '''(Bild 1a)'''. Würde man hier mit einem Punktanguss oder mit zwei Anbindungen arbeiten, so entstünde eine '''Binde-''' und '''Fließnaht (Bild 1b)'''. Sie entsteht, wenn zwei Masseströme sich aufgrund vorzeitiger Abkühlung nicht mehr miteinander verbinden. Je kälter die zusammentreffenden Masseströme sind, desto sichtbarer sind die Bindenähte und umso geringer ist die Festigkeit. Bindenähte entstehen auch, wenn sich Masseströme an einem Kern teilen und sich wieder miteinander verbinden müssen.

Diese Qualitätsminderung kann z.B. durch die Erhöhung der Werkzeugtemperatur teilweise reduziert werden. Mit einer Zykluszeiterhöhung ist zu rechnen.

=== Schirmanguss ===

[[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)'''.

=== Ringanguss ===

[[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.

=== Film- oder Bandanguss ===

Flache teile schneidet man zweckmäßigerweise über ein seitliches oder zentrales Band, dem Filmanguss, an. Dadurch lassen sich, wie bei einem Einzelpunktanguss, ungünstige Fließverhältnisse, oder wie bei Mehrfachpunktangüssen, störende Bindenähte vermeiden '''(Bild 2c)'''.

Ebenso lässt sich die Verzugsneigung durch gleichmäßige Druckverhältnisse positiv beeinflussen.
Eine weitere Anwendung ist deshalb die Herstellung optischer Formteile, wie durchsichtige Abdeckungen und optische Linsen.

Filmanschnitte erfordern eine Nacharbeit durch abtrennen des Angusses.

=== Tunnelanguss ===

[[Bild:Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Beim Tunnelanguss wird das Spritzgießteil seitlich oder an den verdeckten Flächen oder an anderen problemlosen Stellen angespritzt und automatisch beim öffnen der Formhälften, oder beim Ausstoßen vom Angusssystem, getrennt (Bild 1).

Der Verteilerkanal führt entlang der Trennfläche nicht direkt in die Formhöhlung, sondern er geht kurz zuvor schräg als konischer Tunnel durch die düsenseitige Werkzeughälfte in den Formhohlraum.
Wird die schließseitige Formhälfte zurückgezogen, so müssen das Spritzgießteil und das Angießsystem mitgenommen werden. Dabei wird der Tunnelanguss am Anschnitt durch eine Schneidkante abgeschert '''(Bild 1)'''.

Das Mitnehmen des Formteils muss durch Aufschrumpfen auf den Kern geschehen, und die des Angusses durch einen eingearbeiteten Hinterschnitt.

Anschließend wird das Spritzgießteil und das Angießsystem durch die Auswerfer entformt.

Wird ein Tunnelanguss vorgesehen, so muss beachtet werden, dass sich der vom Formteil getrennte Anguss beim öffnen der Werkzeughälften ausreichend biegen muss. Damit der Anguss nicht bricht, muss er eine ausreichende Konizität haben und frei biegbar sein, möglichst mit einem definierten Biegepunkt.

Die Formmasse sollte zähelastisch oder beim Entformen noch nicht vollständig erstarrt sein. Nur dann arbeitet das System störungsfrei. Da beim Tunnelanguss die Druckverluste hoch sind, wird er überwiegend zu Herstellung einfacher und kleiner Spritzgießteile in Mehrfachwerkzeugen verwendet.

=== Gebogener Tunnelanguss ===

[[Bild:geb. Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Der gebogene Tunnelanguss, auch Haken- oder Säbelanguss genannt '''(Bild 2)''', bietet die Möglichkeit ein Spritzgießteil auf der Rückseite oder an verdeckter Stelle anzubinden.

Das Entformungsprinzip entspricht dem des Tunnelangusses. Die Verwendung ist auf elastische Formmassen beschrängt. Die große Durchbiegung bei der Entformung erfolgt während der Ausstoßbewegung.

Durch den geringen Fließquerschnitt im Anschnittbereich entstehen große Druckverluste. Dadurch ist dieses Angusssystem nur für einfache Artikel verwendbar.

=== Angießmöglichkeiten für Mehrfachwerkzeuge ===

[[Bild:Verteilersterne.jpg|left|300x300px]][[Bild:Reihenanguss.jpg|right|300x300px]]

In einem Mehrfachwerkzeug werden in einem Spritzvorgang mehrere Spritzgießteile gleichzeitig hergestellt. Liegen die Formhöhlungen, auch Formnester genannt, in der Trennfläche, so werden diese über Verteilerkanäle mit Schmelze versorgt '''(Bild 1)'''.

Liegen die Formhöhlungen zentrisch um den Mittelpunkt des Angusskegels, so nennt man das System der Verteilerkanäle '''Verteilersterne'''. Bei den Verteilersternen in '''Bild 1a''' sind die Fließwege der Formmassen gleich lang. Der Vorteil des Verteilersterns mit Ringkanal in '''Bild 1b''' liegt darin, dass die Gesamtlänge der Verteilerkanäle kürzer ist. Beim '''Reihenanguss''' '''(Bild 2)''' sind die Fließwege unterschiedlich lang, was zu einer geringeren Qualität des Spritzgießteils führen kann. Bild 2 zeigt ein Beispiel für eine ungleichmäßige Füllung der Formhohlräume. Diesen Nachteil kann man durch unterschiedliche Anschnittquerschnitte ausgleichen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der größeren Anzahl der gleichzeitig herstellbaren Spritzgießteile.

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.

=== Verteilerkanal- und Anschnittform ===

[[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.

Beim runden Anschnitt ist die Einarbeitung ebenfalls in beide Formhälften notwendig. Wird der rechteckige Querschnitt gewählt, so muss darauf geachtet werden, dass die Breite des Anschnittes ungefähr 2mm kleiner als der Verteilerkanal ist (Bild 3).

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''' ==

=== Dreiplattenwerkzeug ===

[[Bild:Dreiplattenwerkz.jpg|left|300x300px]]

Höhere Spritzgiezteile werden deshalb vom Boden her zentral angespritzt. 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.

=== Isolierkanalwerkzeug ===

[[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.

=== Etagenwerkzeug ===

[[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.

=== Heißkanalsysteme ===

[[Bild:Heißkanalwerkzeug.jpg|left|300x300px]]

Im Heißkanalsystem '''(Bild 1)''' wird die in den Verteilerkanälen enthaltene Masse durch Heizpatronen oder/ und Rohrheizkörper '''(Bild 2)''' ständig auf Schmelztemperatur gehalten. Um einen Wärmeübergang vom Heißkanalbereich auf das wesentlich kühlere Werkzeug zu meiden, müssen die Kontaktflächen minimiert, ein isolierend wirkender Luftspalt sowie Reflektorbleche vorgesehen werden. Thermofühler in verbindung mit einem Regelkreis sorgen für eine möglichst gleichmäßige Temperatur im Angießsystem.

Es werden außen- und innenbeheizte Heißkanalsysteme unterschieden.

'''Außenbeheizte''' Heißkanalsysteme transportieren Wärmeenergie von außen in den Verteilerkanal (Bild 2a).

'''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
* Anspritzpunkte in großer Entfernung von der Plastifiziereinheit realisierbar
* keine Nacharbeit zum Entfernen des Angusses
* Etagenwerkzeuge nur mit Heißkanalsystemen möglich

Die '''Nachteile''' von Heizkanalwerkzeugen sind:
* hohe Energiekosten
* größere Werkzeugeinbauhöhe
* höhere Werkzeugkosten
* Farb- und Materialwechsel schwierig

'''Anwendung''':
* Großserienwerkzeuge, große Losgrößen
* große Formteile mit mehreren Anspritzpunkten

== '''Sonstiges''' ==

Zur Vollständigkeit einer Spritzgießanlage müssen noch folgende Punkte genannt werden:
* die Werkzeugtemperierung, sie regelt die Wärme zu- und abführ (Kühlssystem)
* Serielle Anordnung des Kühlkreislaufes
* Parallele Anordnung des Kühlkreislaufes
* Entformungssysteme (Auswerfeinrichtungen), sie stoßen das Werkstück aus
* Auswerfsysteme bei Hinterschneidungen (äußere und innere Hinterschneidungen)
* Bewegliche Kernsegmente
* Elastische Zwangsentformung
* Zusammenfaltbarer Kern
* Entformung durch Rotation des Formteils
* Werkzeugentlüftung, um die Formen schnell genug zu füllen.

== '''Quellen''' ==

# Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Verlag, 53. Auflage
# Der Werkzeugbau, Europa Lehrmittel Verlag, 13. Auflage

[[Kategorie:Fertigungstechnik]]

Spritzgießen

2009-04-22T20:08:05Z

Sandra Kellinghusen: /* Stangen- oder Kegelanguss */

== '''Spritzgießen''' ==

=== Einleitung ===

Beim Spritzgießen werden überwiegend Thermoplaste1 im plastifizierten, fließfähigen Zustand in geteilte und 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|]]

=== 1Thermoplaste: ===
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.

=== Vorgänge beim Spritzgießen ===

[[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.

=== Werkstoffverhalten ===

Die Plastifizierte Formmasse sollte so schnell wie möglich in den Formhohlraum eingesprizt werden, damit Druck und Temperatur im Hohlraum überall gleich sind. Tritt dieser idealfall ein, ist eine gleichmäßige Struktur des Werkstoffes und ein gleichmäßiges Schwindungsverhalten im ganzen Spritzgießteil gewährleistet, sodass keine Spannungen und kein Verzug auftreten.

Dieser ideale Vorgang lässt sich leider nicht realisieren. Fließwiederstände im Werkzeug und in der Düse bewirken einen Druckabfall während des Einspritzens. Ungleichmäßiges Abkühlen der Formmasse im Werkzeughohlraum, der auch Kavität genannt wird, ergibt eine ungleichmäßige Werkstoffstruktur.

=== Molekühlorientierung ===

[[Bild:Amorpher Thermoplast.jpg|left|300x300px]]
[[Bild:Molekühlorientierung_0001.jpg|left|300x300px]]
[[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.

=== Kristallisationsgrad ===

[[Bild:Kristallisationsgrad.jpg|left|300x300px]]

{{Mark
|Bei teilkristallinen Werkstoffen kann sich auf Grund der schnellen Abkühlung im Bereich der Formwand keine Kristallisation bilden. Der Randbreich des Spritzgießteils hat darum einen amorphen Aufbau, währen der Kern einen mehr 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)'''.

=== Fließverhalten ===

[[Bild:Fließfront.jpg|left|300x300px]]
[[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)'''.}}

=== Einflussgrößen auf den Spritzvorgang ===

[[Bild:Einflussgrößen auf den Spritzvorgang.jpg|right|300x300px]]
[[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, 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).

=== Druckverlauf ===

[[Bild:Druckverlauf.jpg|left|300x300px]][[Bild:Auswirkungen des Nachdruckes.jpg|right|300x300px]][[Bild:SGT mit Lunker.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Werkzeuginnendruck.jpg|left|300x300px]]

Durch den '''Einspritzdruck''', welcher in der Formmasse im Schneckenvorraum herrscht, wird im Formhohlraum aufgrund von Strömungswiederständen in der Düse und im Werkzeug ein zeitlich verzögerter und in der Höhe etwas geringerer '''Werkzeuginnendruck''' aufgebaut '''(Bild 1)'''. Dadurch füllt sich die Werkzeughöhlung mit Formmasse (Bild 1, '''Kurvenpunkt A''') und erzeugt die Ausformung der Konturen durch das Komprimieren (verdichten, zusammenpressen) der Formmasse. Der Maximale Werkzeuginnendruck (Bild 1, '''Kurvenpunkt B''') hängt von der Form, vom Werkstoff, von der Qualität des Spritzgießteils und vom Verhältnis zwischen Fließweg und Wanddicke ab. Dieses Verhältnis wird durch den maximalen Fließweg, den die Formmasse zurücklegen muss und der Wanddicke des Spritzgießteils gebildet '''(Bild 2)'''. Ist der gewünschte Werkzeuginnendruck erreicht, so wird der Einspritzdruck vermindert und als '''Nachdruck''' bezeichnet (Umschaltpunkt). Dieser füllt in der anschließenden Phase nur noch das Restvolumen auf und gleicht die Volumenminderung aus, die durch das Abkühlen der Schmelze eintritt. Der Innendruck fällt dabei leicht ab. Auswirkungen des Nachdruckes auf den Spritzvorgang zeigt die '''Tabelle 1'''.

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.

=== Formfüllungsgrad ===

[[Bild:Formfüllstudie.jpg|left|300x300px]]

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.

=== Abkühlung ===

[[Bild:Abkühlzeit für PS.jpg|left|300x300px]]

Wie schnell die Formstabilität der Formmasse beim Abkühlen eintritt, hängt von der '''Werkzeugtemperatur''' ab. Diese wiederum wird von der Art der Formmasse und von den Anforderungen an das Spritzgießteil sowie von der Wanddicke bestimmt '''(Bild 1)'''.
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 Vorgang vom Einspritzen der Schmelze in den Formhohlraum bis zum nächsten Einspritzvorgang bezeichnet man auch als '''Takt, Schuss''' oder '''Zyklus'''.

== '''Spritzgießmaschine''' ==

[[Bild:Spritzgießmaschiene.jpg|center|800x800px|]]

=== Die Aufgaben der Spritzgießmaschine ===

[[Bild:Aufgaben der Spritzgießmaschine.jpg|left|300x300px|]]

*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 der Form.

Die ersten beiden Aufgaben übernimmt die Spritzeinheit der Spritzmaschine, während die dritte Aufgabe die Schließeinheit durchführt.

=== Spritzeinheit ===

[[Bild:Spritzgießmaschiene_1.jpg|right|600x600px]]

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)'''.

[[Bild:Schneckenkolbenext.jpg| left|300x300px]]

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.

=== Einstellgrößen ===

[[Bild:Einstellgr Plastif.jpg|left|300x300px]]

Die Drehzahl der Schnecke richtet sich neben dem Schneckendurchmesser nach der Größe der Umfangsgeschwindigkeit, die von den Formmasseherstellern vorgegeben wird '''(Tabelle 1)'''.

[[Bild:Wirkung_des_Staud.jpg|left|300x300px]]

Der Wiederstand 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''' ==

Die Düse hat die Aufgabe, eine dichte Verbindung, möglichst ohne Druck- und Temperaturverlust, zwischen dem Spritzzylinder und dem Werkzeug herzustellen. Durch die Berührung mit dem kälteren Werkzeug kann der Düse und der verbleibenden Schmelze wärme entzogen werden. Abhilfe kann geschaffen werden, durch eine Düsenheizung sowie durch das Abheben der Düse vom Werkzeug nach der Nachdruckzeit.

=== Offene Düsen und Verschlussdüsen ===

[[Bild:offene Düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Nadelv.düse.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Schiebev.düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Quernadelv.düse.jpg|right|300x300px]]

Wenn es die Zähigkeit der Schmelze zulässt, wählt man meist eine '''offene Düse (Bild 1)'''. Die Druck- und Temperaturverluste sind wegen des glatten Kanals sehr gering. Außerdem ist die offene Düse leicht zu reinigen und zu spülen. Die Gefahr, dass Schmelze aus der Düse austreten kann, nimmt mit kleiner werdender Düsenbohrung (ca. 3- 8mm) ständig ab. Ist die Schmelze zu dünnflüssig, so müssen '''Verschlussdüsen''', z.B. Schieberverschlussdüsen '''(Bild 2)''', oder Nadelverschlussdüsen '''(Bild3)''', vorgesehen werden. Sie sind so konstruiert, das die Düsenöffnung nach jedem Einspritzvorgang verschlossen und dadurch das Ausströmen der Masse verhindert wird.
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 (RD) bei Konvexdüsen etwas kleiner ist, als der Radius der Angießbuchse (RA), 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.

== '''Schließeinheit''' ==

Die Schließeinheit nimmt an der beweglichen und an der festen Werkzeugplatte die jeweiligen Formhälften auf. Das Öffnen, Schließen und Zuhalten des Werkzeuges wird durch ein Kniehebelssystem oder durch einen vollhydraulischen Antrieb ausgeführt '''(Bild1, Spritzgießmaschine beim Thema Spritzeinheit)'''.

=== Schließkraft – Zuhaltekraft ===

[[Bild:Schließkraft.jpg|left|300x300px]][[Bild:Durchbiegung.jpg|right|300x300px]][[Bild:Stützrollen.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Schwimmhäute.jpg|left|280x280px]]

Die '''Schließkraft''' Fs ist die Kraft, die die Säulen nach dem Schließvorgang beansprucht und dehnt sowie die beiden Formhälften zusammendrückt '''(Bild 1)'''. Beim Einspritzen der Formmasse entsteht durch den Werkzeuginnendruck pw eine Auftriebskraft FA (FA= pw * A), die eine weitere Zugbeanspruchung und Dehnung der Säulen verursacht. Die Summe der Kräfte, die die Säulen beim Einspritzvorgang insgesamt belasten, wird als '''Zuhaltekraft''' Fz bezeichnet. Sie ist stets größer als die Schließkraft, und sie ist von der Steifigkeit der Maschine und des Werkzeuges abhängig.

Ist die '''Auftriebskraft''' größer als die Zuhaltekraft, so wird die Anlage zwischen den beiden Werkzeughälften aufgehoben und es tritt Schmelze zwischen den beiden Formhälften aus, die zur '''Grat'''- oder '''Schwimmhautbildung''' führt '''(Bild 2)'''. Diesen Vorgang nennt man auch '''Überspritzung''' oder '''Überladung'''.
Die '''Zuhaltekraft''' sollte trotzdem so klein wie möglich eingestellt werden, um auch einer Durchbiegung bei den Formnesttragenden Werkzeugplatten vorzubeugen. Diese '''Durchbiegung''' entsteht dadurch, dass beim Einspritzen der Werkzeuginnendruck versucht, die beiden Formhälften überwiegend im Bereich der Formhohlräume auseinander zu drücken, während die Zuhaltekräfte nur im Bereich der direkten Kraftübertragung wirken (Bild 1). Die Durchbiegung ist besonders groß bei geringer Steifigkeit der Platten und um die Bereiche gegenüber der düsenseitigen Zentrierbohrung und vor allem gegenüber dem Auswerfersystem '''(Bild 3)'''.
Die Durchbiegung führt zur Gratbildung und u.U. dazu, dass nicht der größtmögliche Einspritzdruck gewählt werden kann. Abhilfe kann dadurch geschaffen werden, dass zusätzliche Stützrollen vorgesehen werden, die mit einem Übermaß von 0,03mm … 0,05mm gegenüber den äußeren Abstützungen eingebaut werden '''(Bild 4)'''.
Auch wegen der beim Einspritzen erforderlichen Entlüftung der Werkzeughöhlung über die Berührungsflächen der beiden Formhälften sollte die Schließkraft so niedrig wie möglich sein.

== '''Gestalten von Spritzgießteilen''' ==

=== Maßtoleranzen bei Spritzgießteilen ===

[[Bild:Maßarten.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle1 Ermittlung.jpg|right|300x300px]]

Die erzielbaren Toleranzen sind größtenteils abhängig von der Schwindung, den Formmassen und der Art der Maße, wobei natürlich auch die Qualität der Spritzgießmaschine und des Werkzeuges eine Rolle spielen.

So lassen sich mit amorphen Formmassen kleinere Toleranzen leichter einhalten als mit teilkristallinen. '''Werkzeuggebundene''' Maße lassen sich genauer herstellen als '''nicht werkzeuggebundene''' Maße '''(Bild 1)'''.

DIN 16 901 bildet bei der Festlegung der Toleranzen zuerst Toleranzgruppen in Abhängigkeit der Formmassen und Schwindungskennwerte (siehe Tabellenbuch). Bezogen auf diese Toleranzgruppen und die festgelegte Maßart werden dann den verschiedenen Nennmaßbereichen die zulässigen Abweichungen zugeordnet.

Die Ermittlung der Allgemeintoleranz für das werkzeuggebundene Maß a im Bild 1, das 35mm betragen soll, zeigt die Tabelle 1.

=== Richtlinien zur Gestaltung von Spritzgießteilen (VDI 2006) ===

[[Bild:Mindetwanddicke.jpg|left|300x300px]][[Bild:Gestaltungsbeispiele.jpg|right|300x300px]]

Die Wanddicken müssen groß genug sein, damit die Formmasse das Werkzeug sicher füllen kann, ehe sie zu stark abkühlt oder ausgehärtet ist. Deshalb ist die '''Mindestwanddicke''' in Abhängigkeit vom '''Fließweg''' im Werkzeug und der Fließfähigkeit der Formmasse zu wählen '''(Bild 2)''' und Bild 2: Werkzeuginnendruck für einfache Teile beim Thema Druckverlauf).

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)'''.

[[Bild:Neigung.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle rautiefe.jpg|right|300x300px]][[Bild:Verzug.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Winkelverzug.jpg|left|300x300px]]

Um das Spritzgießteil leicht und schnell aus der Form entfernen zu können, müssen alle Flächen des Werkstückes, die in Öffnungsrichtung der Form liegen, eine leichte '''Neigung''' erhalten '''(Bild 1)'''. Zusätzlich muss sichergestellt sein, dass das Spritzgießteil beim Öffnen der Form von der schließseitigen Formhälfte mitgenommen und von der Auswerfervorrichtung entfernt wird. Weiterhin hängen die Entformungsschrägen speziell bei strukturierten Oberflächen von der Oberflächenrauigkeit der abzubildenden Kavitäten ab. Die Struktur kann aufgrund ihrer Tiefe wie eine Verzahnung zwischen Formteil und Werkzeugoberfläche wirken und somit die Entformung erschweren. Die Lage der Strukturrichtung parallel oder senkrecht zur Entformungsrichtung und die Materialpaarung Stahl- Kunststoffmasse ist von entscheidender Bedeutung '''(Tabelle 1)'''.

Als einfache Näherung sollte für eine Strukturtiefe von 0,02mm pro 1° Entformungsschrägen bei senkrechter Lage zur Entformungsrichtung nicht überschritten werden. Scharfe Ecken und Kanten können beim Einspritzvorgang des Kunststoffmaterials so stark scheren, dass es zu einer thermischen Schädigung des Kunststoffes kommen kann.

Eine Abrundung bei Umlenkungen wirkt nicht nur der Scherung entgegen, sondern auch dem '''Winkelverzug''' und der Kerbwirkung im Eckbereich. Der mögliche Verzug des Formteils wird in '''(Bild 2)''' dargestellt. Da die dünnen Formteilbereiche schneller abkühlen, werden sie durch die Schrumpfkraft der dickeren verformt.

In '''Bild 3''' kann das Volumenelement '''a''' seine Erstarrungswärme nur stark verzögert an das Werkzeug abgeben. Volumenelement '''b''' kühlt dagegen rascher ab, da es an zwei Seiten an das Werkzeug grenzt. Es entsteht ein '''Winkelverzug'''. Diesem kann durch Abrunden und durch verringerung der Wandstärke im Eckbereich entgegengewirkt werden.

== '''Schwindung''' ==

[[Bild:Tabelle1 Anhaltsw.jpg|left|600x600px]]

Bei der Festlegung des Formhohlraumes müssen die Schwindung und evtl. die Nachschwindung berücksichtigt werden.

Unter Schwindung versteht man die Maßänderung von Werkstücken durch das Zusammenziehen des Werkstoffes beim Abkühlen als Maßunterschied zwischen Werkzeugkavität und Formteil. Bei der Erfassung dieser Schwindung '''(Tabelle 1)''' kommt erschwerend hinzu, dass die Schwindungsdifferenz sowie die Nachschwindung berücksichtigt werden müssen.

Eine '''Schwindungsdifferenz''' tritt dann auf, wenn die Schwindungen in Fließrichtung und quer dazu unterschiedlich groß sind. Der Unterschied zwischen Längs- und Querschwindung ist die Schwindungsdifferenz. Bei einer größeren Schwindungsdifferenz kann dies zu Verwindungen oder zum Verzug des spritzgegossenen Formteils führen.

Die Formteilgeometrie und die Angusslage können Molekülorientierungen hervorrufen, wodurch die Schwindungsdifferenz beeinflusst werden kann. Durch die Verwendung von Füllstoffen kann die Schwindung vermindert werden. Bei faserigen Verstärkungsstoffen kann durch die Faserorientierung im Bauteil eine sehr große Schwindungsdifferenz entstehen. Die Temperaturdifferenz während der Verarbeitung und der Gebrauchstemperatur des Formteils ergibt eine vernachlässigbare Längenänderung der Glasfasern. Sind nun Glasfasern in einem Formteil durch den Materialfluss während des Füllvorganges stark orientiert, schwindet das Formteil quer zur Faser wesentlich stärker als längs dazu. Werden zum Beispiel Glaskugeln zugemischt, wird insgesamt eine geringere Schwindung beobachtet.

Die '''Nachschwindung''' ist der Unterschied zwischen dem Maß eines auf Raumtemperatur abgekühlten Spritzgießteils und dem Maß desselben Spritzgießteils nach der Einwirkung einer bestimmten Temperatur. Sie verursacht eine Nachkristallisation und kann während des Gebrauches oder auch gezielt durch Tempern eingebracht werden. Durch die Naschwindungen werden die Fertigteilabmessungen nochmals kleiner.

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.

== '''Aufbau von Spritzgießwerkzeugen''' ==

[[Bild:Spritzgießwerkzeug.jpg|center|900x600px]]

=== Einleitung der Spritzgießwerkzeuge ===

[[Bild:Tabell1 Einleitung.jpg|left|400x300px]]

Die Vielzahl der Unterschiedlichen Spritzgießanwendungen erfordert verschiedene Werkzeugarten. Sie werden nach Anzahl der Formhohlräume, nach Art des Angusssystems, nach Anzahl der Trennebenen und nach Art der Entformung unterschieden. Die unterschiedlichen Verarbeitungsmöglichkeiten im Spritzgießbereich führen zu einer Vielzahl von Sonderverfahren, welche nicht alle in der Übersicht '''(Tabelle 1)''' aufgeführt werden können.

== '''Angusssysteme''' ==

[[Bild:Angusssystem.jpg|left|300x300px]]

Der Anguss ist ein System von Strömungswegen, in denen die fließfähige Formmasse von der Düse der Spritzeinheit zur Formhöhlung (Kavität) fließt.

Dieses System kann aus dem Angusskegel, den Verteilerkanälen, der sog. Angussspinne und dem Anschnitt bestehen '''(Bild 1)'''. Bei Einfachwerkzeugen können sich die Strömungswege auf eine kegelige Bohrung beschränken, die direkt in die Formhöhlung mündet. Die Stelle, an der der Anguss in die Formhöhlung eintritt, nennt man den '''Anschnitt'''.
Den Zeitpunkt nach dem der Anschnitt „eingefroren“ (d.h. erstarrt) ist und somit der Nachdruck nicht mehr wirken kann, nennt man '''Siegelpunkt'''. Ein längeres Nachdrücken über diesen Zeitpunkt hinaus ist unnötig.

Der Zeitpunkt des Erstarrens kann durch eine Innendruckmessung oder durch das Bestimmen der Formteilmasse ermittelt werden. Das maximale Formteilgewicht ist erreicht, wenn der Anschnitt eingefroren ist.

Der Anguss ist so zu gestalten, dass die flüssige Masse möglichst auf kürzestem Wege, mit geringstem Wärme- und Druckverlust die Kavitäten gleichzeitig füllt. Die Querschnitte der Strömungswege müssen so bemessen sein, dass eine gleichmäßige Füllung des Angusssystems sowie der Formhöhlung erreicht wird.

=== Angussformen ===

Die Angussform ist so zu wählen, dass für den speziellen Fall die bereits erwähnten Forderungen erfüllt werden können. Außerdem müssen noch folgende Einflussgrößen berücksichtigt werden.

* Formteilgeometrie und Formteilvolumen
* Viskosität der Formmasse
* Art des Spritzgießwerkzeuges
* Fließweglänge

=== Stangen- oder Kegelanguss ===

[[Bild:Stangen& P.Anguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Stangenanguss.jpg|right|300x300px]]

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.

=== Punktanguss ===

[[Bild:Punktanguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Vergr. Vorkammer.jpg|right|300x300px]]

Beim Entformen reißt der Punktanguss am kleinsten Querschnitt ab und bleibt als Angusszäpfchen am Spritzgießteil '''(Bild 2b zum Thema Stangen und Punktanguss''' und '''Bild 4 Punktanguss mit Vorkammer)'''. Es entsteht dadurch keine Nacharbeit und keine optisch störende Bearbeitungsfläche wie beim Stangenanguss. Außerdem muss der Anguss, also die Formmasse, in der Vorkammer nicht entformt werden.

Der Punktanguss wird besonders für kleinteile und Massenartikel in Einfach- und Mehrfachwerkzeugen vorgesehen, sowie für Mehrfachangüsse bei einem größeren Formteil. Dann muss zum Entformen des Angussverteilers mit einem Dreiplattenwerkzeug gearbeitet werden.

Je kleiner die Bohrung des Punktangusses ist, desto leichter geht das Abreißen vor sich. Dabei ist jedoch neben der Wanddicke die Zähflüssigkeit (Viskosität) der Schmelze, sowie die Temperatur zu beachten.

[[Bild:Vork. mit v. Düsens..jpg|left|300x300px]][[Bild:Vork. m. beh. K-B.sp.jpg|right|300x300px]]

Kann die Formhöhlung durch den kleinen Punktanguss nicht mehr schnell genug gefüllt werden, so kühlt die Schmelze in der '''Vorkammer''' vorzeitig ab, so dass sie unter Umständen von Hand entfernt werden muss.

Deshalb wird die Vorkammer etwas vergrößert, so das die an der Innenwandung haftende abgekühlte Masse als Isolator wirkt '''(Bild 1)'''.

Der Kern der Schmelze, die sog. Plastische Seele, bleibt im Angussbereich flüssig. Die Verweildauer der Schmelze in der Vorkammer sollte aber nicht zu lang sein. Kurze Zyklen, d. h. mehrmaliges Einspritzen pro Minute, sind für das Funktionieren des Systems notwendig.

Ist die Spritzhäufigkeit nicht möglich, so wird eine Kupfer- Beryllium- Spitze in die Vorkammer eingeführt. Der Raum zwischen Kupferspitze und Innenwandung der Vorkammer füllt sich mit erkalteter Masse, die dann als Isolierung wirkt. Die Kupferspitze nimmt über die Düse genügend wärme auf, um die Masse im inneren flüssig zu halten '''(Bild 2)'''.

Eine weitere Möglichkeit, die Abkühlung der Formmasse zu verhindern, besteht darin, die Vorkammer durch spezielle Heizpatronen zu erwärmen '''(Bild 3)'''.

=== Teller- und Scheibenanguss ===

[[Bild:Telleranguss.jpg|left|300x300px]]

Teller- und Scheibenangüsse werden für ringförmige Spritzgießteile vorgesehen '''(Bild 1a)'''. Würde man hier mit einem Punktanguss oder mit zwei Anbindungen arbeiten, so entstünde eine '''Binde-''' und '''Fließnaht (Bild 1b)'''. Sie entsteht, wenn zwei Masseströme sich aufgrund vorzeitiger Abkühlung nicht mehr miteinander verbinden. Je kälter die zusammentreffenden Masseströme sind, desto sichtbarer sind die Bindenähte und umso geringer ist die Festigkeit. Bindenähte entstehen auch, wenn sich Masseströme an einem Kern teilen und sich wieder miteinander verbinden müssen.

Diese Qualitätsminderung kann z.B. durch die Erhöhung der Werkzeugtemperatur teilweise reduziert werden. Mit einer Zykluszeiterhöhung ist zu rechnen.

=== Schirmanguss ===

[[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)'''.

=== Ringanguss ===

[[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.

=== Film- oder Bandanguss ===

Flache teile schneidet man zweckmäßigerweise über ein seitliches oder zentrales Band, dem Filmanguss, an. Dadurch lassen sich, wie bei einem Einzelpunktanguss, ungünstige Fließverhältnisse, oder wie bei Mehrfachpunktangüssen, störende Bindenähte vermeiden '''(Bild 2c)'''.

Ebenso lässt sich die Verzugsneigung durch gleichmäßige Druckverhältnisse positiv beeinflussen.
Eine weitere Anwendung ist deshalb die Herstellung optischer Formteile, wie durchsichtige Abdeckungen und optische Linsen.

Filmanschnitte erfordern eine Nacharbeit durch abtrennen des Angusses.

=== Tunnelanguss ===

[[Bild:Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Beim Tunnelanguss wird das Spritzgießteil seitlich oder an den verdeckten Flächen oder an anderen problemlosen Stellen angespritzt und automatisch beim öffnen der Formhälften, oder beim Ausstoßen vom Angusssystem, getrennt (Bild 1).

Der Verteilerkanal führt entlang der Trennfläche nicht direkt in die Formhöhlung, sondern er geht kurz zuvor schräg als konischer Tunnel durch die düsenseitige Werkzeughälfte in den Formhohlraum.
Wird die schließseitige Formhälfte zurückgezogen, so müssen das Spritzgießteil und das Angießsystem mitgenommen werden. Dabei wird der Tunnelanguss am Anschnitt durch eine Schneidkante abgeschert '''(Bild 1)'''.

Das Mitnehmen des Formteils muss durch Aufschrumpfen auf den Kern geschehen, und die des Angusses durch einen eingearbeiteten Hinterschnitt.

Anschließend wird das Spritzgießteil und das Angießsystem durch die Auswerfer entformt.

Wird ein Tunnelanguss vorgesehen, so muss beachtet werden, dass sich der vom Formteil getrennte Anguss beim öffnen der Werkzeughälften ausreichend biegen muss. Damit der Anguss nicht bricht, muss er eine ausreichende Konizität haben und frei biegbar sein, möglichst mit einem definierten Biegepunkt.

Die Formmasse sollte zähelastisch oder beim Entformen noch nicht vollständig erstarrt sein. Nur dann arbeitet das System störungsfrei. Da beim Tunnelanguss die Druckverluste hoch sind, wird er überwiegend zu Herstellung einfacher und kleiner Spritzgießteile in Mehrfachwerkzeugen verwendet.

=== Gebogener Tunnelanguss ===

[[Bild:geb. Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Der gebogene Tunnelanguss, auch Haken- oder Säbelanguss genannt '''(Bild 2)''', bietet die Möglichkeit ein Spritzgießteil auf der Rückseite oder an verdeckter Stelle anzubinden.

Das Entformungsprinzip entspricht dem des Tunnelangusses. Die Verwendung ist auf elastische Formmassen beschrängt. Die große Durchbiegung bei der Entformung erfolgt während der Ausstoßbewegung.

Durch den geringen Fließquerschnitt im Anschnittbereich entstehen große Druckverluste. Dadurch ist dieses Angusssystem nur für einfache Artikel verwendbar.

=== Angießmöglichkeiten für Mehrfachwerkzeuge ===

[[Bild:Verteilersterne.jpg|left|300x300px]][[Bild:Reihenanguss.jpg|right|300x300px]]

In einem Mehrfachwerkzeug werden in einem Spritzvorgang mehrere Spritzgießteile gleichzeitig hergestellt. Liegen die Formhöhlungen, auch Formnester genannt, in der Trennfläche, so werden diese über Verteilerkanäle mit Schmelze versorgt '''(Bild 1)'''.

Liegen die Formhöhlungen zentrisch um den Mittelpunkt des Angusskegels, so nennt man das System der Verteilerkanäle '''Verteilersterne'''. Bei den Verteilersternen in '''Bild 1a''' sind die Fließwege der Formmassen gleich lang. Der Vorteil des Verteilersterns mit Ringkanal in '''Bild 1b''' liegt darin, dass die Gesamtlänge der Verteilerkanäle kürzer ist. Beim '''Reihenanguss''' '''(Bild 2)''' sind die Fließwege unterschiedlich lang, was zu einer geringeren Qualität des Spritzgießteils führen kann. Bild 2 zeigt ein Beispiel für eine ungleichmäßige Füllung der Formhohlräume. Diesen Nachteil kann man durch unterschiedliche Anschnittquerschnitte ausgleichen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der größeren Anzahl der gleichzeitig herstellbaren Spritzgießteile.

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.

=== Verteilerkanal- und Anschnittform ===

[[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.

Beim runden Anschnitt ist die Einarbeitung ebenfalls in beide Formhälften notwendig. Wird der rechteckige Querschnitt gewählt, so muss darauf geachtet werden, dass die Breite des Anschnittes ungefähr 2mm kleiner als der Verteilerkanal ist (Bild 3).

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''' ==

=== Dreiplattenwerkzeug ===

[[Bild:Dreiplattenwerkz.jpg|left|300x300px]]

Höhere Spritzgiezteile werden deshalb vom Boden her zentral angespritzt. 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.

=== Isolierkanalwerkzeug ===

[[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.

=== Etagenwerkzeug ===

[[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.

=== Heißkanalsysteme ===

[[Bild:Heißkanalwerkzeug.jpg|left|300x300px]]

Im Heißkanalsystem '''(Bild 1)''' wird die in den Verteilerkanälen enthaltene Masse durch Heizpatronen oder/ und Rohrheizkörper '''(Bild 2)''' ständig auf Schmelztemperatur gehalten. Um einen Wärmeübergang vom Heißkanalbereich auf das wesentlich kühlere Werkzeug zu meiden, müssen die Kontaktflächen minimiert, ein isolierend wirkender Luftspalt sowie Reflektorbleche vorgesehen werden. Thermofühler in verbindung mit einem Regelkreis sorgen für eine möglichst gleichmäßige Temperatur im Angießsystem.

Es werden außen- und innenbeheizte Heißkanalsysteme unterschieden.

'''Außenbeheizte''' Heißkanalsysteme transportieren Wärmeenergie von außen in den Verteilerkanal (Bild 2a).

'''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
* Anspritzpunkte in großer Entfernung von der Plastifiziereinheit realisierbar
* keine Nacharbeit zum Entfernen des Angusses
* Etagenwerkzeuge nur mit Heißkanalsystemen möglich

Die '''Nachteile''' von Heizkanalwerkzeugen sind:
* hohe Energiekosten
* größere Werkzeugeinbauhöhe
* höhere Werkzeugkosten
* Farb- und Materialwechsel schwierig

'''Anwendung''':
* Großserienwerkzeuge, große Losgrößen
* große Formteile mit mehreren Anspritzpunkten

== '''Sonstiges''' ==

Zur Vollständigkeit einer Spritzgießanlage müssen noch folgende Punkte genannt werden:
* die Werkzeugtemperierung, sie regelt die Wärme zu- und abführ (Kühlssystem)
* Serielle Anordnung des Kühlkreislaufes
* Parallele Anordnung des Kühlkreislaufes
* Entformungssysteme (Auswerfeinrichtungen), sie stoßen das Werkstück aus
* Auswerfsysteme bei Hinterschneidungen (äußere und innere Hinterschneidungen)
* Bewegliche Kernsegmente
* Elastische Zwangsentformung
* Zusammenfaltbarer Kern
* Entformung durch Rotation des Formteils
* Werkzeugentlüftung, um die Formen schnell genug zu füllen.

== '''Quellen''' ==

# Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Verlag, 53. Auflage
# Der Werkzeugbau, Europa Lehrmittel Verlag, 13. Auflage

[[Kategorie:Fertigungstechnik]]

Spritzgießen

2009-04-22T20:05:09Z

Sandra Kellinghusen: /* '''Angusssysteme''' */

== '''Spritzgießen''' ==

=== Einleitung ===

Beim Spritzgießen werden überwiegend Thermoplaste1 im plastifizierten, fließfähigen Zustand in geteilte und 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|]]

=== 1Thermoplaste: ===
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.

=== Vorgänge beim Spritzgießen ===

[[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.

=== Werkstoffverhalten ===

Die Plastifizierte Formmasse sollte so schnell wie möglich in den Formhohlraum eingesprizt werden, damit Druck und Temperatur im Hohlraum überall gleich sind. Tritt dieser idealfall ein, ist eine gleichmäßige Struktur des Werkstoffes und ein gleichmäßiges Schwindungsverhalten im ganzen Spritzgießteil gewährleistet, sodass keine Spannungen und kein Verzug auftreten.

Dieser ideale Vorgang lässt sich leider nicht realisieren. Fließwiederstände im Werkzeug und in der Düse bewirken einen Druckabfall während des Einspritzens. Ungleichmäßiges Abkühlen der Formmasse im Werkzeughohlraum, der auch Kavität genannt wird, ergibt eine ungleichmäßige Werkstoffstruktur.

=== Molekühlorientierung ===

[[Bild:Amorpher Thermoplast.jpg|left|300x300px]]
[[Bild:Molekühlorientierung_0001.jpg|left|300x300px]]
[[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.

=== Kristallisationsgrad ===

[[Bild:Kristallisationsgrad.jpg|left|300x300px]]

{{Mark
|Bei teilkristallinen Werkstoffen kann sich auf Grund der schnellen Abkühlung im Bereich der Formwand keine Kristallisation bilden. Der Randbreich des Spritzgießteils hat darum einen amorphen Aufbau, währen der Kern einen mehr 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)'''.

=== Fließverhalten ===

[[Bild:Fließfront.jpg|left|300x300px]]
[[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)'''.}}

=== Einflussgrößen auf den Spritzvorgang ===

[[Bild:Einflussgrößen auf den Spritzvorgang.jpg|right|300x300px]]
[[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, 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).

=== Druckverlauf ===

[[Bild:Druckverlauf.jpg|left|300x300px]][[Bild:Auswirkungen des Nachdruckes.jpg|right|300x300px]][[Bild:SGT mit Lunker.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Werkzeuginnendruck.jpg|left|300x300px]]

Durch den '''Einspritzdruck''', welcher in der Formmasse im Schneckenvorraum herrscht, wird im Formhohlraum aufgrund von Strömungswiederständen in der Düse und im Werkzeug ein zeitlich verzögerter und in der Höhe etwas geringerer '''Werkzeuginnendruck''' aufgebaut '''(Bild 1)'''. Dadurch füllt sich die Werkzeughöhlung mit Formmasse (Bild 1, '''Kurvenpunkt A''') und erzeugt die Ausformung der Konturen durch das Komprimieren (verdichten, zusammenpressen) der Formmasse. Der Maximale Werkzeuginnendruck (Bild 1, '''Kurvenpunkt B''') hängt von der Form, vom Werkstoff, von der Qualität des Spritzgießteils und vom Verhältnis zwischen Fließweg und Wanddicke ab. Dieses Verhältnis wird durch den maximalen Fließweg, den die Formmasse zurücklegen muss und der Wanddicke des Spritzgießteils gebildet '''(Bild 2)'''. Ist der gewünschte Werkzeuginnendruck erreicht, so wird der Einspritzdruck vermindert und als '''Nachdruck''' bezeichnet (Umschaltpunkt). Dieser füllt in der anschließenden Phase nur noch das Restvolumen auf und gleicht die Volumenminderung aus, die durch das Abkühlen der Schmelze eintritt. Der Innendruck fällt dabei leicht ab. Auswirkungen des Nachdruckes auf den Spritzvorgang zeigt die '''Tabelle 1'''.

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.

=== Formfüllungsgrad ===

[[Bild:Formfüllstudie.jpg|left|300x300px]]

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.

