081-Spritzgießen
Die Episode
Transkript
Es ist Zeit für ein wenig Fertigungstechnik. In dieser Folge