=== Abkühlung ===

[[Bild:Abkühlzeit für PS.jpg|left|300x300px]]

Wie schnell die Formstabilität der Formmasse beim Abkühlen eintritt, hängt von der '''Werkzeugtemperatur''' ab. Diese wiederum wird von der Art der Formmasse und von den Anforderungen an das Spritzgießteil sowie von der Wanddicke bestimmt '''(Bild 1)'''.
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 Vorgang vom Einspritzen der Schmelze in den Formhohlraum bis zum nächsten Einspritzvorgang bezeichnet man auch als '''Takt, Schuss''' oder '''Zyklus'''.

== '''Spritzgießmaschine''' ==

[[Bild:Spritzgießmaschiene.jpg|center|800x800px|]]

=== Die Aufgaben der Spritzgießmaschine ===

[[Bild:Aufgaben der Spritzgießmaschine.jpg|left|300x300px|]]

*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 der Form.

Die ersten beiden Aufgaben übernimmt die Spritzeinheit der Spritzmaschine, während die dritte Aufgabe die Schließeinheit durchführt.

=== Spritzeinheit ===

[[Bild:Spritzgießmaschiene_1.jpg|right|600x600px]]

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)'''.

[[Bild:Schneckenkolbenext.jpg| left|300x300px]]

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.

=== Einstellgrößen ===

[[Bild:Einstellgr Plastif.jpg|left|300x300px]]

Die Drehzahl der Schnecke richtet sich neben dem Schneckendurchmesser nach der Größe der Umfangsgeschwindigkeit, die von den Formmasseherstellern vorgegeben wird '''(Tabelle 1)'''.

[[Bild:Wirkung_des_Staud.jpg|left|300x300px]]

Der Wiederstand 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''' ==

Die Düse hat die Aufgabe, eine dichte Verbindung, möglichst ohne Druck- und Temperaturverlust, zwischen dem Spritzzylinder und dem Werkzeug herzustellen. Durch die Berührung mit dem kälteren Werkzeug kann der Düse und der verbleibenden Schmelze wärme entzogen werden. Abhilfe kann geschaffen werden, durch eine Düsenheizung sowie durch das Abheben der Düse vom Werkzeug nach der Nachdruckzeit.

=== Offene Düsen und Verschlussdüsen ===

[[Bild:offene Düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Nadelv.düse.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Schiebev.düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Quernadelv.düse.jpg|right|300x300px]]

Wenn es die Zähigkeit der Schmelze zulässt, wählt man meist eine '''offene Düse (Bild 1)'''. Die Druck- und Temperaturverluste sind wegen des glatten Kanals sehr gering. Außerdem ist die offene Düse leicht zu reinigen und zu spülen. Die Gefahr, dass Schmelze aus der Düse austreten kann, nimmt mit kleiner werdender Düsenbohrung (ca. 3- 8mm) ständig ab. Ist die Schmelze zu dünnflüssig, so müssen '''Verschlussdüsen''', z.B. Schieberverschlussdüsen '''(Bild 2)''', oder Nadelverschlussdüsen '''(Bild3)''', vorgesehen werden. Sie sind so konstruiert, das die Düsenöffnung nach jedem Einspritzvorgang verschlossen und dadurch das Ausströmen der Masse verhindert wird.
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 (RD) bei Konvexdüsen etwas kleiner ist, als der Radius der Angießbuchse (RA), 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.

== '''Schließeinheit''' ==

Die Schließeinheit nimmt an der beweglichen und an der festen Werkzeugplatte die jeweiligen Formhälften auf. Das Öffnen, Schließen und Zuhalten des Werkzeuges wird durch ein Kniehebelssystem oder durch einen vollhydraulischen Antrieb ausgeführt '''(Bild1, Spritzgießmaschine beim Thema Spritzeinheit)'''.

=== Schließkraft – Zuhaltekraft ===

[[Bild:Schließkraft.jpg|left|300x300px]][[Bild:Durchbiegung.jpg|right|300x300px]][[Bild:Stützrollen.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Schwimmhäute.jpg|left|280x280px]]

Die '''Schließkraft''' Fs ist die Kraft, die die Säulen nach dem Schließvorgang beansprucht und dehnt sowie die beiden Formhälften zusammendrückt '''(Bild 1)'''. Beim Einspritzen der Formmasse entsteht durch den Werkzeuginnendruck pw eine Auftriebskraft FA (FA= pw * A), die eine weitere Zugbeanspruchung und Dehnung der Säulen verursacht. Die Summe der Kräfte, die die Säulen beim Einspritzvorgang insgesamt belasten, wird als '''Zuhaltekraft''' Fz bezeichnet. Sie ist stets größer als die Schließkraft, und sie ist von der Steifigkeit der Maschine und des Werkzeuges abhängig.

Ist die '''Auftriebskraft''' größer als die Zuhaltekraft, so wird die Anlage zwischen den beiden Werkzeughälften aufgehoben und es tritt Schmelze zwischen den beiden Formhälften aus, die zur '''Grat'''- oder '''Schwimmhautbildung''' führt '''(Bild 2)'''. Diesen Vorgang nennt man auch '''Überspritzung''' oder '''Überladung'''.
Die '''Zuhaltekraft''' sollte trotzdem so klein wie möglich eingestellt werden, um auch einer Durchbiegung bei den Formnesttragenden Werkzeugplatten vorzubeugen. Diese '''Durchbiegung''' entsteht dadurch, dass beim Einspritzen der Werkzeuginnendruck versucht, die beiden Formhälften überwiegend im Bereich der Formhohlräume auseinander zu drücken, während die Zuhaltekräfte nur im Bereich der direkten Kraftübertragung wirken (Bild 1). Die Durchbiegung ist besonders groß bei geringer Steifigkeit der Platten und um die Bereiche gegenüber der düsenseitigen Zentrierbohrung und vor allem gegenüber dem Auswerfersystem '''(Bild 3)'''.
Die Durchbiegung führt zur Gratbildung und u.U. dazu, dass nicht der größtmögliche Einspritzdruck gewählt werden kann. Abhilfe kann dadurch geschaffen werden, dass zusätzliche Stützrollen vorgesehen werden, die mit einem Übermaß von 0,03mm … 0,05mm gegenüber den äußeren Abstützungen eingebaut werden '''(Bild 4)'''.
Auch wegen der beim Einspritzen erforderlichen Entlüftung der Werkzeughöhlung über die Berührungsflächen der beiden Formhälften sollte die Schließkraft so niedrig wie möglich sein.

== '''Gestalten von Spritzgießteilen''' ==

=== Maßtoleranzen bei Spritzgießteilen ===

[[Bild:Maßarten.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle1 Ermittlung.jpg|right|300x300px]]

Die erzielbaren Toleranzen sind größtenteils abhängig von der Schwindung, den Formmassen und der Art der Maße, wobei natürlich auch die Qualität der Spritzgießmaschine und des Werkzeuges eine Rolle spielen.

So lassen sich mit amorphen Formmassen kleinere Toleranzen leichter einhalten als mit teilkristallinen. '''Werkzeuggebundene''' Maße lassen sich genauer herstellen als '''nicht werkzeuggebundene''' Maße '''(Bild 1)'''.

DIN 16 901 bildet bei der Festlegung der Toleranzen zuerst Toleranzgruppen in Abhängigkeit der Formmassen und Schwindungskennwerte (siehe Tabellenbuch). Bezogen auf diese Toleranzgruppen und die festgelegte Maßart werden dann den verschiedenen Nennmaßbereichen die zulässigen Abweichungen zugeordnet.

Die Ermittlung der Allgemeintoleranz für das werkzeuggebundene Maß a im Bild 1, das 35mm betragen soll, zeigt die Tabelle 1.

=== Richtlinien zur Gestaltung von Spritzgießteilen (VDI 2006) ===

[[Bild:Mindetwanddicke.jpg|left|300x300px]][[Bild:Gestaltungsbeispiele.jpg|right|300x300px]]

Die Wanddicken müssen groß genug sein, damit die Formmasse das Werkzeug sicher füllen kann, ehe sie zu stark abkühlt oder ausgehärtet ist. Deshalb ist die '''Mindestwanddicke''' in Abhängigkeit vom '''Fließweg''' im Werkzeug und der Fließfähigkeit der Formmasse zu wählen '''(Bild 2)''' und Bild 2: Werkzeuginnendruck für einfache Teile beim Thema Druckverlauf).

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)'''.

[[Bild:Neigung.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle rautiefe.jpg|right|300x300px]][[Bild:Verzug.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Winkelverzug.jpg|left|300x300px]]

Um das Spritzgießteil leicht und schnell aus der Form entfernen zu können, müssen alle Flächen des Werkstückes, die in Öffnungsrichtung der Form liegen, eine leichte '''Neigung''' erhalten '''(Bild 1)'''. Zusätzlich muss sichergestellt sein, dass das Spritzgießteil beim Öffnen der Form von der schließseitigen Formhälfte mitgenommen und von der Auswerfervorrichtung entfernt wird. Weiterhin hängen die Entformungsschrägen speziell bei strukturierten Oberflächen von der Oberflächenrauigkeit der abzubildenden Kavitäten ab. Die Struktur kann aufgrund ihrer Tiefe wie eine Verzahnung zwischen Formteil und Werkzeugoberfläche wirken und somit die Entformung erschweren. Die Lage der Strukturrichtung parallel oder senkrecht zur Entformungsrichtung und die Materialpaarung Stahl- Kunststoffmasse ist von entscheidender Bedeutung '''(Tabelle 1)'''.

Als einfache Näherung sollte für eine Strukturtiefe von 0,02mm pro 1° Entformungsschrägen bei senkrechter Lage zur Entformungsrichtung nicht überschritten werden. Scharfe Ecken und Kanten können beim Einspritzvorgang des Kunststoffmaterials so stark scheren, dass es zu einer thermischen Schädigung des Kunststoffes kommen kann.

Eine Abrundung bei Umlenkungen wirkt nicht nur der Scherung entgegen, sondern auch dem '''Winkelverzug''' und der Kerbwirkung im Eckbereich. Der mögliche Verzug des Formteils wird in '''(Bild 2)''' dargestellt. Da die dünnen Formteilbereiche schneller abkühlen, werden sie durch die Schrumpfkraft der dickeren verformt.

In '''Bild 3''' kann das Volumenelement '''a''' seine Erstarrungswärme nur stark verzögert an das Werkzeug abgeben. Volumenelement '''b''' kühlt dagegen rascher ab, da es an zwei Seiten an das Werkzeug grenzt. Es entsteht ein '''Winkelverzug'''. Diesem kann durch Abrunden und durch verringerung der Wandstärke im Eckbereich entgegengewirkt werden.

== '''Schwindung''' ==

[[Bild:Tabelle1 Anhaltsw.jpg|left|600x600px]]

Bei der Festlegung des Formhohlraumes müssen die Schwindung und evtl. die Nachschwindung berücksichtigt werden.

Unter Schwindung versteht man die Maßänderung von Werkstücken durch das Zusammenziehen des Werkstoffes beim Abkühlen als Maßunterschied zwischen Werkzeugkavität und Formteil. Bei der Erfassung dieser Schwindung '''(Tabelle 1)''' kommt erschwerend hinzu, dass die Schwindungsdifferenz sowie die Nachschwindung berücksichtigt werden müssen.

Eine '''Schwindungsdifferenz''' tritt dann auf, wenn die Schwindungen in Fließrichtung und quer dazu unterschiedlich groß sind. Der Unterschied zwischen Längs- und Querschwindung ist die Schwindungsdifferenz. Bei einer größeren Schwindungsdifferenz kann dies zu Verwindungen oder zum Verzug des spritzgegossenen Formteils führen.

Die Formteilgeometrie und die Angusslage können Molekülorientierungen hervorrufen, wodurch die Schwindungsdifferenz beeinflusst werden kann. Durch die Verwendung von Füllstoffen kann die Schwindung vermindert werden. Bei faserigen Verstärkungsstoffen kann durch die Faserorientierung im Bauteil eine sehr große Schwindungsdifferenz entstehen. Die Temperaturdifferenz während der Verarbeitung und der Gebrauchstemperatur des Formteils ergibt eine vernachlässigbare Längenänderung der Glasfasern. Sind nun Glasfasern in einem Formteil durch den Materialfluss während des Füllvorganges stark orientiert, schwindet das Formteil quer zur Faser wesentlich stärker als längs dazu. Werden zum Beispiel Glaskugeln zugemischt, wird insgesamt eine geringere Schwindung beobachtet.

Die '''Nachschwindung''' ist der Unterschied zwischen dem Maß eines auf Raumtemperatur abgekühlten Spritzgießteils und dem Maß desselben Spritzgießteils nach der Einwirkung einer bestimmten Temperatur. Sie verursacht eine Nachkristallisation und kann während des Gebrauches oder auch gezielt durch Tempern eingebracht werden. Durch die Naschwindungen werden die Fertigteilabmessungen nochmals kleiner.

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.

== '''Aufbau von Spritzgießwerkzeugen''' ==

[[Bild:Spritzgießwerkzeug.jpg|center|900x600px]]

=== Einleitung der Spritzgießwerkzeuge ===

[[Bild:Tabell1 Einleitung.jpg|left|400x300px]]

Die Vielzahl der Unterschiedlichen Spritzgießanwendungen erfordert verschiedene Werkzeugarten. Sie werden nach Anzahl der Formhohlräume, nach Art des Angusssystems, nach Anzahl der Trennebenen und nach Art der Entformung unterschieden. Die unterschiedlichen Verarbeitungsmöglichkeiten im Spritzgießbereich führen zu einer Vielzahl von Sonderverfahren, welche nicht alle in der Übersicht '''(Tabelle 1)''' aufgeführt werden können.

== '''Angusssysteme''' ==

[[Bild:Angusssystem.jpg|left|300x300px]]

Der Anguss ist ein System von Strömungswegen, in denen die fließfähige Formmasse von der Düse der Spritzeinheit zur Formhöhlung (Kavität) fließt.

Dieses System kann aus dem Angusskegel, den Verteilerkanälen, der sog. Angussspinne und dem Anschnitt bestehen '''(Bild 1)'''. Bei Einfachwerkzeugen können sich die Strömungswege auf eine kegelige Bohrung beschränken, die direkt in die Formhöhlung mündet. Die Stelle, an der der Anguss in die Formhöhlung eintritt, nennt man den '''Anschnitt'''.
Den Zeitpunkt nach dem der Anschnitt „eingefroren“ (d.h. erstarrt) ist und somit der Nachdruck nicht mehr wirken kann, nennt man '''Siegelpunkt'''. Ein längeres Nachdrücken über diesen Zeitpunkt hinaus ist unnötig.

Der Zeitpunkt des Erstarrens kann durch eine Innendruckmessung oder durch das Bestimmen der Formteilmasse ermittelt werden. Das maximale Formteilgewicht ist erreicht, wenn der Anschnitt eingefroren ist.

Der Anguss ist so zu gestalten, dass die flüssige Masse möglichst auf kürzestem Wege, mit geringstem Wärme- und Druckverlust die Kavitäten gleichzeitig füllt. Die Querschnitte der Strömungswege müssen so bemessen sein, dass eine gleichmäßige Füllung des Angusssystems sowie der Formhöhlung erreicht wird.

=== Angussformen ===

Die Angussform ist so zu wählen, dass für den speziellen Fall die bereits erwähnten Forderungen erfüllt werden können. Außerdem müssen noch folgende Einflussgrößen berücksichtigt werden.

* Formteilgeometrie und Formteilvolumen
* Viskosität der Formmasse
* Art des Spritzgießwerkzeuges
* Fließweglänge

=== Stangen- oder Kegelanguss ===

[[Bild:Stangen& P.Anguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Stangenanguss.jpg|right|300x300px]]

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.

=== Punktanguss ===

[[Bild:Punktanguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Vergr. Vorkammer.jpg|right|300x300px]]

Beim Entformen reißt der Punktanguss am kleinsten Querschnitt ab und bleibt als Angusszäpfchen am Spritzgießteil '''(Bild 2b zum Thema Stangen und Punktanguss''' und '''Bild 4 Punktanguss mit Vorkammer)'''. Es entsteht dadurch keine Nacharbeit und keine optisch störende Bearbeitungsfläche wie beim Stangenanguss. Außerdem muss der Anguss, also die Formmasse, in der Vorkammer nicht entformt werden.

Der Punktanguss wird besonders für kleinteile und Massenartikel in Einfach- und Mehrfachwerkzeugen vorgesehen, sowie für Mehrfachangüsse bei einem größeren Formteil. Dann muss zum Entformen des Angussverteilers mit einem Dreiplattenwerkzeug gearbeitet werden.

Je kleiner die Bohrung des Punktangusses ist, desto leichter geht das Abreißen vor sich. Dabei ist jedoch neben der Wanddicke die Zähflüssigkeit (Viskosität) der Schmelze, sowie die Temperatur zu beachten.

[[Bild:Vork. mit v. Düsens..jpg|left|300x300px]][[Bild:Vork. m. beh. K-B.sp.jpg|right|300x300px]]

Kann die Formhöhlung durch den kleinen Punktanguss nicht mehr schnell genug gefüllt werden, so kühlt die Schmelze in der '''Vorkammer''' vorzeitig ab, so dass sie unter Umständen von Hand entfernt werden muss.

Deshalb wird die Vorkammer etwas vergrößert, so das die an der Innenwandung haftende abgekühlte Masse als Isolator wirkt '''(Bild 1)'''.

Der Kern der Schmelze, die sog. Plastische Seele, bleibt im Angussbereich flüssig. Die Verweildauer der Schmelze in der Vorkammer sollte aber nicht zu lang sein. Kurze Zyklen, d. h. mehrmaliges Einspritzen pro Minute, sind für das Funktionieren des Systems notwendig.

Ist die Spritzhäufigkeit nicht möglich, so wird eine Kupfer- Beryllium- Spitze in die Vorkammer eingeführt. Der Raum zwischen Kupferspitze und Innenwandung der Vorkammer füllt sich mit erkalteter Masse, die dann als Isolierung wirkt. Die Kupferspitze nimmt über die Düse genügend wärme auf, um die Masse im inneren flüssig zu halten '''(Bild 2)'''.

Eine weitere Möglichkeit, die Abkühlung der Formmasse zu verhindern, besteht darin, die Vorkammer durch spezielle Heizpatronen zu erwärmen '''(Bild 3)'''.

=== Teller- und Scheibenanguss ===

[[Bild:Telleranguss.jpg|left|300x300px]]

Teller- und Scheibenangüsse werden für ringförmige Spritzgießteile vorgesehen '''(Bild 1a)'''. Würde man hier mit einem Punktanguss oder mit zwei Anbindungen arbeiten, so entstünde eine '''Binde-''' und '''Fließnaht (Bild 1b)'''. Sie entsteht, wenn zwei Masseströme sich aufgrund vorzeitiger Abkühlung nicht mehr miteinander verbinden. Je kälter die zusammentreffenden Masseströme sind, desto sichtbarer sind die Bindenähte und umso geringer ist die Festigkeit. Bindenähte entstehen auch, wenn sich Masseströme an einem Kern teilen und sich wieder miteinander verbinden müssen.

Diese Qualitätsminderung kann z.B. durch die Erhöhung der Werkzeugtemperatur teilweise reduziert werden. Mit einer Zykluszeiterhöhung ist zu rechnen.

=== Schirmanguss ===

[[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)'''.

=== Ringanguss ===

[[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.

=== Film- oder Bandanguss ===

Flache teile schneidet man zweckmäßigerweise über ein seitliches oder zentrales Band, dem Filmanguss, an. Dadurch lassen sich, wie bei einem Einzelpunktanguss, ungünstige Fließverhältnisse, oder wie bei Mehrfachpunktangüssen, störende Bindenähte vermeiden '''(Bild 2c)'''.

Ebenso lässt sich die Verzugsneigung durch gleichmäßige Druckverhältnisse positiv beeinflussen.
Eine weitere Anwendung ist deshalb die Herstellung optischer Formteile, wie durchsichtige Abdeckungen und optische Linsen.

Filmanschnitte erfordern eine Nacharbeit durch abtrennen des Angusses.

=== Tunnelanguss ===

[[Bild:Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Beim Tunnelanguss wird das Spritzgießteil seitlich oder an den verdeckten Flächen oder an anderen problemlosen Stellen angespritzt und automatisch beim öffnen der Formhälften, oder beim Ausstoßen vom Angusssystem, getrennt (Bild 1).

Der Verteilerkanal führt entlang der Trennfläche nicht direkt in die Formhöhlung, sondern er geht kurz zuvor schräg als konischer Tunnel durch die düsenseitige Werkzeughälfte in den Formhohlraum.
Wird die schließseitige Formhälfte zurückgezogen, so müssen das Spritzgießteil und das Angießsystem mitgenommen werden. Dabei wird der Tunnelanguss am Anschnitt durch eine Schneidkante abgeschert '''(Bild 1)'''.

Das Mitnehmen des Formteils muss durch Aufschrumpfen auf den Kern geschehen, und die des Angusses durch einen eingearbeiteten Hinterschnitt.

Anschließend wird das Spritzgießteil und das Angießsystem durch die Auswerfer entformt.

Wird ein Tunnelanguss vorgesehen, so muss beachtet werden, dass sich der vom Formteil getrennte Anguss beim öffnen der Werkzeughälften ausreichend biegen muss. Damit der Anguss nicht bricht, muss er eine ausreichende Konizität haben und frei biegbar sein, möglichst mit einem definierten Biegepunkt.

Die Formmasse sollte zähelastisch oder beim Entformen noch nicht vollständig erstarrt sein. Nur dann arbeitet das System störungsfrei. Da beim Tunnelanguss die Druckverluste hoch sind, wird er überwiegend zu Herstellung einfacher und kleiner Spritzgießteile in Mehrfachwerkzeugen verwendet.

=== Gebogener Tunnelanguss ===

[[Bild:geb. Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Der gebogene Tunnelanguss, auch Haken- oder Säbelanguss genannt '''(Bild 2)''', bietet die Möglichkeit ein Spritzgießteil auf der Rückseite oder an verdeckter Stelle anzubinden.

Das Entformungsprinzip entspricht dem des Tunnelangusses. Die Verwendung ist auf elastische Formmassen beschrängt. Die große Durchbiegung bei der Entformung erfolgt während der Ausstoßbewegung.

Durch den geringen Fließquerschnitt im Anschnittbereich entstehen große Druckverluste. Dadurch ist dieses Angusssystem nur für einfache Artikel verwendbar.

=== Angießmöglichkeiten für Mehrfachwerkzeuge ===

[[Bild:Verteilersterne.jpg|left|300x300px]][[Bild:Reihenanguss.jpg|right|300x300px]]

In einem Mehrfachwerkzeug werden in einem Spritzvorgang mehrere Spritzgießteile gleichzeitig hergestellt. Liegen die Formhöhlungen, auch Formnester genannt, in der Trennfläche, so werden diese über Verteilerkanäle mit Schmelze versorgt '''(Bild 1)'''.

Liegen die Formhöhlungen zentrisch um den Mittelpunkt des Angusskegels, so nennt man das System der Verteilerkanäle '''Verteilersterne'''. Bei den Verteilersternen in '''Bild 1a''' sind die Fließwege der Formmassen gleich lang. Der Vorteil des Verteilersterns mit Ringkanal in '''Bild 1b''' liegt darin, dass die Gesamtlänge der Verteilerkanäle kürzer ist. Beim '''Reihenanguss''' '''(Bild 2)''' sind die Fließwege unterschiedlich lang, was zu einer geringeren Qualität des Spritzgießteils führen kann. Bild 2 zeigt ein Beispiel für eine ungleichmäßige Füllung der Formhohlräume. Diesen Nachteil kann man durch unterschiedliche Anschnittquerschnitte ausgleichen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der größeren Anzahl der gleichzeitig herstellbaren Spritzgießteile.

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.

=== Verteilerkanal- und Anschnittform ===

[[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.

Beim runden Anschnitt ist die Einarbeitung ebenfalls in beide Formhälften notwendig. Wird der rechteckige Querschnitt gewählt, so muss darauf geachtet werden, dass die Breite des Anschnittes ungefähr 2mm kleiner als der Verteilerkanal ist (Bild 3).

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''' ==

=== Dreiplattenwerkzeug ===

[[Bild:Dreiplattenwerkz.jpg|left|300x300px]]

Höhere Spritzgiezteile werden deshalb vom Boden her zentral angespritzt. 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.

=== Isolierkanalwerkzeug ===

[[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.

=== Etagenwerkzeug ===

[[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.

=== Heißkanalsysteme ===

[[Bild:Heißkanalwerkzeug.jpg|left|300x300px]]

Im Heißkanalsystem '''(Bild 1)''' wird die in den Verteilerkanälen enthaltene Masse durch Heizpatronen oder/ und Rohrheizkörper '''(Bild 2)''' ständig auf Schmelztemperatur gehalten. Um einen Wärmeübergang vom Heißkanalbereich auf das wesentlich kühlere Werkzeug zu meiden, müssen die Kontaktflächen minimiert, ein isolierend wirkender Luftspalt sowie Reflektorbleche vorgesehen werden. Thermofühler in verbindung mit einem Regelkreis sorgen für eine möglichst gleichmäßige Temperatur im Angießsystem.

Es werden außen- und innenbeheizte Heißkanalsysteme unterschieden.

'''Außenbeheizte''' Heißkanalsysteme transportieren Wärmeenergie von außen in den Verteilerkanal (Bild 2a).

'''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
* Anspritzpunkte in großer Entfernung von der Plastifiziereinheit realisierbar
* keine Nacharbeit zum Entfernen des Angusses
* Etagenwerkzeuge nur mit Heißkanalsystemen möglich

Die '''Nachteile''' von Heizkanalwerkzeugen sind:
* hohe Energiekosten
* größere Werkzeugeinbauhöhe
* höhere Werkzeugkosten
* Farb- und Materialwechsel schwierig

'''Anwendung''':
* Großserienwerkzeuge, große Losgrößen
* große Formteile mit mehreren Anspritzpunkten

== '''Sonstiges''' ==

Zur Vollständigkeit einer Spritzgießanlage müssen noch folgende Punkte genannt werden:
* die Werkzeugtemperierung, sie regelt die Wärme zu- und abführ (Kühlssystem)
* Serielle Anordnung des Kühlkreislaufes
* Parallele Anordnung des Kühlkreislaufes
* Entformungssysteme (Auswerfeinrichtungen), sie stoßen das Werkstück aus
* Auswerfsysteme bei Hinterschneidungen (äußere und innere Hinterschneidungen)
* Bewegliche Kernsegmente
* Elastische Zwangsentformung
* Zusammenfaltbarer Kern
* Entformung durch Rotation des Formteils
* Werkzeugentlüftung, um die Formen schnell genug zu füllen.

== '''Quellen''' ==

# Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Verlag, 53. Auflage
# Der Werkzeugbau, Europa Lehrmittel Verlag, 13. Auflage

[[Kategorie:Fertigungstechnik]]

Spritzgießen

2009-04-22T20:04:17Z

Sandra Kellinghusen: /* '''Aufbau von Spritzgießwerkzeugen''' */

== '''Spritzgießen''' ==

=== Einleitung ===

Beim Spritzgießen werden überwiegend Thermoplaste1 im plastifizierten, fließfähigen Zustand in geteilte und 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|]]

=== 1Thermoplaste: ===
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.

=== Vorgänge beim Spritzgießen ===

[[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.

=== Werkstoffverhalten ===

Die Plastifizierte Formmasse sollte so schnell wie möglich in den Formhohlraum eingesprizt werden, damit Druck und Temperatur im Hohlraum überall gleich sind. Tritt dieser idealfall ein, ist eine gleichmäßige Struktur des Werkstoffes und ein gleichmäßiges Schwindungsverhalten im ganzen Spritzgießteil gewährleistet, sodass keine Spannungen und kein Verzug auftreten.

Dieser ideale Vorgang lässt sich leider nicht realisieren. Fließwiederstände im Werkzeug und in der Düse bewirken einen Druckabfall während des Einspritzens. Ungleichmäßiges Abkühlen der Formmasse im Werkzeughohlraum, der auch Kavität genannt wird, ergibt eine ungleichmäßige Werkstoffstruktur.

=== Molekühlorientierung ===

[[Bild:Amorpher Thermoplast.jpg|left|300x300px]]
[[Bild:Molekühlorientierung_0001.jpg|left|300x300px]]
[[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.

=== Kristallisationsgrad ===

[[Bild:Kristallisationsgrad.jpg|left|300x300px]]

{{Mark
|Bei teilkristallinen Werkstoffen kann sich auf Grund der schnellen Abkühlung im Bereich der Formwand keine Kristallisation bilden. Der Randbreich des Spritzgießteils hat darum einen amorphen Aufbau, währen der Kern einen mehr 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)'''.

=== Fließverhalten ===

[[Bild:Fließfront.jpg|left|300x300px]]
[[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)'''.}}

=== Einflussgrößen auf den Spritzvorgang ===

[[Bild:Einflussgrößen auf den Spritzvorgang.jpg|right|300x300px]]
[[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, 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).

=== Druckverlauf ===

[[Bild:Druckverlauf.jpg|left|300x300px]][[Bild:Auswirkungen des Nachdruckes.jpg|right|300x300px]][[Bild:SGT mit Lunker.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Werkzeuginnendruck.jpg|left|300x300px]]

Durch den '''Einspritzdruck''', welcher in der Formmasse im Schneckenvorraum herrscht, wird im Formhohlraum aufgrund von Strömungswiederständen in der Düse und im Werkzeug ein zeitlich verzögerter und in der Höhe etwas geringerer '''Werkzeuginnendruck''' aufgebaut '''(Bild 1)'''. Dadurch füllt sich die Werkzeughöhlung mit Formmasse (Bild 1, '''Kurvenpunkt A''') und erzeugt die Ausformung der Konturen durch das Komprimieren (verdichten, zusammenpressen) der Formmasse. Der Maximale Werkzeuginnendruck (Bild 1, '''Kurvenpunkt B''') hängt von der Form, vom Werkstoff, von der Qualität des Spritzgießteils und vom Verhältnis zwischen Fließweg und Wanddicke ab. Dieses Verhältnis wird durch den maximalen Fließweg, den die Formmasse zurücklegen muss und der Wanddicke des Spritzgießteils gebildet '''(Bild 2)'''. Ist der gewünschte Werkzeuginnendruck erreicht, so wird der Einspritzdruck vermindert und als '''Nachdruck''' bezeichnet (Umschaltpunkt). Dieser füllt in der anschließenden Phase nur noch das Restvolumen auf und gleicht die Volumenminderung aus, die durch das Abkühlen der Schmelze eintritt. Der Innendruck fällt dabei leicht ab. Auswirkungen des Nachdruckes auf den Spritzvorgang zeigt die '''Tabelle 1'''.

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.

=== Formfüllungsgrad ===

[[Bild:Formfüllstudie.jpg|left|300x300px]]

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.

=== Abkühlung ===

[[Bild:Abkühlzeit für PS.jpg|left|300x300px]]

Wie schnell die Formstabilität der Formmasse beim Abkühlen eintritt, hängt von der '''Werkzeugtemperatur''' ab. Diese wiederum wird von der Art der Formmasse und von den Anforderungen an das Spritzgießteil sowie von der Wanddicke bestimmt '''(Bild 1)'''.
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 Vorgang vom Einspritzen der Schmelze in den Formhohlraum bis zum nächsten Einspritzvorgang bezeichnet man auch als '''Takt, Schuss''' oder '''Zyklus'''.

== '''Spritzgießmaschine''' ==

[[Bild:Spritzgießmaschiene.jpg|center|800x800px|]]

=== Die Aufgaben der Spritzgießmaschine ===

[[Bild:Aufgaben der Spritzgießmaschine.jpg|left|300x300px|]]

*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 der Form.

Die ersten beiden Aufgaben übernimmt die Spritzeinheit der Spritzmaschine, während die dritte Aufgabe die Schließeinheit durchführt.

=== Spritzeinheit ===

[[Bild:Spritzgießmaschiene_1.jpg|right|600x600px]]

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)'''.

[[Bild:Schneckenkolbenext.jpg| left|300x300px]]

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.

=== Einstellgrößen ===

[[Bild:Einstellgr Plastif.jpg|left|300x300px]]

Die Drehzahl der Schnecke richtet sich neben dem Schneckendurchmesser nach der Größe der Umfangsgeschwindigkeit, die von den Formmasseherstellern vorgegeben wird '''(Tabelle 1)'''.

[[Bild:Wirkung_des_Staud.jpg|left|300x300px]]

Der Wiederstand 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''' ==

Die Düse hat die Aufgabe, eine dichte Verbindung, möglichst ohne Druck- und Temperaturverlust, zwischen dem Spritzzylinder und dem Werkzeug herzustellen. Durch die Berührung mit dem kälteren Werkzeug kann der Düse und der verbleibenden Schmelze wärme entzogen werden. Abhilfe kann geschaffen werden, durch eine Düsenheizung sowie durch das Abheben der Düse vom Werkzeug nach der Nachdruckzeit.

=== Offene Düsen und Verschlussdüsen ===

[[Bild:offene Düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Nadelv.düse.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Schiebev.düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Quernadelv.düse.jpg|right|300x300px]]

Wenn es die Zähigkeit der Schmelze zulässt, wählt man meist eine '''offene Düse (Bild 1)'''. Die Druck- und Temperaturverluste sind wegen des glatten Kanals sehr gering. Außerdem ist die offene Düse leicht zu reinigen und zu spülen. Die Gefahr, dass Schmelze aus der Düse austreten kann, nimmt mit kleiner werdender Düsenbohrung (ca. 3- 8mm) ständig ab. Ist die Schmelze zu dünnflüssig, so müssen '''Verschlussdüsen''', z.B. Schieberverschlussdüsen '''(Bild 2)''', oder Nadelverschlussdüsen '''(Bild3)''', vorgesehen werden. Sie sind so konstruiert, das die Düsenöffnung nach jedem Einspritzvorgang verschlossen und dadurch das Ausströmen der Masse verhindert wird.
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 (RD) bei Konvexdüsen etwas kleiner ist, als der Radius der Angießbuchse (RA), 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.

== '''Schließeinheit''' ==

Die Schließeinheit nimmt an der beweglichen und an der festen Werkzeugplatte die jeweiligen Formhälften auf. Das Öffnen, Schließen und Zuhalten des Werkzeuges wird durch ein Kniehebelssystem oder durch einen vollhydraulischen Antrieb ausgeführt '''(Bild1, Spritzgießmaschine beim Thema Spritzeinheit)'''.

=== Schließkraft – Zuhaltekraft ===

[[Bild:Schließkraft.jpg|left|300x300px]][[Bild:Durchbiegung.jpg|right|300x300px]][[Bild:Stützrollen.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Schwimmhäute.jpg|left|280x280px]]

Die '''Schließkraft''' Fs ist die Kraft, die die Säulen nach dem Schließvorgang beansprucht und dehnt sowie die beiden Formhälften zusammendrückt '''(Bild 1)'''. Beim Einspritzen der Formmasse entsteht durch den Werkzeuginnendruck pw eine Auftriebskraft FA (FA= pw * A), die eine weitere Zugbeanspruchung und Dehnung der Säulen verursacht. Die Summe der Kräfte, die die Säulen beim Einspritzvorgang insgesamt belasten, wird als '''Zuhaltekraft''' Fz bezeichnet. Sie ist stets größer als die Schließkraft, und sie ist von der Steifigkeit der Maschine und des Werkzeuges abhängig.

Ist die '''Auftriebskraft''' größer als die Zuhaltekraft, so wird die Anlage zwischen den beiden Werkzeughälften aufgehoben und es tritt Schmelze zwischen den beiden Formhälften aus, die zur '''Grat'''- oder '''Schwimmhautbildung''' führt '''(Bild 2)'''. Diesen Vorgang nennt man auch '''Überspritzung''' oder '''Überladung'''.
Die '''Zuhaltekraft''' sollte trotzdem so klein wie möglich eingestellt werden, um auch einer Durchbiegung bei den Formnesttragenden Werkzeugplatten vorzubeugen. Diese '''Durchbiegung''' entsteht dadurch, dass beim Einspritzen der Werkzeuginnendruck versucht, die beiden Formhälften überwiegend im Bereich der Formhohlräume auseinander zu drücken, während die Zuhaltekräfte nur im Bereich der direkten Kraftübertragung wirken (Bild 1). Die Durchbiegung ist besonders groß bei geringer Steifigkeit der Platten und um die Bereiche gegenüber der düsenseitigen Zentrierbohrung und vor allem gegenüber dem Auswerfersystem '''(Bild 3)'''.
Die Durchbiegung führt zur Gratbildung und u.U. dazu, dass nicht der größtmögliche Einspritzdruck gewählt werden kann. Abhilfe kann dadurch geschaffen werden, dass zusätzliche Stützrollen vorgesehen werden, die mit einem Übermaß von 0,03mm … 0,05mm gegenüber den äußeren Abstützungen eingebaut werden '''(Bild 4)'''.
Auch wegen der beim Einspritzen erforderlichen Entlüftung der Werkzeughöhlung über die Berührungsflächen der beiden Formhälften sollte die Schließkraft so niedrig wie möglich sein.

== '''Gestalten von Spritzgießteilen''' ==

=== Maßtoleranzen bei Spritzgießteilen ===

[[Bild:Maßarten.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle1 Ermittlung.jpg|right|300x300px]]

Die erzielbaren Toleranzen sind größtenteils abhängig von der Schwindung, den Formmassen und der Art der Maße, wobei natürlich auch die Qualität der Spritzgießmaschine und des Werkzeuges eine Rolle spielen.

So lassen sich mit amorphen Formmassen kleinere Toleranzen leichter einhalten als mit teilkristallinen. '''Werkzeuggebundene''' Maße lassen sich genauer herstellen als '''nicht werkzeuggebundene''' Maße '''(Bild 1)'''.

DIN 16 901 bildet bei der Festlegung der Toleranzen zuerst Toleranzgruppen in Abhängigkeit der Formmassen und Schwindungskennwerte (siehe Tabellenbuch). Bezogen auf diese Toleranzgruppen und die festgelegte Maßart werden dann den verschiedenen Nennmaßbereichen die zulässigen Abweichungen zugeordnet.

Die Ermittlung der Allgemeintoleranz für das werkzeuggebundene Maß a im Bild 1, das 35mm betragen soll, zeigt die Tabelle 1.

=== Richtlinien zur Gestaltung von Spritzgießteilen (VDI 2006) ===

[[Bild:Mindetwanddicke.jpg|left|300x300px]][[Bild:Gestaltungsbeispiele.jpg|right|300x300px]]

Die Wanddicken müssen groß genug sein, damit die Formmasse das Werkzeug sicher füllen kann, ehe sie zu stark abkühlt oder ausgehärtet ist. Deshalb ist die '''Mindestwanddicke''' in Abhängigkeit vom '''Fließweg''' im Werkzeug und der Fließfähigkeit der Formmasse zu wählen '''(Bild 2)''' und Bild 2: Werkzeuginnendruck für einfache Teile beim Thema Druckverlauf).

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)'''.

[[Bild:Neigung.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle rautiefe.jpg|right|300x300px]][[Bild:Verzug.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Winkelverzug.jpg|left|300x300px]]

Um das Spritzgießteil leicht und schnell aus der Form entfernen zu können, müssen alle Flächen des Werkstückes, die in Öffnungsrichtung der Form liegen, eine leichte '''Neigung''' erhalten '''(Bild 1)'''. Zusätzlich muss sichergestellt sein, dass das Spritzgießteil beim Öffnen der Form von der schließseitigen Formhälfte mitgenommen und von der Auswerfervorrichtung entfernt wird. Weiterhin hängen die Entformungsschrägen speziell bei strukturierten Oberflächen von der Oberflächenrauigkeit der abzubildenden Kavitäten ab. Die Struktur kann aufgrund ihrer Tiefe wie eine Verzahnung zwischen Formteil und Werkzeugoberfläche wirken und somit die Entformung erschweren. Die Lage der Strukturrichtung parallel oder senkrecht zur Entformungsrichtung und die Materialpaarung Stahl- Kunststoffmasse ist von entscheidender Bedeutung '''(Tabelle 1)'''.

Als einfache Näherung sollte für eine Strukturtiefe von 0,02mm pro 1° Entformungsschrägen bei senkrechter Lage zur Entformungsrichtung nicht überschritten werden. Scharfe Ecken und Kanten können beim Einspritzvorgang des Kunststoffmaterials so stark scheren, dass es zu einer thermischen Schädigung des Kunststoffes kommen kann.

Eine Abrundung bei Umlenkungen wirkt nicht nur der Scherung entgegen, sondern auch dem '''Winkelverzug''' und der Kerbwirkung im Eckbereich. Der mögliche Verzug des Formteils wird in '''(Bild 2)''' dargestellt. Da die dünnen Formteilbereiche schneller abkühlen, werden sie durch die Schrumpfkraft der dickeren verformt.

In '''Bild 3''' kann das Volumenelement '''a''' seine Erstarrungswärme nur stark verzögert an das Werkzeug abgeben. Volumenelement '''b''' kühlt dagegen rascher ab, da es an zwei Seiten an das Werkzeug grenzt. Es entsteht ein '''Winkelverzug'''. Diesem kann durch Abrunden und durch verringerung der Wandstärke im Eckbereich entgegengewirkt werden.

== '''Schwindung''' ==

[[Bild:Tabelle1 Anhaltsw.jpg|left|600x600px]]

Bei der Festlegung des Formhohlraumes müssen die Schwindung und evtl. die Nachschwindung berücksichtigt werden.

Unter Schwindung versteht man die Maßänderung von Werkstücken durch das Zusammenziehen des Werkstoffes beim Abkühlen als Maßunterschied zwischen Werkzeugkavität und Formteil. Bei der Erfassung dieser Schwindung '''(Tabelle 1)''' kommt erschwerend hinzu, dass die Schwindungsdifferenz sowie die Nachschwindung berücksichtigt werden müssen.

Eine '''Schwindungsdifferenz''' tritt dann auf, wenn die Schwindungen in Fließrichtung und quer dazu unterschiedlich groß sind. Der Unterschied zwischen Längs- und Querschwindung ist die Schwindungsdifferenz. Bei einer größeren Schwindungsdifferenz kann dies zu Verwindungen oder zum Verzug des spritzgegossenen Formteils führen.

Die Formteilgeometrie und die Angusslage können Molekülorientierungen hervorrufen, wodurch die Schwindungsdifferenz beeinflusst werden kann. Durch die Verwendung von Füllstoffen kann die Schwindung vermindert werden. Bei faserigen Verstärkungsstoffen kann durch die Faserorientierung im Bauteil eine sehr große Schwindungsdifferenz entstehen. Die Temperaturdifferenz während der Verarbeitung und der Gebrauchstemperatur des Formteils ergibt eine vernachlässigbare Längenänderung der Glasfasern. Sind nun Glasfasern in einem Formteil durch den Materialfluss während des Füllvorganges stark orientiert, schwindet das Formteil quer zur Faser wesentlich stärker als längs dazu. Werden zum Beispiel Glaskugeln zugemischt, wird insgesamt eine geringere Schwindung beobachtet.

Die '''Nachschwindung''' ist der Unterschied zwischen dem Maß eines auf Raumtemperatur abgekühlten Spritzgießteils und dem Maß desselben Spritzgießteils nach der Einwirkung einer bestimmten Temperatur. Sie verursacht eine Nachkristallisation und kann während des Gebrauches oder auch gezielt durch Tempern eingebracht werden. Durch die Naschwindungen werden die Fertigteilabmessungen nochmals kleiner.

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.

== '''Aufbau von Spritzgießwerkzeugen''' ==

[[Bild:Spritzgießwerkzeug.jpg|center|900x600px]]

=== Einleitung der Spritzgießwerkzeuge ===

[[Bild:Tabell1 Einleitung.jpg|left|400x300px]]

Die Vielzahl der Unterschiedlichen Spritzgießanwendungen erfordert verschiedene Werkzeugarten. Sie werden nach Anzahl der Formhohlräume, nach Art des Angusssystems, nach Anzahl der Trennebenen und nach Art der Entformung unterschieden. Die unterschiedlichen Verarbeitungsmöglichkeiten im Spritzgießbereich führen zu einer Vielzahl von Sonderverfahren, welche nicht alle in der Übersicht '''(Tabelle 1)''' aufgeführt werden können.

== '''Angusssysteme''' ==

[[Bild:Angusssystem.jpg|left|300x300px]]

Der Anguss ist ein System von Strömungswegen, in denen die fließfähige Formmasse von der Düse der Spritzeinheit zur Formhöhlung (Kavität) fließt.

Dieses System kann aus dem Angusskegel, den Verteilerkanälen, der sog. Angussspinne und dem Anschnitt bestehen '''(Bild 1)'''. Bei Einfachwerkzeugen können sich die Strömungswege auf eine kegelige Bohrung beschränken, die direkt in die Formhöhlung mündet. Die Stelle, an der der Anguss in die Formhöhlung eintritt, nennt man den '''Anschnitt'''.
Den Zeitpunkt nach dem der Anschnitt „eingefroren“ (d.h. erstarrt) ist und somit der Nachdruck nicht mehr wirken kann, nennt man '''Siegelpunkt'''. Ein längeres Nachdrücken über diesen Zeitpunkt hinaus ist unnötig.

Der Zeitpunkt des Erstarrens kann durch eine Innendruckmessung oder durch das Bestimmen der Formteilmasse ermittelt werden. Das maximale Formteilgewicht ist erreicht, wenn der Anschnitt eingefroren ist.

Der Anguss ist so zu gestalten, dass die flüssige Masse möglichst auf kürzestem Wege, mit geringstem Wärme- und Druckverlust die Kavitäten gleichzeitig füllt. Die Querschnitte der Strömungswege müssen so bemessen sein, dass eine gleichmäßige Füllung des Angusssystems sowie der Formhöhlung erreicht wird.

=== Angussformen ===

Die Angussform ist so zu wählen, dass für den speziellen Fall die bereits erwähnten Forderungen erfüllt werden können. Außerdem müssen noch folgende Einflussgrößen berücksichtigt werden.

* Formteilgeometrie und Formteilvolumen
* Viskosität der Formmasse
* Art des Spritzgießwerkzeuges
* Fließweglänge

=== Stangen- oder Kegelanguss ===

[[Bild:Stangen& P.Anguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Stangenanguss.jpg|right|300x300px]]

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.

=== Punktanguss ===

[[Bild:Punktanguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Vergr. Vorkammer.jpg|right|300x300px]]

Beim Entformen reißt der Punktanguss am kleinsten Querschnitt ab und bleibt als Angusszäpfchen am Spritzgießteil '''(Bild 2b zum Thema Stangen und Punktanguss''' und '''Bild 4 Punktanguss mit Vorkammer)'''. Es entsteht dadurch keine Nacharbeit und keine optisch störende Bearbeitungsfläche wie beim Stangenanguss. Außerdem muss der Anguss, also die Formmasse, in der Vorkammer nicht entformt werden.

Der Punktanguss wird besonders für kleinteile und Massenartikel in Einfach- und Mehrfachwerkzeugen vorgesehen, sowie für Mehrfachangüsse bei einem größeren Formteil. Dann muss zum Entformen des Angussverteilers mit einem Dreiplattenwerkzeug gearbeitet werden.

Je kleiner die Bohrung des Punktangusses ist, desto leichter geht das Abreißen vor sich. Dabei ist jedoch neben der Wanddicke die Zähflüssigkeit (Viskosität) der Schmelze, sowie die Temperatur zu beachten.

[[Bild:Vork. mit v. Düsens..jpg|left|300x300px]][[Bild:Vork. m. beh. K-B.sp.jpg|right|300x300px]]

Kann die Formhöhlung durch den kleinen Punktanguss nicht mehr schnell genug gefüllt werden, so kühlt die Schmelze in der '''Vorkammer''' vorzeitig ab, so dass sie unter Umständen von Hand entfernt werden muss.

Deshalb wird die Vorkammer etwas vergrößert, so das die an der Innenwandung haftende abgekühlte Masse als Isolator wirkt '''(Bild 1)'''.

Der Kern der Schmelze, die sog. Plastische Seele, bleibt im Angussbereich flüssig. Die Verweildauer der Schmelze in der Vorkammer sollte aber nicht zu lang sein. Kurze Zyklen, d. h. mehrmaliges Einspritzen pro Minute, sind für das Funktionieren des Systems notwendig.

Ist die Spritzhäufigkeit nicht möglich, so wird eine Kupfer- Beryllium- Spitze in die Vorkammer eingeführt. Der Raum zwischen Kupferspitze und Innenwandung der Vorkammer füllt sich mit erkalteter Masse, die dann als Isolierung wirkt. Die Kupferspitze nimmt über die Düse genügend wärme auf, um die Masse im inneren flüssig zu halten '''(Bild 2)'''.

Eine weitere Möglichkeit, die Abkühlung der Formmasse zu verhindern, besteht darin, die Vorkammer durch spezielle Heizpatronen zu erwärmen '''(Bild 3)'''.

=== Teller- und Scheibenanguss ===

[[Bild:Telleranguss.jpg|left|300x300px]]

Teller- und Scheibenangüsse werden für ringförmige Spritzgießteile vorgesehen '''(Bild 1a)'''. Würde man hier mit einem Punktanguss oder mit zwei Anbindungen arbeiten, so entstünde eine '''Binde-''' und '''Fließnaht (Bild 1b)'''. Sie entsteht, wenn zwei Masseströme sich aufgrund vorzeitiger Abkühlung nicht mehr miteinander verbinden. Je kälter die zusammentreffenden Masseströme sind, desto sichtbarer sind die Bindenähte und umso geringer ist die Festigkeit. Bindenähte entstehen auch, wenn sich Masseströme an einem Kern teilen und sich wieder miteinander verbinden müssen.

Diese Qualitätsminderung kann z.B. durch die Erhöhung der Werkzeugtemperatur teilweise reduziert werden. Mit einer Zykluszeiterhöhung ist zu rechnen.

=== Schirmanguss ===

[[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)'''.

=== Ringanguss ===

[[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.

=== Film- oder Bandanguss ===

Flache teile schneidet man zweckmäßigerweise über ein seitliches oder zentrales Band, dem Filmanguss, an. Dadurch lassen sich, wie bei einem Einzelpunktanguss, ungünstige Fließverhältnisse, oder wie bei Mehrfachpunktangüssen, störende Bindenähte vermeiden '''(Bild 2c)'''.

Ebenso lässt sich die Verzugsneigung durch gleichmäßige Druckverhältnisse positiv beeinflussen.
Eine weitere Anwendung ist deshalb die Herstellung optischer Formteile, wie durchsichtige Abdeckungen und optische Linsen.

Filmanschnitte erfordern eine Nacharbeit durch abtrennen des Angusses.

=== Tunnelanguss ===

[[Bild:Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Beim Tunnelanguss wird das Spritzgießteil seitlich oder an den verdeckten Flächen oder an anderen problemlosen Stellen angespritzt und automatisch beim öffnen der Formhälften, oder beim Ausstoßen vom Angusssystem, getrennt (Bild 1).

Der Verteilerkanal führt entlang der Trennfläche nicht direkt in die Formhöhlung, sondern er geht kurz zuvor schräg als konischer Tunnel durch die düsenseitige Werkzeughälfte in den Formhohlraum.
Wird die schließseitige Formhälfte zurückgezogen, so müssen das Spritzgießteil und das Angießsystem mitgenommen werden. Dabei wird der Tunnelanguss am Anschnitt durch eine Schneidkante abgeschert '''(Bild 1)'''.

Das Mitnehmen des Formteils muss durch Aufschrumpfen auf den Kern geschehen, und die des Angusses durch einen eingearbeiteten Hinterschnitt.

Anschließend wird das Spritzgießteil und das Angießsystem durch die Auswerfer entformt.

Wird ein Tunnelanguss vorgesehen, so muss beachtet werden, dass sich der vom Formteil getrennte Anguss beim öffnen der Werkzeughälften ausreichend biegen muss. Damit der Anguss nicht bricht, muss er eine ausreichende Konizität haben und frei biegbar sein, möglichst mit einem definierten Biegepunkt.

Die Formmasse sollte zähelastisch oder beim Entformen noch nicht vollständig erstarrt sein. Nur dann arbeitet das System störungsfrei. Da beim Tunnelanguss die Druckverluste hoch sind, wird er überwiegend zu Herstellung einfacher und kleiner Spritzgießteile in Mehrfachwerkzeugen verwendet.

=== Gebogener Tunnelanguss ===

[[Bild:geb. Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Der gebogene Tunnelanguss, auch Haken- oder Säbelanguss genannt '''(Bild 2)''', bietet die Möglichkeit ein Spritzgießteil auf der Rückseite oder an verdeckter Stelle anzubinden.

Das Entformungsprinzip entspricht dem des Tunnelangusses. Die Verwendung ist auf elastische Formmassen beschrängt. Die große Durchbiegung bei der Entformung erfolgt während der Ausstoßbewegung.

Durch den geringen Fließquerschnitt im Anschnittbereich entstehen große Druckverluste. Dadurch ist dieses Angusssystem nur für einfache Artikel verwendbar.

=== Angießmöglichkeiten für Mehrfachwerkzeuge ===

[[Bild:Verteilersterne.jpg|left|300x300px]][[Bild:Reihenanguss.jpg|right|300x300px]]

In einem Mehrfachwerkzeug werden in einem Spritzvorgang mehrere Spritzgießteile gleichzeitig hergestellt. Liegen die Formhöhlungen, auch Formnester genannt, in der Trennfläche, so werden diese über Verteilerkanäle mit Schmelze versorgt '''(Bild 1)'''.

Liegen die Formhöhlungen zentrisch um den Mittelpunkt des Angusskegels, so nennt man das System der Verteilerkanäle '''Verteilersterne'''. Bei den Verteilersternen in '''Bild 1a''' sind die Fließwege der Formmassen gleich lang. Der Vorteil des Verteilersterns mit Ringkanal in '''Bild 1b''' liegt darin, dass die Gesamtlänge der Verteilerkanäle kürzer ist. Beim '''Reihenanguss''' '''(Bild 2)''' sind die Fließwege unterschiedlich lang, was zu einer geringeren Qualität des Spritzgießteils führen kann. Bild 2 zeigt ein Beispiel für eine ungleichmäßige Füllung der Formhohlräume. Diesen Nachteil kann man durch unterschiedliche Anschnittquerschnitte ausgleichen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der größeren Anzahl der gleichzeitig herstellbaren Spritzgießteile.

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.

=== Verteilerkanal- und Anschnittform ===

[[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.

Beim runden Anschnitt ist die Einarbeitung ebenfalls in beide Formhälften notwendig. Wird der rechteckige Querschnitt gewählt, so muss darauf geachtet werden, dass die Breite des Anschnittes ungefähr 2mm kleiner als der Verteilerkanal ist (Bild 3).

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''' ==

=== Dreiplattenwerkzeug ===

[[Bild:Dreiplattenwerkz.jpg|left|300x300px]]

Höhere Spritzgiezteile werden deshalb vom Boden her zentral angespritzt. 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.

=== Isolierkanalwerkzeug ===

[[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.

=== Etagenwerkzeug ===

[[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.

=== Heißkanalsysteme ===

[[Bild:Heißkanalwerkzeug.jpg|left|300x300px]]

Im Heißkanalsystem '''(Bild 1)''' wird die in den Verteilerkanälen enthaltene Masse durch Heizpatronen oder/ und Rohrheizkörper '''(Bild 2)''' ständig auf Schmelztemperatur gehalten. Um einen Wärmeübergang vom Heißkanalbereich auf das wesentlich kühlere Werkzeug zu meiden, müssen die Kontaktflächen minimiert, ein isolierend wirkender Luftspalt sowie Reflektorbleche vorgesehen werden. Thermofühler in verbindung mit einem Regelkreis sorgen für eine möglichst gleichmäßige Temperatur im Angießsystem.

Es werden außen- und innenbeheizte Heißkanalsysteme unterschieden.

'''Außenbeheizte''' Heißkanalsysteme transportieren Wärmeenergie von außen in den Verteilerkanal (Bild 2a).

'''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
* Anspritzpunkte in großer Entfernung von der Plastifiziereinheit realisierbar
* keine Nacharbeit zum Entfernen des Angusses
* Etagenwerkzeuge nur mit Heißkanalsystemen möglich

Die '''Nachteile''' von Heizkanalwerkzeugen sind:
* hohe Energiekosten
* größere Werkzeugeinbauhöhe
* höhere Werkzeugkosten
* Farb- und Materialwechsel schwierig

'''Anwendung''':
* Großserienwerkzeuge, große Losgrößen
* große Formteile mit mehreren Anspritzpunkten

== '''Sonstiges''' ==

Zur Vollständigkeit einer Spritzgießanlage müssen noch folgende Punkte genannt werden:
* die Werkzeugtemperierung, sie regelt die Wärme zu- und abführ (Kühlssystem)
* Serielle Anordnung des Kühlkreislaufes
* Parallele Anordnung des Kühlkreislaufes
* Entformungssysteme (Auswerfeinrichtungen), sie stoßen das Werkstück aus
* Auswerfsysteme bei Hinterschneidungen (äußere und innere Hinterschneidungen)
* Bewegliche Kernsegmente
* Elastische Zwangsentformung
* Zusammenfaltbarer Kern
* Entformung durch Rotation des Formteils
* Werkzeugentlüftung, um die Formen schnell genug zu füllen.

== '''Quellen''' ==

# Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Verlag, 53. Auflage
# Der Werkzeugbau, Europa Lehrmittel Verlag, 13. Auflage

[[Kategorie:Fertigungstechnik]]

Spritzgießen

2009-04-22T20:03:38Z

Sandra Kellinghusen: /* '''Aufbau von Spritzgießwerkzeugen''' */

== '''Spritzgießen''' ==

=== Einleitung ===

Beim Spritzgießen werden überwiegend Thermoplaste1 im plastifizierten, fließfähigen Zustand in geteilte und 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|]]

=== 1Thermoplaste: ===
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.

=== Vorgänge beim Spritzgießen ===

[[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.

=== Werkstoffverhalten ===

Die Plastifizierte Formmasse sollte so schnell wie möglich in den Formhohlraum eingesprizt werden, damit Druck und Temperatur im Hohlraum überall gleich sind. Tritt dieser idealfall ein, ist eine gleichmäßige Struktur des Werkstoffes und ein gleichmäßiges Schwindungsverhalten im ganzen Spritzgießteil gewährleistet, sodass keine Spannungen und kein Verzug auftreten.

Dieser ideale Vorgang lässt sich leider nicht realisieren. Fließwiederstände im Werkzeug und in der Düse bewirken einen Druckabfall während des Einspritzens. Ungleichmäßiges Abkühlen der Formmasse im Werkzeughohlraum, der auch Kavität genannt wird, ergibt eine ungleichmäßige Werkstoffstruktur.

=== Molekühlorientierung ===

[[Bild:Amorpher Thermoplast.jpg|left|300x300px]]
[[Bild:Molekühlorientierung_0001.jpg|left|300x300px]]
[[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.

=== Kristallisationsgrad ===

[[Bild:Kristallisationsgrad.jpg|left|300x300px]]

{{Mark
|Bei teilkristallinen Werkstoffen kann sich auf Grund der schnellen Abkühlung im Bereich der Formwand keine Kristallisation bilden. Der Randbreich des Spritzgießteils hat darum einen amorphen Aufbau, währen der Kern einen mehr 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)'''.

=== Fließverhalten ===

[[Bild:Fließfront.jpg|left|300x300px]]
[[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)'''.}}

=== Einflussgrößen auf den Spritzvorgang ===

[[Bild:Einflussgrößen auf den Spritzvorgang.jpg|right|300x300px]]
[[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, 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).

=== Druckverlauf ===

[[Bild:Druckverlauf.jpg|left|300x300px]][[Bild:Auswirkungen des Nachdruckes.jpg|right|300x300px]][[Bild:SGT mit Lunker.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Werkzeuginnendruck.jpg|left|300x300px]]

Durch den '''Einspritzdruck''', welcher in der Formmasse im Schneckenvorraum herrscht, wird im Formhohlraum aufgrund von Strömungswiederständen in der Düse und im Werkzeug ein zeitlich verzögerter und in der Höhe etwas geringerer '''Werkzeuginnendruck''' aufgebaut '''(Bild 1)'''. Dadurch füllt sich die Werkzeughöhlung mit Formmasse (Bild 1, '''Kurvenpunkt A''') und erzeugt die Ausformung der Konturen durch das Komprimieren (verdichten, zusammenpressen) der Formmasse. Der Maximale Werkzeuginnendruck (Bild 1, '''Kurvenpunkt B''') hängt von der Form, vom Werkstoff, von der Qualität des Spritzgießteils und vom Verhältnis zwischen Fließweg und Wanddicke ab. Dieses Verhältnis wird durch den maximalen Fließweg, den die Formmasse zurücklegen muss und der Wanddicke des Spritzgießteils gebildet '''(Bild 2)'''. Ist der gewünschte Werkzeuginnendruck erreicht, so wird der Einspritzdruck vermindert und als '''Nachdruck''' bezeichnet (Umschaltpunkt). Dieser füllt in der anschließenden Phase nur noch das Restvolumen auf und gleicht die Volumenminderung aus, die durch das Abkühlen der Schmelze eintritt. Der Innendruck fällt dabei leicht ab. Auswirkungen des Nachdruckes auf den Spritzvorgang zeigt die '''Tabelle 1'''.

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.

=== Formfüllungsgrad ===

[[Bild:Formfüllstudie.jpg|left|300x300px]]

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.

=== Abkühlung ===

[[Bild:Abkühlzeit für PS.jpg|left|300x300px]]

Wie schnell die Formstabilität der Formmasse beim Abkühlen eintritt, hängt von der '''Werkzeugtemperatur''' ab. Diese wiederum wird von der Art der Formmasse und von den Anforderungen an das Spritzgießteil sowie von der Wanddicke bestimmt '''(Bild 1)'''.
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 Vorgang vom Einspritzen der Schmelze in den Formhohlraum bis zum nächsten Einspritzvorgang bezeichnet man auch als '''Takt, Schuss''' oder '''Zyklus'''.

== '''Spritzgießmaschine''' ==

[[Bild:Spritzgießmaschiene.jpg|center|800x800px|]]

=== Die Aufgaben der Spritzgießmaschine ===

[[Bild:Aufgaben der Spritzgießmaschine.jpg|left|300x300px|]]

*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 der Form.

Die ersten beiden Aufgaben übernimmt die Spritzeinheit der Spritzmaschine, während die dritte Aufgabe die Schließeinheit durchführt.

=== Spritzeinheit ===

[[Bild:Spritzgießmaschiene_1.jpg|right|600x600px]]

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)'''.

[[Bild:Schneckenkolbenext.jpg| left|300x300px]]

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.

=== Einstellgrößen ===

[[Bild:Einstellgr Plastif.jpg|left|300x300px]]

Die Drehzahl der Schnecke richtet sich neben dem Schneckendurchmesser nach der Größe der Umfangsgeschwindigkeit, die von den Formmasseherstellern vorgegeben wird '''(Tabelle 1)'''.

[[Bild:Wirkung_des_Staud.jpg|left|300x300px]]

Der Wiederstand 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''' ==

Die Düse hat die Aufgabe, eine dichte Verbindung, möglichst ohne Druck- und Temperaturverlust, zwischen dem Spritzzylinder und dem Werkzeug herzustellen. Durch die Berührung mit dem kälteren Werkzeug kann der Düse und der verbleibenden Schmelze wärme entzogen werden. Abhilfe kann geschaffen werden, durch eine Düsenheizung sowie durch das Abheben der Düse vom Werkzeug nach der Nachdruckzeit.

=== Offene Düsen und Verschlussdüsen ===

[[Bild:offene Düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Nadelv.düse.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Schiebev.düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Quernadelv.düse.jpg|right|300x300px]]

Wenn es die Zähigkeit der Schmelze zulässt, wählt man meist eine '''offene Düse (Bild 1)'''. Die Druck- und Temperaturverluste sind wegen des glatten Kanals sehr gering. Außerdem ist die offene Düse leicht zu reinigen und zu spülen. Die Gefahr, dass Schmelze aus der Düse austreten kann, nimmt mit kleiner werdender Düsenbohrung (ca. 3- 8mm) ständig ab. Ist die Schmelze zu dünnflüssig, so müssen '''Verschlussdüsen''', z.B. Schieberverschlussdüsen '''(Bild 2)''', oder Nadelverschlussdüsen '''(Bild3)''', vorgesehen werden. Sie sind so konstruiert, das die Düsenöffnung nach jedem Einspritzvorgang verschlossen und dadurch das Ausströmen der Masse verhindert wird.
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 (RD) bei Konvexdüsen etwas kleiner ist, als der Radius der Angießbuchse (RA), 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.

== '''Schließeinheit''' ==

Die Schließeinheit nimmt an der beweglichen und an der festen Werkzeugplatte die jeweiligen Formhälften auf. Das Öffnen, Schließen und Zuhalten des Werkzeuges wird durch ein Kniehebelssystem oder durch einen vollhydraulischen Antrieb ausgeführt '''(Bild1, Spritzgießmaschine beim Thema Spritzeinheit)'''.

=== Schließkraft – Zuhaltekraft ===

[[Bild:Schließkraft.jpg|left|300x300px]][[Bild:Durchbiegung.jpg|right|300x300px]][[Bild:Stützrollen.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Schwimmhäute.jpg|left|280x280px]]

Die '''Schließkraft''' Fs ist die Kraft, die die Säulen nach dem Schließvorgang beansprucht und dehnt sowie die beiden Formhälften zusammendrückt '''(Bild 1)'''. Beim Einspritzen der Formmasse entsteht durch den Werkzeuginnendruck pw eine Auftriebskraft FA (FA= pw * A), die eine weitere Zugbeanspruchung und Dehnung der Säulen verursacht. Die Summe der Kräfte, die die Säulen beim Einspritzvorgang insgesamt belasten, wird als '''Zuhaltekraft''' Fz bezeichnet. Sie ist stets größer als die Schließkraft, und sie ist von der Steifigkeit der Maschine und des Werkzeuges abhängig.

Ist die '''Auftriebskraft''' größer als die Zuhaltekraft, so wird die Anlage zwischen den beiden Werkzeughälften aufgehoben und es tritt Schmelze zwischen den beiden Formhälften aus, die zur '''Grat'''- oder '''Schwimmhautbildung''' führt '''(Bild 2)'''. Diesen Vorgang nennt man auch '''Überspritzung''' oder '''Überladung'''.
Die '''Zuhaltekraft''' sollte trotzdem so klein wie möglich eingestellt werden, um auch einer Durchbiegung bei den Formnesttragenden Werkzeugplatten vorzubeugen. Diese '''Durchbiegung''' entsteht dadurch, dass beim Einspritzen der Werkzeuginnendruck versucht, die beiden Formhälften überwiegend im Bereich der Formhohlräume auseinander zu drücken, während die Zuhaltekräfte nur im Bereich der direkten Kraftübertragung wirken (Bild 1). Die Durchbiegung ist besonders groß bei geringer Steifigkeit der Platten und um die Bereiche gegenüber der düsenseitigen Zentrierbohrung und vor allem gegenüber dem Auswerfersystem '''(Bild 3)'''.
Die Durchbiegung führt zur Gratbildung und u.U. dazu, dass nicht der größtmögliche Einspritzdruck gewählt werden kann. Abhilfe kann dadurch geschaffen werden, dass zusätzliche Stützrollen vorgesehen werden, die mit einem Übermaß von 0,03mm … 0,05mm gegenüber den äußeren Abstützungen eingebaut werden '''(Bild 4)'''.
Auch wegen der beim Einspritzen erforderlichen Entlüftung der Werkzeughöhlung über die Berührungsflächen der beiden Formhälften sollte die Schließkraft so niedrig wie möglich sein.

== '''Gestalten von Spritzgießteilen''' ==

=== Maßtoleranzen bei Spritzgießteilen ===

[[Bild:Maßarten.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle1 Ermittlung.jpg|right|300x300px]]

Die erzielbaren Toleranzen sind größtenteils abhängig von der Schwindung, den Formmassen und der Art der Maße, wobei natürlich auch die Qualität der Spritzgießmaschine und des Werkzeuges eine Rolle spielen.

So lassen sich mit amorphen Formmassen kleinere Toleranzen leichter einhalten als mit teilkristallinen. '''Werkzeuggebundene''' Maße lassen sich genauer herstellen als '''nicht werkzeuggebundene''' Maße '''(Bild 1)'''.

DIN 16 901 bildet bei der Festlegung der Toleranzen zuerst Toleranzgruppen in Abhängigkeit der Formmassen und Schwindungskennwerte (siehe Tabellenbuch). Bezogen auf diese Toleranzgruppen und die festgelegte Maßart werden dann den verschiedenen Nennmaßbereichen die zulässigen Abweichungen zugeordnet.

Die Ermittlung der Allgemeintoleranz für das werkzeuggebundene Maß a im Bild 1, das 35mm betragen soll, zeigt die Tabelle 1.

=== Richtlinien zur Gestaltung von Spritzgießteilen (VDI 2006) ===

[[Bild:Mindetwanddicke.jpg|left|300x300px]][[Bild:Gestaltungsbeispiele.jpg|right|300x300px]]

Die Wanddicken müssen groß genug sein, damit die Formmasse das Werkzeug sicher füllen kann, ehe sie zu stark abkühlt oder ausgehärtet ist. Deshalb ist die '''Mindestwanddicke''' in Abhängigkeit vom '''Fließweg''' im Werkzeug und der Fließfähigkeit der Formmasse zu wählen '''(Bild 2)''' und Bild 2: Werkzeuginnendruck für einfache Teile beim Thema Druckverlauf).

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)'''.

[[Bild:Neigung.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle rautiefe.jpg|right|300x300px]][[Bild:Verzug.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Winkelverzug.jpg|left|300x300px]]

Um das Spritzgießteil leicht und schnell aus der Form entfernen zu können, müssen alle Flächen des Werkstückes, die in Öffnungsrichtung der Form liegen, eine leichte '''Neigung''' erhalten '''(Bild 1)'''. Zusätzlich muss sichergestellt sein, dass das Spritzgießteil beim Öffnen der Form von der schließseitigen Formhälfte mitgenommen und von der Auswerfervorrichtung entfernt wird. Weiterhin hängen die Entformungsschrägen speziell bei strukturierten Oberflächen von der Oberflächenrauigkeit der abzubildenden Kavitäten ab. Die Struktur kann aufgrund ihrer Tiefe wie eine Verzahnung zwischen Formteil und Werkzeugoberfläche wirken und somit die Entformung erschweren. Die Lage der Strukturrichtung parallel oder senkrecht zur Entformungsrichtung und die Materialpaarung Stahl- Kunststoffmasse ist von entscheidender Bedeutung '''(Tabelle 1)'''.

Als einfache Näherung sollte für eine Strukturtiefe von 0,02mm pro 1° Entformungsschrägen bei senkrechter Lage zur Entformungsrichtung nicht überschritten werden. Scharfe Ecken und Kanten können beim Einspritzvorgang des Kunststoffmaterials so stark scheren, dass es zu einer thermischen Schädigung des Kunststoffes kommen kann.

Eine Abrundung bei Umlenkungen wirkt nicht nur der Scherung entgegen, sondern auch dem '''Winkelverzug''' und der Kerbwirkung im Eckbereich. Der mögliche Verzug des Formteils wird in '''(Bild 2)''' dargestellt. Da die dünnen Formteilbereiche schneller abkühlen, werden sie durch die Schrumpfkraft der dickeren verformt.

In '''Bild 3''' kann das Volumenelement '''a''' seine Erstarrungswärme nur stark verzögert an das Werkzeug abgeben. Volumenelement '''b''' kühlt dagegen rascher ab, da es an zwei Seiten an das Werkzeug grenzt. Es entsteht ein '''Winkelverzug'''. Diesem kann durch Abrunden und durch verringerung der Wandstärke im Eckbereich entgegengewirkt werden.

== '''Schwindung''' ==

[[Bild:Tabelle1 Anhaltsw.jpg|left|600x600px]]

Bei der Festlegung des Formhohlraumes müssen die Schwindung und evtl. die Nachschwindung berücksichtigt werden.

Unter Schwindung versteht man die Maßänderung von Werkstücken durch das Zusammenziehen des Werkstoffes beim Abkühlen als Maßunterschied zwischen Werkzeugkavität und Formteil. Bei der Erfassung dieser Schwindung '''(Tabelle 1)''' kommt erschwerend hinzu, dass die Schwindungsdifferenz sowie die Nachschwindung berücksichtigt werden müssen.

Eine '''Schwindungsdifferenz''' tritt dann auf, wenn die Schwindungen in Fließrichtung und quer dazu unterschiedlich groß sind. Der Unterschied zwischen Längs- und Querschwindung ist die Schwindungsdifferenz. Bei einer größeren Schwindungsdifferenz kann dies zu Verwindungen oder zum Verzug des spritzgegossenen Formteils führen.

Die Formteilgeometrie und die Angusslage können Molekülorientierungen hervorrufen, wodurch die Schwindungsdifferenz beeinflusst werden kann. Durch die Verwendung von Füllstoffen kann die Schwindung vermindert werden. Bei faserigen Verstärkungsstoffen kann durch die Faserorientierung im Bauteil eine sehr große Schwindungsdifferenz entstehen. Die Temperaturdifferenz während der Verarbeitung und der Gebrauchstemperatur des Formteils ergibt eine vernachlässigbare Längenänderung der Glasfasern. Sind nun Glasfasern in einem Formteil durch den Materialfluss während des Füllvorganges stark orientiert, schwindet das Formteil quer zur Faser wesentlich stärker als längs dazu. Werden zum Beispiel Glaskugeln zugemischt, wird insgesamt eine geringere Schwindung beobachtet.

Die '''Nachschwindung''' ist der Unterschied zwischen dem Maß eines auf Raumtemperatur abgekühlten Spritzgießteils und dem Maß desselben Spritzgießteils nach der Einwirkung einer bestimmten Temperatur. Sie verursacht eine Nachkristallisation und kann während des Gebrauches oder auch gezielt durch Tempern eingebracht werden. Durch die Naschwindungen werden die Fertigteilabmessungen nochmals kleiner.

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.

== '''Aufbau von Spritzgießwerkzeugen''' ==

[[Bild:Spritzgießwerkzeug.jpg|900x600px]]

=== Einleitung der Spritzgießwerkzeuge ===

[[Bild:Tabell1 Einleitung.jpg|center|400x300px]]

Die Vielzahl der Unterschiedlichen Spritzgießanwendungen erfordert verschiedene Werkzeugarten. Sie werden nach Anzahl der Formhohlräume, nach Art des Angusssystems, nach Anzahl der Trennebenen und nach Art der Entformung unterschieden. Die unterschiedlichen Verarbeitungsmöglichkeiten im Spritzgießbereich führen zu einer Vielzahl von Sonderverfahren, welche nicht alle in der Übersicht '''(Tabelle 1)''' aufgeführt werden können.

== '''Angusssysteme''' ==

[[Bild:Angusssystem.jpg|left|300x300px]]

Der Anguss ist ein System von Strömungswegen, in denen die fließfähige Formmasse von der Düse der Spritzeinheit zur Formhöhlung (Kavität) fließt.

Dieses System kann aus dem Angusskegel, den Verteilerkanälen, der sog. Angussspinne und dem Anschnitt bestehen '''(Bild 1)'''. Bei Einfachwerkzeugen können sich die Strömungswege auf eine kegelige Bohrung beschränken, die direkt in die Formhöhlung mündet. Die Stelle, an der der Anguss in die Formhöhlung eintritt, nennt man den '''Anschnitt'''.
Den Zeitpunkt nach dem der Anschnitt „eingefroren“ (d.h. erstarrt) ist und somit der Nachdruck nicht mehr wirken kann, nennt man '''Siegelpunkt'''. Ein längeres Nachdrücken über diesen Zeitpunkt hinaus ist unnötig.

Der Zeitpunkt des Erstarrens kann durch eine Innendruckmessung oder durch das Bestimmen der Formteilmasse ermittelt werden. Das maximale Formteilgewicht ist erreicht, wenn der Anschnitt eingefroren ist.

Der Anguss ist so zu gestalten, dass die flüssige Masse möglichst auf kürzestem Wege, mit geringstem Wärme- und Druckverlust die Kavitäten gleichzeitig füllt. Die Querschnitte der Strömungswege müssen so bemessen sein, dass eine gleichmäßige Füllung des Angusssystems sowie der Formhöhlung erreicht wird.

=== Angussformen ===

Die Angussform ist so zu wählen, dass für den speziellen Fall die bereits erwähnten Forderungen erfüllt werden können. Außerdem müssen noch folgende Einflussgrößen berücksichtigt werden.

* Formteilgeometrie und Formteilvolumen
* Viskosität der Formmasse
* Art des Spritzgießwerkzeuges
* Fließweglänge

=== Stangen- oder Kegelanguss ===

[[Bild:Stangen& P.Anguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Stangenanguss.jpg|right|300x300px]]

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.

=== Punktanguss ===

[[Bild:Punktanguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Vergr. Vorkammer.jpg|right|300x300px]]

Beim Entformen reißt der Punktanguss am kleinsten Querschnitt ab und bleibt als Angusszäpfchen am Spritzgießteil '''(Bild 2b zum Thema Stangen und Punktanguss''' und '''Bild 4 Punktanguss mit Vorkammer)'''. Es entsteht dadurch keine Nacharbeit und keine optisch störende Bearbeitungsfläche wie beim Stangenanguss. Außerdem muss der Anguss, also die Formmasse, in der Vorkammer nicht entformt werden.

Der Punktanguss wird besonders für kleinteile und Massenartikel in Einfach- und Mehrfachwerkzeugen vorgesehen, sowie für Mehrfachangüsse bei einem größeren Formteil. Dann muss zum Entformen des Angussverteilers mit einem Dreiplattenwerkzeug gearbeitet werden.

Je kleiner die Bohrung des Punktangusses ist, desto leichter geht das Abreißen vor sich. Dabei ist jedoch neben der Wanddicke die Zähflüssigkeit (Viskosität) der Schmelze, sowie die Temperatur zu beachten.

[[Bild:Vork. mit v. Düsens..jpg|left|300x300px]][[Bild:Vork. m. beh. K-B.sp.jpg|right|300x300px]]

Kann die Formhöhlung durch den kleinen Punktanguss nicht mehr schnell genug gefüllt werden, so kühlt die Schmelze in der '''Vorkammer''' vorzeitig ab, so dass sie unter Umständen von Hand entfernt werden muss.

Deshalb wird die Vorkammer etwas vergrößert, so das die an der Innenwandung haftende abgekühlte Masse als Isolator wirkt '''(Bild 1)'''.

Der Kern der Schmelze, die sog. Plastische Seele, bleibt im Angussbereich flüssig. Die Verweildauer der Schmelze in der Vorkammer sollte aber nicht zu lang sein. Kurze Zyklen, d. h. mehrmaliges Einspritzen pro Minute, sind für das Funktionieren des Systems notwendig.

Ist die Spritzhäufigkeit nicht möglich, so wird eine Kupfer- Beryllium- Spitze in die Vorkammer eingeführt. Der Raum zwischen Kupferspitze und Innenwandung der Vorkammer füllt sich mit erkalteter Masse, die dann als Isolierung wirkt. Die Kupferspitze nimmt über die Düse genügend wärme auf, um die Masse im inneren flüssig zu halten '''(Bild 2)'''.

Eine weitere Möglichkeit, die Abkühlung der Formmasse zu verhindern, besteht darin, die Vorkammer durch spezielle Heizpatronen zu erwärmen '''(Bild 3)'''.

=== Teller- und Scheibenanguss ===

[[Bild:Telleranguss.jpg|left|300x300px]]

Teller- und Scheibenangüsse werden für ringförmige Spritzgießteile vorgesehen '''(Bild 1a)'''. Würde man hier mit einem Punktanguss oder mit zwei Anbindungen arbeiten, so entstünde eine '''Binde-''' und '''Fließnaht (Bild 1b)'''. Sie entsteht, wenn zwei Masseströme sich aufgrund vorzeitiger Abkühlung nicht mehr miteinander verbinden. Je kälter die zusammentreffenden Masseströme sind, desto sichtbarer sind die Bindenähte und umso geringer ist die Festigkeit. Bindenähte entstehen auch, wenn sich Masseströme an einem Kern teilen und sich wieder miteinander verbinden müssen.

Diese Qualitätsminderung kann z.B. durch die Erhöhung der Werkzeugtemperatur teilweise reduziert werden. Mit einer Zykluszeiterhöhung ist zu rechnen.

=== Schirmanguss ===

[[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)'''.

=== Ringanguss ===

[[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.

=== Film- oder Bandanguss ===

Flache teile schneidet man zweckmäßigerweise über ein seitliches oder zentrales Band, dem Filmanguss, an. Dadurch lassen sich, wie bei einem Einzelpunktanguss, ungünstige Fließverhältnisse, oder wie bei Mehrfachpunktangüssen, störende Bindenähte vermeiden '''(Bild 2c)'''.

Ebenso lässt sich die Verzugsneigung durch gleichmäßige Druckverhältnisse positiv beeinflussen.
Eine weitere Anwendung ist deshalb die Herstellung optischer Formteile, wie durchsichtige Abdeckungen und optische Linsen.

Filmanschnitte erfordern eine Nacharbeit durch abtrennen des Angusses.

=== Tunnelanguss ===

[[Bild:Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Beim Tunnelanguss wird das Spritzgießteil seitlich oder an den verdeckten Flächen oder an anderen problemlosen Stellen angespritzt und automatisch beim öffnen der Formhälften, oder beim Ausstoßen vom Angusssystem, getrennt (Bild 1).

Der Verteilerkanal führt entlang der Trennfläche nicht direkt in die Formhöhlung, sondern er geht kurz zuvor schräg als konischer Tunnel durch die düsenseitige Werkzeughälfte in den Formhohlraum.
Wird die schließseitige Formhälfte zurückgezogen, so müssen das Spritzgießteil und das Angießsystem mitgenommen werden. Dabei wird der Tunnelanguss am Anschnitt durch eine Schneidkante abgeschert '''(Bild 1)'''.

Das Mitnehmen des Formteils muss durch Aufschrumpfen auf den Kern geschehen, und die des Angusses durch einen eingearbeiteten Hinterschnitt.

Anschließend wird das Spritzgießteil und das Angießsystem durch die Auswerfer entformt.

Wird ein Tunnelanguss vorgesehen, so muss beachtet werden, dass sich der vom Formteil getrennte Anguss beim öffnen der Werkzeughälften ausreichend biegen muss. Damit der Anguss nicht bricht, muss er eine ausreichende Konizität haben und frei biegbar sein, möglichst mit einem definierten Biegepunkt.

Die Formmasse sollte zähelastisch oder beim Entformen noch nicht vollständig erstarrt sein. Nur dann arbeitet das System störungsfrei. Da beim Tunnelanguss die Druckverluste hoch sind, wird er überwiegend zu Herstellung einfacher und kleiner Spritzgießteile in Mehrfachwerkzeugen verwendet.

=== Gebogener Tunnelanguss ===

[[Bild:geb. Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Der gebogene Tunnelanguss, auch Haken- oder Säbelanguss genannt '''(Bild 2)''', bietet die Möglichkeit ein Spritzgießteil auf der Rückseite oder an verdeckter Stelle anzubinden.

Das Entformungsprinzip entspricht dem des Tunnelangusses. Die Verwendung ist auf elastische Formmassen beschrängt. Die große Durchbiegung bei der Entformung erfolgt während der Ausstoßbewegung.

Durch den geringen Fließquerschnitt im Anschnittbereich entstehen große Druckverluste. Dadurch ist dieses Angusssystem nur für einfache Artikel verwendbar.

=== Angießmöglichkeiten für Mehrfachwerkzeuge ===

[[Bild:Verteilersterne.jpg|left|300x300px]][[Bild:Reihenanguss.jpg|right|300x300px]]

In einem Mehrfachwerkzeug werden in einem Spritzvorgang mehrere Spritzgießteile gleichzeitig hergestellt. Liegen die Formhöhlungen, auch Formnester genannt, in der Trennfläche, so werden diese über Verteilerkanäle mit Schmelze versorgt '''(Bild 1)'''.

Liegen die Formhöhlungen zentrisch um den Mittelpunkt des Angusskegels, so nennt man das System der Verteilerkanäle '''Verteilersterne'''. Bei den Verteilersternen in '''Bild 1a''' sind die Fließwege der Formmassen gleich lang. Der Vorteil des Verteilersterns mit Ringkanal in '''Bild 1b''' liegt darin, dass die Gesamtlänge der Verteilerkanäle kürzer ist. Beim '''Reihenanguss''' '''(Bild 2)''' sind die Fließwege unterschiedlich lang, was zu einer geringeren Qualität des Spritzgießteils führen kann. Bild 2 zeigt ein Beispiel für eine ungleichmäßige Füllung der Formhohlräume. Diesen Nachteil kann man durch unterschiedliche Anschnittquerschnitte ausgleichen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der größeren Anzahl der gleichzeitig herstellbaren Spritzgießteile.

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.

=== Verteilerkanal- und Anschnittform ===

[[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.

Beim runden Anschnitt ist die Einarbeitung ebenfalls in beide Formhälften notwendig. Wird der rechteckige Querschnitt gewählt, so muss darauf geachtet werden, dass die Breite des Anschnittes ungefähr 2mm kleiner als der Verteilerkanal ist (Bild 3).

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''' ==

=== Dreiplattenwerkzeug ===

[[Bild:Dreiplattenwerkz.jpg|left|300x300px]]

Höhere Spritzgiezteile werden deshalb vom Boden her zentral angespritzt. 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.

=== Isolierkanalwerkzeug ===

[[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.

=== Etagenwerkzeug ===

[[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.

=== Heißkanalsysteme ===

[[Bild:Heißkanalwerkzeug.jpg|left|300x300px]]

Im Heißkanalsystem '''(Bild 1)''' wird die in den Verteilerkanälen enthaltene Masse durch Heizpatronen oder/ und Rohrheizkörper '''(Bild 2)''' ständig auf Schmelztemperatur gehalten. Um einen Wärmeübergang vom Heißkanalbereich auf das wesentlich kühlere Werkzeug zu meiden, müssen die Kontaktflächen minimiert, ein isolierend wirkender Luftspalt sowie Reflektorbleche vorgesehen werden. Thermofühler in verbindung mit einem Regelkreis sorgen für eine möglichst gleichmäßige Temperatur im Angießsystem.

Es werden außen- und innenbeheizte Heißkanalsysteme unterschieden.

'''Außenbeheizte''' Heißkanalsysteme transportieren Wärmeenergie von außen in den Verteilerkanal (Bild 2a).

'''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
* Anspritzpunkte in großer Entfernung von der Plastifiziereinheit realisierbar
* keine Nacharbeit zum Entfernen des Angusses
* Etagenwerkzeuge nur mit Heißkanalsystemen möglich

Die '''Nachteile''' von Heizkanalwerkzeugen sind:
* hohe Energiekosten
* größere Werkzeugeinbauhöhe
* höhere Werkzeugkosten
* Farb- und Materialwechsel schwierig

'''Anwendung''':
* Großserienwerkzeuge, große Losgrößen
* große Formteile mit mehreren Anspritzpunkten

== '''Sonstiges''' ==

Zur Vollständigkeit einer Spritzgießanlage müssen noch folgende Punkte genannt werden:
* die Werkzeugtemperierung, sie regelt die Wärme zu- und abführ (Kühlssystem)
* Serielle Anordnung des Kühlkreislaufes
* Parallele Anordnung des Kühlkreislaufes
* Entformungssysteme (Auswerfeinrichtungen), sie stoßen das Werkstück aus
* Auswerfsysteme bei Hinterschneidungen (äußere und innere Hinterschneidungen)
* Bewegliche Kernsegmente
* Elastische Zwangsentformung
* Zusammenfaltbarer Kern
* Entformung durch Rotation des Formteils
* Werkzeugentlüftung, um die Formen schnell genug zu füllen.

== '''Quellen''' ==

# Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Verlag, 53. Auflage
# Der Werkzeugbau, Europa Lehrmittel Verlag, 13. Auflage

[[Kategorie:Fertigungstechnik]]

Spritzgießen

2009-04-22T20:00:10Z

Sandra Kellinghusen: /* '''Schwindung''' */

== '''Spritzgießen''' ==

=== Einleitung ===

Beim Spritzgießen werden überwiegend Thermoplaste1 im plastifizierten, fließfähigen Zustand in geteilte und 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|]]

=== 1Thermoplaste: ===
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.

=== Vorgänge beim Spritzgießen ===

[[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.

=== Werkstoffverhalten ===

Die Plastifizierte Formmasse sollte so schnell wie möglich in den Formhohlraum eingesprizt werden, damit Druck und Temperatur im Hohlraum überall gleich sind. Tritt dieser idealfall ein, ist eine gleichmäßige Struktur des Werkstoffes und ein gleichmäßiges Schwindungsverhalten im ganzen Spritzgießteil gewährleistet, sodass keine Spannungen und kein Verzug auftreten.

Dieser ideale Vorgang lässt sich leider nicht realisieren. Fließwiederstände im Werkzeug und in der Düse bewirken einen Druckabfall während des Einspritzens. Ungleichmäßiges Abkühlen der Formmasse im Werkzeughohlraum, der auch Kavität genannt wird, ergibt eine ungleichmäßige Werkstoffstruktur.

=== Molekühlorientierung ===

[[Bild:Amorpher Thermoplast.jpg|left|300x300px]]
[[Bild:Molekühlorientierung_0001.jpg|left|300x300px]]
[[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.

=== Kristallisationsgrad ===

[[Bild:Kristallisationsgrad.jpg|left|300x300px]]

{{Mark
|Bei teilkristallinen Werkstoffen kann sich auf Grund der schnellen Abkühlung im Bereich der Formwand keine Kristallisation bilden. Der Randbreich des Spritzgießteils hat darum einen amorphen Aufbau, währen der Kern einen mehr 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)'''.

=== Fließverhalten ===

[[Bild:Fließfront.jpg|left|300x300px]]
[[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)'''.}}

=== Einflussgrößen auf den Spritzvorgang ===

[[Bild:Einflussgrößen auf den Spritzvorgang.jpg|right|300x300px]]
[[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, 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).

=== Druckverlauf ===

[[Bild:Druckverlauf.jpg|left|300x300px]][[Bild:Auswirkungen des Nachdruckes.jpg|right|300x300px]][[Bild:SGT mit Lunker.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Werkzeuginnendruck.jpg|left|300x300px]]

Durch den '''Einspritzdruck''', welcher in der Formmasse im Schneckenvorraum herrscht, wird im Formhohlraum aufgrund von Strömungswiederständen in der Düse und im Werkzeug ein zeitlich verzögerter und in der Höhe etwas geringerer '''Werkzeuginnendruck''' aufgebaut '''(Bild 1)'''. Dadurch füllt sich die Werkzeughöhlung mit Formmasse (Bild 1, '''Kurvenpunkt A''') und erzeugt die Ausformung der Konturen durch das Komprimieren (verdichten, zusammenpressen) der Formmasse. Der Maximale Werkzeuginnendruck (Bild 1, '''Kurvenpunkt B''') hängt von der Form, vom Werkstoff, von der Qualität des Spritzgießteils und vom Verhältnis zwischen Fließweg und Wanddicke ab. Dieses Verhältnis wird durch den maximalen Fließweg, den die Formmasse zurücklegen muss und der Wanddicke des Spritzgießteils gebildet '''(Bild 2)'''. Ist der gewünschte Werkzeuginnendruck erreicht, so wird der Einspritzdruck vermindert und als '''Nachdruck''' bezeichnet (Umschaltpunkt). Dieser füllt in der anschließenden Phase nur noch das Restvolumen auf und gleicht die Volumenminderung aus, die durch das Abkühlen der Schmelze eintritt. Der Innendruck fällt dabei leicht ab. Auswirkungen des Nachdruckes auf den Spritzvorgang zeigt die '''Tabelle 1'''.

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.

=== Formfüllungsgrad ===

[[Bild:Formfüllstudie.jpg|left|300x300px]]

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.

=== Abkühlung ===

[[Bild:Abkühlzeit für PS.jpg|left|300x300px]]

Wie schnell die Formstabilität der Formmasse beim Abkühlen eintritt, hängt von der '''Werkzeugtemperatur''' ab. Diese wiederum wird von der Art der Formmasse und von den Anforderungen an das Spritzgießteil sowie von der Wanddicke bestimmt '''(Bild 1)'''.
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 Vorgang vom Einspritzen der Schmelze in den Formhohlraum bis zum nächsten Einspritzvorgang bezeichnet man auch als '''Takt, Schuss''' oder '''Zyklus'''.

== '''Spritzgießmaschine''' ==

[[Bild:Spritzgießmaschiene.jpg|center|800x800px|]]

=== Die Aufgaben der Spritzgießmaschine ===

[[Bild:Aufgaben der Spritzgießmaschine.jpg|left|300x300px|]]

*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 der Form.

Die ersten beiden Aufgaben übernimmt die Spritzeinheit der Spritzmaschine, während die dritte Aufgabe die Schließeinheit durchführt.

=== Spritzeinheit ===

[[Bild:Spritzgießmaschiene_1.jpg|right|600x600px]]

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)'''.

[[Bild:Schneckenkolbenext.jpg| left|300x300px]]

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.

=== Einstellgrößen ===

[[Bild:Einstellgr Plastif.jpg|left|300x300px]]

Die Drehzahl der Schnecke richtet sich neben dem Schneckendurchmesser nach der Größe der Umfangsgeschwindigkeit, die von den Formmasseherstellern vorgegeben wird '''(Tabelle 1)'''.

[[Bild:Wirkung_des_Staud.jpg|left|300x300px]]

Der Wiederstand 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''' ==

Die Düse hat die Aufgabe, eine dichte Verbindung, möglichst ohne Druck- und Temperaturverlust, zwischen dem Spritzzylinder und dem Werkzeug herzustellen. Durch die Berührung mit dem kälteren Werkzeug kann der Düse und der verbleibenden Schmelze wärme entzogen werden. Abhilfe kann geschaffen werden, durch eine Düsenheizung sowie durch das Abheben der Düse vom Werkzeug nach der Nachdruckzeit.

=== Offene Düsen und Verschlussdüsen ===

[[Bild:offene Düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Nadelv.düse.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Schiebev.düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Quernadelv.düse.jpg|right|300x300px]]

Wenn es die Zähigkeit der Schmelze zulässt, wählt man meist eine '''offene Düse (Bild 1)'''. Die Druck- und Temperaturverluste sind wegen des glatten Kanals sehr gering. Außerdem ist die offene Düse leicht zu reinigen und zu spülen. Die Gefahr, dass Schmelze aus der Düse austreten kann, nimmt mit kleiner werdender Düsenbohrung (ca. 3- 8mm) ständig ab. Ist die Schmelze zu dünnflüssig, so müssen '''Verschlussdüsen''', z.B. Schieberverschlussdüsen '''(Bild 2)''', oder Nadelverschlussdüsen '''(Bild3)''', vorgesehen werden. Sie sind so konstruiert, das die Düsenöffnung nach jedem Einspritzvorgang verschlossen und dadurch das Ausströmen der Masse verhindert wird.
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 (RD) bei Konvexdüsen etwas kleiner ist, als der Radius der Angießbuchse (RA), 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.

== '''Schließeinheit''' ==

Die Schließeinheit nimmt an der beweglichen und an der festen Werkzeugplatte die jeweiligen Formhälften auf. Das Öffnen, Schließen und Zuhalten des Werkzeuges wird durch ein Kniehebelssystem oder durch einen vollhydraulischen Antrieb ausgeführt '''(Bild1, Spritzgießmaschine beim Thema Spritzeinheit)'''.

=== Schließkraft – Zuhaltekraft ===

[[Bild:Schließkraft.jpg|left|300x300px]][[Bild:Durchbiegung.jpg|right|300x300px]][[Bild:Stützrollen.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Schwimmhäute.jpg|left|280x280px]]

Die '''Schließkraft''' Fs ist die Kraft, die die Säulen nach dem Schließvorgang beansprucht und dehnt sowie die beiden Formhälften zusammendrückt '''(Bild 1)'''. Beim Einspritzen der Formmasse entsteht durch den Werkzeuginnendruck pw eine Auftriebskraft FA (FA= pw * A), die eine weitere Zugbeanspruchung und Dehnung der Säulen verursacht. Die Summe der Kräfte, die die Säulen beim Einspritzvorgang insgesamt belasten, wird als '''Zuhaltekraft''' Fz bezeichnet. Sie ist stets größer als die Schließkraft, und sie ist von der Steifigkeit der Maschine und des Werkzeuges abhängig.

Ist die '''Auftriebskraft''' größer als die Zuhaltekraft, so wird die Anlage zwischen den beiden Werkzeughälften aufgehoben und es tritt Schmelze zwischen den beiden Formhälften aus, die zur '''Grat'''- oder '''Schwimmhautbildung''' führt '''(Bild 2)'''. Diesen Vorgang nennt man auch '''Überspritzung''' oder '''Überladung'''.
Die '''Zuhaltekraft''' sollte trotzdem so klein wie möglich eingestellt werden, um auch einer Durchbiegung bei den Formnesttragenden Werkzeugplatten vorzubeugen. Diese '''Durchbiegung''' entsteht dadurch, dass beim Einspritzen der Werkzeuginnendruck versucht, die beiden Formhälften überwiegend im Bereich der Formhohlräume auseinander zu drücken, während die Zuhaltekräfte nur im Bereich der direkten Kraftübertragung wirken (Bild 1). Die Durchbiegung ist besonders groß bei geringer Steifigkeit der Platten und um die Bereiche gegenüber der düsenseitigen Zentrierbohrung und vor allem gegenüber dem Auswerfersystem '''(Bild 3)'''.
Die Durchbiegung führt zur Gratbildung und u.U. dazu, dass nicht der größtmögliche Einspritzdruck gewählt werden kann. Abhilfe kann dadurch geschaffen werden, dass zusätzliche Stützrollen vorgesehen werden, die mit einem Übermaß von 0,03mm … 0,05mm gegenüber den äußeren Abstützungen eingebaut werden '''(Bild 4)'''.
Auch wegen der beim Einspritzen erforderlichen Entlüftung der Werkzeughöhlung über die Berührungsflächen der beiden Formhälften sollte die Schließkraft so niedrig wie möglich sein.

== '''Gestalten von Spritzgießteilen''' ==

=== Maßtoleranzen bei Spritzgießteilen ===

[[Bild:Maßarten.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle1 Ermittlung.jpg|right|300x300px]]

Die erzielbaren Toleranzen sind größtenteils abhängig von der Schwindung, den Formmassen und der Art der Maße, wobei natürlich auch die Qualität der Spritzgießmaschine und des Werkzeuges eine Rolle spielen.

So lassen sich mit amorphen Formmassen kleinere Toleranzen leichter einhalten als mit teilkristallinen. '''Werkzeuggebundene''' Maße lassen sich genauer herstellen als '''nicht werkzeuggebundene''' Maße '''(Bild 1)'''.

DIN 16 901 bildet bei der Festlegung der Toleranzen zuerst Toleranzgruppen in Abhängigkeit der Formmassen und Schwindungskennwerte (siehe Tabellenbuch). Bezogen auf diese Toleranzgruppen und die festgelegte Maßart werden dann den verschiedenen Nennmaßbereichen die zulässigen Abweichungen zugeordnet.

Die Ermittlung der Allgemeintoleranz für das werkzeuggebundene Maß a im Bild 1, das 35mm betragen soll, zeigt die Tabelle 1.

=== Richtlinien zur Gestaltung von Spritzgießteilen (VDI 2006) ===

[[Bild:Mindetwanddicke.jpg|left|300x300px]][[Bild:Gestaltungsbeispiele.jpg|right|300x300px]]

Die Wanddicken müssen groß genug sein, damit die Formmasse das Werkzeug sicher füllen kann, ehe sie zu stark abkühlt oder ausgehärtet ist. Deshalb ist die '''Mindestwanddicke''' in Abhängigkeit vom '''Fließweg''' im Werkzeug und der Fließfähigkeit der Formmasse zu wählen '''(Bild 2)''' und Bild 2: Werkzeuginnendruck für einfache Teile beim Thema Druckverlauf).

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)'''.

[[Bild:Neigung.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle rautiefe.jpg|right|300x300px]][[Bild:Verzug.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Winkelverzug.jpg|left|300x300px]]

Um das Spritzgießteil leicht und schnell aus der Form entfernen zu können, müssen alle Flächen des Werkstückes, die in Öffnungsrichtung der Form liegen, eine leichte '''Neigung''' erhalten '''(Bild 1)'''. Zusätzlich muss sichergestellt sein, dass das Spritzgießteil beim Öffnen der Form von der schließseitigen Formhälfte mitgenommen und von der Auswerfervorrichtung entfernt wird. Weiterhin hängen die Entformungsschrägen speziell bei strukturierten Oberflächen von der Oberflächenrauigkeit der abzubildenden Kavitäten ab. Die Struktur kann aufgrund ihrer Tiefe wie eine Verzahnung zwischen Formteil und Werkzeugoberfläche wirken und somit die Entformung erschweren. Die Lage der Strukturrichtung parallel oder senkrecht zur Entformungsrichtung und die Materialpaarung Stahl- Kunststoffmasse ist von entscheidender Bedeutung '''(Tabelle 1)'''.

Als einfache Näherung sollte für eine Strukturtiefe von 0,02mm pro 1° Entformungsschrägen bei senkrechter Lage zur Entformungsrichtung nicht überschritten werden. Scharfe Ecken und Kanten können beim Einspritzvorgang des Kunststoffmaterials so stark scheren, dass es zu einer thermischen Schädigung des Kunststoffes kommen kann.

Eine Abrundung bei Umlenkungen wirkt nicht nur der Scherung entgegen, sondern auch dem '''Winkelverzug''' und der Kerbwirkung im Eckbereich. Der mögliche Verzug des Formteils wird in '''(Bild 2)''' dargestellt. Da die dünnen Formteilbereiche schneller abkühlen, werden sie durch die Schrumpfkraft der dickeren verformt.

In '''Bild 3''' kann das Volumenelement '''a''' seine Erstarrungswärme nur stark verzögert an das Werkzeug abgeben. Volumenelement '''b''' kühlt dagegen rascher ab, da es an zwei Seiten an das Werkzeug grenzt. Es entsteht ein '''Winkelverzug'''. Diesem kann durch Abrunden und durch verringerung der Wandstärke im Eckbereich entgegengewirkt werden.

== '''Schwindung''' ==

[[Bild:Tabelle1 Anhaltsw.jpg|left|600x600px]]

Bei der Festlegung des Formhohlraumes müssen die Schwindung und evtl. die Nachschwindung berücksichtigt werden.

Unter Schwindung versteht man die Maßänderung von Werkstücken durch das Zusammenziehen des Werkstoffes beim Abkühlen als Maßunterschied zwischen Werkzeugkavität und Formteil. Bei der Erfassung dieser Schwindung '''(Tabelle 1)''' kommt erschwerend hinzu, dass die Schwindungsdifferenz sowie die Nachschwindung berücksichtigt werden müssen.

Eine '''Schwindungsdifferenz''' tritt dann auf, wenn die Schwindungen in Fließrichtung und quer dazu unterschiedlich groß sind. Der Unterschied zwischen Längs- und Querschwindung ist die Schwindungsdifferenz. Bei einer größeren Schwindungsdifferenz kann dies zu Verwindungen oder zum Verzug des spritzgegossenen Formteils führen.

Die Formteilgeometrie und die Angusslage können Molekülorientierungen hervorrufen, wodurch die Schwindungsdifferenz beeinflusst werden kann. Durch die Verwendung von Füllstoffen kann die Schwindung vermindert werden. Bei faserigen Verstärkungsstoffen kann durch die Faserorientierung im Bauteil eine sehr große Schwindungsdifferenz entstehen. Die Temperaturdifferenz während der Verarbeitung und der Gebrauchstemperatur des Formteils ergibt eine vernachlässigbare Längenänderung der Glasfasern. Sind nun Glasfasern in einem Formteil durch den Materialfluss während des Füllvorganges stark orientiert, schwindet das Formteil quer zur Faser wesentlich stärker als längs dazu. Werden zum Beispiel Glaskugeln zugemischt, wird insgesamt eine geringere Schwindung beobachtet.

Die '''Nachschwindung''' ist der Unterschied zwischen dem Maß eines auf Raumtemperatur abgekühlten Spritzgießteils und dem Maß desselben Spritzgießteils nach der Einwirkung einer bestimmten Temperatur. Sie verursacht eine Nachkristallisation und kann während des Gebrauches oder auch gezielt durch Tempern eingebracht werden. Durch die Naschwindungen werden die Fertigteilabmessungen nochmals kleiner.

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.

== '''Aufbau von Spritzgießwerkzeugen''' ==

[[Bild:Spritzgießwerkzeug.jpg|900x600px]]

=== Einleitung der Spritzgießwerkzeuge ===

[[Bild:Tabell1 Einleitung.jpg|left|400x300px]]

Die Vielzahl der Unterschiedlichen Spritzgießanwendungen erfordert verschiedene Werkzeugarten. Sie werden nach Anzahl der Formhohlräume, nach Art des Angusssystems, nach Anzahl der Trennebenen und nach Art der Entformung unterschieden. Die unterschiedlichen Verarbeitungsmöglichkeiten im Spritzgießbereich führen zu einer Vielzahl von Sonderverfahren, welche nicht alle in der Übersicht '''(Tabelle 1)''' aufgeführt werden können.

== '''Angusssysteme''' ==

[[Bild:Angusssystem.jpg|left|300x300px]]

Der Anguss ist ein System von Strömungswegen, in denen die fließfähige Formmasse von der Düse der Spritzeinheit zur Formhöhlung (Kavität) fließt.

Dieses System kann aus dem Angusskegel, den Verteilerkanälen, der sog. Angussspinne und dem Anschnitt bestehen '''(Bild 1)'''. Bei Einfachwerkzeugen können sich die Strömungswege auf eine kegelige Bohrung beschränken, die direkt in die Formhöhlung mündet. Die Stelle, an der der Anguss in die Formhöhlung eintritt, nennt man den '''Anschnitt'''.
Den Zeitpunkt nach dem der Anschnitt „eingefroren“ (d.h. erstarrt) ist und somit der Nachdruck nicht mehr wirken kann, nennt man '''Siegelpunkt'''. Ein längeres Nachdrücken über diesen Zeitpunkt hinaus ist unnötig.

Der Zeitpunkt des Erstarrens kann durch eine Innendruckmessung oder durch das Bestimmen der Formteilmasse ermittelt werden. Das maximale Formteilgewicht ist erreicht, wenn der Anschnitt eingefroren ist.

Der Anguss ist so zu gestalten, dass die flüssige Masse möglichst auf kürzestem Wege, mit geringstem Wärme- und Druckverlust die Kavitäten gleichzeitig füllt. Die Querschnitte der Strömungswege müssen so bemessen sein, dass eine gleichmäßige Füllung des Angusssystems sowie der Formhöhlung erreicht wird.

=== Angussformen ===

Die Angussform ist so zu wählen, dass für den speziellen Fall die bereits erwähnten Forderungen erfüllt werden können. Außerdem müssen noch folgende Einflussgrößen berücksichtigt werden.

* Formteilgeometrie und Formteilvolumen
* Viskosität der Formmasse
* Art des Spritzgießwerkzeuges
* Fließweglänge

=== Stangen- oder Kegelanguss ===

[[Bild:Stangen& P.Anguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Stangenanguss.jpg|right|300x300px]]

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.

=== Punktanguss ===

[[Bild:Punktanguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Vergr. Vorkammer.jpg|right|300x300px]]

Beim Entformen reißt der Punktanguss am kleinsten Querschnitt ab und bleibt als Angusszäpfchen am Spritzgießteil '''(Bild 2b zum Thema Stangen und Punktanguss''' und '''Bild 4 Punktanguss mit Vorkammer)'''. Es entsteht dadurch keine Nacharbeit und keine optisch störende Bearbeitungsfläche wie beim Stangenanguss. Außerdem muss der Anguss, also die Formmasse, in der Vorkammer nicht entformt werden.

Der Punktanguss wird besonders für kleinteile und Massenartikel in Einfach- und Mehrfachwerkzeugen vorgesehen, sowie für Mehrfachangüsse bei einem größeren Formteil. Dann muss zum Entformen des Angussverteilers mit einem Dreiplattenwerkzeug gearbeitet werden.

Je kleiner die Bohrung des Punktangusses ist, desto leichter geht das Abreißen vor sich. Dabei ist jedoch neben der Wanddicke die Zähflüssigkeit (Viskosität) der Schmelze, sowie die Temperatur zu beachten.

[[Bild:Vork. mit v. Düsens..jpg|left|300x300px]][[Bild:Vork. m. beh. K-B.sp.jpg|right|300x300px]]

Kann die Formhöhlung durch den kleinen Punktanguss nicht mehr schnell genug gefüllt werden, so kühlt die Schmelze in der '''Vorkammer''' vorzeitig ab, so dass sie unter Umständen von Hand entfernt werden muss.

Deshalb wird die Vorkammer etwas vergrößert, so das die an der Innenwandung haftende abgekühlte Masse als Isolator wirkt '''(Bild 1)'''.

Der Kern der Schmelze, die sog. Plastische Seele, bleibt im Angussbereich flüssig. Die Verweildauer der Schmelze in der Vorkammer sollte aber nicht zu lang sein. Kurze Zyklen, d. h. mehrmaliges Einspritzen pro Minute, sind für das Funktionieren des Systems notwendig.

Ist die Spritzhäufigkeit nicht möglich, so wird eine Kupfer- Beryllium- Spitze in die Vorkammer eingeführt. Der Raum zwischen Kupferspitze und Innenwandung der Vorkammer füllt sich mit erkalteter Masse, die dann als Isolierung wirkt. Die Kupferspitze nimmt über die Düse genügend wärme auf, um die Masse im inneren flüssig zu halten '''(Bild 2)'''.

Eine weitere Möglichkeit, die Abkühlung der Formmasse zu verhindern, besteht darin, die Vorkammer durch spezielle Heizpatronen zu erwärmen '''(Bild 3)'''.

=== Teller- und Scheibenanguss ===

[[Bild:Telleranguss.jpg|left|300x300px]]

Teller- und Scheibenangüsse werden für ringförmige Spritzgießteile vorgesehen '''(Bild 1a)'''. Würde man hier mit einem Punktanguss oder mit zwei Anbindungen arbeiten, so entstünde eine '''Binde-''' und '''Fließnaht (Bild 1b)'''. Sie entsteht, wenn zwei Masseströme sich aufgrund vorzeitiger Abkühlung nicht mehr miteinander verbinden. Je kälter die zusammentreffenden Masseströme sind, desto sichtbarer sind die Bindenähte und umso geringer ist die Festigkeit. Bindenähte entstehen auch, wenn sich Masseströme an einem Kern teilen und sich wieder miteinander verbinden müssen.

Diese Qualitätsminderung kann z.B. durch die Erhöhung der Werkzeugtemperatur teilweise reduziert werden. Mit einer Zykluszeiterhöhung ist zu rechnen.

=== Schirmanguss ===

[[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)'''.

=== Ringanguss ===

[[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.

=== Film- oder Bandanguss ===

Flache teile schneidet man zweckmäßigerweise über ein seitliches oder zentrales Band, dem Filmanguss, an. Dadurch lassen sich, wie bei einem Einzelpunktanguss, ungünstige Fließverhältnisse, oder wie bei Mehrfachpunktangüssen, störende Bindenähte vermeiden '''(Bild 2c)'''.

Ebenso lässt sich die Verzugsneigung durch gleichmäßige Druckverhältnisse positiv beeinflussen.
Eine weitere Anwendung ist deshalb die Herstellung optischer Formteile, wie durchsichtige Abdeckungen und optische Linsen.

Filmanschnitte erfordern eine Nacharbeit durch abtrennen des Angusses.

=== Tunnelanguss ===

[[Bild:Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Beim Tunnelanguss wird das Spritzgießteil seitlich oder an den verdeckten Flächen oder an anderen problemlosen Stellen angespritzt und automatisch beim öffnen der Formhälften, oder beim Ausstoßen vom Angusssystem, getrennt (Bild 1).

Der Verteilerkanal führt entlang der Trennfläche nicht direkt in die Formhöhlung, sondern er geht kurz zuvor schräg als konischer Tunnel durch die düsenseitige Werkzeughälfte in den Formhohlraum.
Wird die schließseitige Formhälfte zurückgezogen, so müssen das Spritzgießteil und das Angießsystem mitgenommen werden. Dabei wird der Tunnelanguss am Anschnitt durch eine Schneidkante abgeschert '''(Bild 1)'''.

Das Mitnehmen des Formteils muss durch Aufschrumpfen auf den Kern geschehen, und die des Angusses durch einen eingearbeiteten Hinterschnitt.

Anschließend wird das Spritzgießteil und das Angießsystem durch die Auswerfer entformt.

Wird ein Tunnelanguss vorgesehen, so muss beachtet werden, dass sich der vom Formteil getrennte Anguss beim öffnen der Werkzeughälften ausreichend biegen muss. Damit der Anguss nicht bricht, muss er eine ausreichende Konizität haben und frei biegbar sein, möglichst mit einem definierten Biegepunkt.

Die Formmasse sollte zähelastisch oder beim Entformen noch nicht vollständig erstarrt sein. Nur dann arbeitet das System störungsfrei. Da beim Tunnelanguss die Druckverluste hoch sind, wird er überwiegend zu Herstellung einfacher und kleiner Spritzgießteile in Mehrfachwerkzeugen verwendet.

=== Gebogener Tunnelanguss ===

[[Bild:geb. Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Der gebogene Tunnelanguss, auch Haken- oder Säbelanguss genannt '''(Bild 2)''', bietet die Möglichkeit ein Spritzgießteil auf der Rückseite oder an verdeckter Stelle anzubinden.

Das Entformungsprinzip entspricht dem des Tunnelangusses. Die Verwendung ist auf elastische Formmassen beschrängt. Die große Durchbiegung bei der Entformung erfolgt während der Ausstoßbewegung.

Durch den geringen Fließquerschnitt im Anschnittbereich entstehen große Druckverluste. Dadurch ist dieses Angusssystem nur für einfache Artikel verwendbar.

=== Angießmöglichkeiten für Mehrfachwerkzeuge ===

[[Bild:Verteilersterne.jpg|left|300x300px]][[Bild:Reihenanguss.jpg|right|300x300px]]

In einem Mehrfachwerkzeug werden in einem Spritzvorgang mehrere Spritzgießteile gleichzeitig hergestellt. Liegen die Formhöhlungen, auch Formnester genannt, in der Trennfläche, so werden diese über Verteilerkanäle mit Schmelze versorgt '''(Bild 1)'''.

Liegen die Formhöhlungen zentrisch um den Mittelpunkt des Angusskegels, so nennt man das System der Verteilerkanäle '''Verteilersterne'''. Bei den Verteilersternen in '''Bild 1a''' sind die Fließwege der Formmassen gleich lang. Der Vorteil des Verteilersterns mit Ringkanal in '''Bild 1b''' liegt darin, dass die Gesamtlänge der Verteilerkanäle kürzer ist. Beim '''Reihenanguss''' '''(Bild 2)''' sind die Fließwege unterschiedlich lang, was zu einer geringeren Qualität des Spritzgießteils führen kann. Bild 2 zeigt ein Beispiel für eine ungleichmäßige Füllung der Formhohlräume. Diesen Nachteil kann man durch unterschiedliche Anschnittquerschnitte ausgleichen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der größeren Anzahl der gleichzeitig herstellbaren Spritzgießteile.

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.

=== Verteilerkanal- und Anschnittform ===

[[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.

Beim runden Anschnitt ist die Einarbeitung ebenfalls in beide Formhälften notwendig. Wird der rechteckige Querschnitt gewählt, so muss darauf geachtet werden, dass die Breite des Anschnittes ungefähr 2mm kleiner als der Verteilerkanal ist (Bild 3).

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''' ==

=== Dreiplattenwerkzeug ===

[[Bild:Dreiplattenwerkz.jpg|left|300x300px]]

Höhere Spritzgiezteile werden deshalb vom Boden her zentral angespritzt. 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.

=== Isolierkanalwerkzeug ===

[[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.

=== Etagenwerkzeug ===

[[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.

=== Heißkanalsysteme ===

[[Bild:Heißkanalwerkzeug.jpg|left|300x300px]]

Im Heißkanalsystem '''(Bild 1)''' wird die in den Verteilerkanälen enthaltene Masse durch Heizpatronen oder/ und Rohrheizkörper '''(Bild 2)''' ständig auf Schmelztemperatur gehalten. Um einen Wärmeübergang vom Heißkanalbereich auf das wesentlich kühlere Werkzeug zu meiden, müssen die Kontaktflächen minimiert, ein isolierend wirkender Luftspalt sowie Reflektorbleche vorgesehen werden. Thermofühler in verbindung mit einem Regelkreis sorgen für eine möglichst gleichmäßige Temperatur im Angießsystem.

Es werden außen- und innenbeheizte Heißkanalsysteme unterschieden.

'''Außenbeheizte''' Heißkanalsysteme transportieren Wärmeenergie von außen in den Verteilerkanal (Bild 2a).

'''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
* Anspritzpunkte in großer Entfernung von der Plastifiziereinheit realisierbar
* keine Nacharbeit zum Entfernen des Angusses
* Etagenwerkzeuge nur mit Heißkanalsystemen möglich

Die '''Nachteile''' von Heizkanalwerkzeugen sind:
* hohe Energiekosten
* größere Werkzeugeinbauhöhe
* höhere Werkzeugkosten
* Farb- und Materialwechsel schwierig

'''Anwendung''':
* Großserienwerkzeuge, große Losgrößen
* große Formteile mit mehreren Anspritzpunkten

== '''Sonstiges''' ==

Zur Vollständigkeit einer Spritzgießanlage müssen noch folgende Punkte genannt werden:
* die Werkzeugtemperierung, sie regelt die Wärme zu- und abführ (Kühlssystem)
* Serielle Anordnung des Kühlkreislaufes
* Parallele Anordnung des Kühlkreislaufes
* Entformungssysteme (Auswerfeinrichtungen), sie stoßen das Werkstück aus
* Auswerfsysteme bei Hinterschneidungen (äußere und innere Hinterschneidungen)
* Bewegliche Kernsegmente
* Elastische Zwangsentformung
* Zusammenfaltbarer Kern
* Entformung durch Rotation des Formteils
* Werkzeugentlüftung, um die Formen schnell genug zu füllen.

== '''Quellen''' ==

# Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Verlag, 53. Auflage
# Der Werkzeugbau, Europa Lehrmittel Verlag, 13. Auflage

[[Kategorie:Fertigungstechnik]]

Spritzgießen

2009-04-22T19:58:25Z

Sandra Kellinghusen: /* Richtlinien zur Gestaltung von Spritzgießteilen (VDI 2006) */

== '''Spritzgießen''' ==

=== Einleitung ===

Beim Spritzgießen werden überwiegend Thermoplaste1 im plastifizierten, fließfähigen Zustand in geteilte und 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|]]

=== 1Thermoplaste: ===
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.

=== Vorgänge beim Spritzgießen ===

[[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.

=== Werkstoffverhalten ===

Die Plastifizierte Formmasse sollte so schnell wie möglich in den Formhohlraum eingesprizt werden, damit Druck und Temperatur im Hohlraum überall gleich sind. Tritt dieser idealfall ein, ist eine gleichmäßige Struktur des Werkstoffes und ein gleichmäßiges Schwindungsverhalten im ganzen Spritzgießteil gewährleistet, sodass keine Spannungen und kein Verzug auftreten.

Dieser ideale Vorgang lässt sich leider nicht realisieren. Fließwiederstände im Werkzeug und in der Düse bewirken einen Druckabfall während des Einspritzens. Ungleichmäßiges Abkühlen der Formmasse im Werkzeughohlraum, der auch Kavität genannt wird, ergibt eine ungleichmäßige Werkstoffstruktur.

=== Molekühlorientierung ===

[[Bild:Amorpher Thermoplast.jpg|left|300x300px]]
[[Bild:Molekühlorientierung_0001.jpg|left|300x300px]]
[[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.

=== Kristallisationsgrad ===

[[Bild:Kristallisationsgrad.jpg|left|300x300px]]

{{Mark
|Bei teilkristallinen Werkstoffen kann sich auf Grund der schnellen Abkühlung im Bereich der Formwand keine Kristallisation bilden. Der Randbreich des Spritzgießteils hat darum einen amorphen Aufbau, währen der Kern einen mehr 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)'''.

=== Fließverhalten ===

[[Bild:Fließfront.jpg|left|300x300px]]
[[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)'''.}}

=== Einflussgrößen auf den Spritzvorgang ===

[[Bild:Einflussgrößen auf den Spritzvorgang.jpg|right|300x300px]]
[[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, 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).

=== Druckverlauf ===

[[Bild:Druckverlauf.jpg|left|300x300px]][[Bild:Auswirkungen des Nachdruckes.jpg|right|300x300px]][[Bild:SGT mit Lunker.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Werkzeuginnendruck.jpg|left|300x300px]]

Durch den '''Einspritzdruck''', welcher in der Formmasse im Schneckenvorraum herrscht, wird im Formhohlraum aufgrund von Strömungswiederständen in der Düse und im Werkzeug ein zeitlich verzögerter und in der Höhe etwas geringerer '''Werkzeuginnendruck''' aufgebaut '''(Bild 1)'''. Dadurch füllt sich die Werkzeughöhlung mit Formmasse (Bild 1, '''Kurvenpunkt A''') und erzeugt die Ausformung der Konturen durch das Komprimieren (verdichten, zusammenpressen) der Formmasse. Der Maximale Werkzeuginnendruck (Bild 1, '''Kurvenpunkt B''') hängt von der Form, vom Werkstoff, von der Qualität des Spritzgießteils und vom Verhältnis zwischen Fließweg und Wanddicke ab. Dieses Verhältnis wird durch den maximalen Fließweg, den die Formmasse zurücklegen muss und der Wanddicke des Spritzgießteils gebildet '''(Bild 2)'''. Ist der gewünschte Werkzeuginnendruck erreicht, so wird der Einspritzdruck vermindert und als '''Nachdruck''' bezeichnet (Umschaltpunkt). Dieser füllt in der anschließenden Phase nur noch das Restvolumen auf und gleicht die Volumenminderung aus, die durch das Abkühlen der Schmelze eintritt. Der Innendruck fällt dabei leicht ab. Auswirkungen des Nachdruckes auf den Spritzvorgang zeigt die '''Tabelle 1'''.

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.

=== Formfüllungsgrad ===

[[Bild:Formfüllstudie.jpg|left|300x300px]]

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.

=== Abkühlung ===

[[Bild:Abkühlzeit für PS.jpg|left|300x300px]]

Wie schnell die Formstabilität der Formmasse beim Abkühlen eintritt, hängt von der '''Werkzeugtemperatur''' ab. Diese wiederum wird von der Art der Formmasse und von den Anforderungen an das Spritzgießteil sowie von der Wanddicke bestimmt '''(Bild 1)'''.
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 Vorgang vom Einspritzen der Schmelze in den Formhohlraum bis zum nächsten Einspritzvorgang bezeichnet man auch als '''Takt, Schuss''' oder '''Zyklus'''.

== '''Spritzgießmaschine''' ==

[[Bild:Spritzgießmaschiene.jpg|center|800x800px|]]

=== Die Aufgaben der Spritzgießmaschine ===

[[Bild:Aufgaben der Spritzgießmaschine.jpg|left|300x300px|]]

*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 der Form.

Die ersten beiden Aufgaben übernimmt die Spritzeinheit der Spritzmaschine, während die dritte Aufgabe die Schließeinheit durchführt.

=== Spritzeinheit ===

[[Bild:Spritzgießmaschiene_1.jpg|right|600x600px]]

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)'''.

[[Bild:Schneckenkolbenext.jpg| left|300x300px]]

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.

=== Einstellgrößen ===

[[Bild:Einstellgr Plastif.jpg|left|300x300px]]

Die Drehzahl der Schnecke richtet sich neben dem Schneckendurchmesser nach der Größe der Umfangsgeschwindigkeit, die von den Formmasseherstellern vorgegeben wird '''(Tabelle 1)'''.

[[Bild:Wirkung_des_Staud.jpg|left|300x300px]]

Der Wiederstand 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''' ==

Die Düse hat die Aufgabe, eine dichte Verbindung, möglichst ohne Druck- und Temperaturverlust, zwischen dem Spritzzylinder und dem Werkzeug herzustellen. Durch die Berührung mit dem kälteren Werkzeug kann der Düse und der verbleibenden Schmelze wärme entzogen werden. Abhilfe kann geschaffen werden, durch eine Düsenheizung sowie durch das Abheben der Düse vom Werkzeug nach der Nachdruckzeit.

=== Offene Düsen und Verschlussdüsen ===

[[Bild:offene Düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Nadelv.düse.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Schiebev.düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Quernadelv.düse.jpg|right|300x300px]]

Wenn es die Zähigkeit der Schmelze zulässt, wählt man meist eine '''offene Düse (Bild 1)'''. Die Druck- und Temperaturverluste sind wegen des glatten Kanals sehr gering. Außerdem ist die offene Düse leicht zu reinigen und zu spülen. Die Gefahr, dass Schmelze aus der Düse austreten kann, nimmt mit kleiner werdender Düsenbohrung (ca. 3- 8mm) ständig ab. Ist die Schmelze zu dünnflüssig, so müssen '''Verschlussdüsen''', z.B. Schieberverschlussdüsen '''(Bild 2)''', oder Nadelverschlussdüsen '''(Bild3)''', vorgesehen werden. Sie sind so konstruiert, das die Düsenöffnung nach jedem Einspritzvorgang verschlossen und dadurch das Ausströmen der Masse verhindert wird.
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 (RD) bei Konvexdüsen etwas kleiner ist, als der Radius der Angießbuchse (RA), 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.

== '''Schließeinheit''' ==

Die Schließeinheit nimmt an der beweglichen und an der festen Werkzeugplatte die jeweiligen Formhälften auf. Das Öffnen, Schließen und Zuhalten des Werkzeuges wird durch ein Kniehebelssystem oder durch einen vollhydraulischen Antrieb ausgeführt '''(Bild1, Spritzgießmaschine beim Thema Spritzeinheit)'''.

=== Schließkraft – Zuhaltekraft ===

[[Bild:Schließkraft.jpg|left|300x300px]][[Bild:Durchbiegung.jpg|right|300x300px]][[Bild:Stützrollen.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Schwimmhäute.jpg|left|280x280px]]

Die '''Schließkraft''' Fs ist die Kraft, die die Säulen nach dem Schließvorgang beansprucht und dehnt sowie die beiden Formhälften zusammendrückt '''(Bild 1)'''. Beim Einspritzen der Formmasse entsteht durch den Werkzeuginnendruck pw eine Auftriebskraft FA (FA= pw * A), die eine weitere Zugbeanspruchung und Dehnung der Säulen verursacht. Die Summe der Kräfte, die die Säulen beim Einspritzvorgang insgesamt belasten, wird als '''Zuhaltekraft''' Fz bezeichnet. Sie ist stets größer als die Schließkraft, und sie ist von der Steifigkeit der Maschine und des Werkzeuges abhängig.

Ist die '''Auftriebskraft''' größer als die Zuhaltekraft, so wird die Anlage zwischen den beiden Werkzeughälften aufgehoben und es tritt Schmelze zwischen den beiden Formhälften aus, die zur '''Grat'''- oder '''Schwimmhautbildung''' führt '''(Bild 2)'''. Diesen Vorgang nennt man auch '''Überspritzung''' oder '''Überladung'''.
Die '''Zuhaltekraft''' sollte trotzdem so klein wie möglich eingestellt werden, um auch einer Durchbiegung bei den Formnesttragenden Werkzeugplatten vorzubeugen. Diese '''Durchbiegung''' entsteht dadurch, dass beim Einspritzen der Werkzeuginnendruck versucht, die beiden Formhälften überwiegend im Bereich der Formhohlräume auseinander zu drücken, während die Zuhaltekräfte nur im Bereich der direkten Kraftübertragung wirken (Bild 1). Die Durchbiegung ist besonders groß bei geringer Steifigkeit der Platten und um die Bereiche gegenüber der düsenseitigen Zentrierbohrung und vor allem gegenüber dem Auswerfersystem '''(Bild 3)'''.
Die Durchbiegung führt zur Gratbildung und u.U. dazu, dass nicht der größtmögliche Einspritzdruck gewählt werden kann. Abhilfe kann dadurch geschaffen werden, dass zusätzliche Stützrollen vorgesehen werden, die mit einem Übermaß von 0,03mm … 0,05mm gegenüber den äußeren Abstützungen eingebaut werden '''(Bild 4)'''.
Auch wegen der beim Einspritzen erforderlichen Entlüftung der Werkzeughöhlung über die Berührungsflächen der beiden Formhälften sollte die Schließkraft so niedrig wie möglich sein.

== '''Gestalten von Spritzgießteilen''' ==

=== Maßtoleranzen bei Spritzgießteilen ===

[[Bild:Maßarten.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle1 Ermittlung.jpg|right|300x300px]]

Die erzielbaren Toleranzen sind größtenteils abhängig von der Schwindung, den Formmassen und der Art der Maße, wobei natürlich auch die Qualität der Spritzgießmaschine und des Werkzeuges eine Rolle spielen.

So lassen sich mit amorphen Formmassen kleinere Toleranzen leichter einhalten als mit teilkristallinen. '''Werkzeuggebundene''' Maße lassen sich genauer herstellen als '''nicht werkzeuggebundene''' Maße '''(Bild 1)'''.

DIN 16 901 bildet bei der Festlegung der Toleranzen zuerst Toleranzgruppen in Abhängigkeit der Formmassen und Schwindungskennwerte (siehe Tabellenbuch). Bezogen auf diese Toleranzgruppen und die festgelegte Maßart werden dann den verschiedenen Nennmaßbereichen die zulässigen Abweichungen zugeordnet.

Die Ermittlung der Allgemeintoleranz für das werkzeuggebundene Maß a im Bild 1, das 35mm betragen soll, zeigt die Tabelle 1.

=== Richtlinien zur Gestaltung von Spritzgießteilen (VDI 2006) ===

[[Bild:Mindetwanddicke.jpg|left|300x300px]][[Bild:Gestaltungsbeispiele.jpg|right|300x300px]]

Die Wanddicken müssen groß genug sein, damit die Formmasse das Werkzeug sicher füllen kann, ehe sie zu stark abkühlt oder ausgehärtet ist. Deshalb ist die '''Mindestwanddicke''' in Abhängigkeit vom '''Fließweg''' im Werkzeug und der Fließfähigkeit der Formmasse zu wählen '''(Bild 2)''' und Bild 2: Werkzeuginnendruck für einfache Teile beim Thema Druckverlauf).

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)'''.

[[Bild:Neigung.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle rautiefe.jpg|right|300x300px]][[Bild:Verzug.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Winkelverzug.jpg|left|300x300px]]

Um das Spritzgießteil leicht und schnell aus der Form entfernen zu können, müssen alle Flächen des Werkstückes, die in Öffnungsrichtung der Form liegen, eine leichte '''Neigung''' erhalten '''(Bild 1)'''. Zusätzlich muss sichergestellt sein, dass das Spritzgießteil beim Öffnen der Form von der schließseitigen Formhälfte mitgenommen und von der Auswerfervorrichtung entfernt wird. Weiterhin hängen die Entformungsschrägen speziell bei strukturierten Oberflächen von der Oberflächenrauigkeit der abzubildenden Kavitäten ab. Die Struktur kann aufgrund ihrer Tiefe wie eine Verzahnung zwischen Formteil und Werkzeugoberfläche wirken und somit die Entformung erschweren. Die Lage der Strukturrichtung parallel oder senkrecht zur Entformungsrichtung und die Materialpaarung Stahl- Kunststoffmasse ist von entscheidender Bedeutung '''(Tabelle 1)'''.

Als einfache Näherung sollte für eine Strukturtiefe von 0,02mm pro 1° Entformungsschrägen bei senkrechter Lage zur Entformungsrichtung nicht überschritten werden. Scharfe Ecken und Kanten können beim Einspritzvorgang des Kunststoffmaterials so stark scheren, dass es zu einer thermischen Schädigung des Kunststoffes kommen kann.

Eine Abrundung bei Umlenkungen wirkt nicht nur der Scherung entgegen, sondern auch dem '''Winkelverzug''' und der Kerbwirkung im Eckbereich. Der mögliche Verzug des Formteils wird in '''(Bild 2)''' dargestellt. Da die dünnen Formteilbereiche schneller abkühlen, werden sie durch die Schrumpfkraft der dickeren verformt.

In '''Bild 3''' kann das Volumenelement '''a''' seine Erstarrungswärme nur stark verzögert an das Werkzeug abgeben. Volumenelement '''b''' kühlt dagegen rascher ab, da es an zwei Seiten an das Werkzeug grenzt. Es entsteht ein '''Winkelverzug'''. Diesem kann durch Abrunden und durch verringerung der Wandstärke im Eckbereich entgegengewirkt werden.

== '''Schwindung''' ==

[[Bild:Tabelle1 Anhaltsw.jpg|left|600x600px]]

Bei der Festlegung des Formhohlraumes müssen die Schwindung und evtl. die Nachschwindung berücksichtigt werden.

Unter Schwindung versteht man die Maßänderung von Werkstücken durch das Zusammenziehen des Werkstoffes beim Abkühlen als Maßunterschied zwischen Werkzeugkavität und Formteil. Bei der Erfassung dieser Schwindung '''(Tabelle 1)''' kommt erschwerend hinzu, dass die Schwindungsdifferenz sowie die Nachschwindung berücksichtigt werden müssen.

Eine '''Schwindungsdifferenz''' tritt dann auf, wenn die Schwindungen in Fließrichtung und quer dazu unterschiedlich groß sind. Der Unterschied zwischen Längs- und Querschwindung ist die Schwindungsdifferenz. Bei einer größeren Schwindungsdifferenz kann dies zu Verwindungen oder zum Verzug des spritzgegossenen Formteils führen.

Die Formteilgeometrie und die Angusslage können Molekülorientierungen hervorrufen, wodurch die Schwindungsdifferenz beeinflusst werden kann. Durch die Verwendung von Füllstoffen kann die Schwindung vermindert werden. Bei faserigen Verstärkungsstoffen kann durch die Faserorientierung im Bauteil eine sehr große Schwindungsdifferenz entstehen. Die Temperaturdifferenz während der Verarbeitung und der Gebrauchstemperatur des Formteils ergibt eine vernachlässigbare Längenänderung der Glasfasern. Sind nun Glasfasern in einem Formteil durch den Materialfluss während des Füllvorganges stark orientiert, schwindet das Formteil quer zur Faser wesentlich stärker als längs dazu. Werden zum Beispiel Glaskugeln zugemischt, wird insgesamt eine geringere Schwindung beobachtet.

Die '''Nachschwindung''' ist der Unterschied zwischen dem Maß eines auf Raumtemperatur abgekühlten Spritzgießteils und dem Maß desselben Spritzgießteils nach der Einwirkung einer bestimmten Temperatur. Sie verursacht eine Nachkristallisation und kann während des Gebrauches oder auch gezielt durch Tempern eingebracht werden. Durch die Naschwindungen werden die Fertigteilabmessungen nochmals kleiner.

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.

== '''Aufbau von Spritzgießwerkzeugen''' ==

[[Bild:Spritzgießwerkzeug.jpg|900x600px]]

=== Einleitung der Spritzgießwerkzeuge ===

[[Bild:Tabell1 Einleitung.jpg|left|400x300px]]

Die Vielzahl der Unterschiedlichen Spritzgießanwendungen erfordert verschiedene Werkzeugarten. Sie werden nach Anzahl der Formhohlräume, nach Art des Angusssystems, nach Anzahl der Trennebenen und nach Art der Entformung unterschieden. Die unterschiedlichen Verarbeitungsmöglichkeiten im Spritzgießbereich führen zu einer Vielzahl von Sonderverfahren, welche nicht alle in der Übersicht '''(Tabelle 1)''' aufgeführt werden können.

== '''Angusssysteme''' ==

[[Bild:Angusssystem.jpg|left|300x300px]]

Der Anguss ist ein System von Strömungswegen, in denen die fließfähige Formmasse von der Düse der Spritzeinheit zur Formhöhlung (Kavität) fließt.

Dieses System kann aus dem Angusskegel, den Verteilerkanälen, der sog. Angussspinne und dem Anschnitt bestehen '''(Bild 1)'''. Bei Einfachwerkzeugen können sich die Strömungswege auf eine kegelige Bohrung beschränken, die direkt in die Formhöhlung mündet. Die Stelle, an der der Anguss in die Formhöhlung eintritt, nennt man den '''Anschnitt'''.
Den Zeitpunkt nach dem der Anschnitt „eingefroren“ (d.h. erstarrt) ist und somit der Nachdruck nicht mehr wirken kann, nennt man '''Siegelpunkt'''. Ein längeres Nachdrücken über diesen Zeitpunkt hinaus ist unnötig.

Der Zeitpunkt des Erstarrens kann durch eine Innendruckmessung oder durch das Bestimmen der Formteilmasse ermittelt werden. Das maximale Formteilgewicht ist erreicht, wenn der Anschnitt eingefroren ist.

Der Anguss ist so zu gestalten, dass die flüssige Masse möglichst auf kürzestem Wege, mit geringstem Wärme- und Druckverlust die Kavitäten gleichzeitig füllt. Die Querschnitte der Strömungswege müssen so bemessen sein, dass eine gleichmäßige Füllung des Angusssystems sowie der Formhöhlung erreicht wird.

=== Angussformen ===

Die Angussform ist so zu wählen, dass für den speziellen Fall die bereits erwähnten Forderungen erfüllt werden können. Außerdem müssen noch folgende Einflussgrößen berücksichtigt werden.

* Formteilgeometrie und Formteilvolumen
* Viskosität der Formmasse
* Art des Spritzgießwerkzeuges
* Fließweglänge

=== Stangen- oder Kegelanguss ===

[[Bild:Stangen& P.Anguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Stangenanguss.jpg|right|300x300px]]

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.

=== Punktanguss ===

[[Bild:Punktanguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Vergr. Vorkammer.jpg|right|300x300px]]

Beim Entformen reißt der Punktanguss am kleinsten Querschnitt ab und bleibt als Angusszäpfchen am Spritzgießteil '''(Bild 2b zum Thema Stangen und Punktanguss''' und '''Bild 4 Punktanguss mit Vorkammer)'''. Es entsteht dadurch keine Nacharbeit und keine optisch störende Bearbeitungsfläche wie beim Stangenanguss. Außerdem muss der Anguss, also die Formmasse, in der Vorkammer nicht entformt werden.

Der Punktanguss wird besonders für kleinteile und Massenartikel in Einfach- und Mehrfachwerkzeugen vorgesehen, sowie für Mehrfachangüsse bei einem größeren Formteil. Dann muss zum Entformen des Angussverteilers mit einem Dreiplattenwerkzeug gearbeitet werden.

Je kleiner die Bohrung des Punktangusses ist, desto leichter geht das Abreißen vor sich. Dabei ist jedoch neben der Wanddicke die Zähflüssigkeit (Viskosität) der Schmelze, sowie die Temperatur zu beachten.

[[Bild:Vork. mit v. Düsens..jpg|left|300x300px]][[Bild:Vork. m. beh. K-B.sp.jpg|right|300x300px]]

Kann die Formhöhlung durch den kleinen Punktanguss nicht mehr schnell genug gefüllt werden, so kühlt die Schmelze in der '''Vorkammer''' vorzeitig ab, so dass sie unter Umständen von Hand entfernt werden muss.

Deshalb wird die Vorkammer etwas vergrößert, so das die an der Innenwandung haftende abgekühlte Masse als Isolator wirkt '''(Bild 1)'''.

Der Kern der Schmelze, die sog. Plastische Seele, bleibt im Angussbereich flüssig. Die Verweildauer der Schmelze in der Vorkammer sollte aber nicht zu lang sein. Kurze Zyklen, d. h. mehrmaliges Einspritzen pro Minute, sind für das Funktionieren des Systems notwendig.

Ist die Spritzhäufigkeit nicht möglich, so wird eine Kupfer- Beryllium- Spitze in die Vorkammer eingeführt. Der Raum zwischen Kupferspitze und Innenwandung der Vorkammer füllt sich mit erkalteter Masse, die dann als Isolierung wirkt. Die Kupferspitze nimmt über die Düse genügend wärme auf, um die Masse im inneren flüssig zu halten '''(Bild 2)'''.

Eine weitere Möglichkeit, die Abkühlung der Formmasse zu verhindern, besteht darin, die Vorkammer durch spezielle Heizpatronen zu erwärmen '''(Bild 3)'''.

=== Teller- und Scheibenanguss ===

[[Bild:Telleranguss.jpg|left|300x300px]]

Teller- und Scheibenangüsse werden für ringförmige Spritzgießteile vorgesehen '''(Bild 1a)'''. Würde man hier mit einem Punktanguss oder mit zwei Anbindungen arbeiten, so entstünde eine '''Binde-''' und '''Fließnaht (Bild 1b)'''. Sie entsteht, wenn zwei Masseströme sich aufgrund vorzeitiger Abkühlung nicht mehr miteinander verbinden. Je kälter die zusammentreffenden Masseströme sind, desto sichtbarer sind die Bindenähte und umso geringer ist die Festigkeit. Bindenähte entstehen auch, wenn sich Masseströme an einem Kern teilen und sich wieder miteinander verbinden müssen.

Diese Qualitätsminderung kann z.B. durch die Erhöhung der Werkzeugtemperatur teilweise reduziert werden. Mit einer Zykluszeiterhöhung ist zu rechnen.

=== Schirmanguss ===

[[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)'''.

=== Ringanguss ===

[[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.

=== Film- oder Bandanguss ===

Flache teile schneidet man zweckmäßigerweise über ein seitliches oder zentrales Band, dem Filmanguss, an. Dadurch lassen sich, wie bei einem Einzelpunktanguss, ungünstige Fließverhältnisse, oder wie bei Mehrfachpunktangüssen, störende Bindenähte vermeiden '''(Bild 2c)'''.

Ebenso lässt sich die Verzugsneigung durch gleichmäßige Druckverhältnisse positiv beeinflussen.
Eine weitere Anwendung ist deshalb die Herstellung optischer Formteile, wie durchsichtige Abdeckungen und optische Linsen.

Filmanschnitte erfordern eine Nacharbeit durch abtrennen des Angusses.

=== Tunnelanguss ===

[[Bild:Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Beim Tunnelanguss wird das Spritzgießteil seitlich oder an den verdeckten Flächen oder an anderen problemlosen Stellen angespritzt und automatisch beim öffnen der Formhälften, oder beim Ausstoßen vom Angusssystem, getrennt (Bild 1).

Der Verteilerkanal führt entlang der Trennfläche nicht direkt in die Formhöhlung, sondern er geht kurz zuvor schräg als konischer Tunnel durch die düsenseitige Werkzeughälfte in den Formhohlraum.
Wird die schließseitige Formhälfte zurückgezogen, so müssen das Spritzgießteil und das Angießsystem mitgenommen werden. Dabei wird der Tunnelanguss am Anschnitt durch eine Schneidkante abgeschert '''(Bild 1)'''.

Das Mitnehmen des Formteils muss durch Aufschrumpfen auf den Kern geschehen, und die des Angusses durch einen eingearbeiteten Hinterschnitt.

Anschließend wird das Spritzgießteil und das Angießsystem durch die Auswerfer entformt.

Wird ein Tunnelanguss vorgesehen, so muss beachtet werden, dass sich der vom Formteil getrennte Anguss beim öffnen der Werkzeughälften ausreichend biegen muss. Damit der Anguss nicht bricht, muss er eine ausreichende Konizität haben und frei biegbar sein, möglichst mit einem definierten Biegepunkt.

Die Formmasse sollte zähelastisch oder beim Entformen noch nicht vollständig erstarrt sein. Nur dann arbeitet das System störungsfrei. Da beim Tunnelanguss die Druckverluste hoch sind, wird er überwiegend zu Herstellung einfacher und kleiner Spritzgießteile in Mehrfachwerkzeugen verwendet.

=== Gebogener Tunnelanguss ===

[[Bild:geb. Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Der gebogene Tunnelanguss, auch Haken- oder Säbelanguss genannt '''(Bild 2)''', bietet die Möglichkeit ein Spritzgießteil auf der Rückseite oder an verdeckter Stelle anzubinden.

Das Entformungsprinzip entspricht dem des Tunnelangusses. Die Verwendung ist auf elastische Formmassen beschrängt. Die große Durchbiegung bei der Entformung erfolgt während der Ausstoßbewegung.

Durch den geringen Fließquerschnitt im Anschnittbereich entstehen große Druckverluste. Dadurch ist dieses Angusssystem nur für einfache Artikel verwendbar.

=== Angießmöglichkeiten für Mehrfachwerkzeuge ===

[[Bild:Verteilersterne.jpg|left|300x300px]][[Bild:Reihenanguss.jpg|right|300x300px]]

In einem Mehrfachwerkzeug werden in einem Spritzvorgang mehrere Spritzgießteile gleichzeitig hergestellt. Liegen die Formhöhlungen, auch Formnester genannt, in der Trennfläche, so werden diese über Verteilerkanäle mit Schmelze versorgt '''(Bild 1)'''.

Liegen die Formhöhlungen zentrisch um den Mittelpunkt des Angusskegels, so nennt man das System der Verteilerkanäle '''Verteilersterne'''. Bei den Verteilersternen in '''Bild 1a''' sind die Fließwege der Formmassen gleich lang. Der Vorteil des Verteilersterns mit Ringkanal in '''Bild 1b''' liegt darin, dass die Gesamtlänge der Verteilerkanäle kürzer ist. Beim '''Reihenanguss''' '''(Bild 2)''' sind die Fließwege unterschiedlich lang, was zu einer geringeren Qualität des Spritzgießteils führen kann. Bild 2 zeigt ein Beispiel für eine ungleichmäßige Füllung der Formhohlräume. Diesen Nachteil kann man durch unterschiedliche Anschnittquerschnitte ausgleichen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der größeren Anzahl der gleichzeitig herstellbaren Spritzgießteile.

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.

=== Verteilerkanal- und Anschnittform ===

[[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.

Beim runden Anschnitt ist die Einarbeitung ebenfalls in beide Formhälften notwendig. Wird der rechteckige Querschnitt gewählt, so muss darauf geachtet werden, dass die Breite des Anschnittes ungefähr 2mm kleiner als der Verteilerkanal ist (Bild 3).

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''' ==

=== Dreiplattenwerkzeug ===

[[Bild:Dreiplattenwerkz.jpg|left|300x300px]]

Höhere Spritzgiezteile werden deshalb vom Boden her zentral angespritzt. 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.

=== Isolierkanalwerkzeug ===

[[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.

=== Etagenwerkzeug ===

[[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.

=== Heißkanalsysteme ===

[[Bild:Heißkanalwerkzeug.jpg|left|300x300px]]

Im Heißkanalsystem '''(Bild 1)''' wird die in den Verteilerkanälen enthaltene Masse durch Heizpatronen oder/ und Rohrheizkörper '''(Bild 2)''' ständig auf Schmelztemperatur gehalten. Um einen Wärmeübergang vom Heißkanalbereich auf das wesentlich kühlere Werkzeug zu meiden, müssen die Kontaktflächen minimiert, ein isolierend wirkender Luftspalt sowie Reflektorbleche vorgesehen werden. Thermofühler in verbindung mit einem Regelkreis sorgen für eine möglichst gleichmäßige Temperatur im Angießsystem.

Es werden außen- und innenbeheizte Heißkanalsysteme unterschieden.

'''Außenbeheizte''' Heißkanalsysteme transportieren Wärmeenergie von außen in den Verteilerkanal (Bild 2a).

'''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
* Anspritzpunkte in großer Entfernung von der Plastifiziereinheit realisierbar
* keine Nacharbeit zum Entfernen des Angusses
* Etagenwerkzeuge nur mit Heißkanalsystemen möglich

Die '''Nachteile''' von Heizkanalwerkzeugen sind:
* hohe Energiekosten
* größere Werkzeugeinbauhöhe
* höhere Werkzeugkosten
* Farb- und Materialwechsel schwierig

'''Anwendung''':
* Großserienwerkzeuge, große Losgrößen
* große Formteile mit mehreren Anspritzpunkten

== '''Sonstiges''' ==

Zur Vollständigkeit einer Spritzgießanlage müssen noch folgende Punkte genannt werden:
* die Werkzeugtemperierung, sie regelt die Wärme zu- und abführ (Kühlssystem)
* Serielle Anordnung des Kühlkreislaufes
* Parallele Anordnung des Kühlkreislaufes
* Entformungssysteme (Auswerfeinrichtungen), sie stoßen das Werkstück aus
* Auswerfsysteme bei Hinterschneidungen (äußere und innere Hinterschneidungen)
* Bewegliche Kernsegmente
* Elastische Zwangsentformung
* Zusammenfaltbarer Kern
* Entformung durch Rotation des Formteils
* Werkzeugentlüftung, um die Formen schnell genug zu füllen.

== '''Quellen''' ==

# Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Verlag, 53. Auflage
# Der Werkzeugbau, Europa Lehrmittel Verlag, 13. Auflage

[[Kategorie:Fertigungstechnik]]

Spritzgießen

2009-04-22T19:56:48Z

Sandra Kellinghusen: /* '''Schwindung''' */

== '''Spritzgießen''' ==

=== Einleitung ===

Beim Spritzgießen werden überwiegend Thermoplaste1 im plastifizierten, fließfähigen Zustand in geteilte und 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|]]

=== 1Thermoplaste: ===
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.

=== Vorgänge beim Spritzgießen ===

[[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.

=== Werkstoffverhalten ===

Die Plastifizierte Formmasse sollte so schnell wie möglich in den Formhohlraum eingesprizt werden, damit Druck und Temperatur im Hohlraum überall gleich sind. Tritt dieser idealfall ein, ist eine gleichmäßige Struktur des Werkstoffes und ein gleichmäßiges Schwindungsverhalten im ganzen Spritzgießteil gewährleistet, sodass keine Spannungen und kein Verzug auftreten.

Dieser ideale Vorgang lässt sich leider nicht realisieren. Fließwiederstände im Werkzeug und in der Düse bewirken einen Druckabfall während des Einspritzens. Ungleichmäßiges Abkühlen der Formmasse im Werkzeughohlraum, der auch Kavität genannt wird, ergibt eine ungleichmäßige Werkstoffstruktur.

=== Molekühlorientierung ===

[[Bild:Amorpher Thermoplast.jpg|left|300x300px]]
[[Bild:Molekühlorientierung_0001.jpg|left|300x300px]]
[[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.

=== Kristallisationsgrad ===

[[Bild:Kristallisationsgrad.jpg|left|300x300px]]

{{Mark
|Bei teilkristallinen Werkstoffen kann sich auf Grund der schnellen Abkühlung im Bereich der Formwand keine Kristallisation bilden. Der Randbreich des Spritzgießteils hat darum einen amorphen Aufbau, währen der Kern einen mehr 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)'''.

=== Fließverhalten ===

[[Bild:Fließfront.jpg|left|300x300px]]
[[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)'''.}}

=== Einflussgrößen auf den Spritzvorgang ===

[[Bild:Einflussgrößen auf den Spritzvorgang.jpg|right|300x300px]]
[[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, 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).

=== Druckverlauf ===

[[Bild:Druckverlauf.jpg|left|300x300px]][[Bild:Auswirkungen des Nachdruckes.jpg|right|300x300px]][[Bild:SGT mit Lunker.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Werkzeuginnendruck.jpg|left|300x300px]]

Durch den '''Einspritzdruck''', welcher in der Formmasse im Schneckenvorraum herrscht, wird im Formhohlraum aufgrund von Strömungswiederständen in der Düse und im Werkzeug ein zeitlich verzögerter und in der Höhe etwas geringerer '''Werkzeuginnendruck''' aufgebaut '''(Bild 1)'''. Dadurch füllt sich die Werkzeughöhlung mit Formmasse (Bild 1, '''Kurvenpunkt A''') und erzeugt die Ausformung der Konturen durch das Komprimieren (verdichten, zusammenpressen) der Formmasse. Der Maximale Werkzeuginnendruck (Bild 1, '''Kurvenpunkt B''') hängt von der Form, vom Werkstoff, von der Qualität des Spritzgießteils und vom Verhältnis zwischen Fließweg und Wanddicke ab. Dieses Verhältnis wird durch den maximalen Fließweg, den die Formmasse zurücklegen muss und der Wanddicke des Spritzgießteils gebildet '''(Bild 2)'''. Ist der gewünschte Werkzeuginnendruck erreicht, so wird der Einspritzdruck vermindert und als '''Nachdruck''' bezeichnet (Umschaltpunkt). Dieser füllt in der anschließenden Phase nur noch das Restvolumen auf und gleicht die Volumenminderung aus, die durch das Abkühlen der Schmelze eintritt. Der Innendruck fällt dabei leicht ab. Auswirkungen des Nachdruckes auf den Spritzvorgang zeigt die '''Tabelle 1'''.

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.

=== Formfüllungsgrad ===

[[Bild:Formfüllstudie.jpg|left|300x300px]]

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.

=== Abkühlung ===

[[Bild:Abkühlzeit für PS.jpg|left|300x300px]]

Wie schnell die Formstabilität der Formmasse beim Abkühlen eintritt, hängt von der '''Werkzeugtemperatur''' ab. Diese wiederum wird von der Art der Formmasse und von den Anforderungen an das Spritzgießteil sowie von der Wanddicke bestimmt '''(Bild 1)'''.
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 Vorgang vom Einspritzen der Schmelze in den Formhohlraum bis zum nächsten Einspritzvorgang bezeichnet man auch als '''Takt, Schuss''' oder '''Zyklus'''.

== '''Spritzgießmaschine''' ==

[[Bild:Spritzgießmaschiene.jpg|center|800x800px|]]

=== Die Aufgaben der Spritzgießmaschine ===

[[Bild:Aufgaben der Spritzgießmaschine.jpg|left|300x300px|]]

*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 der Form.

Die ersten beiden Aufgaben übernimmt die Spritzeinheit der Spritzmaschine, während die dritte Aufgabe die Schließeinheit durchführt.

=== Spritzeinheit ===

[[Bild:Spritzgießmaschiene_1.jpg|right|600x600px]]

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)'''.

[[Bild:Schneckenkolbenext.jpg| left|300x300px]]

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.

=== Einstellgrößen ===

[[Bild:Einstellgr Plastif.jpg|left|300x300px]]

Die Drehzahl der Schnecke richtet sich neben dem Schneckendurchmesser nach der Größe der Umfangsgeschwindigkeit, die von den Formmasseherstellern vorgegeben wird '''(Tabelle 1)'''.

[[Bild:Wirkung_des_Staud.jpg|left|300x300px]]

Der Wiederstand 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''' ==

Die Düse hat die Aufgabe, eine dichte Verbindung, möglichst ohne Druck- und Temperaturverlust, zwischen dem Spritzzylinder und dem Werkzeug herzustellen. Durch die Berührung mit dem kälteren Werkzeug kann der Düse und der verbleibenden Schmelze wärme entzogen werden. Abhilfe kann geschaffen werden, durch eine Düsenheizung sowie durch das Abheben der Düse vom Werkzeug nach der Nachdruckzeit.

=== Offene Düsen und Verschlussdüsen ===

[[Bild:offene Düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Nadelv.düse.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Schiebev.düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Quernadelv.düse.jpg|right|300x300px]]

Wenn es die Zähigkeit der Schmelze zulässt, wählt man meist eine '''offene Düse (Bild 1)'''. Die Druck- und Temperaturverluste sind wegen des glatten Kanals sehr gering. Außerdem ist die offene Düse leicht zu reinigen und zu spülen. Die Gefahr, dass Schmelze aus der Düse austreten kann, nimmt mit kleiner werdender Düsenbohrung (ca. 3- 8mm) ständig ab. Ist die Schmelze zu dünnflüssig, so müssen '''Verschlussdüsen''', z.B. Schieberverschlussdüsen '''(Bild 2)''', oder Nadelverschlussdüsen '''(Bild3)''', vorgesehen werden. Sie sind so konstruiert, das die Düsenöffnung nach jedem Einspritzvorgang verschlossen und dadurch das Ausströmen der Masse verhindert wird.
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 (RD) bei Konvexdüsen etwas kleiner ist, als der Radius der Angießbuchse (RA), 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.

== '''Schließeinheit''' ==

Die Schließeinheit nimmt an der beweglichen und an der festen Werkzeugplatte die jeweiligen Formhälften auf. Das Öffnen, Schließen und Zuhalten des Werkzeuges wird durch ein Kniehebelssystem oder durch einen vollhydraulischen Antrieb ausgeführt '''(Bild1, Spritzgießmaschine beim Thema Spritzeinheit)'''.

=== Schließkraft – Zuhaltekraft ===

[[Bild:Schließkraft.jpg|left|300x300px]][[Bild:Durchbiegung.jpg|right|300x300px]][[Bild:Stützrollen.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Schwimmhäute.jpg|left|280x280px]]

Die '''Schließkraft''' Fs ist die Kraft, die die Säulen nach dem Schließvorgang beansprucht und dehnt sowie die beiden Formhälften zusammendrückt '''(Bild 1)'''. Beim Einspritzen der Formmasse entsteht durch den Werkzeuginnendruck pw eine Auftriebskraft FA (FA= pw * A), die eine weitere Zugbeanspruchung und Dehnung der Säulen verursacht. Die Summe der Kräfte, die die Säulen beim Einspritzvorgang insgesamt belasten, wird als '''Zuhaltekraft''' Fz bezeichnet. Sie ist stets größer als die Schließkraft, und sie ist von der Steifigkeit der Maschine und des Werkzeuges abhängig.

Ist die '''Auftriebskraft''' größer als die Zuhaltekraft, so wird die Anlage zwischen den beiden Werkzeughälften aufgehoben und es tritt Schmelze zwischen den beiden Formhälften aus, die zur '''Grat'''- oder '''Schwimmhautbildung''' führt '''(Bild 2)'''. Diesen Vorgang nennt man auch '''Überspritzung''' oder '''Überladung'''.
Die '''Zuhaltekraft''' sollte trotzdem so klein wie möglich eingestellt werden, um auch einer Durchbiegung bei den Formnesttragenden Werkzeugplatten vorzubeugen. Diese '''Durchbiegung''' entsteht dadurch, dass beim Einspritzen der Werkzeuginnendruck versucht, die beiden Formhälften überwiegend im Bereich der Formhohlräume auseinander zu drücken, während die Zuhaltekräfte nur im Bereich der direkten Kraftübertragung wirken (Bild 1). Die Durchbiegung ist besonders groß bei geringer Steifigkeit der Platten und um die Bereiche gegenüber der düsenseitigen Zentrierbohrung und vor allem gegenüber dem Auswerfersystem '''(Bild 3)'''.
Die Durchbiegung führt zur Gratbildung und u.U. dazu, dass nicht der größtmögliche Einspritzdruck gewählt werden kann. Abhilfe kann dadurch geschaffen werden, dass zusätzliche Stützrollen vorgesehen werden, die mit einem Übermaß von 0,03mm … 0,05mm gegenüber den äußeren Abstützungen eingebaut werden '''(Bild 4)'''.
Auch wegen der beim Einspritzen erforderlichen Entlüftung der Werkzeughöhlung über die Berührungsflächen der beiden Formhälften sollte die Schließkraft so niedrig wie möglich sein.

== '''Gestalten von Spritzgießteilen''' ==

=== Maßtoleranzen bei Spritzgießteilen ===

[[Bild:Maßarten.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle1 Ermittlung.jpg|right|300x300px]]

Die erzielbaren Toleranzen sind größtenteils abhängig von der Schwindung, den Formmassen und der Art der Maße, wobei natürlich auch die Qualität der Spritzgießmaschine und des Werkzeuges eine Rolle spielen.

So lassen sich mit amorphen Formmassen kleinere Toleranzen leichter einhalten als mit teilkristallinen. '''Werkzeuggebundene''' Maße lassen sich genauer herstellen als '''nicht werkzeuggebundene''' Maße '''(Bild 1)'''.

DIN 16 901 bildet bei der Festlegung der Toleranzen zuerst Toleranzgruppen in Abhängigkeit der Formmassen und Schwindungskennwerte (siehe Tabellenbuch). Bezogen auf diese Toleranzgruppen und die festgelegte Maßart werden dann den verschiedenen Nennmaßbereichen die zulässigen Abweichungen zugeordnet.

Die Ermittlung der Allgemeintoleranz für das werkzeuggebundene Maß a im Bild 1, das 35mm betragen soll, zeigt die Tabelle 1.

=== Richtlinien zur Gestaltung von Spritzgießteilen (VDI 2006) ===

[[Bild:Mindetwanddicke.jpg|left|300x300px]][[Bild:Gestaltungsbeispiele.jpg|right|300x300px]]

Die Wanddicken müssen groß genug sein, damit die Formmasse das Werkzeug sicher füllen kann, ehe sie zu stark abkühlt oder ausgehärtet ist. Deshalb ist die '''Mindestwanddicke''' in Abhängigkeit vom '''Fließweg''' im Werkzeug und der Fließfähigkeit der Formmasse zu wählen '''(Bild 2)''' und Bild 2: Werkzeuginnendruck für einfache Teile beim Thema Druckverlauf).

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)'''.

[[Bild:Neigung.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle rautiefe.jpg|right|300x300px]][[Bild:Verzug.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Winkelverzug.jpg|left|300x300px]]

Um das Spritzgießteil leicht und schnell aus der Form entfernen zu können, müssen alle Flächen des Werkstückes, die in Öffnungsrichtung der Form liegen, eine leichte '''Neigung''' erhalten '''(Bild 1)'''. Zusätzlich muss sichergestellt sein, dass das Spritzgießteil beim Öffnen der Form von der schließseitigen Formhälfte mitgenommen und von der Auswerfervorrichtung entfernt wird. Weiterhin hängen die Entformungsschrägen speziell bei strukturierten Oberflächen von der Oberflächenrauigkeit der abzubildenden Kavitäten ab. Die Struktur kann aufgrund ihrer Tiefe wie eine Verzahnung zwischen Formteil und Werkzeugoberfläche wirken und somit die Entformung erschweren. Die Lage der Strukturrichtung parallel oder senkrecht zur Entformungsrichtung und die Materialpaarung Stahl- Kunststoffmasse ist von entscheidender Bedeutung '''(Tabelle 1)'''.

Als einfache Näherungs sollte für eine Strukturtiefe von 0,02mm pro 1° Entformungsschrägen bei senkrechter Lage zur Entformungsrichtung nicht überschritten werden. Scharfe Ecken und Kanten können beim Einspritzvorgang des Kunststoffmaterials so stark scheren, dass es zu einer thermischen Schädigung des Kunststoffes kommen kann.

Eine Abrundung bei Umlenkungen wirkt nicht nur der Scherung entgegen, sondern auch dem '''Winkelverzug''' und der Kerbwirkung im Eckbereich. Der mögliche Verzug des Formteils wird in '''(Bild 2)''' dargestellt. Da die dünnen Formteilbereiche schneller abkühlen, werden sie durch die Schrumpfkraft der dickeren verformt.

In '''Bild 3''' kann das Volumenelement '''a''' seine Erstarrungswärme nur stark verzögert an das Werkzeug abgeben. Volumenelement '''b''' kühlt dagegen rascher ab, da es an zwei Seiten an das Werkzeug grenzt. Es entsteht ein '''Winkelverzug'''. Diesem kann durch Abrunden und durch verringerung der Wandstärke im Eckbereich entgegengewirkt werden.

== '''Schwindung''' ==

[[Bild:Tabelle1 Anhaltsw.jpg|left|600x600px]]

Bei der Festlegung des Formhohlraumes müssen die Schwindung und evtl. die Nachschwindung berücksichtigt werden.

Unter Schwindung versteht man die Maßänderung von Werkstücken durch das Zusammenziehen des Werkstoffes beim Abkühlen als Maßunterschied zwischen Werkzeugkavität und Formteil. Bei der Erfassung dieser Schwindung '''(Tabelle 1)''' kommt erschwerend hinzu, dass die Schwindungsdifferenz sowie die Nachschwindung berücksichtigt werden müssen.

Eine '''Schwindungsdifferenz''' tritt dann auf, wenn die Schwindungen in Fließrichtung und quer dazu unterschiedlich groß sind. Der Unterschied zwischen Längs- und Querschwindung ist die Schwindungsdifferenz. Bei einer größeren Schwindungsdifferenz kann dies zu Verwindungen oder zum Verzug des spritzgegossenen Formteils führen.

Die Formteilgeometrie und die Angusslage können Molekülorientierungen hervorrufen, wodurch die Schwindungsdifferenz beeinflusst werden kann. Durch die Verwendung von Füllstoffen kann die Schwindung vermindert werden. Bei faserigen Verstärkungsstoffen kann durch die Faserorientierung im Bauteil eine sehr große Schwindungsdifferenz entstehen. Die Temperaturdifferenz während der Verarbeitung und der Gebrauchstemperatur des Formteils ergibt eine vernachlässigbare Längenänderung der Glasfasern. Sind nun Glasfasern in einem Formteil durch den Materialfluss während des Füllvorganges stark orientiert, schwindet das Formteil quer zur Faser wesentlich stärker als längs dazu. Werden zum Beispiel Glaskugeln zugemischt, wird insgesamt eine geringere Schwindung beobachtet.

Die '''Nachschwindung''' ist der Unterschied zwischen dem Maß eines auf Raumtemperatur abgekühlten Spritzgießteils und dem Maß desselben Spritzgießteils nach der Einwirkung einer bestimmten Temperatur. Sie verursacht eine Nachkristallisation und kann während des Gebrauches oder auch gezielt durch Tempern eingebracht werden. Durch die Naschwindungen werden die Fertigteilabmessungen nochmals kleiner.

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.

== '''Aufbau von Spritzgießwerkzeugen''' ==

[[Bild:Spritzgießwerkzeug.jpg|900x600px]]

=== Einleitung der Spritzgießwerkzeuge ===

[[Bild:Tabell1 Einleitung.jpg|left|400x300px]]

Die Vielzahl der Unterschiedlichen Spritzgießanwendungen erfordert verschiedene Werkzeugarten. Sie werden nach Anzahl der Formhohlräume, nach Art des Angusssystems, nach Anzahl der Trennebenen und nach Art der Entformung unterschieden. Die unterschiedlichen Verarbeitungsmöglichkeiten im Spritzgießbereich führen zu einer Vielzahl von Sonderverfahren, welche nicht alle in der Übersicht '''(Tabelle 1)''' aufgeführt werden können.

== '''Angusssysteme''' ==

[[Bild:Angusssystem.jpg|left|300x300px]]

Der Anguss ist ein System von Strömungswegen, in denen die fließfähige Formmasse von der Düse der Spritzeinheit zur Formhöhlung (Kavität) fließt.

Dieses System kann aus dem Angusskegel, den Verteilerkanälen, der sog. Angussspinne und dem Anschnitt bestehen '''(Bild 1)'''. Bei Einfachwerkzeugen können sich die Strömungswege auf eine kegelige Bohrung beschränken, die direkt in die Formhöhlung mündet. Die Stelle, an der der Anguss in die Formhöhlung eintritt, nennt man den '''Anschnitt'''.
Den Zeitpunkt nach dem der Anschnitt „eingefroren“ (d.h. erstarrt) ist und somit der Nachdruck nicht mehr wirken kann, nennt man '''Siegelpunkt'''. Ein längeres Nachdrücken über diesen Zeitpunkt hinaus ist unnötig.

Der Zeitpunkt des Erstarrens kann durch eine Innendruckmessung oder durch das Bestimmen der Formteilmasse ermittelt werden. Das maximale Formteilgewicht ist erreicht, wenn der Anschnitt eingefroren ist.

Der Anguss ist so zu gestalten, dass die flüssige Masse möglichst auf kürzestem Wege, mit geringstem Wärme- und Druckverlust die Kavitäten gleichzeitig füllt. Die Querschnitte der Strömungswege müssen so bemessen sein, dass eine gleichmäßige Füllung des Angusssystems sowie der Formhöhlung erreicht wird.

=== Angussformen ===

Die Angussform ist so zu wählen, dass für den speziellen Fall die bereits erwähnten Forderungen erfüllt werden können. Außerdem müssen noch folgende Einflussgrößen berücksichtigt werden.

* Formteilgeometrie und Formteilvolumen
* Viskosität der Formmasse
* Art des Spritzgießwerkzeuges
* Fließweglänge

=== Stangen- oder Kegelanguss ===

[[Bild:Stangen& P.Anguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Stangenanguss.jpg|right|300x300px]]

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.

=== Punktanguss ===

[[Bild:Punktanguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Vergr. Vorkammer.jpg|right|300x300px]]

Beim Entformen reißt der Punktanguss am kleinsten Querschnitt ab und bleibt als Angusszäpfchen am Spritzgießteil '''(Bild 2b zum Thema Stangen und Punktanguss''' und '''Bild 4 Punktanguss mit Vorkammer)'''. Es entsteht dadurch keine Nacharbeit und keine optisch störende Bearbeitungsfläche wie beim Stangenanguss. Außerdem muss der Anguss, also die Formmasse, in der Vorkammer nicht entformt werden.

Der Punktanguss wird besonders für kleinteile und Massenartikel in Einfach- und Mehrfachwerkzeugen vorgesehen, sowie für Mehrfachangüsse bei einem größeren Formteil. Dann muss zum Entformen des Angussverteilers mit einem Dreiplattenwerkzeug gearbeitet werden.

Je kleiner die Bohrung des Punktangusses ist, desto leichter geht das Abreißen vor sich. Dabei ist jedoch neben der Wanddicke die Zähflüssigkeit (Viskosität) der Schmelze, sowie die Temperatur zu beachten.

[[Bild:Vork. mit v. Düsens..jpg|left|300x300px]][[Bild:Vork. m. beh. K-B.sp.jpg|right|300x300px]]

Kann die Formhöhlung durch den kleinen Punktanguss nicht mehr schnell genug gefüllt werden, so kühlt die Schmelze in der '''Vorkammer''' vorzeitig ab, so dass sie unter Umständen von Hand entfernt werden muss.

Deshalb wird die Vorkammer etwas vergrößert, so das die an der Innenwandung haftende abgekühlte Masse als Isolator wirkt '''(Bild 1)'''.

Der Kern der Schmelze, die sog. Plastische Seele, bleibt im Angussbereich flüssig. Die Verweildauer der Schmelze in der Vorkammer sollte aber nicht zu lang sein. Kurze Zyklen, d. h. mehrmaliges Einspritzen pro Minute, sind für das Funktionieren des Systems notwendig.

Ist die Spritzhäufigkeit nicht möglich, so wird eine Kupfer- Beryllium- Spitze in die Vorkammer eingeführt. Der Raum zwischen Kupferspitze und Innenwandung der Vorkammer füllt sich mit erkalteter Masse, die dann als Isolierung wirkt. Die Kupferspitze nimmt über die Düse genügend wärme auf, um die Masse im inneren flüssig zu halten '''(Bild 2)'''.

Eine weitere Möglichkeit, die Abkühlung der Formmasse zu verhindern, besteht darin, die Vorkammer durch spezielle Heizpatronen zu erwärmen '''(Bild 3)'''.

=== Teller- und Scheibenanguss ===

[[Bild:Telleranguss.jpg|left|300x300px]]

Teller- und Scheibenangüsse werden für ringförmige Spritzgießteile vorgesehen '''(Bild 1a)'''. Würde man hier mit einem Punktanguss oder mit zwei Anbindungen arbeiten, so entstünde eine '''Binde-''' und '''Fließnaht (Bild 1b)'''. Sie entsteht, wenn zwei Masseströme sich aufgrund vorzeitiger Abkühlung nicht mehr miteinander verbinden. Je kälter die zusammentreffenden Masseströme sind, desto sichtbarer sind die Bindenähte und umso geringer ist die Festigkeit. Bindenähte entstehen auch, wenn sich Masseströme an einem Kern teilen und sich wieder miteinander verbinden müssen.

Diese Qualitätsminderung kann z.B. durch die Erhöhung der Werkzeugtemperatur teilweise reduziert werden. Mit einer Zykluszeiterhöhung ist zu rechnen.

=== Schirmanguss ===

[[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)'''.

=== Ringanguss ===

[[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.

=== Film- oder Bandanguss ===

Flache teile schneidet man zweckmäßigerweise über ein seitliches oder zentrales Band, dem Filmanguss, an. Dadurch lassen sich, wie bei einem Einzelpunktanguss, ungünstige Fließverhältnisse, oder wie bei Mehrfachpunktangüssen, störende Bindenähte vermeiden '''(Bild 2c)'''.

Ebenso lässt sich die Verzugsneigung durch gleichmäßige Druckverhältnisse positiv beeinflussen.
Eine weitere Anwendung ist deshalb die Herstellung optischer Formteile, wie durchsichtige Abdeckungen und optische Linsen.

Filmanschnitte erfordern eine Nacharbeit durch abtrennen des Angusses.

=== Tunnelanguss ===

[[Bild:Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Beim Tunnelanguss wird das Spritzgießteil seitlich oder an den verdeckten Flächen oder an anderen problemlosen Stellen angespritzt und automatisch beim öffnen der Formhälften, oder beim Ausstoßen vom Angusssystem, getrennt (Bild 1).

Der Verteilerkanal führt entlang der Trennfläche nicht direkt in die Formhöhlung, sondern er geht kurz zuvor schräg als konischer Tunnel durch die düsenseitige Werkzeughälfte in den Formhohlraum.
Wird die schließseitige Formhälfte zurückgezogen, so müssen das Spritzgießteil und das Angießsystem mitgenommen werden. Dabei wird der Tunnelanguss am Anschnitt durch eine Schneidkante abgeschert '''(Bild 1)'''.

Das Mitnehmen des Formteils muss durch Aufschrumpfen auf den Kern geschehen, und die des Angusses durch einen eingearbeiteten Hinterschnitt.

Anschließend wird das Spritzgießteil und das Angießsystem durch die Auswerfer entformt.

Wird ein Tunnelanguss vorgesehen, so muss beachtet werden, dass sich der vom Formteil getrennte Anguss beim öffnen der Werkzeughälften ausreichend biegen muss. Damit der Anguss nicht bricht, muss er eine ausreichende Konizität haben und frei biegbar sein, möglichst mit einem definierten Biegepunkt.

Die Formmasse sollte zähelastisch oder beim Entformen noch nicht vollständig erstarrt sein. Nur dann arbeitet das System störungsfrei. Da beim Tunnelanguss die Druckverluste hoch sind, wird er überwiegend zu Herstellung einfacher und kleiner Spritzgießteile in Mehrfachwerkzeugen verwendet.

=== Gebogener Tunnelanguss ===

[[Bild:geb. Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Der gebogene Tunnelanguss, auch Haken- oder Säbelanguss genannt '''(Bild 2)''', bietet die Möglichkeit ein Spritzgießteil auf der Rückseite oder an verdeckter Stelle anzubinden.

Das Entformungsprinzip entspricht dem des Tunnelangusses. Die Verwendung ist auf elastische Formmassen beschrängt. Die große Durchbiegung bei der Entformung erfolgt während der Ausstoßbewegung.

Durch den geringen Fließquerschnitt im Anschnittbereich entstehen große Druckverluste. Dadurch ist dieses Angusssystem nur für einfache Artikel verwendbar.

=== Angießmöglichkeiten für Mehrfachwerkzeuge ===

[[Bild:Verteilersterne.jpg|left|300x300px]][[Bild:Reihenanguss.jpg|right|300x300px]]

In einem Mehrfachwerkzeug werden in einem Spritzvorgang mehrere Spritzgießteile gleichzeitig hergestellt. Liegen die Formhöhlungen, auch Formnester genannt, in der Trennfläche, so werden diese über Verteilerkanäle mit Schmelze versorgt '''(Bild 1)'''.

Liegen die Formhöhlungen zentrisch um den Mittelpunkt des Angusskegels, so nennt man das System der Verteilerkanäle '''Verteilersterne'''. Bei den Verteilersternen in '''Bild 1a''' sind die Fließwege der Formmassen gleich lang. Der Vorteil des Verteilersterns mit Ringkanal in '''Bild 1b''' liegt darin, dass die Gesamtlänge der Verteilerkanäle kürzer ist. Beim '''Reihenanguss''' '''(Bild 2)''' sind die Fließwege unterschiedlich lang, was zu einer geringeren Qualität des Spritzgießteils führen kann. Bild 2 zeigt ein Beispiel für eine ungleichmäßige Füllung der Formhohlräume. Diesen Nachteil kann man durch unterschiedliche Anschnittquerschnitte ausgleichen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der größeren Anzahl der gleichzeitig herstellbaren Spritzgießteile.

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.

=== Verteilerkanal- und Anschnittform ===

[[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.

Beim runden Anschnitt ist die Einarbeitung ebenfalls in beide Formhälften notwendig. Wird der rechteckige Querschnitt gewählt, so muss darauf geachtet werden, dass die Breite des Anschnittes ungefähr 2mm kleiner als der Verteilerkanal ist (Bild 3).

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''' ==

=== Dreiplattenwerkzeug ===

[[Bild:Dreiplattenwerkz.jpg|left|300x300px]]

Höhere Spritzgiezteile werden deshalb vom Boden her zentral angespritzt. 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.

=== Isolierkanalwerkzeug ===

[[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.

=== Etagenwerkzeug ===

[[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.

=== Heißkanalsysteme ===

[[Bild:Heißkanalwerkzeug.jpg|left|300x300px]]

Im Heißkanalsystem '''(Bild 1)''' wird die in den Verteilerkanälen enthaltene Masse durch Heizpatronen oder/ und Rohrheizkörper '''(Bild 2)''' ständig auf Schmelztemperatur gehalten. Um einen Wärmeübergang vom Heißkanalbereich auf das wesentlich kühlere Werkzeug zu meiden, müssen die Kontaktflächen minimiert, ein isolierend wirkender Luftspalt sowie Reflektorbleche vorgesehen werden. Thermofühler in verbindung mit einem Regelkreis sorgen für eine möglichst gleichmäßige Temperatur im Angießsystem.

Es werden außen- und innenbeheizte Heißkanalsysteme unterschieden.

'''Außenbeheizte''' Heißkanalsysteme transportieren Wärmeenergie von außen in den Verteilerkanal (Bild 2a).

'''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
* Anspritzpunkte in großer Entfernung von der Plastifiziereinheit realisierbar
* keine Nacharbeit zum Entfernen des Angusses
* Etagenwerkzeuge nur mit Heißkanalsystemen möglich

Die '''Nachteile''' von Heizkanalwerkzeugen sind:
* hohe Energiekosten
* größere Werkzeugeinbauhöhe
* höhere Werkzeugkosten
* Farb- und Materialwechsel schwierig

'''Anwendung''':
* Großserienwerkzeuge, große Losgrößen
* große Formteile mit mehreren Anspritzpunkten

== '''Sonstiges''' ==

Zur Vollständigkeit einer Spritzgießanlage müssen noch folgende Punkte genannt werden:
* die Werkzeugtemperierung, sie regelt die Wärme zu- und abführ (Kühlssystem)
* Serielle Anordnung des Kühlkreislaufes
* Parallele Anordnung des Kühlkreislaufes
* Entformungssysteme (Auswerfeinrichtungen), sie stoßen das Werkstück aus
* Auswerfsysteme bei Hinterschneidungen (äußere und innere Hinterschneidungen)
* Bewegliche Kernsegmente
* Elastische Zwangsentformung
* Zusammenfaltbarer Kern
* Entformung durch Rotation des Formteils
* Werkzeugentlüftung, um die Formen schnell genug zu füllen.

== '''Quellen''' ==

# Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Verlag, 53. Auflage
# Der Werkzeugbau, Europa Lehrmittel Verlag, 13. Auflage

[[Kategorie:Fertigungstechnik]]

Spritzgießen

2009-04-22T19:53:41Z

Sandra Kellinghusen: /* '''Gestalten von Spritzgießteilen''' */

== '''Spritzgießen''' ==

=== Einleitung ===

Beim Spritzgießen werden überwiegend Thermoplaste1 im plastifizierten, fließfähigen Zustand in geteilte und 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|]]

=== 1Thermoplaste: ===
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.

=== Vorgänge beim Spritzgießen ===

[[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.

=== Werkstoffverhalten ===

Die Plastifizierte Formmasse sollte so schnell wie möglich in den Formhohlraum eingesprizt werden, damit Druck und Temperatur im Hohlraum überall gleich sind. Tritt dieser idealfall ein, ist eine gleichmäßige Struktur des Werkstoffes und ein gleichmäßiges Schwindungsverhalten im ganzen Spritzgießteil gewährleistet, sodass keine Spannungen und kein Verzug auftreten.

Dieser ideale Vorgang lässt sich leider nicht realisieren. Fließwiederstände im Werkzeug und in der Düse bewirken einen Druckabfall während des Einspritzens. Ungleichmäßiges Abkühlen der Formmasse im Werkzeughohlraum, der auch Kavität genannt wird, ergibt eine ungleichmäßige Werkstoffstruktur.

=== Molekühlorientierung ===

[[Bild:Amorpher Thermoplast.jpg|left|300x300px]]
[[Bild:Molekühlorientierung_0001.jpg|left|300x300px]]
[[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.

=== Kristallisationsgrad ===

[[Bild:Kristallisationsgrad.jpg|left|300x300px]]

{{Mark
|Bei teilkristallinen Werkstoffen kann sich auf Grund der schnellen Abkühlung im Bereich der Formwand keine Kristallisation bilden. Der Randbreich des Spritzgießteils hat darum einen amorphen Aufbau, währen der Kern einen mehr 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)'''.

=== Fließverhalten ===

[[Bild:Fließfront.jpg|left|300x300px]]
[[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)'''.}}

=== Einflussgrößen auf den Spritzvorgang ===

[[Bild:Einflussgrößen auf den Spritzvorgang.jpg|right|300x300px]]
[[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, 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).

=== Druckverlauf ===

[[Bild:Druckverlauf.jpg|left|300x300px]][[Bild:Auswirkungen des Nachdruckes.jpg|right|300x300px]][[Bild:SGT mit Lunker.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Werkzeuginnendruck.jpg|left|300x300px]]

Durch den '''Einspritzdruck''', welcher in der Formmasse im Schneckenvorraum herrscht, wird im Formhohlraum aufgrund von Strömungswiederständen in der Düse und im Werkzeug ein zeitlich verzögerter und in der Höhe etwas geringerer '''Werkzeuginnendruck''' aufgebaut '''(Bild 1)'''. Dadurch füllt sich die Werkzeughöhlung mit Formmasse (Bild 1, '''Kurvenpunkt A''') und erzeugt die Ausformung der Konturen durch das Komprimieren (verdichten, zusammenpressen) der Formmasse. Der Maximale Werkzeuginnendruck (Bild 1, '''Kurvenpunkt B''') hängt von der Form, vom Werkstoff, von der Qualität des Spritzgießteils und vom Verhältnis zwischen Fließweg und Wanddicke ab. Dieses Verhältnis wird durch den maximalen Fließweg, den die Formmasse zurücklegen muss und der Wanddicke des Spritzgießteils gebildet '''(Bild 2)'''. Ist der gewünschte Werkzeuginnendruck erreicht, so wird der Einspritzdruck vermindert und als '''Nachdruck''' bezeichnet (Umschaltpunkt). Dieser füllt in der anschließenden Phase nur noch das Restvolumen auf und gleicht die Volumenminderung aus, die durch das Abkühlen der Schmelze eintritt. Der Innendruck fällt dabei leicht ab. Auswirkungen des Nachdruckes auf den Spritzvorgang zeigt die '''Tabelle 1'''.

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.

=== Formfüllungsgrad ===

[[Bild:Formfüllstudie.jpg|left|300x300px]]

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.

=== Abkühlung ===

[[Bild:Abkühlzeit für PS.jpg|left|300x300px]]

Wie schnell die Formstabilität der Formmasse beim Abkühlen eintritt, hängt von der '''Werkzeugtemperatur''' ab. Diese wiederum wird von der Art der Formmasse und von den Anforderungen an das Spritzgießteil sowie von der Wanddicke bestimmt '''(Bild 1)'''.
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 Vorgang vom Einspritzen der Schmelze in den Formhohlraum bis zum nächsten Einspritzvorgang bezeichnet man auch als '''Takt, Schuss''' oder '''Zyklus'''.

== '''Spritzgießmaschine''' ==

[[Bild:Spritzgießmaschiene.jpg|center|800x800px|]]

=== Die Aufgaben der Spritzgießmaschine ===

[[Bild:Aufgaben der Spritzgießmaschine.jpg|left|300x300px|]]

*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 der Form.

Die ersten beiden Aufgaben übernimmt die Spritzeinheit der Spritzmaschine, während die dritte Aufgabe die Schließeinheit durchführt.

=== Spritzeinheit ===

[[Bild:Spritzgießmaschiene_1.jpg|right|600x600px]]

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)'''.

[[Bild:Schneckenkolbenext.jpg| left|300x300px]]

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.

=== Einstellgrößen ===

[[Bild:Einstellgr Plastif.jpg|left|300x300px]]

Die Drehzahl der Schnecke richtet sich neben dem Schneckendurchmesser nach der Größe der Umfangsgeschwindigkeit, die von den Formmasseherstellern vorgegeben wird '''(Tabelle 1)'''.

[[Bild:Wirkung_des_Staud.jpg|left|300x300px]]

Der Wiederstand 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''' ==

Die Düse hat die Aufgabe, eine dichte Verbindung, möglichst ohne Druck- und Temperaturverlust, zwischen dem Spritzzylinder und dem Werkzeug herzustellen. Durch die Berührung mit dem kälteren Werkzeug kann der Düse und der verbleibenden Schmelze wärme entzogen werden. Abhilfe kann geschaffen werden, durch eine Düsenheizung sowie durch das Abheben der Düse vom Werkzeug nach der Nachdruckzeit.

=== Offene Düsen und Verschlussdüsen ===

[[Bild:offene Düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Nadelv.düse.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Schiebev.düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Quernadelv.düse.jpg|right|300x300px]]

Wenn es die Zähigkeit der Schmelze zulässt, wählt man meist eine '''offene Düse (Bild 1)'''. Die Druck- und Temperaturverluste sind wegen des glatten Kanals sehr gering. Außerdem ist die offene Düse leicht zu reinigen und zu spülen. Die Gefahr, dass Schmelze aus der Düse austreten kann, nimmt mit kleiner werdender Düsenbohrung (ca. 3- 8mm) ständig ab. Ist die Schmelze zu dünnflüssig, so müssen '''Verschlussdüsen''', z.B. Schieberverschlussdüsen '''(Bild 2)''', oder Nadelverschlussdüsen '''(Bild3)''', vorgesehen werden. Sie sind so konstruiert, das die Düsenöffnung nach jedem Einspritzvorgang verschlossen und dadurch das Ausströmen der Masse verhindert wird.
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 (RD) bei Konvexdüsen etwas kleiner ist, als der Radius der Angießbuchse (RA), 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.

== '''Schließeinheit''' ==

Die Schließeinheit nimmt an der beweglichen und an der festen Werkzeugplatte die jeweiligen Formhälften auf. Das Öffnen, Schließen und Zuhalten des Werkzeuges wird durch ein Kniehebelssystem oder durch einen vollhydraulischen Antrieb ausgeführt '''(Bild1, Spritzgießmaschine beim Thema Spritzeinheit)'''.

=== Schließkraft – Zuhaltekraft ===

[[Bild:Schließkraft.jpg|left|300x300px]][[Bild:Durchbiegung.jpg|right|300x300px]][[Bild:Stützrollen.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Schwimmhäute.jpg|left|280x280px]]

Die '''Schließkraft''' Fs ist die Kraft, die die Säulen nach dem Schließvorgang beansprucht und dehnt sowie die beiden Formhälften zusammendrückt '''(Bild 1)'''. Beim Einspritzen der Formmasse entsteht durch den Werkzeuginnendruck pw eine Auftriebskraft FA (FA= pw * A), die eine weitere Zugbeanspruchung und Dehnung der Säulen verursacht. Die Summe der Kräfte, die die Säulen beim Einspritzvorgang insgesamt belasten, wird als '''Zuhaltekraft''' Fz bezeichnet. Sie ist stets größer als die Schließkraft, und sie ist von der Steifigkeit der Maschine und des Werkzeuges abhängig.

Ist die '''Auftriebskraft''' größer als die Zuhaltekraft, so wird die Anlage zwischen den beiden Werkzeughälften aufgehoben und es tritt Schmelze zwischen den beiden Formhälften aus, die zur '''Grat'''- oder '''Schwimmhautbildung''' führt '''(Bild 2)'''. Diesen Vorgang nennt man auch '''Überspritzung''' oder '''Überladung'''.
Die '''Zuhaltekraft''' sollte trotzdem so klein wie möglich eingestellt werden, um auch einer Durchbiegung bei den Formnesttragenden Werkzeugplatten vorzubeugen. Diese '''Durchbiegung''' entsteht dadurch, dass beim Einspritzen der Werkzeuginnendruck versucht, die beiden Formhälften überwiegend im Bereich der Formhohlräume auseinander zu drücken, während die Zuhaltekräfte nur im Bereich der direkten Kraftübertragung wirken (Bild 1). Die Durchbiegung ist besonders groß bei geringer Steifigkeit der Platten und um die Bereiche gegenüber der düsenseitigen Zentrierbohrung und vor allem gegenüber dem Auswerfersystem '''(Bild 3)'''.
Die Durchbiegung führt zur Gratbildung und u.U. dazu, dass nicht der größtmögliche Einspritzdruck gewählt werden kann. Abhilfe kann dadurch geschaffen werden, dass zusätzliche Stützrollen vorgesehen werden, die mit einem Übermaß von 0,03mm … 0,05mm gegenüber den äußeren Abstützungen eingebaut werden '''(Bild 4)'''.
Auch wegen der beim Einspritzen erforderlichen Entlüftung der Werkzeughöhlung über die Berührungsflächen der beiden Formhälften sollte die Schließkraft so niedrig wie möglich sein.

== '''Gestalten von Spritzgießteilen''' ==

=== Maßtoleranzen bei Spritzgießteilen ===

[[Bild:Maßarten.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle1 Ermittlung.jpg|right|300x300px]]

Die erzielbaren Toleranzen sind größtenteils abhängig von der Schwindung, den Formmassen und der Art der Maße, wobei natürlich auch die Qualität der Spritzgießmaschine und des Werkzeuges eine Rolle spielen.

So lassen sich mit amorphen Formmassen kleinere Toleranzen leichter einhalten als mit teilkristallinen. '''Werkzeuggebundene''' Maße lassen sich genauer herstellen als '''nicht werkzeuggebundene''' Maße '''(Bild 1)'''.

DIN 16 901 bildet bei der Festlegung der Toleranzen zuerst Toleranzgruppen in Abhängigkeit der Formmassen und Schwindungskennwerte (siehe Tabellenbuch). Bezogen auf diese Toleranzgruppen und die festgelegte Maßart werden dann den verschiedenen Nennmaßbereichen die zulässigen Abweichungen zugeordnet.

Die Ermittlung der Allgemeintoleranz für das werkzeuggebundene Maß a im Bild 1, das 35mm betragen soll, zeigt die Tabelle 1.

=== Richtlinien zur Gestaltung von Spritzgießteilen (VDI 2006) ===

[[Bild:Mindetwanddicke.jpg|left|300x300px]][[Bild:Gestaltungsbeispiele.jpg|right|300x300px]]

Die Wanddicken müssen groß genug sein, damit die Formmasse das Werkzeug sicher füllen kann, ehe sie zu stark abkühlt oder ausgehärtet ist. Deshalb ist die '''Mindestwanddicke''' in Abhängigkeit vom '''Fließweg''' im Werkzeug und der Fließfähigkeit der Formmasse zu wählen '''(Bild 2)''' und Bild 2: Werkzeuginnendruck für einfache Teile beim Thema Druckverlauf).

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)'''.

[[Bild:Neigung.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle rautiefe.jpg|right|300x300px]][[Bild:Verzug.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Winkelverzug.jpg|left|300x300px]]

Um das Spritzgießteil leicht und schnell aus der Form entfernen zu können, müssen alle Flächen des Werkstückes, die in Öffnungsrichtung der Form liegen, eine leichte '''Neigung''' erhalten '''(Bild 1)'''. Zusätzlich muss sichergestellt sein, dass das Spritzgießteil beim Öffnen der Form von der schließseitigen Formhälfte mitgenommen und von der Auswerfervorrichtung entfernt wird. Weiterhin hängen die Entformungsschrägen speziell bei strukturierten Oberflächen von der Oberflächenrauigkeit der abzubildenden Kavitäten ab. Die Struktur kann aufgrund ihrer Tiefe wie eine Verzahnung zwischen Formteil und Werkzeugoberfläche wirken und somit die Entformung erschweren. Die Lage der Strukturrichtung parallel oder senkrecht zur Entformungsrichtung und die Materialpaarung Stahl- Kunststoffmasse ist von entscheidender Bedeutung '''(Tabelle 1)'''.

Als einfache Näherungs sollte für eine Strukturtiefe von 0,02mm pro 1° Entformungsschrägen bei senkrechter Lage zur Entformungsrichtung nicht überschritten werden. Scharfe Ecken und Kanten können beim Einspritzvorgang des Kunststoffmaterials so stark scheren, dass es zu einer thermischen Schädigung des Kunststoffes kommen kann.

Eine Abrundung bei Umlenkungen wirkt nicht nur der Scherung entgegen, sondern auch dem '''Winkelverzug''' und der Kerbwirkung im Eckbereich. Der mögliche Verzug des Formteils wird in '''(Bild 2)''' dargestellt. Da die dünnen Formteilbereiche schneller abkühlen, werden sie durch die Schrumpfkraft der dickeren verformt.

In '''Bild 3''' kann das Volumenelement '''a''' seine Erstarrungswärme nur stark verzögert an das Werkzeug abgeben. Volumenelement '''b''' kühlt dagegen rascher ab, da es an zwei Seiten an das Werkzeug grenzt. Es entsteht ein '''Winkelverzug'''. Diesem kann durch Abrunden und durch verringerung der Wandstärke im Eckbereich entgegengewirkt werden.

== '''Schwindung''' ==

[[Bild:Tabelle1 Anhaltsw.jpg|left|600x600px]]

Bei der Festlegung des Formhohlraumes müssen die Schwindung und evtl. die Nachschwindung berücksichtigt werden.

Unter Schwindung versteht man die Maßänderung von Werkstücken durch das Zusammenziehen des Werkstoffes beim Abkühlen als Maßunterschied zwischen Werkzeugkavität und Formteil. Bei der Erfassung dieser Schwindung '''(Tabelle 1)''' kommt erschwerend hinzu, dass die Schwindungsdifferenz sowie die Nachschwindung berücksichtigt werden müssen.

Eine '''Schwindungsdifferenz''' tritt dann auf, wenn die Schwindungen in Fließrichtung und quer dazu unterschiedlich groß sind. Der Unterschied zwischen Längs- und Querschwindung ist die Schwindungsdifferenz. Bei einer größeren Schwindungsdifferenz kann dies zu Verwindungen oder zum Verzug des spritzgegossenen Formteils führen.

Die Formteilgeometrie und die Angusslage können Molekülorientierungen hervorrufen, wodurch die Schwindungsdifferenz beeinflusst werden kann. Durch die Verwendung von Füllstoffen kann die Schwindung vermindert werden. Bei faserigen Verstärkungsstoffen kann durch die Faserorientierung im Bauteil eine sehr große Schwindungsdifferenz entstehen. Die Temperaturdifferenz während der Verarbeitung und der Gebrauchstemperatur des Formteils ergibt eine vernachlässigbare Längenänderung der Glasfasern. Sind nun Glasfasern in einem Formteil durch den Materialfluss während des Füllvorganges stark orientiert, schwindet das Formteil quer zur Faser wesentlich stärker als längs dazu. Werden zum Beispiel Glaskugeln zugemischt, wird insgesamt eine geringere Schwindung beobachtet.

Die '''Nachschwindung''' ist der Unterschied zwischen dem Maß eines auf Raumtemperatur abgekühlten Spritzgießteils und dem Maß desselben Spritzgießteils nach der Einwirkung einer bestimmten Temperatur. Sie verursacht eine Nachkristallisation und kann während des Gebrauches oder auch gezielt durch Tempern eingebracht werden. Durch die Naschwindungen werden die Fertigteilabmessungen nochmals kleiner.

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.

== '''Aufbau von Spritzgießwerkzeugen''' ==

[[Bild:Spritzgießwerkzeug.jpg|900x600px]]

=== Einleitung der Spritzgießwerkzeuge ===

[[Bild:Tabell1 Einleitung.jpg|left|400x300px]]

Die Vielzahl der Unterschiedlichen Spritzgießanwendungen erfordert verschiedene Werkzeugarten. Sie werden nach Anzahl der Formhohlräume, nach Art des Angusssystems, nach Anzahl der Trennebenen und nach Art der Entformung unterschieden. Die unterschiedlichen Verarbeitungsmöglichkeiten im Spritzgießbereich führen zu einer Vielzahl von Sonderverfahren, welche nicht alle in der Übersicht '''(Tabelle 1)''' aufgeführt werden können.

== '''Angusssysteme''' ==

[[Bild:Angusssystem.jpg|left|300x300px]]

Der Anguss ist ein System von Strömungswegen, in denen die fließfähige Formmasse von der Düse der Spritzeinheit zur Formhöhlung (Kavität) fließt.

Dieses System kann aus dem Angusskegel, den Verteilerkanälen, der sog. Angussspinne und dem Anschnitt bestehen '''(Bild 1)'''. Bei Einfachwerkzeugen können sich die Strömungswege auf eine kegelige Bohrung beschränken, die direkt in die Formhöhlung mündet. Die Stelle, an der der Anguss in die Formhöhlung eintritt, nennt man den '''Anschnitt'''.
Den Zeitpunkt nach dem der Anschnitt „eingefroren“ (d.h. erstarrt) ist und somit der Nachdruck nicht mehr wirken kann, nennt man '''Siegelpunkt'''. Ein längeres Nachdrücken über diesen Zeitpunkt hinaus ist unnötig.

Der Zeitpunkt des Erstarrens kann durch eine Innendruckmessung oder durch das Bestimmen der Formteilmasse ermittelt werden. Das maximale Formteilgewicht ist erreicht, wenn der Anschnitt eingefroren ist.

Der Anguss ist so zu gestalten, dass die flüssige Masse möglichst auf kürzestem Wege, mit geringstem Wärme- und Druckverlust die Kavitäten gleichzeitig füllt. Die Querschnitte der Strömungswege müssen so bemessen sein, dass eine gleichmäßige Füllung des Angusssystems sowie der Formhöhlung erreicht wird.

=== Angussformen ===

Die Angussform ist so zu wählen, dass für den speziellen Fall die bereits erwähnten Forderungen erfüllt werden können. Außerdem müssen noch folgende Einflussgrößen berücksichtigt werden.

* Formteilgeometrie und Formteilvolumen
* Viskosität der Formmasse
* Art des Spritzgießwerkzeuges
* Fließweglänge

=== Stangen- oder Kegelanguss ===

[[Bild:Stangen& P.Anguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Stangenanguss.jpg|right|300x300px]]

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.

=== Punktanguss ===

[[Bild:Punktanguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Vergr. Vorkammer.jpg|right|300x300px]]

Beim Entformen reißt der Punktanguss am kleinsten Querschnitt ab und bleibt als Angusszäpfchen am Spritzgießteil '''(Bild 2b zum Thema Stangen und Punktanguss''' und '''Bild 4 Punktanguss mit Vorkammer)'''. Es entsteht dadurch keine Nacharbeit und keine optisch störende Bearbeitungsfläche wie beim Stangenanguss. Außerdem muss der Anguss, also die Formmasse, in der Vorkammer nicht entformt werden.

Der Punktanguss wird besonders für kleinteile und Massenartikel in Einfach- und Mehrfachwerkzeugen vorgesehen, sowie für Mehrfachangüsse bei einem größeren Formteil. Dann muss zum Entformen des Angussverteilers mit einem Dreiplattenwerkzeug gearbeitet werden.

Je kleiner die Bohrung des Punktangusses ist, desto leichter geht das Abreißen vor sich. Dabei ist jedoch neben der Wanddicke die Zähflüssigkeit (Viskosität) der Schmelze, sowie die Temperatur zu beachten.

[[Bild:Vork. mit v. Düsens..jpg|left|300x300px]][[Bild:Vork. m. beh. K-B.sp.jpg|right|300x300px]]

Kann die Formhöhlung durch den kleinen Punktanguss nicht mehr schnell genug gefüllt werden, so kühlt die Schmelze in der '''Vorkammer''' vorzeitig ab, so dass sie unter Umständen von Hand entfernt werden muss.

Deshalb wird die Vorkammer etwas vergrößert, so das die an der Innenwandung haftende abgekühlte Masse als Isolator wirkt '''(Bild 1)'''.

Der Kern der Schmelze, die sog. Plastische Seele, bleibt im Angussbereich flüssig. Die Verweildauer der Schmelze in der Vorkammer sollte aber nicht zu lang sein. Kurze Zyklen, d. h. mehrmaliges Einspritzen pro Minute, sind für das Funktionieren des Systems notwendig.

Ist die Spritzhäufigkeit nicht möglich, so wird eine Kupfer- Beryllium- Spitze in die Vorkammer eingeführt. Der Raum zwischen Kupferspitze und Innenwandung der Vorkammer füllt sich mit erkalteter Masse, die dann als Isolierung wirkt. Die Kupferspitze nimmt über die Düse genügend wärme auf, um die Masse im inneren flüssig zu halten '''(Bild 2)'''.

Eine weitere Möglichkeit, die Abkühlung der Formmasse zu verhindern, besteht darin, die Vorkammer durch spezielle Heizpatronen zu erwärmen '''(Bild 3)'''.

=== Teller- und Scheibenanguss ===

[[Bild:Telleranguss.jpg|left|300x300px]]

Teller- und Scheibenangüsse werden für ringförmige Spritzgießteile vorgesehen '''(Bild 1a)'''. Würde man hier mit einem Punktanguss oder mit zwei Anbindungen arbeiten, so entstünde eine '''Binde-''' und '''Fließnaht (Bild 1b)'''. Sie entsteht, wenn zwei Masseströme sich aufgrund vorzeitiger Abkühlung nicht mehr miteinander verbinden. Je kälter die zusammentreffenden Masseströme sind, desto sichtbarer sind die Bindenähte und umso geringer ist die Festigkeit. Bindenähte entstehen auch, wenn sich Masseströme an einem Kern teilen und sich wieder miteinander verbinden müssen.

Diese Qualitätsminderung kann z.B. durch die Erhöhung der Werkzeugtemperatur teilweise reduziert werden. Mit einer Zykluszeiterhöhung ist zu rechnen.

=== Schirmanguss ===

[[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)'''.

=== Ringanguss ===

[[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.

=== Film- oder Bandanguss ===

Flache teile schneidet man zweckmäßigerweise über ein seitliches oder zentrales Band, dem Filmanguss, an. Dadurch lassen sich, wie bei einem Einzelpunktanguss, ungünstige Fließverhältnisse, oder wie bei Mehrfachpunktangüssen, störende Bindenähte vermeiden '''(Bild 2c)'''.

Ebenso lässt sich die Verzugsneigung durch gleichmäßige Druckverhältnisse positiv beeinflussen.
Eine weitere Anwendung ist deshalb die Herstellung optischer Formteile, wie durchsichtige Abdeckungen und optische Linsen.

Filmanschnitte erfordern eine Nacharbeit durch abtrennen des Angusses.

=== Tunnelanguss ===

[[Bild:Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Beim Tunnelanguss wird das Spritzgießteil seitlich oder an den verdeckten Flächen oder an anderen problemlosen Stellen angespritzt und automatisch beim öffnen der Formhälften, oder beim Ausstoßen vom Angusssystem, getrennt (Bild 1).

Der Verteilerkanal führt entlang der Trennfläche nicht direkt in die Formhöhlung, sondern er geht kurz zuvor schräg als konischer Tunnel durch die düsenseitige Werkzeughälfte in den Formhohlraum.
Wird die schließseitige Formhälfte zurückgezogen, so müssen das Spritzgießteil und das Angießsystem mitgenommen werden. Dabei wird der Tunnelanguss am Anschnitt durch eine Schneidkante abgeschert '''(Bild 1)'''.

Das Mitnehmen des Formteils muss durch Aufschrumpfen auf den Kern geschehen, und die des Angusses durch einen eingearbeiteten Hinterschnitt.

Anschließend wird das Spritzgießteil und das Angießsystem durch die Auswerfer entformt.

Wird ein Tunnelanguss vorgesehen, so muss beachtet werden, dass sich der vom Formteil getrennte Anguss beim öffnen der Werkzeughälften ausreichend biegen muss. Damit der Anguss nicht bricht, muss er eine ausreichende Konizität haben und frei biegbar sein, möglichst mit einem definierten Biegepunkt.

Die Formmasse sollte zähelastisch oder beim Entformen noch nicht vollständig erstarrt sein. Nur dann arbeitet das System störungsfrei. Da beim Tunnelanguss die Druckverluste hoch sind, wird er überwiegend zu Herstellung einfacher und kleiner Spritzgießteile in Mehrfachwerkzeugen verwendet.

=== Gebogener Tunnelanguss ===

[[Bild:geb. Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Der gebogene Tunnelanguss, auch Haken- oder Säbelanguss genannt '''(Bild 2)''', bietet die Möglichkeit ein Spritzgießteil auf der Rückseite oder an verdeckter Stelle anzubinden.

Das Entformungsprinzip entspricht dem des Tunnelangusses. Die Verwendung ist auf elastische Formmassen beschrängt. Die große Durchbiegung bei der Entformung erfolgt während der Ausstoßbewegung.

Durch den geringen Fließquerschnitt im Anschnittbereich entstehen große Druckverluste. Dadurch ist dieses Angusssystem nur für einfache Artikel verwendbar.

=== Angießmöglichkeiten für Mehrfachwerkzeuge ===

[[Bild:Verteilersterne.jpg|left|300x300px]][[Bild:Reihenanguss.jpg|right|300x300px]]

In einem Mehrfachwerkzeug werden in einem Spritzvorgang mehrere Spritzgießteile gleichzeitig hergestellt. Liegen die Formhöhlungen, auch Formnester genannt, in der Trennfläche, so werden diese über Verteilerkanäle mit Schmelze versorgt '''(Bild 1)'''.

Liegen die Formhöhlungen zentrisch um den Mittelpunkt des Angusskegels, so nennt man das System der Verteilerkanäle '''Verteilersterne'''. Bei den Verteilersternen in '''Bild 1a''' sind die Fließwege der Formmassen gleich lang. Der Vorteil des Verteilersterns mit Ringkanal in '''Bild 1b''' liegt darin, dass die Gesamtlänge der Verteilerkanäle kürzer ist. Beim '''Reihenanguss''' '''(Bild 2)''' sind die Fließwege unterschiedlich lang, was zu einer geringeren Qualität des Spritzgießteils führen kann. Bild 2 zeigt ein Beispiel für eine ungleichmäßige Füllung der Formhohlräume. Diesen Nachteil kann man durch unterschiedliche Anschnittquerschnitte ausgleichen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der größeren Anzahl der gleichzeitig herstellbaren Spritzgießteile.

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.

=== Verteilerkanal- und Anschnittform ===

[[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.

Beim runden Anschnitt ist die Einarbeitung ebenfalls in beide Formhälften notwendig. Wird der rechteckige Querschnitt gewählt, so muss darauf geachtet werden, dass die Breite des Anschnittes ungefähr 2mm kleiner als der Verteilerkanal ist (Bild 3).

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''' ==

=== Dreiplattenwerkzeug ===

[[Bild:Dreiplattenwerkz.jpg|left|300x300px]]

Höhere Spritzgiezteile werden deshalb vom Boden her zentral angespritzt. 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.

=== Isolierkanalwerkzeug ===

[[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.

=== Etagenwerkzeug ===

[[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.

=== Heißkanalsysteme ===

[[Bild:Heißkanalwerkzeug.jpg|left|300x300px]]

Im Heißkanalsystem '''(Bild 1)''' wird die in den Verteilerkanälen enthaltene Masse durch Heizpatronen oder/ und Rohrheizkörper '''(Bild 2)''' ständig auf Schmelztemperatur gehalten. Um einen Wärmeübergang vom Heißkanalbereich auf das wesentlich kühlere Werkzeug zu meiden, müssen die Kontaktflächen minimiert, ein isolierend wirkender Luftspalt sowie Reflektorbleche vorgesehen werden. Thermofühler in verbindung mit einem Regelkreis sorgen für eine möglichst gleichmäßige Temperatur im Angießsystem.

Es werden außen- und innenbeheizte Heißkanalsysteme unterschieden.

'''Außenbeheizte''' Heißkanalsysteme transportieren Wärmeenergie von außen in den Verteilerkanal (Bild 2a).

'''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
* Anspritzpunkte in großer Entfernung von der Plastifiziereinheit realisierbar
* keine Nacharbeit zum Entfernen des Angusses
* Etagenwerkzeuge nur mit Heißkanalsystemen möglich

Die '''Nachteile''' von Heizkanalwerkzeugen sind:
* hohe Energiekosten
* größere Werkzeugeinbauhöhe
* höhere Werkzeugkosten
* Farb- und Materialwechsel schwierig

'''Anwendung''':
* Großserienwerkzeuge, große Losgrößen
* große Formteile mit mehreren Anspritzpunkten

== '''Sonstiges''' ==

Zur Vollständigkeit einer Spritzgießanlage müssen noch folgende Punkte genannt werden:
* die Werkzeugtemperierung, sie regelt die Wärme zu- und abführ (Kühlssystem)
* Serielle Anordnung des Kühlkreislaufes
* Parallele Anordnung des Kühlkreislaufes
* Entformungssysteme (Auswerfeinrichtungen), sie stoßen das Werkstück aus
* Auswerfsysteme bei Hinterschneidungen (äußere und innere Hinterschneidungen)
* Bewegliche Kernsegmente
* Elastische Zwangsentformung
* Zusammenfaltbarer Kern
* Entformung durch Rotation des Formteils
* Werkzeugentlüftung, um die Formen schnell genug zu füllen.

== '''Quellen''' ==

# Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Verlag, 53. Auflage
# Der Werkzeugbau, Europa Lehrmittel Verlag, 13. Auflage

[[Kategorie:Fertigungstechnik]]

Spritzgießen

2009-04-22T19:50:50Z

Sandra Kellinghusen: /* '''Schließeinheit''' */

== '''Spritzgießen''' ==

=== Einleitung ===

Beim Spritzgießen werden überwiegend Thermoplaste1 im plastifizierten, fließfähigen Zustand in geteilte und 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|]]

=== 1Thermoplaste: ===
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.

=== Vorgänge beim Spritzgießen ===

[[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.

=== Werkstoffverhalten ===

Die Plastifizierte Formmasse sollte so schnell wie möglich in den Formhohlraum eingesprizt werden, damit Druck und Temperatur im Hohlraum überall gleich sind. Tritt dieser idealfall ein, ist eine gleichmäßige Struktur des Werkstoffes und ein gleichmäßiges Schwindungsverhalten im ganzen Spritzgießteil gewährleistet, sodass keine Spannungen und kein Verzug auftreten.

Dieser ideale Vorgang lässt sich leider nicht realisieren. Fließwiederstände im Werkzeug und in der Düse bewirken einen Druckabfall während des Einspritzens. Ungleichmäßiges Abkühlen der Formmasse im Werkzeughohlraum, der auch Kavität genannt wird, ergibt eine ungleichmäßige Werkstoffstruktur.

=== Molekühlorientierung ===

[[Bild:Amorpher Thermoplast.jpg|left|300x300px]]
[[Bild:Molekühlorientierung_0001.jpg|left|300x300px]]
[[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.

=== Kristallisationsgrad ===

[[Bild:Kristallisationsgrad.jpg|left|300x300px]]

{{Mark
|Bei teilkristallinen Werkstoffen kann sich auf Grund der schnellen Abkühlung im Bereich der Formwand keine Kristallisation bilden. Der Randbreich des Spritzgießteils hat darum einen amorphen Aufbau, währen der Kern einen mehr 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)'''.

=== Fließverhalten ===

[[Bild:Fließfront.jpg|left|300x300px]]
[[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)'''.}}

=== Einflussgrößen auf den Spritzvorgang ===

[[Bild:Einflussgrößen auf den Spritzvorgang.jpg|right|300x300px]]
[[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, 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).

=== Druckverlauf ===

[[Bild:Druckverlauf.jpg|left|300x300px]][[Bild:Auswirkungen des Nachdruckes.jpg|right|300x300px]][[Bild:SGT mit Lunker.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Werkzeuginnendruck.jpg|left|300x300px]]

Durch den '''Einspritzdruck''', welcher in der Formmasse im Schneckenvorraum herrscht, wird im Formhohlraum aufgrund von Strömungswiederständen in der Düse und im Werkzeug ein zeitlich verzögerter und in der Höhe etwas geringerer '''Werkzeuginnendruck''' aufgebaut '''(Bild 1)'''. Dadurch füllt sich die Werkzeughöhlung mit Formmasse (Bild 1, '''Kurvenpunkt A''') und erzeugt die Ausformung der Konturen durch das Komprimieren (verdichten, zusammenpressen) der Formmasse. Der Maximale Werkzeuginnendruck (Bild 1, '''Kurvenpunkt B''') hängt von der Form, vom Werkstoff, von der Qualität des Spritzgießteils und vom Verhältnis zwischen Fließweg und Wanddicke ab. Dieses Verhältnis wird durch den maximalen Fließweg, den die Formmasse zurücklegen muss und der Wanddicke des Spritzgießteils gebildet '''(Bild 2)'''. Ist der gewünschte Werkzeuginnendruck erreicht, so wird der Einspritzdruck vermindert und als '''Nachdruck''' bezeichnet (Umschaltpunkt). Dieser füllt in der anschließenden Phase nur noch das Restvolumen auf und gleicht die Volumenminderung aus, die durch das Abkühlen der Schmelze eintritt. Der Innendruck fällt dabei leicht ab. Auswirkungen des Nachdruckes auf den Spritzvorgang zeigt die '''Tabelle 1'''.

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.

=== Formfüllungsgrad ===

[[Bild:Formfüllstudie.jpg|left|300x300px]]

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.

=== Abkühlung ===

[[Bild:Abkühlzeit für PS.jpg|left|300x300px]]

Wie schnell die Formstabilität der Formmasse beim Abkühlen eintritt, hängt von der '''Werkzeugtemperatur''' ab. Diese wiederum wird von der Art der Formmasse und von den Anforderungen an das Spritzgießteil sowie von der Wanddicke bestimmt '''(Bild 1)'''.
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 Vorgang vom Einspritzen der Schmelze in den Formhohlraum bis zum nächsten Einspritzvorgang bezeichnet man auch als '''Takt, Schuss''' oder '''Zyklus'''.

== '''Spritzgießmaschine''' ==

[[Bild:Spritzgießmaschiene.jpg|center|800x800px|]]

=== Die Aufgaben der Spritzgießmaschine ===

[[Bild:Aufgaben der Spritzgießmaschine.jpg|left|300x300px|]]

*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 der Form.

Die ersten beiden Aufgaben übernimmt die Spritzeinheit der Spritzmaschine, während die dritte Aufgabe die Schließeinheit durchführt.

=== Spritzeinheit ===

[[Bild:Spritzgießmaschiene_1.jpg|right|600x600px]]

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)'''.

[[Bild:Schneckenkolbenext.jpg| left|300x300px]]

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.

=== Einstellgrößen ===

[[Bild:Einstellgr Plastif.jpg|left|300x300px]]

Die Drehzahl der Schnecke richtet sich neben dem Schneckendurchmesser nach der Größe der Umfangsgeschwindigkeit, die von den Formmasseherstellern vorgegeben wird '''(Tabelle 1)'''.

[[Bild:Wirkung_des_Staud.jpg|left|300x300px]]

Der Wiederstand 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''' ==

Die Düse hat die Aufgabe, eine dichte Verbindung, möglichst ohne Druck- und Temperaturverlust, zwischen dem Spritzzylinder und dem Werkzeug herzustellen. Durch die Berührung mit dem kälteren Werkzeug kann der Düse und der verbleibenden Schmelze wärme entzogen werden. Abhilfe kann geschaffen werden, durch eine Düsenheizung sowie durch das Abheben der Düse vom Werkzeug nach der Nachdruckzeit.

=== Offene Düsen und Verschlussdüsen ===

[[Bild:offene Düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Nadelv.düse.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Schiebev.düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Quernadelv.düse.jpg|right|300x300px]]

Wenn es die Zähigkeit der Schmelze zulässt, wählt man meist eine '''offene Düse (Bild 1)'''. Die Druck- und Temperaturverluste sind wegen des glatten Kanals sehr gering. Außerdem ist die offene Düse leicht zu reinigen und zu spülen. Die Gefahr, dass Schmelze aus der Düse austreten kann, nimmt mit kleiner werdender Düsenbohrung (ca. 3- 8mm) ständig ab. Ist die Schmelze zu dünnflüssig, so müssen '''Verschlussdüsen''', z.B. Schieberverschlussdüsen '''(Bild 2)''', oder Nadelverschlussdüsen '''(Bild3)''', vorgesehen werden. Sie sind so konstruiert, das die Düsenöffnung nach jedem Einspritzvorgang verschlossen und dadurch das Ausströmen der Masse verhindert wird.
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 (RD) bei Konvexdüsen etwas kleiner ist, als der Radius der Angießbuchse (RA), 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.

== '''Schließeinheit''' ==

Die Schließeinheit nimmt an der beweglichen und an der festen Werkzeugplatte die jeweiligen Formhälften auf. Das Öffnen, Schließen und Zuhalten des Werkzeuges wird durch ein Kniehebelssystem oder durch einen vollhydraulischen Antrieb ausgeführt '''(Bild1, Spritzgießmaschine beim Thema Spritzeinheit)'''.

=== Schließkraft – Zuhaltekraft ===

[[Bild:Schließkraft.jpg|left|300x300px]][[Bild:Durchbiegung.jpg|right|300x300px]][[Bild:Stützrollen.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Schwimmhäute.jpg|left|280x280px]]

Die '''Schließkraft''' Fs ist die Kraft, die die Säulen nach dem Schließvorgang beansprucht und dehnt sowie die beiden Formhälften zusammendrückt '''(Bild 1)'''. Beim Einspritzen der Formmasse entsteht durch den Werkzeuginnendruck pw eine Auftriebskraft FA (FA= pw * A), die eine weitere Zugbeanspruchung und Dehnung der Säulen verursacht. Die Summe der Kräfte, die die Säulen beim Einspritzvorgang insgesamt belasten, wird als '''Zuhaltekraft''' Fz bezeichnet. Sie ist stets größer als die Schließkraft, und sie ist von der Steifigkeit der Maschine und des Werkzeuges abhängig.

Ist die '''Auftriebskraft''' größer als die Zuhaltekraft, so wird die Anlage zwischen den beiden Werkzeughälften aufgehoben und es tritt Schmelze zwischen den beiden Formhälften aus, die zur '''Grat'''- oder '''Schwimmhautbildung''' führt '''(Bild 2)'''. Diesen Vorgang nennt man auch '''Überspritzung''' oder '''Überladung'''.
Die '''Zuhaltekraft''' sollte trotzdem so klein wie möglich eingestellt werden, um auch einer Durchbiegung bei den Formnesttragenden Werkzeugplatten vorzubeugen. Diese '''Durchbiegung''' entsteht dadurch, dass beim Einspritzen der Werkzeuginnendruck versucht, die beiden Formhälften überwiegend im Bereich der Formhohlräume auseinander zu drücken, während die Zuhaltekräfte nur im Bereich der direkten Kraftübertragung wirken (Bild 1). Die Durchbiegung ist besonders groß bei geringer Steifigkeit der Platten und um die Bereiche gegenüber der düsenseitigen Zentrierbohrung und vor allem gegenüber dem Auswerfersystem '''(Bild 3)'''.
Die Durchbiegung führt zur Gratbildung und u.U. dazu, dass nicht der größtmögliche Einspritzdruck gewählt werden kann. Abhilfe kann dadurch geschaffen werden, dass zusätzliche Stützrollen vorgesehen werden, die mit einem Übermaß von 0,03mm … 0,05mm gegenüber den äußeren Abstützungen eingebaut werden '''(Bild 4)'''.
Auch wegen der beim Einspritzen erforderlichen Entlüftung der Werkzeughöhlung über die Berührungsflächen der beiden Formhälften sollte die Schließkraft so niedrig wie möglich sein.

== '''Gestalten von Spritzgießteilen''' ==

=== Maßtoleranzen bei Spritzgießteilen ===

[[Bild:Maßarten.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle1 Ermittlung.jpg|right|300x300px]]

Die erzielbaren Toleranzen sind größtenteils abhängig von der Schwindung, den Formmassen und der Art der Maße, wobei natürlich auch die Qualität der Spritzgießmaschine und des Werkzeuges eine Rolle spielen.

So lassen sich mit amorphen Formmassen kleinere Toleranzen leichter einhalten als mit teilkristallinen. '''Werkzeuggebundene''' Maße lassen sich genauer herstellen als '''nicht werkzeuggebundene''' Maße '''(Bild 1)'''.

DIN 16 901 bildet bei der Festlegung der Toleranzen zuerst Toleranzgruppen in Abhängigkeit der Formmassen und Schwindungskennwerte (siehe Tabellenbuch). Bezogen auf diese Toleranzgruppen und die festgelegte Maßart werden dann den verschiedenen Nennmaßbereichen die zulässigen Abweichungen zugeordnet.

Die Ermittlung der Allgemeintoleranz für das werkzeuggebundene Maß a im Bild 1, das 35mm betragen soll, zeigt die Tabelle 1.

=== Richtlinien zur Gestaltung von Spritzgießteilen (VDI 2006) ===

[[Bild:Mindetwanddicke.jpg|left|300x300px]][[Bild:Gestaltungsbeispiele.jpg|right|300x300px]]

Die Wanddicken müssen groß genug sein, damit die Formmasse das Werkzeug sicher füllen kann, ehe sie zu stark abkühlt oder ausgehärtet ist. Deshalb ist die '''Mindestwanddicke''' in Abhängigkeit vom '''Fließweg''' im Werkzeug und der Fließfähigkeit der Formmasse zu wählen '''(Bild 2)''' und Bild 2: Werkzeuginnendruck für einfache Teile beim Thema Druckverlauf).

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)'''.

[[Bild:Neigung.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle rautiefe.jpg|right|300x300px]][[Bild:Verzug.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Winkelverzug.jpg|left|300x300px]]

Um das Spritzgießteil leicht und schnell aus der Form entfernen zu können, müssen alle Flächen des Werkstückes, die in Öffnungsrichtung der Form liegen, eine leichte '''Neigung''' erhalten '''(Bild 1)'''. Zusätzlich muss sichergestellt sein, dass das Spritzgießteil beim Öffnen der Form von der schließseitigen Formhälfte mitgenommen und von der Auswerfervorrichtung entfernt wird. Weiterhin hängen die Entformungsschrägen speziell bei strukturierten Oberflächen von der Oberflächenrauigkeit der abzubildenden Kavitäten ab. Die Struktur kann aufgrund ihrer Tiefe wie eine Verzahnung zwischen Formteil und Werkzeugoberfläche wirken und somit die Entformung erschweren. Die Lage der Strukturrichtung parallel oder senkrecht zur Entformungsrichtung und die Materialpaarung Stahl- Kunststoffmasse ist von entscheidender Bedeutung '''(Tabelle 1)'''.

Als einfache Näherungs sollte für eine Strukturtiefe von 0,02mm pro 1° Entformungsschrägen bei senkrechter Lage zur Entformungsrichtung nicht überschritten werden. Scharfe Ecken und Kanten können beim Einspritzvorgang des Kunststoffmaterials so stark scheren, dass es zu einer thermischen Schädigung des Kunststoffes kommen kann.

Eine Abrundung bei Umlenkungen wirkt nicht nur der Scherung entgegen, sondern auch dem '''Winkelverzug''' und der Kerbwirkung im Eckbereich. Der mögliche Verzug des Formteils wird in '''(Bild 2)''' dargestellt. Da die dünnen Formteilbereiche schneller abkühlen, werden sie durch die Schrumpfkraft der dickeren verformt.

In '''Bild 3''' kann das Volumenelement '''a''' seine Erstarrungswärme nur stark verzögert an das Werkzeug abgeben. Volumenelement '''b''' kühlt dagegen rascher ab, da es an zwei Seiten an das Werkzeug grenzt. Es entsteht ein '''Winkelverzug'''. Diesem kann durch Abrunden und durch verringerung der Wandstärke im Eckbereich entgegengewirkt werden.

== '''Schwindung''' ==

[[Bild:Tabelle1 Anhaltsw.jpg|left|600x600px]]

Bei der Festlegung des Formhohlraumes müssen die Schwindung und evtl. die Nachschwindung berücksichtigt werden.

Unter Schwindung versteht man die Maßänderung von Werkstücken durch das Zusammenziehen des Werkstoffes beim Abkühlen als Maßunterschied zwischen Werkzeugkavität und Formteil. Bei der Erfassung dieser Schwindung '''(Tabelle 1)''' kommt erschwerend hinzu, dass die Schwindungsdifferenz sowie die Nachschwindung berücksichtigt werden müssen.

Eine '''Schwindungsdifferenz''' tritt dann auf, wenn die Schwindungen in Fließrichtung und quer dazu unterschiedlich groß sind. Der Unterschied zwischen Längs- und Querschwindung ist die Schwindungsdifferenz. Bei einer größeren Schwindungsdifferenz kann dies zu Verwindungen oder zum Verzug des spritzgegossenen Formteils führen.

Die Formteilgeometrie und die Angusslage können Molekülorientierungen hervorrufen, wodurch die Schwindungsdifferenz beeinflusst werden kann. Durch die Verwendung von Füllstoffen kann die Schwindung vermindert werden. Bei faserigen Verstärkungsstoffen kann durch die Faserorientierung im Bauteil eine sehr große Schwindungsdifferenz entstehen. Die Temperaturdifferenz während der Verarbeitung und der Gebrauchstemperatur des Formteils ergibt eine vernachlässigbare Längenänderung der Glasfasern. Sind nun Glasfasern in einem Formteil durch den Materialfluss während des Füllvorganges stark orientiert, schwindet das Formteil quer zur Faser wesentlich stärker als längs dazu. Werden zum Beispiel Glaskugeln zugemischt, wird insgesamt eine geringere Schwindung beobachtet.

Die '''Nachschwindung''' ist der Unterschied zwischen dem Maß eines auf Raumtemperatur abgekühlten Spritzgießteils und dem Maß desselben Spritzgießteils nach der Einwirkung einer bestimmten Temperatur. Sie verursacht eine Nachkristallisation und kann während des Gebrauches oder auch gezielt durch Tempern eingebracht werden. Durch die Naschwindungen werden die Fertigteilabmessungen nochmals kleiner.

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.

== '''Aufbau von Spritzgießwerkzeugen''' ==

[[Bild:Spritzgießwerkzeug.jpg|900x600px]]

=== Einleitung der Spritzgießwerkzeuge ===

[[Bild:Tabell1 Einleitung.jpg|left|400x300px]]

Die Vielzahl der Unterschiedlichen Spritzgießanwendungen erfordert verschiedene Werkzeugarten. Sie werden nach Anzahl der Formhohlräume, nach Art des Angusssystems, nach Anzahl der Trennebenen und nach Art der Entformung unterschieden. Die unterschiedlichen Verarbeitungsmöglichkeiten im Spritzgießbereich führen zu einer Vielzahl von Sonderverfahren, welche nicht alle in der Übersicht '''(Tabelle 1)''' aufgeführt werden können.

== '''Angusssysteme''' ==

[[Bild:Angusssystem.jpg|left|300x300px]]

Der Anguss ist ein System von Strömungswegen, in denen die fließfähige Formmasse von der Düse der Spritzeinheit zur Formhöhlung (Kavität) fließt.

Dieses System kann aus dem Angusskegel, den Verteilerkanälen, der sog. Angussspinne und dem Anschnitt bestehen '''(Bild 1)'''. Bei Einfachwerkzeugen können sich die Strömungswege auf eine kegelige Bohrung beschränken, die direkt in die Formhöhlung mündet. Die Stelle, an der der Anguss in die Formhöhlung eintritt, nennt man den '''Anschnitt'''.
Den Zeitpunkt nach dem der Anschnitt „eingefroren“ (d.h. erstarrt) ist und somit der Nachdruck nicht mehr wirken kann, nennt man '''Siegelpunkt'''. Ein längeres Nachdrücken über diesen Zeitpunkt hinaus ist unnötig.

Der Zeitpunkt des Erstarrens kann durch eine Innendruckmessung oder durch das Bestimmen der Formteilmasse ermittelt werden. Das maximale Formteilgewicht ist erreicht, wenn der Anschnitt eingefroren ist.

Der Anguss ist so zu gestalten, dass die flüssige Masse möglichst auf kürzestem Wege, mit geringstem Wärme- und Druckverlust die Kavitäten gleichzeitig füllt. Die Querschnitte der Strömungswege müssen so bemessen sein, dass eine gleichmäßige Füllung des Angusssystems sowie der Formhöhlung erreicht wird.

=== Angussformen ===

Die Angussform ist so zu wählen, dass für den speziellen Fall die bereits erwähnten Forderungen erfüllt werden können. Außerdem müssen noch folgende Einflussgrößen berücksichtigt werden.

* Formteilgeometrie und Formteilvolumen
* Viskosität der Formmasse
* Art des Spritzgießwerkzeuges
* Fließweglänge

=== Stangen- oder Kegelanguss ===

[[Bild:Stangen& P.Anguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Stangenanguss.jpg|right|300x300px]]

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.

=== Punktanguss ===

[[Bild:Punktanguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Vergr. Vorkammer.jpg|right|300x300px]]

Beim Entformen reißt der Punktanguss am kleinsten Querschnitt ab und bleibt als Angusszäpfchen am Spritzgießteil '''(Bild 2b zum Thema Stangen und Punktanguss''' und '''Bild 4 Punktanguss mit Vorkammer)'''. Es entsteht dadurch keine Nacharbeit und keine optisch störende Bearbeitungsfläche wie beim Stangenanguss. Außerdem muss der Anguss, also die Formmasse, in der Vorkammer nicht entformt werden.

Der Punktanguss wird besonders für kleinteile und Massenartikel in Einfach- und Mehrfachwerkzeugen vorgesehen, sowie für Mehrfachangüsse bei einem größeren Formteil. Dann muss zum Entformen des Angussverteilers mit einem Dreiplattenwerkzeug gearbeitet werden.

Je kleiner die Bohrung des Punktangusses ist, desto leichter geht das Abreißen vor sich. Dabei ist jedoch neben der Wanddicke die Zähflüssigkeit (Viskosität) der Schmelze, sowie die Temperatur zu beachten.

[[Bild:Vork. mit v. Düsens..jpg|left|300x300px]][[Bild:Vork. m. beh. K-B.sp.jpg|right|300x300px]]

Kann die Formhöhlung durch den kleinen Punktanguss nicht mehr schnell genug gefüllt werden, so kühlt die Schmelze in der '''Vorkammer''' vorzeitig ab, so dass sie unter Umständen von Hand entfernt werden muss.

Deshalb wird die Vorkammer etwas vergrößert, so das die an der Innenwandung haftende abgekühlte Masse als Isolator wirkt '''(Bild 1)'''.

Der Kern der Schmelze, die sog. Plastische Seele, bleibt im Angussbereich flüssig. Die Verweildauer der Schmelze in der Vorkammer sollte aber nicht zu lang sein. Kurze Zyklen, d. h. mehrmaliges Einspritzen pro Minute, sind für das Funktionieren des Systems notwendig.

Ist die Spritzhäufigkeit nicht möglich, so wird eine Kupfer- Beryllium- Spitze in die Vorkammer eingeführt. Der Raum zwischen Kupferspitze und Innenwandung der Vorkammer füllt sich mit erkalteter Masse, die dann als Isolierung wirkt. Die Kupferspitze nimmt über die Düse genügend wärme auf, um die Masse im inneren flüssig zu halten '''(Bild 2)'''.

Eine weitere Möglichkeit, die Abkühlung der Formmasse zu verhindern, besteht darin, die Vorkammer durch spezielle Heizpatronen zu erwärmen '''(Bild 3)'''.

=== Teller- und Scheibenanguss ===

[[Bild:Telleranguss.jpg|left|300x300px]]

Teller- und Scheibenangüsse werden für ringförmige Spritzgießteile vorgesehen '''(Bild 1a)'''. Würde man hier mit einem Punktanguss oder mit zwei Anbindungen arbeiten, so entstünde eine '''Binde-''' und '''Fließnaht (Bild 1b)'''. Sie entsteht, wenn zwei Masseströme sich aufgrund vorzeitiger Abkühlung nicht mehr miteinander verbinden. Je kälter die zusammentreffenden Masseströme sind, desto sichtbarer sind die Bindenähte und umso geringer ist die Festigkeit. Bindenähte entstehen auch, wenn sich Masseströme an einem Kern teilen und sich wieder miteinander verbinden müssen.

Diese Qualitätsminderung kann z.B. durch die Erhöhung der Werkzeugtemperatur teilweise reduziert werden. Mit einer Zykluszeiterhöhung ist zu rechnen.

=== Schirmanguss ===

[[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)'''.

=== Ringanguss ===

[[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.

=== Film- oder Bandanguss ===

Flache teile schneidet man zweckmäßigerweise über ein seitliches oder zentrales Band, dem Filmanguss, an. Dadurch lassen sich, wie bei einem Einzelpunktanguss, ungünstige Fließverhältnisse, oder wie bei Mehrfachpunktangüssen, störende Bindenähte vermeiden '''(Bild 2c)'''.

Ebenso lässt sich die Verzugsneigung durch gleichmäßige Druckverhältnisse positiv beeinflussen.
Eine weitere Anwendung ist deshalb die Herstellung optischer Formteile, wie durchsichtige Abdeckungen und optische Linsen.

Filmanschnitte erfordern eine Nacharbeit durch abtrennen des Angusses.

=== Tunnelanguss ===

[[Bild:Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Beim Tunnelanguss wird das Spritzgießteil seitlich oder an den verdeckten Flächen oder an anderen problemlosen Stellen angespritzt und automatisch beim öffnen der Formhälften, oder beim Ausstoßen vom Angusssystem, getrennt (Bild 1).

Der Verteilerkanal führt entlang der Trennfläche nicht direkt in die Formhöhlung, sondern er geht kurz zuvor schräg als konischer Tunnel durch die düsenseitige Werkzeughälfte in den Formhohlraum.
Wird die schließseitige Formhälfte zurückgezogen, so müssen das Spritzgießteil und das Angießsystem mitgenommen werden. Dabei wird der Tunnelanguss am Anschnitt durch eine Schneidkante abgeschert '''(Bild 1)'''.

Das Mitnehmen des Formteils muss durch Aufschrumpfen auf den Kern geschehen, und die des Angusses durch einen eingearbeiteten Hinterschnitt.

Anschließend wird das Spritzgießteil und das Angießsystem durch die Auswerfer entformt.

Wird ein Tunnelanguss vorgesehen, so muss beachtet werden, dass sich der vom Formteil getrennte Anguss beim öffnen der Werkzeughälften ausreichend biegen muss. Damit der Anguss nicht bricht, muss er eine ausreichende Konizität haben und frei biegbar sein, möglichst mit einem definierten Biegepunkt.

Die Formmasse sollte zähelastisch oder beim Entformen noch nicht vollständig erstarrt sein. Nur dann arbeitet das System störungsfrei. Da beim Tunnelanguss die Druckverluste hoch sind, wird er überwiegend zu Herstellung einfacher und kleiner Spritzgießteile in Mehrfachwerkzeugen verwendet.

=== Gebogener Tunnelanguss ===

[[Bild:geb. Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Der gebogene Tunnelanguss, auch Haken- oder Säbelanguss genannt '''(Bild 2)''', bietet die Möglichkeit ein Spritzgießteil auf der Rückseite oder an verdeckter Stelle anzubinden.

Das Entformungsprinzip entspricht dem des Tunnelangusses. Die Verwendung ist auf elastische Formmassen beschrängt. Die große Durchbiegung bei der Entformung erfolgt während der Ausstoßbewegung.

Durch den geringen Fließquerschnitt im Anschnittbereich entstehen große Druckverluste. Dadurch ist dieses Angusssystem nur für einfache Artikel verwendbar.

=== Angießmöglichkeiten für Mehrfachwerkzeuge ===

[[Bild:Verteilersterne.jpg|left|300x300px]][[Bild:Reihenanguss.jpg|right|300x300px]]

In einem Mehrfachwerkzeug werden in einem Spritzvorgang mehrere Spritzgießteile gleichzeitig hergestellt. Liegen die Formhöhlungen, auch Formnester genannt, in der Trennfläche, so werden diese über Verteilerkanäle mit Schmelze versorgt '''(Bild 1)'''.

Liegen die Formhöhlungen zentrisch um den Mittelpunkt des Angusskegels, so nennt man das System der Verteilerkanäle '''Verteilersterne'''. Bei den Verteilersternen in '''Bild 1a''' sind die Fließwege der Formmassen gleich lang. Der Vorteil des Verteilersterns mit Ringkanal in '''Bild 1b''' liegt darin, dass die Gesamtlänge der Verteilerkanäle kürzer ist. Beim '''Reihenanguss''' '''(Bild 2)''' sind die Fließwege unterschiedlich lang, was zu einer geringeren Qualität des Spritzgießteils führen kann. Bild 2 zeigt ein Beispiel für eine ungleichmäßige Füllung der Formhohlräume. Diesen Nachteil kann man durch unterschiedliche Anschnittquerschnitte ausgleichen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der größeren Anzahl der gleichzeitig herstellbaren Spritzgießteile.

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.

=== Verteilerkanal- und Anschnittform ===

[[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.

Beim runden Anschnitt ist die Einarbeitung ebenfalls in beide Formhälften notwendig. Wird der rechteckige Querschnitt gewählt, so muss darauf geachtet werden, dass die Breite des Anschnittes ungefähr 2mm kleiner als der Verteilerkanal ist (Bild 3).

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''' ==

=== Dreiplattenwerkzeug ===

[[Bild:Dreiplattenwerkz.jpg|left|300x300px]]

Höhere Spritzgiezteile werden deshalb vom Boden her zentral angespritzt. 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.

=== Isolierkanalwerkzeug ===

[[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.

=== Etagenwerkzeug ===

[[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.

=== Heißkanalsysteme ===

[[Bild:Heißkanalwerkzeug.jpg|left|300x300px]]

Im Heißkanalsystem '''(Bild 1)''' wird die in den Verteilerkanälen enthaltene Masse durch Heizpatronen oder/ und Rohrheizkörper '''(Bild 2)''' ständig auf Schmelztemperatur gehalten. Um einen Wärmeübergang vom Heißkanalbereich auf das wesentlich kühlere Werkzeug zu meiden, müssen die Kontaktflächen minimiert, ein isolierend wirkender Luftspalt sowie Reflektorbleche vorgesehen werden. Thermofühler in verbindung mit einem Regelkreis sorgen für eine möglichst gleichmäßige Temperatur im Angießsystem.

Es werden außen- und innenbeheizte Heißkanalsysteme unterschieden.

'''Außenbeheizte''' Heißkanalsysteme transportieren Wärmeenergie von außen in den Verteilerkanal (Bild 2a).

'''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
* Anspritzpunkte in großer Entfernung von der Plastifiziereinheit realisierbar
* keine Nacharbeit zum Entfernen des Angusses
* Etagenwerkzeuge nur mit Heißkanalsystemen möglich

Die '''Nachteile''' von Heizkanalwerkzeugen sind:
* hohe Energiekosten
* größere Werkzeugeinbauhöhe
* höhere Werkzeugkosten
* Farb- und Materialwechsel schwierig

'''Anwendung''':
* Großserienwerkzeuge, große Losgrößen
* große Formteile mit mehreren Anspritzpunkten

== '''Sonstiges''' ==

Zur Vollständigkeit einer Spritzgießanlage müssen noch folgende Punkte genannt werden:
* die Werkzeugtemperierung, sie regelt die Wärme zu- und abführ (Kühlssystem)
* Serielle Anordnung des Kühlkreislaufes
* Parallele Anordnung des Kühlkreislaufes
* Entformungssysteme (Auswerfeinrichtungen), sie stoßen das Werkstück aus
* Auswerfsysteme bei Hinterschneidungen (äußere und innere Hinterschneidungen)
* Bewegliche Kernsegmente
* Elastische Zwangsentformung
* Zusammenfaltbarer Kern
* Entformung durch Rotation des Formteils
* Werkzeugentlüftung, um die Formen schnell genug zu füllen.

== '''Quellen''' ==

# Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Verlag, 53. Auflage
# Der Werkzeugbau, Europa Lehrmittel Verlag, 13. Auflage

[[Kategorie:Fertigungstechnik]]

Spritzgießen

2009-04-22T19:48:37Z

Sandra Kellinghusen: /* Offene Düsen und Verschlussdüsen */

== '''Spritzgießen''' ==

=== Einleitung ===

Beim Spritzgießen werden überwiegend Thermoplaste1 im plastifizierten, fließfähigen Zustand in geteilte und 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|]]

=== 1Thermoplaste: ===
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.

=== Vorgänge beim Spritzgießen ===

[[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.

=== Werkstoffverhalten ===

Die Plastifizierte Formmasse sollte so schnell wie möglich in den Formhohlraum eingesprizt werden, damit Druck und Temperatur im Hohlraum überall gleich sind. Tritt dieser idealfall ein, ist eine gleichmäßige Struktur des Werkstoffes und ein gleichmäßiges Schwindungsverhalten im ganzen Spritzgießteil gewährleistet, sodass keine Spannungen und kein Verzug auftreten.

Dieser ideale Vorgang lässt sich leider nicht realisieren. Fließwiederstände im Werkzeug und in der Düse bewirken einen Druckabfall während des Einspritzens. Ungleichmäßiges Abkühlen der Formmasse im Werkzeughohlraum, der auch Kavität genannt wird, ergibt eine ungleichmäßige Werkstoffstruktur.

=== Molekühlorientierung ===

[[Bild:Amorpher Thermoplast.jpg|left|300x300px]]
[[Bild:Molekühlorientierung_0001.jpg|left|300x300px]]
[[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.

=== Kristallisationsgrad ===

[[Bild:Kristallisationsgrad.jpg|left|300x300px]]

{{Mark
|Bei teilkristallinen Werkstoffen kann sich auf Grund der schnellen Abkühlung im Bereich der Formwand keine Kristallisation bilden. Der Randbreich des Spritzgießteils hat darum einen amorphen Aufbau, währen der Kern einen mehr 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)'''.

=== Fließverhalten ===

[[Bild:Fließfront.jpg|left|300x300px]]
[[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)'''.}}

=== Einflussgrößen auf den Spritzvorgang ===

[[Bild:Einflussgrößen auf den Spritzvorgang.jpg|right|300x300px]]
[[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, 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).

=== Druckverlauf ===

[[Bild:Druckverlauf.jpg|left|300x300px]][[Bild:Auswirkungen des Nachdruckes.jpg|right|300x300px]][[Bild:SGT mit Lunker.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Werkzeuginnendruck.jpg|left|300x300px]]

Durch den '''Einspritzdruck''', welcher in der Formmasse im Schneckenvorraum herrscht, wird im Formhohlraum aufgrund von Strömungswiederständen in der Düse und im Werkzeug ein zeitlich verzögerter und in der Höhe etwas geringerer '''Werkzeuginnendruck''' aufgebaut '''(Bild 1)'''. Dadurch füllt sich die Werkzeughöhlung mit Formmasse (Bild 1, '''Kurvenpunkt A''') und erzeugt die Ausformung der Konturen durch das Komprimieren (verdichten, zusammenpressen) der Formmasse. Der Maximale Werkzeuginnendruck (Bild 1, '''Kurvenpunkt B''') hängt von der Form, vom Werkstoff, von der Qualität des Spritzgießteils und vom Verhältnis zwischen Fließweg und Wanddicke ab. Dieses Verhältnis wird durch den maximalen Fließweg, den die Formmasse zurücklegen muss und der Wanddicke des Spritzgießteils gebildet '''(Bild 2)'''. Ist der gewünschte Werkzeuginnendruck erreicht, so wird der Einspritzdruck vermindert und als '''Nachdruck''' bezeichnet (Umschaltpunkt). Dieser füllt in der anschließenden Phase nur noch das Restvolumen auf und gleicht die Volumenminderung aus, die durch das Abkühlen der Schmelze eintritt. Der Innendruck fällt dabei leicht ab. Auswirkungen des Nachdruckes auf den Spritzvorgang zeigt die '''Tabelle 1'''.

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.

=== Formfüllungsgrad ===

[[Bild:Formfüllstudie.jpg|left|300x300px]]

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.

=== Abkühlung ===

[[Bild:Abkühlzeit für PS.jpg|left|300x300px]]

Wie schnell die Formstabilität der Formmasse beim Abkühlen eintritt, hängt von der '''Werkzeugtemperatur''' ab. Diese wiederum wird von der Art der Formmasse und von den Anforderungen an das Spritzgießteil sowie von der Wanddicke bestimmt '''(Bild 1)'''.
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 Vorgang vom Einspritzen der Schmelze in den Formhohlraum bis zum nächsten Einspritzvorgang bezeichnet man auch als '''Takt, Schuss''' oder '''Zyklus'''.

== '''Spritzgießmaschine''' ==

[[Bild:Spritzgießmaschiene.jpg|center|800x800px|]]

=== Die Aufgaben der Spritzgießmaschine ===

[[Bild:Aufgaben der Spritzgießmaschine.jpg|left|300x300px|]]

*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 der Form.

Die ersten beiden Aufgaben übernimmt die Spritzeinheit der Spritzmaschine, während die dritte Aufgabe die Schließeinheit durchführt.

=== Spritzeinheit ===

[[Bild:Spritzgießmaschiene_1.jpg|right|600x600px]]

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)'''.

[[Bild:Schneckenkolbenext.jpg| left|300x300px]]

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.

=== Einstellgrößen ===

[[Bild:Einstellgr Plastif.jpg|left|300x300px]]

Die Drehzahl der Schnecke richtet sich neben dem Schneckendurchmesser nach der Größe der Umfangsgeschwindigkeit, die von den Formmasseherstellern vorgegeben wird '''(Tabelle 1)'''.

[[Bild:Wirkung_des_Staud.jpg|left|300x300px]]

Der Wiederstand 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''' ==

Die Düse hat die Aufgabe, eine dichte Verbindung, möglichst ohne Druck- und Temperaturverlust, zwischen dem Spritzzylinder und dem Werkzeug herzustellen. Durch die Berührung mit dem kälteren Werkzeug kann der Düse und der verbleibenden Schmelze wärme entzogen werden. Abhilfe kann geschaffen werden, durch eine Düsenheizung sowie durch das Abheben der Düse vom Werkzeug nach der Nachdruckzeit.

=== Offene Düsen und Verschlussdüsen ===

[[Bild:offene Düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Nadelv.düse.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Schiebev.düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Quernadelv.düse.jpg|right|300x300px]]

Wenn es die Zähigkeit der Schmelze zulässt, wählt man meist eine '''offene Düse (Bild 1)'''. Die Druck- und Temperaturverluste sind wegen des glatten Kanals sehr gering. Außerdem ist die offene Düse leicht zu reinigen und zu spülen. Die Gefahr, dass Schmelze aus der Düse austreten kann, nimmt mit kleiner werdender Düsenbohrung (ca. 3- 8mm) ständig ab. Ist die Schmelze zu dünnflüssig, so müssen '''Verschlussdüsen''', z.B. Schieberverschlussdüsen '''(Bild 2)''', oder Nadelverschlussdüsen '''(Bild3)''', vorgesehen werden. Sie sind so konstruiert, das die Düsenöffnung nach jedem Einspritzvorgang verschlossen und dadurch das Ausströmen der Masse verhindert wird.
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 (RD) bei Konvexdüsen etwas kleiner ist, als der Radius der Angießbuchse (RA), 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.

== '''Schließeinheit''' ==

Die Schließeinheit nimmt an der beweglichen und an der festen Werkzeugplatte die jeweiligen Formhälften auf. Das Öffnen, Schließen und Zuhalten des Werkzeuges wird durch ein Kniehebelssystem oder durch einen vollhydraulischen Antrieb ausgeführt '''(Bild1, Spritzgießmaschine beim Thema Spritzeinheit)'''.

=== Schließkraft – Zuhaltekraft ===

[[Bild:Schließkraft.jpg|left|300x300px]][[Bild:Durchbiegung.jpg|right|300x300px]][[Bild:Stützrollen.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Schwimmhäute.jpg|left|280x280px]]

Die '''Schließkraft''' Fs ist die Kraft, die die Säulen nach dem Schließvorgang beansprucht und dehnt sowie die beiden Formhälften zusammendrückt '''(Bild 1)'''. Beim Einspritzen der Formmasse entsteht durch den Werkzeuginnendruck pw eine Auftriebskraft FA (FA= pw * A), die eine weitere Zugbeanspruchung und Dehnung der Säulen verursacht. Die Summe der Kräfte, die die Säulen beim Einspritzvorgang insgesamt belasten, wird als '''Zuhaltekraft''' Fz bezeichnet. Sie ist stets größer als die Schließkraft, und sie ist von der Steifigkeit der Maschine und des Werkzeuges abhängig.

Ist die '''Auftriebskraft''' größer als die Zuhaltekraft, so wird die Anlage zwischen den beiden Werkzeughälften aufgehoben und es tritt Schmelze zwischen den beiden Formhälften aus, die zur '''Grat'''- oder '''Schwimmhautbildung''' führt '''(Bild 2)'''. Diesen Vorgang nennt man auch '''Überspritzung''' oder '''Überladung'''.
Die '''Zuhaltekraft''' sollte trotzdem so klein wie möglich eingestellt werden, um auch einer Durchbiegung bei den Formnesttragenden Werkzeugplatten vorzubeugen. Diese '''Durchbiegung''' entsteht dadurch, dass beim Einspritzen der Werkzeuginnendruck versucht, die beiden Formhälften überwiegend im Bereich der Formhohlräume auseinander zu drücken, während die Zuhaltekräfte nur im Bereich der direkten Kraftübertragung wirken (Bild 1). Die Durchbiegung ist besonders groß bei geringer Steifigkeit der Platten und um die Bereiche gegenüber der düsenseitigen Zentrierbohrung und vor allem gegenüber dem Auswerfersystem '''(Bild 3)'''.
Die Durchbiegung führt zur Gratbildung und u.U. dazu, dass nicht der größtmögliche Einspritzdruck gewählt werden kann. Abhilfe kann dadurch geschaffen werden, dass zusätzliche Stützrollen vorgesehen werden, die mit einem Übermaß von 0,03mm … 0,05mm gegenüber den äußeren Abstützungen eingebaut werden '''(Bild 4)'''.
Auch wegen der beim Einspritzen erforderlichen Entlüftung der Werkzeughöhlung über die Berührungsflächen der beiden Formhälften sollte die Schließkraft so niedrig wie möglich sein.

== '''Gestalten von Spritzgießteilen''' ==

=== Maßtoleranzen bei Spritzgießteilen ===

[[Bild:Maßarten.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle1 Ermittlung.jpg|right|300x300px]]

Die erzielbaren Toleranzen sind größtenteils abhängig von der Schwindung, den Formmassen und der Art der Maße, wobei natürlich auch die Qualität der Spritzgießmaschine und des Werkzeuges eine Rolle spielen.

So lassen sich mit amorphen Formmassen kleinere Toleranzen leichter einhalten als mit teilkristallinen. '''Werkzeuggebundene''' Maße lassen sich genauer herstellen als '''nicht werkzeuggebundene''' Maße '''(Bild 1)'''.

DIN 16 901 bildet bei der Festlegung der Toleranzen zuerst Toleranzgruppen in Abhängigkeit der Formmassen und Schwindungskennwerte (siehe Tabellenbuch). Bezogen auf diese Toleranzgruppen und die festgelegte Maßart werden dann den verschiedenen Nennmaßbereichen die zulässigen Abweichungen zugeordnet.

Die Ermittlung der Allgemeintoleranz für das werkzeuggebundene Maß a im Bild 1, das 35mm betragen soll, zeigt die Tabelle 1.

=== Richtlinien zur Gestaltung von Spritzgießteilen (VDI 2006) ===

[[Bild:Mindetwanddicke.jpg|left|300x300px]][[Bild:Gestaltungsbeispiele.jpg|right|300x300px]]

Die Wanddicken müssen groß genug sein, damit die Formmasse das Werkzeug sicher füllen kann, ehe sie zu stark abkühlt oder ausgehärtet ist. Deshalb ist die '''Mindestwanddicke''' in Abhängigkeit vom '''Fließweg''' im Werkzeug und der Fließfähigkeit der Formmasse zu wählen '''(Bild 2)''' und Bild 2: Werkzeuginnendruck für einfache Teile beim Thema Druckverlauf).

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)'''.

[[Bild:Neigung.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle rautiefe.jpg|right|300x300px]][[Bild:Verzug.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Winkelverzug.jpg|left|300x300px]]

Um das Spritzgießteil leicht und schnell aus der Form entfernen zu können, müssen alle Flächen des Werkstückes, die in Öffnungsrichtung der Form liegen, eine leichte '''Neigung''' erhalten '''(Bild 1)'''. Zusätzlich muss sichergestellt sein, dass das Spritzgießteil beim Öffnen der Form von der schließseitigen Formhälfte mitgenommen und von der Auswerfervorrichtung entfernt wird. Weiterhin hängen die Entformungsschrägen speziell bei strukturierten Oberflächen von der Oberflächenrauigkeit der abzubildenden Kavitäten ab. Die Struktur kann aufgrund ihrer Tiefe wie eine Verzahnung zwischen Formteil und Werkzeugoberfläche wirken und somit die Entformung erschweren. Die Lage der Strukturrichtung parallel oder senkrecht zur Entformungsrichtung und die Materialpaarung Stahl- Kunststoffmasse ist von entscheidender Bedeutung '''(Tabelle 1)'''.

Als einfache Näherungs sollte für eine Strukturtiefe von 0,02mm pro 1° Entformungsschrägen bei senkrechter Lage zur Entformungsrichtung nicht überschritten werden. Scharfe Ecken und Kanten können beim Einspritzvorgang des Kunststoffmaterials so stark scheren, dass es zu einer thermischen Schädigung des Kunststoffes kommen kann.

Eine Abrundung bei Umlenkungen wirkt nicht nur der Scherung entgegen, sondern auch dem '''Winkelverzug''' und der Kerbwirkung im Eckbereich. Der mögliche Verzug des Formteils wird in '''(Bild 2)''' dargestellt. Da die dünnen Formteilbereiche schneller abkühlen, werden sie durch die Schrumpfkraft der dickeren verformt.

In '''Bild 3''' kann das Volumenelement '''a''' seine Erstarrungswärme nur stark verzögert an das Werkzeug abgeben. Volumenelement '''b''' kühlt dagegen rascher ab, da es an zwei Seiten an das Werkzeug grenzt. Es entsteht ein '''Winkelverzug'''. Diesem kann durch Abrunden und durch verringerung der Wandstärke im Eckbereich entgegengewirkt werden.

== '''Schwindung''' ==

[[Bild:Tabelle1 Anhaltsw.jpg|left|600x600px]]

Bei der Festlegung des Formhohlraumes müssen die Schwindung und evtl. die Nachschwindung berücksichtigt werden.

Unter Schwindung versteht man die Maßänderung von Werkstücken durch das Zusammenziehen des Werkstoffes beim Abkühlen als Maßunterschied zwischen Werkzeugkavität und Formteil. Bei der Erfassung dieser Schwindung '''(Tabelle 1)''' kommt erschwerend hinzu, dass die Schwindungsdifferenz sowie die Nachschwindung berücksichtigt werden müssen.

Eine '''Schwindungsdifferenz''' tritt dann auf, wenn die Schwindungen in Fließrichtung und quer dazu unterschiedlich groß sind. Der Unterschied zwischen Längs- und Querschwindung ist die Schwindungsdifferenz. Bei einer größeren Schwindungsdifferenz kann dies zu Verwindungen oder zum Verzug des spritzgegossenen Formteils führen.

Die Formteilgeometrie und die Angusslage können Molekülorientierungen hervorrufen, wodurch die Schwindungsdifferenz beeinflusst werden kann. Durch die Verwendung von Füllstoffen kann die Schwindung vermindert werden. Bei faserigen Verstärkungsstoffen kann durch die Faserorientierung im Bauteil eine sehr große Schwindungsdifferenz entstehen. Die Temperaturdifferenz während der Verarbeitung und der Gebrauchstemperatur des Formteils ergibt eine vernachlässigbare Längenänderung der Glasfasern. Sind nun Glasfasern in einem Formteil durch den Materialfluss während des Füllvorganges stark orientiert, schwindet das Formteil quer zur Faser wesentlich stärker als längs dazu. Werden zum Beispiel Glaskugeln zugemischt, wird insgesamt eine geringere Schwindung beobachtet.

Die '''Nachschwindung''' ist der Unterschied zwischen dem Maß eines auf Raumtemperatur abgekühlten Spritzgießteils und dem Maß desselben Spritzgießteils nach der Einwirkung einer bestimmten Temperatur. Sie verursacht eine Nachkristallisation und kann während des Gebrauches oder auch gezielt durch Tempern eingebracht werden. Durch die Naschwindungen werden die Fertigteilabmessungen nochmals kleiner.

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.

== '''Aufbau von Spritzgießwerkzeugen''' ==

[[Bild:Spritzgießwerkzeug.jpg|900x600px]]

=== Einleitung der Spritzgießwerkzeuge ===

[[Bild:Tabell1 Einleitung.jpg|left|400x300px]]

Die Vielzahl der Unterschiedlichen Spritzgießanwendungen erfordert verschiedene Werkzeugarten. Sie werden nach Anzahl der Formhohlräume, nach Art des Angusssystems, nach Anzahl der Trennebenen und nach Art der Entformung unterschieden. Die unterschiedlichen Verarbeitungsmöglichkeiten im Spritzgießbereich führen zu einer Vielzahl von Sonderverfahren, welche nicht alle in der Übersicht '''(Tabelle 1)''' aufgeführt werden können.

== '''Angusssysteme''' ==

[[Bild:Angusssystem.jpg|left|300x300px]]

Der Anguss ist ein System von Strömungswegen, in denen die fließfähige Formmasse von der Düse der Spritzeinheit zur Formhöhlung (Kavität) fließt.

Dieses System kann aus dem Angusskegel, den Verteilerkanälen, der sog. Angussspinne und dem Anschnitt bestehen '''(Bild 1)'''. Bei Einfachwerkzeugen können sich die Strömungswege auf eine kegelige Bohrung beschränken, die direkt in die Formhöhlung mündet. Die Stelle, an der der Anguss in die Formhöhlung eintritt, nennt man den '''Anschnitt'''.
Den Zeitpunkt nach dem der Anschnitt „eingefroren“ (d.h. erstarrt) ist und somit der Nachdruck nicht mehr wirken kann, nennt man '''Siegelpunkt'''. Ein längeres Nachdrücken über diesen Zeitpunkt hinaus ist unnötig.

Der Zeitpunkt des Erstarrens kann durch eine Innendruckmessung oder durch das Bestimmen der Formteilmasse ermittelt werden. Das maximale Formteilgewicht ist erreicht, wenn der Anschnitt eingefroren ist.

Der Anguss ist so zu gestalten, dass die flüssige Masse möglichst auf kürzestem Wege, mit geringstem Wärme- und Druckverlust die Kavitäten gleichzeitig füllt. Die Querschnitte der Strömungswege müssen so bemessen sein, dass eine gleichmäßige Füllung des Angusssystems sowie der Formhöhlung erreicht wird.

=== Angussformen ===

Die Angussform ist so zu wählen, dass für den speziellen Fall die bereits erwähnten Forderungen erfüllt werden können. Außerdem müssen noch folgende Einflussgrößen berücksichtigt werden.

* Formteilgeometrie und Formteilvolumen
* Viskosität der Formmasse
* Art des Spritzgießwerkzeuges
* Fließweglänge

=== Stangen- oder Kegelanguss ===

[[Bild:Stangen& P.Anguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Stangenanguss.jpg|right|300x300px]]

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.

=== Punktanguss ===

[[Bild:Punktanguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Vergr. Vorkammer.jpg|right|300x300px]]

Beim Entformen reißt der Punktanguss am kleinsten Querschnitt ab und bleibt als Angusszäpfchen am Spritzgießteil '''(Bild 2b zum Thema Stangen und Punktanguss''' und '''Bild 4 Punktanguss mit Vorkammer)'''. Es entsteht dadurch keine Nacharbeit und keine optisch störende Bearbeitungsfläche wie beim Stangenanguss. Außerdem muss der Anguss, also die Formmasse, in der Vorkammer nicht entformt werden.

Der Punktanguss wird besonders für kleinteile und Massenartikel in Einfach- und Mehrfachwerkzeugen vorgesehen, sowie für Mehrfachangüsse bei einem größeren Formteil. Dann muss zum Entformen des Angussverteilers mit einem Dreiplattenwerkzeug gearbeitet werden.

Je kleiner die Bohrung des Punktangusses ist, desto leichter geht das Abreißen vor sich. Dabei ist jedoch neben der Wanddicke die Zähflüssigkeit (Viskosität) der Schmelze, sowie die Temperatur zu beachten.

[[Bild:Vork. mit v. Düsens..jpg|left|300x300px]][[Bild:Vork. m. beh. K-B.sp.jpg|right|300x300px]]

Kann die Formhöhlung durch den kleinen Punktanguss nicht mehr schnell genug gefüllt werden, so kühlt die Schmelze in der '''Vorkammer''' vorzeitig ab, so dass sie unter Umständen von Hand entfernt werden muss.

Deshalb wird die Vorkammer etwas vergrößert, so das die an der Innenwandung haftende abgekühlte Masse als Isolator wirkt '''(Bild 1)'''.

Der Kern der Schmelze, die sog. Plastische Seele, bleibt im Angussbereich flüssig. Die Verweildauer der Schmelze in der Vorkammer sollte aber nicht zu lang sein. Kurze Zyklen, d. h. mehrmaliges Einspritzen pro Minute, sind für das Funktionieren des Systems notwendig.

Ist die Spritzhäufigkeit nicht möglich, so wird eine Kupfer- Beryllium- Spitze in die Vorkammer eingeführt. Der Raum zwischen Kupferspitze und Innenwandung der Vorkammer füllt sich mit erkalteter Masse, die dann als Isolierung wirkt. Die Kupferspitze nimmt über die Düse genügend wärme auf, um die Masse im inneren flüssig zu halten '''(Bild 2)'''.

Eine weitere Möglichkeit, die Abkühlung der Formmasse zu verhindern, besteht darin, die Vorkammer durch spezielle Heizpatronen zu erwärmen '''(Bild 3)'''.

=== Teller- und Scheibenanguss ===

[[Bild:Telleranguss.jpg|left|300x300px]]

Teller- und Scheibenangüsse werden für ringförmige Spritzgießteile vorgesehen '''(Bild 1a)'''. Würde man hier mit einem Punktanguss oder mit zwei Anbindungen arbeiten, so entstünde eine '''Binde-''' und '''Fließnaht (Bild 1b)'''. Sie entsteht, wenn zwei Masseströme sich aufgrund vorzeitiger Abkühlung nicht mehr miteinander verbinden. Je kälter die zusammentreffenden Masseströme sind, desto sichtbarer sind die Bindenähte und umso geringer ist die Festigkeit. Bindenähte entstehen auch, wenn sich Masseströme an einem Kern teilen und sich wieder miteinander verbinden müssen.

Diese Qualitätsminderung kann z.B. durch die Erhöhung der Werkzeugtemperatur teilweise reduziert werden. Mit einer Zykluszeiterhöhung ist zu rechnen.

=== Schirmanguss ===

[[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)'''.

=== Ringanguss ===

[[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.

=== Film- oder Bandanguss ===

Flache teile schneidet man zweckmäßigerweise über ein seitliches oder zentrales Band, dem Filmanguss, an. Dadurch lassen sich, wie bei einem Einzelpunktanguss, ungünstige Fließverhältnisse, oder wie bei Mehrfachpunktangüssen, störende Bindenähte vermeiden '''(Bild 2c)'''.

Ebenso lässt sich die Verzugsneigung durch gleichmäßige Druckverhältnisse positiv beeinflussen.
Eine weitere Anwendung ist deshalb die Herstellung optischer Formteile, wie durchsichtige Abdeckungen und optische Linsen.

Filmanschnitte erfordern eine Nacharbeit durch abtrennen des Angusses.

=== Tunnelanguss ===

[[Bild:Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Beim Tunnelanguss wird das Spritzgießteil seitlich oder an den verdeckten Flächen oder an anderen problemlosen Stellen angespritzt und automatisch beim öffnen der Formhälften, oder beim Ausstoßen vom Angusssystem, getrennt (Bild 1).

Der Verteilerkanal führt entlang der Trennfläche nicht direkt in die Formhöhlung, sondern er geht kurz zuvor schräg als konischer Tunnel durch die düsenseitige Werkzeughälfte in den Formhohlraum.
Wird die schließseitige Formhälfte zurückgezogen, so müssen das Spritzgießteil und das Angießsystem mitgenommen werden. Dabei wird der Tunnelanguss am Anschnitt durch eine Schneidkante abgeschert '''(Bild 1)'''.

Das Mitnehmen des Formteils muss durch Aufschrumpfen auf den Kern geschehen, und die des Angusses durch einen eingearbeiteten Hinterschnitt.

Anschließend wird das Spritzgießteil und das Angießsystem durch die Auswerfer entformt.

Wird ein Tunnelanguss vorgesehen, so muss beachtet werden, dass sich der vom Formteil getrennte Anguss beim öffnen der Werkzeughälften ausreichend biegen muss. Damit der Anguss nicht bricht, muss er eine ausreichende Konizität haben und frei biegbar sein, möglichst mit einem definierten Biegepunkt.

Die Formmasse sollte zähelastisch oder beim Entformen noch nicht vollständig erstarrt sein. Nur dann arbeitet das System störungsfrei. Da beim Tunnelanguss die Druckverluste hoch sind, wird er überwiegend zu Herstellung einfacher und kleiner Spritzgießteile in Mehrfachwerkzeugen verwendet.

=== Gebogener Tunnelanguss ===

[[Bild:geb. Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Der gebogene Tunnelanguss, auch Haken- oder Säbelanguss genannt '''(Bild 2)''', bietet die Möglichkeit ein Spritzgießteil auf der Rückseite oder an verdeckter Stelle anzubinden.

Das Entformungsprinzip entspricht dem des Tunnelangusses. Die Verwendung ist auf elastische Formmassen beschrängt. Die große Durchbiegung bei der Entformung erfolgt während der Ausstoßbewegung.

Durch den geringen Fließquerschnitt im Anschnittbereich entstehen große Druckverluste. Dadurch ist dieses Angusssystem nur für einfache Artikel verwendbar.

=== Angießmöglichkeiten für Mehrfachwerkzeuge ===

[[Bild:Verteilersterne.jpg|left|300x300px]][[Bild:Reihenanguss.jpg|right|300x300px]]

In einem Mehrfachwerkzeug werden in einem Spritzvorgang mehrere Spritzgießteile gleichzeitig hergestellt. Liegen die Formhöhlungen, auch Formnester genannt, in der Trennfläche, so werden diese über Verteilerkanäle mit Schmelze versorgt '''(Bild 1)'''.

Liegen die Formhöhlungen zentrisch um den Mittelpunkt des Angusskegels, so nennt man das System der Verteilerkanäle '''Verteilersterne'''. Bei den Verteilersternen in '''Bild 1a''' sind die Fließwege der Formmassen gleich lang. Der Vorteil des Verteilersterns mit Ringkanal in '''Bild 1b''' liegt darin, dass die Gesamtlänge der Verteilerkanäle kürzer ist. Beim '''Reihenanguss''' '''(Bild 2)''' sind die Fließwege unterschiedlich lang, was zu einer geringeren Qualität des Spritzgießteils führen kann. Bild 2 zeigt ein Beispiel für eine ungleichmäßige Füllung der Formhohlräume. Diesen Nachteil kann man durch unterschiedliche Anschnittquerschnitte ausgleichen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der größeren Anzahl der gleichzeitig herstellbaren Spritzgießteile.

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.

=== Verteilerkanal- und Anschnittform ===

[[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.

Beim runden Anschnitt ist die Einarbeitung ebenfalls in beide Formhälften notwendig. Wird der rechteckige Querschnitt gewählt, so muss darauf geachtet werden, dass die Breite des Anschnittes ungefähr 2mm kleiner als der Verteilerkanal ist (Bild 3).

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''' ==

=== Dreiplattenwerkzeug ===

[[Bild:Dreiplattenwerkz.jpg|left|300x300px]]

Höhere Spritzgiezteile werden deshalb vom Boden her zentral angespritzt. 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.

=== Isolierkanalwerkzeug ===

[[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.

=== Etagenwerkzeug ===

[[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.

=== Heißkanalsysteme ===

[[Bild:Heißkanalwerkzeug.jpg|left|300x300px]]

Im Heißkanalsystem '''(Bild 1)''' wird die in den Verteilerkanälen enthaltene Masse durch Heizpatronen oder/ und Rohrheizkörper '''(Bild 2)''' ständig auf Schmelztemperatur gehalten. Um einen Wärmeübergang vom Heißkanalbereich auf das wesentlich kühlere Werkzeug zu meiden, müssen die Kontaktflächen minimiert, ein isolierend wirkender Luftspalt sowie Reflektorbleche vorgesehen werden. Thermofühler in verbindung mit einem Regelkreis sorgen für eine möglichst gleichmäßige Temperatur im Angießsystem.

Es werden außen- und innenbeheizte Heißkanalsysteme unterschieden.

'''Außenbeheizte''' Heißkanalsysteme transportieren Wärmeenergie von außen in den Verteilerkanal (Bild 2a).

'''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
* Anspritzpunkte in großer Entfernung von der Plastifiziereinheit realisierbar
* keine Nacharbeit zum Entfernen des Angusses
* Etagenwerkzeuge nur mit Heißkanalsystemen möglich

Die '''Nachteile''' von Heizkanalwerkzeugen sind:
* hohe Energiekosten
* größere Werkzeugeinbauhöhe
* höhere Werkzeugkosten
* Farb- und Materialwechsel schwierig

'''Anwendung''':
* Großserienwerkzeuge, große Losgrößen
* große Formteile mit mehreren Anspritzpunkten

== '''Sonstiges''' ==

Zur Vollständigkeit einer Spritzgießanlage müssen noch folgende Punkte genannt werden:
* die Werkzeugtemperierung, sie regelt die Wärme zu- und abführ (Kühlssystem)
* Serielle Anordnung des Kühlkreislaufes
* Parallele Anordnung des Kühlkreislaufes
* Entformungssysteme (Auswerfeinrichtungen), sie stoßen das Werkstück aus
* Auswerfsysteme bei Hinterschneidungen (äußere und innere Hinterschneidungen)
* Bewegliche Kernsegmente
* Elastische Zwangsentformung
* Zusammenfaltbarer Kern
* Entformung durch Rotation des Formteils
* Werkzeugentlüftung, um die Formen schnell genug zu füllen.

== '''Quellen''' ==

# Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Verlag, 53. Auflage
# Der Werkzeugbau, Europa Lehrmittel Verlag, 13. Auflage

[[Kategorie:Fertigungstechnik]]

Spritzgießen

2009-04-22T19:47:13Z

Sandra Kellinghusen: /* '''Maschinendüsen''' */

== '''Spritzgießen''' ==

=== Einleitung ===

Beim Spritzgießen werden überwiegend Thermoplaste1 im plastifizierten, fließfähigen Zustand in geteilte und 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|]]

=== 1Thermoplaste: ===
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.

=== Vorgänge beim Spritzgießen ===

[[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.

=== Werkstoffverhalten ===

Die Plastifizierte Formmasse sollte so schnell wie möglich in den Formhohlraum eingesprizt werden, damit Druck und Temperatur im Hohlraum überall gleich sind. Tritt dieser idealfall ein, ist eine gleichmäßige Struktur des Werkstoffes und ein gleichmäßiges Schwindungsverhalten im ganzen Spritzgießteil gewährleistet, sodass keine Spannungen und kein Verzug auftreten.

Dieser ideale Vorgang lässt sich leider nicht realisieren. Fließwiederstände im Werkzeug und in der Düse bewirken einen Druckabfall während des Einspritzens. Ungleichmäßiges Abkühlen der Formmasse im Werkzeughohlraum, der auch Kavität genannt wird, ergibt eine ungleichmäßige Werkstoffstruktur.

=== Molekühlorientierung ===

[[Bild:Amorpher Thermoplast.jpg|left|300x300px]]
[[Bild:Molekühlorientierung_0001.jpg|left|300x300px]]
[[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.

=== Kristallisationsgrad ===

[[Bild:Kristallisationsgrad.jpg|left|300x300px]]

{{Mark
|Bei teilkristallinen Werkstoffen kann sich auf Grund der schnellen Abkühlung im Bereich der Formwand keine Kristallisation bilden. Der Randbreich des Spritzgießteils hat darum einen amorphen Aufbau, währen der Kern einen mehr 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)'''.

=== Fließverhalten ===

[[Bild:Fließfront.jpg|left|300x300px]]
[[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)'''.}}

=== Einflussgrößen auf den Spritzvorgang ===

[[Bild:Einflussgrößen auf den Spritzvorgang.jpg|right|300x300px]]
[[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, 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).

=== Druckverlauf ===

[[Bild:Druckverlauf.jpg|left|300x300px]][[Bild:Auswirkungen des Nachdruckes.jpg|right|300x300px]][[Bild:SGT mit Lunker.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Werkzeuginnendruck.jpg|left|300x300px]]

Durch den '''Einspritzdruck''', welcher in der Formmasse im Schneckenvorraum herrscht, wird im Formhohlraum aufgrund von Strömungswiederständen in der Düse und im Werkzeug ein zeitlich verzögerter und in der Höhe etwas geringerer '''Werkzeuginnendruck''' aufgebaut '''(Bild 1)'''. Dadurch füllt sich die Werkzeughöhlung mit Formmasse (Bild 1, '''Kurvenpunkt A''') und erzeugt die Ausformung der Konturen durch das Komprimieren (verdichten, zusammenpressen) der Formmasse. Der Maximale Werkzeuginnendruck (Bild 1, '''Kurvenpunkt B''') hängt von der Form, vom Werkstoff, von der Qualität des Spritzgießteils und vom Verhältnis zwischen Fließweg und Wanddicke ab. Dieses Verhältnis wird durch den maximalen Fließweg, den die Formmasse zurücklegen muss und der Wanddicke des Spritzgießteils gebildet '''(Bild 2)'''. Ist der gewünschte Werkzeuginnendruck erreicht, so wird der Einspritzdruck vermindert und als '''Nachdruck''' bezeichnet (Umschaltpunkt). Dieser füllt in der anschließenden Phase nur noch das Restvolumen auf und gleicht die Volumenminderung aus, die durch das Abkühlen der Schmelze eintritt. Der Innendruck fällt dabei leicht ab. Auswirkungen des Nachdruckes auf den Spritzvorgang zeigt die '''Tabelle 1'''.

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.

=== Formfüllungsgrad ===

[[Bild:Formfüllstudie.jpg|left|300x300px]]

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.

=== Abkühlung ===

[[Bild:Abkühlzeit für PS.jpg|left|300x300px]]

Wie schnell die Formstabilität der Formmasse beim Abkühlen eintritt, hängt von der '''Werkzeugtemperatur''' ab. Diese wiederum wird von der Art der Formmasse und von den Anforderungen an das Spritzgießteil sowie von der Wanddicke bestimmt '''(Bild 1)'''.
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 Vorgang vom Einspritzen der Schmelze in den Formhohlraum bis zum nächsten Einspritzvorgang bezeichnet man auch als '''Takt, Schuss''' oder '''Zyklus'''.

== '''Spritzgießmaschine''' ==

[[Bild:Spritzgießmaschiene.jpg|center|800x800px|]]

=== Die Aufgaben der Spritzgießmaschine ===

[[Bild:Aufgaben der Spritzgießmaschine.jpg|left|300x300px|]]

*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 der Form.

Die ersten beiden Aufgaben übernimmt die Spritzeinheit der Spritzmaschine, während die dritte Aufgabe die Schließeinheit durchführt.

=== Spritzeinheit ===

[[Bild:Spritzgießmaschiene_1.jpg|right|600x600px]]

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)'''.

[[Bild:Schneckenkolbenext.jpg| left|300x300px]]

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.

=== Einstellgrößen ===

[[Bild:Einstellgr Plastif.jpg|left|300x300px]]

Die Drehzahl der Schnecke richtet sich neben dem Schneckendurchmesser nach der Größe der Umfangsgeschwindigkeit, die von den Formmasseherstellern vorgegeben wird '''(Tabelle 1)'''.

[[Bild:Wirkung_des_Staud.jpg|left|300x300px]]

Der Wiederstand 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''' ==

Die Düse hat die Aufgabe, eine dichte Verbindung, möglichst ohne Druck- und Temperaturverlust, zwischen dem Spritzzylinder und dem Werkzeug herzustellen. Durch die Berührung mit dem kälteren Werkzeug kann der Düse und der verbleibenden Schmelze wärme entzogen werden. Abhilfe kann geschaffen werden, durch eine Düsenheizung sowie durch das Abheben der Düse vom Werkzeug nach der Nachdruckzeit.

=== Offene Düsen und Verschlussdüsen ===

[[Bild:offene Düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Nadelv.düse.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Schiebev.düse.jpg|left|300x300px]][[Bild:Quernadelv.düse.jpg|right|300x300px]]

Wenn es die Zähigkeit der Schmelze zulässt, wählt man meist eine '''offene Düse (Bild 1)'''. Die Druck- und Temperaturverluste sind wegen des glatten Kanals sehr gering. Außerdem ist die offene Düse leicht zu reinigen und zu spülen. Die Gefahr, dass Schmelze aus der Düse austreten kann, nimmt mit kleiner werdender Düsenbohrung (ca. 3- 8mm) ständig ab. Ist die Schmelze zu dünnflüssig, so müssen '''Verschlussdüsen''', z.B. Schieberverschlussdüsen '''(Bild 2)''', oder Nadelverschlussdüsen '''(Bild3)''', vorgesehen werden. Sind sie so konstruiert, das die Düsenöffnung nach jedem Einspritzvorgang verschlossen und dadurch das Ausströmen der Masse verhindert wird.
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 (RD) bei Konvexdüsen etwas kleiner ist, als der Radius der Angießbuchse (RA), 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.

== '''Schließeinheit''' ==

Die Schließeinheit nimmt an der beweglichen und an der festen Werkzeugplatte die jeweiligen Formhälften auf. Das Öffnen, Schließen und Zuhalten des Werkzeuges wird durch ein Kniehebelssystem oder durch einen vollhydraulischen Antrieb ausgeführt '''(Bild1, Spritzgießmaschine beim Thema Spritzeinheit)'''.

=== Schließkraft – Zuhaltekraft ===

[[Bild:Schließkraft.jpg|left|300x300px]][[Bild:Durchbiegung.jpg|right|300x300px]][[Bild:Stützrollen.jpg|right|300x300px]]

[[Bild:Schwimmhäute.jpg|left|280x280px]]

Die '''Schließkraft''' Fs ist die Kraft, die die Säulen nach dem Schließvorgang beansprucht und dehnt sowie die beiden Formhälften zusammendrückt '''(Bild 1)'''. Beim Einspritzen der Formmasse entsteht durch den Werkzeuginnendruck pw eine Auftriebskraft FA (FA= pw * A), die eine weitere Zugbeanspruchung und Dehnung der Säulen verursacht. Die Summe der Kräfte, die die Säulen beim Einspritzvorgang insgesamt belasten, wird als '''Zuhaltekraft''' Fz bezeichnet. Sie ist stets größer als die Schließkraft, und sie ist von der Steifigkeit der Maschine und des Werkzeuges abhängig.

Ist die '''Auftriebskraft''' größer als die Zuhaltekraft, so wird die Anlage zwischen den beiden Werkzeughälften aufgehoben und es tritt Schmelze zwischen den beiden Formhälften aus, die zur '''Grat'''- oder '''Schwimmhautbildung''' führt '''(Bild 2)'''. Diesen Vorgang nennt man auch '''Überspritzung''' oder '''Überladung'''.
Die '''Zuhaltekraft''' sollte trotzdem so klein wie möglich eingestellt werden, um auch einer Durchbiegung bei den Formnesttragenden Werkzeugplatten vorzubeugen. Diese '''Durchbiegung''' entsteht dadurch, dass beim Einspritzen der Werkzeuginnendruck versucht, die beiden Formhälften überwiegend im Bereich der Formhohlräume auseinander zu drücken, während die Zuhaltekräfte nur im Bereich der direkten Kraftübertragung wirken (Bild 1). Die Durchbiegung ist besonders groß bei geringer Steifigkeit der Platten und um die Bereiche gegenüber der düsenseitigen Zentrierbohrung und vor allem gegenüber dem Auswerfersystem '''(Bild 3)'''.
Die Durchbiegung führt zur Gratbildung und u.U. dazu, dass nicht der größtmögliche Einspritzdruck gewählt werden kann. Abhilfe kann dadurch geschaffen werden, dass zusätzliche Stützrollen vorgesehen werden, die mit einem Übermaß von 0,03mm … 0,05mm gegenüber den äußeren Abstützungen eingebaut werden '''(Bild 4)'''.
Auch wegen der beim Einspritzen erforderlichen Entlüftung der Werkzeughöhlung über die Berührungsflächen der beiden Formhälften sollte die Schließkraft so niedrig wie möglich sein.

== '''Gestalten von Spritzgießteilen''' ==

=== Maßtoleranzen bei Spritzgießteilen ===

[[Bild:Maßarten.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle1 Ermittlung.jpg|right|300x300px]]

Die erzielbaren Toleranzen sind größtenteils abhängig von der Schwindung, den Formmassen und der Art der Maße, wobei natürlich auch die Qualität der Spritzgießmaschine und des Werkzeuges eine Rolle spielen.

So lassen sich mit amorphen Formmassen kleinere Toleranzen leichter einhalten als mit teilkristallinen. '''Werkzeuggebundene''' Maße lassen sich genauer herstellen als '''nicht werkzeuggebundene''' Maße '''(Bild 1)'''.

DIN 16 901 bildet bei der Festlegung der Toleranzen zuerst Toleranzgruppen in Abhängigkeit der Formmassen und Schwindungskennwerte (siehe Tabellenbuch). Bezogen auf diese Toleranzgruppen und die festgelegte Maßart werden dann den verschiedenen Nennmaßbereichen die zulässigen Abweichungen zugeordnet.

Die Ermittlung der Allgemeintoleranz für das werkzeuggebundene Maß a im Bild 1, das 35mm betragen soll, zeigt die Tabelle 1.

=== Richtlinien zur Gestaltung von Spritzgießteilen (VDI 2006) ===

[[Bild:Mindetwanddicke.jpg|left|300x300px]][[Bild:Gestaltungsbeispiele.jpg|right|300x300px]]

Die Wanddicken müssen groß genug sein, damit die Formmasse das Werkzeug sicher füllen kann, ehe sie zu stark abkühlt oder ausgehärtet ist. Deshalb ist die '''Mindestwanddicke''' in Abhängigkeit vom '''Fließweg''' im Werkzeug und der Fließfähigkeit der Formmasse zu wählen '''(Bild 2)''' und Bild 2: Werkzeuginnendruck für einfache Teile beim Thema Druckverlauf).

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)'''.

[[Bild:Neigung.jpg|left|300x300px]][[Bild:Tabelle rautiefe.jpg|right|300x300px]][[Bild:Verzug.jpg|right|300x300px]]
[[Bild:Winkelverzug.jpg|left|300x300px]]

Um das Spritzgießteil leicht und schnell aus der Form entfernen zu können, müssen alle Flächen des Werkstückes, die in Öffnungsrichtung der Form liegen, eine leichte '''Neigung''' erhalten '''(Bild 1)'''. Zusätzlich muss sichergestellt sein, dass das Spritzgießteil beim Öffnen der Form von der schließseitigen Formhälfte mitgenommen und von der Auswerfervorrichtung entfernt wird. Weiterhin hängen die Entformungsschrägen speziell bei strukturierten Oberflächen von der Oberflächenrauigkeit der abzubildenden Kavitäten ab. Die Struktur kann aufgrund ihrer Tiefe wie eine Verzahnung zwischen Formteil und Werkzeugoberfläche wirken und somit die Entformung erschweren. Die Lage der Strukturrichtung parallel oder senkrecht zur Entformungsrichtung und die Materialpaarung Stahl- Kunststoffmasse ist von entscheidender Bedeutung '''(Tabelle 1)'''.

Als einfache Näherungs sollte für eine Strukturtiefe von 0,02mm pro 1° Entformungsschrägen bei senkrechter Lage zur Entformungsrichtung nicht überschritten werden. Scharfe Ecken und Kanten können beim Einspritzvorgang des Kunststoffmaterials so stark scheren, dass es zu einer thermischen Schädigung des Kunststoffes kommen kann.

Eine Abrundung bei Umlenkungen wirkt nicht nur der Scherung entgegen, sondern auch dem '''Winkelverzug''' und der Kerbwirkung im Eckbereich. Der mögliche Verzug des Formteils wird in '''(Bild 2)''' dargestellt. Da die dünnen Formteilbereiche schneller abkühlen, werden sie durch die Schrumpfkraft der dickeren verformt.

In '''Bild 3''' kann das Volumenelement '''a''' seine Erstarrungswärme nur stark verzögert an das Werkzeug abgeben. Volumenelement '''b''' kühlt dagegen rascher ab, da es an zwei Seiten an das Werkzeug grenzt. Es entsteht ein '''Winkelverzug'''. Diesem kann durch Abrunden und durch verringerung der Wandstärke im Eckbereich entgegengewirkt werden.

== '''Schwindung''' ==

[[Bild:Tabelle1 Anhaltsw.jpg|left|600x600px]]

Bei der Festlegung des Formhohlraumes müssen die Schwindung und evtl. die Nachschwindung berücksichtigt werden.

Unter Schwindung versteht man die Maßänderung von Werkstücken durch das Zusammenziehen des Werkstoffes beim Abkühlen als Maßunterschied zwischen Werkzeugkavität und Formteil. Bei der Erfassung dieser Schwindung '''(Tabelle 1)''' kommt erschwerend hinzu, dass die Schwindungsdifferenz sowie die Nachschwindung berücksichtigt werden müssen.

Eine '''Schwindungsdifferenz''' tritt dann auf, wenn die Schwindungen in Fließrichtung und quer dazu unterschiedlich groß sind. Der Unterschied zwischen Längs- und Querschwindung ist die Schwindungsdifferenz. Bei einer größeren Schwindungsdifferenz kann dies zu Verwindungen oder zum Verzug des spritzgegossenen Formteils führen.

Die Formteilgeometrie und die Angusslage können Molekülorientierungen hervorrufen, wodurch die Schwindungsdifferenz beeinflusst werden kann. Durch die Verwendung von Füllstoffen kann die Schwindung vermindert werden. Bei faserigen Verstärkungsstoffen kann durch die Faserorientierung im Bauteil eine sehr große Schwindungsdifferenz entstehen. Die Temperaturdifferenz während der Verarbeitung und der Gebrauchstemperatur des Formteils ergibt eine vernachlässigbare Längenänderung der Glasfasern. Sind nun Glasfasern in einem Formteil durch den Materialfluss während des Füllvorganges stark orientiert, schwindet das Formteil quer zur Faser wesentlich stärker als längs dazu. Werden zum Beispiel Glaskugeln zugemischt, wird insgesamt eine geringere Schwindung beobachtet.

Die '''Nachschwindung''' ist der Unterschied zwischen dem Maß eines auf Raumtemperatur abgekühlten Spritzgießteils und dem Maß desselben Spritzgießteils nach der Einwirkung einer bestimmten Temperatur. Sie verursacht eine Nachkristallisation und kann während des Gebrauches oder auch gezielt durch Tempern eingebracht werden. Durch die Naschwindungen werden die Fertigteilabmessungen nochmals kleiner.

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.

== '''Aufbau von Spritzgießwerkzeugen''' ==

[[Bild:Spritzgießwerkzeug.jpg|900x600px]]

=== Einleitung der Spritzgießwerkzeuge ===

[[Bild:Tabell1 Einleitung.jpg|left|400x300px]]

Die Vielzahl der Unterschiedlichen Spritzgießanwendungen erfordert verschiedene Werkzeugarten. Sie werden nach Anzahl der Formhohlräume, nach Art des Angusssystems, nach Anzahl der Trennebenen und nach Art der Entformung unterschieden. Die unterschiedlichen Verarbeitungsmöglichkeiten im Spritzgießbereich führen zu einer Vielzahl von Sonderverfahren, welche nicht alle in der Übersicht '''(Tabelle 1)''' aufgeführt werden können.

== '''Angusssysteme''' ==

[[Bild:Angusssystem.jpg|left|300x300px]]

Der Anguss ist ein System von Strömungswegen, in denen die fließfähige Formmasse von der Düse der Spritzeinheit zur Formhöhlung (Kavität) fließt.

Dieses System kann aus dem Angusskegel, den Verteilerkanälen, der sog. Angussspinne und dem Anschnitt bestehen '''(Bild 1)'''. Bei Einfachwerkzeugen können sich die Strömungswege auf eine kegelige Bohrung beschränken, die direkt in die Formhöhlung mündet. Die Stelle, an der der Anguss in die Formhöhlung eintritt, nennt man den '''Anschnitt'''.
Den Zeitpunkt nach dem der Anschnitt „eingefroren“ (d.h. erstarrt) ist und somit der Nachdruck nicht mehr wirken kann, nennt man '''Siegelpunkt'''. Ein längeres Nachdrücken über diesen Zeitpunkt hinaus ist unnötig.

Der Zeitpunkt des Erstarrens kann durch eine Innendruckmessung oder durch das Bestimmen der Formteilmasse ermittelt werden. Das maximale Formteilgewicht ist erreicht, wenn der Anschnitt eingefroren ist.

Der Anguss ist so zu gestalten, dass die flüssige Masse möglichst auf kürzestem Wege, mit geringstem Wärme- und Druckverlust die Kavitäten gleichzeitig füllt. Die Querschnitte der Strömungswege müssen so bemessen sein, dass eine gleichmäßige Füllung des Angusssystems sowie der Formhöhlung erreicht wird.

=== Angussformen ===

Die Angussform ist so zu wählen, dass für den speziellen Fall die bereits erwähnten Forderungen erfüllt werden können. Außerdem müssen noch folgende Einflussgrößen berücksichtigt werden.

* Formteilgeometrie und Formteilvolumen
* Viskosität der Formmasse
* Art des Spritzgießwerkzeuges
* Fließweglänge

=== Stangen- oder Kegelanguss ===

[[Bild:Stangen& P.Anguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Stangenanguss.jpg|right|300x300px]]

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.

=== Punktanguss ===

[[Bild:Punktanguss.jpg|left|300x300px]][[Bild:Vergr. Vorkammer.jpg|right|300x300px]]

Beim Entformen reißt der Punktanguss am kleinsten Querschnitt ab und bleibt als Angusszäpfchen am Spritzgießteil '''(Bild 2b zum Thema Stangen und Punktanguss''' und '''Bild 4 Punktanguss mit Vorkammer)'''. Es entsteht dadurch keine Nacharbeit und keine optisch störende Bearbeitungsfläche wie beim Stangenanguss. Außerdem muss der Anguss, also die Formmasse, in der Vorkammer nicht entformt werden.

Der Punktanguss wird besonders für kleinteile und Massenartikel in Einfach- und Mehrfachwerkzeugen vorgesehen, sowie für Mehrfachangüsse bei einem größeren Formteil. Dann muss zum Entformen des Angussverteilers mit einem Dreiplattenwerkzeug gearbeitet werden.

Je kleiner die Bohrung des Punktangusses ist, desto leichter geht das Abreißen vor sich. Dabei ist jedoch neben der Wanddicke die Zähflüssigkeit (Viskosität) der Schmelze, sowie die Temperatur zu beachten.

[[Bild:Vork. mit v. Düsens..jpg|left|300x300px]][[Bild:Vork. m. beh. K-B.sp.jpg|right|300x300px]]

Kann die Formhöhlung durch den kleinen Punktanguss nicht mehr schnell genug gefüllt werden, so kühlt die Schmelze in der '''Vorkammer''' vorzeitig ab, so dass sie unter Umständen von Hand entfernt werden muss.

Deshalb wird die Vorkammer etwas vergrößert, so das die an der Innenwandung haftende abgekühlte Masse als Isolator wirkt '''(Bild 1)'''.

Der Kern der Schmelze, die sog. Plastische Seele, bleibt im Angussbereich flüssig. Die Verweildauer der Schmelze in der Vorkammer sollte aber nicht zu lang sein. Kurze Zyklen, d. h. mehrmaliges Einspritzen pro Minute, sind für das Funktionieren des Systems notwendig.

Ist die Spritzhäufigkeit nicht möglich, so wird eine Kupfer- Beryllium- Spitze in die Vorkammer eingeführt. Der Raum zwischen Kupferspitze und Innenwandung der Vorkammer füllt sich mit erkalteter Masse, die dann als Isolierung wirkt. Die Kupferspitze nimmt über die Düse genügend wärme auf, um die Masse im inneren flüssig zu halten '''(Bild 2)'''.

Eine weitere Möglichkeit, die Abkühlung der Formmasse zu verhindern, besteht darin, die Vorkammer durch spezielle Heizpatronen zu erwärmen '''(Bild 3)'''.

=== Teller- und Scheibenanguss ===

[[Bild:Telleranguss.jpg|left|300x300px]]

Teller- und Scheibenangüsse werden für ringförmige Spritzgießteile vorgesehen '''(Bild 1a)'''. Würde man hier mit einem Punktanguss oder mit zwei Anbindungen arbeiten, so entstünde eine '''Binde-''' und '''Fließnaht (Bild 1b)'''. Sie entsteht, wenn zwei Masseströme sich aufgrund vorzeitiger Abkühlung nicht mehr miteinander verbinden. Je kälter die zusammentreffenden Masseströme sind, desto sichtbarer sind die Bindenähte und umso geringer ist die Festigkeit. Bindenähte entstehen auch, wenn sich Masseströme an einem Kern teilen und sich wieder miteinander verbinden müssen.

Diese Qualitätsminderung kann z.B. durch die Erhöhung der Werkzeugtemperatur teilweise reduziert werden. Mit einer Zykluszeiterhöhung ist zu rechnen.

=== Schirmanguss ===

[[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)'''.

=== Ringanguss ===

[[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.

=== Film- oder Bandanguss ===

Flache teile schneidet man zweckmäßigerweise über ein seitliches oder zentrales Band, dem Filmanguss, an. Dadurch lassen sich, wie bei einem Einzelpunktanguss, ungünstige Fließverhältnisse, oder wie bei Mehrfachpunktangüssen, störende Bindenähte vermeiden '''(Bild 2c)'''.

Ebenso lässt sich die Verzugsneigung durch gleichmäßige Druckverhältnisse positiv beeinflussen.
Eine weitere Anwendung ist deshalb die Herstellung optischer Formteile, wie durchsichtige Abdeckungen und optische Linsen.

Filmanschnitte erfordern eine Nacharbeit durch abtrennen des Angusses.

=== Tunnelanguss ===

[[Bild:Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Beim Tunnelanguss wird das Spritzgießteil seitlich oder an den verdeckten Flächen oder an anderen problemlosen Stellen angespritzt und automatisch beim öffnen der Formhälften, oder beim Ausstoßen vom Angusssystem, getrennt (Bild 1).

Der Verteilerkanal führt entlang der Trennfläche nicht direkt in die Formhöhlung, sondern er geht kurz zuvor schräg als konischer Tunnel durch die düsenseitige Werkzeughälfte in den Formhohlraum.
Wird die schließseitige Formhälfte zurückgezogen, so müssen das Spritzgießteil und das Angießsystem mitgenommen werden. Dabei wird der Tunnelanguss am Anschnitt durch eine Schneidkante abgeschert '''(Bild 1)'''.

Das Mitnehmen des Formteils muss durch Aufschrumpfen auf den Kern geschehen, und die des Angusses durch einen eingearbeiteten Hinterschnitt.

Anschließend wird das Spritzgießteil und das Angießsystem durch die Auswerfer entformt.

Wird ein Tunnelanguss vorgesehen, so muss beachtet werden, dass sich der vom Formteil getrennte Anguss beim öffnen der Werkzeughälften ausreichend biegen muss. Damit der Anguss nicht bricht, muss er eine ausreichende Konizität haben und frei biegbar sein, möglichst mit einem definierten Biegepunkt.

Die Formmasse sollte zähelastisch oder beim Entformen noch nicht vollständig erstarrt sein. Nur dann arbeitet das System störungsfrei. Da beim Tunnelanguss die Druckverluste hoch sind, wird er überwiegend zu Herstellung einfacher und kleiner Spritzgießteile in Mehrfachwerkzeugen verwendet.

=== Gebogener Tunnelanguss ===

[[Bild:geb. Tunnelanguss.jpg|left|300x300px]]

Der gebogene Tunnelanguss, auch Haken- oder Säbelanguss genannt '''(Bild 2)''', bietet die Möglichkeit ein Spritzgießteil auf der Rückseite oder an verdeckter Stelle anzubinden.

Das Entformungsprinzip entspricht dem des Tunnelangusses. Die Verwendung ist auf elastische Formmassen beschrängt. Die große Durchbiegung bei der Entformung erfolgt während der Ausstoßbewegung.

Durch den geringen Fließquerschnitt im Anschnittbereich entstehen große Druckverluste. Dadurch ist dieses Angusssystem nur für einfache Artikel verwendbar.

=== Angießmöglichkeiten für Mehrfachwerkzeuge ===

[[Bild:Verteilersterne.jpg|left|300x300px]][[Bild:Reihenanguss.jpg|right|300x300px]]

In einem Mehrfachwerkzeug werden in einem Spritzvorgang mehrere Spritzgießteile gleichzeitig hergestellt. Liegen die Formhöhlungen, auch Formnester genannt, in der Trennfläche, so werden diese über Verteilerkanäle mit Schmelze versorgt '''(Bild 1)'''.

Liegen die Formhöhlungen zentrisch um den Mittelpunkt des Angusskegels, so nennt man das System der Verteilerkanäle '''Verteilersterne'''. Bei den Verteilersternen in '''Bild 1a''' sind die Fließwege der Formmassen gleich lang. Der Vorteil des Verteilersterns mit Ringkanal in '''Bild 1b''' liegt darin, dass die Gesamtlänge der Verteilerkanäle kürzer ist. Beim '''Reihenanguss''' '''(Bild 2)''' sind die Fließwege unterschiedlich lang, was zu einer geringeren Qualität des Spritzgießteils führen kann. Bild 2 zeigt ein Beispiel für eine ungleichmäßige Füllung der Formhohlräume. Diesen Nachteil kann man durch unterschiedliche Anschnittquerschnitte ausgleichen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der größeren Anzahl der gleichzeitig herstellbaren Spritzgießteile.

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.

=== Verteilerkanal- und Anschnittform ===

[[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.

Beim runden Anschnitt ist die Einarbeitung ebenfalls in beide Formhälften notwendig. Wird der rechteckige Querschnitt gewählt, so muss darauf geachtet werden, dass die Breite des Anschnittes ungefähr 2mm kleiner als der Verteilerkanal ist (Bild 3).

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''' ==

=== Dreiplattenwerkzeug ===

[[Bild:Dreiplattenwerkz.jpg|left|300x300px]]

Höhere Spritzgiezteile werden deshalb vom Boden her zentral angespritzt. 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.

=== Isolierkanalwerkzeug ===

[[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.

=== Etagenwerkzeug ===

[[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.

=== Heißkanalsysteme ===

[[Bild:Heißkanalwerkzeug.jpg|left|300x300px]]

Im Heißkanalsystem '''(Bild 1)''' wird die in den Verteilerkanälen enthaltene Masse durch Heizpatronen oder/ und Rohrheizkörper '''(Bild 2)''' ständig auf Schmelztemperatur gehalten. Um einen Wärmeübergang vom Heißkanalbereich auf das wesentlich kühlere Werkzeug zu meiden, müssen die Kontaktflächen minimiert, ein isolierend wirkender Luftspalt sowie Reflektorbleche vorgesehen werden. Thermofühler in verbindung mit einem Regelkreis sorgen für eine möglichst gleichmäßige Temperatur im Angießsystem.

Es werden außen- und innenbeheizte Heißkanalsysteme unterschieden.

'''Außenbeheizte''' Heißkanalsysteme transportieren Wärmeenergie von außen in den Verteilerkanal (Bild 2a).

'''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
* Anspritzpunkte in großer Entfernung von der Plastifiziereinheit realisierbar
* keine Nacharbeit zum Entfernen des Angusses
* Etagenwerkzeuge nur mit Heißkanalsystemen möglich

Die '''Nachteile''' von Heizkanalwerkzeugen sind:
* hohe Energiekosten
* größere Werkzeugeinbauhöhe
* höhere Werkzeugkosten
* Farb- und Materialwechsel schwierig

'''Anwendung''':
* Großserienwerkzeuge, große Losgrößen
* große Formteile mit mehreren Anspritzpunkten

== '''Sonstiges''' ==

Zur Vollständigkeit einer Spritzgießanlage müssen noch folgende Punkte genannt werden:
* die Werkzeugtemperierung, sie regelt die Wärme zu- und abführ (Kühlssystem)
* Serielle Anordnung des Kühlkreislaufes
* Parallele Anordnung des Kühlkreislaufes
* Entformungssysteme (Auswerfeinrichtungen), sie stoßen das Werkstück aus
* Auswerfsysteme bei Hinterschneidungen (äußere und innere Hinterschneidungen)
* Bewegliche Kernsegmente
* Elastische Zwangsentformung
* Zusammenfaltbarer Kern
* Entformung durch Rotation des Formteils
* Werkzeugentlüftung, um die Formen schnell genug zu füllen.

== '''Quellen''' ==

# Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Verlag, 53. Auflage
# Der Werkzeugbau, Europa Lehrmittel Verlag, 13. Auflage

[[Kategorie:Fertigungstechnik]]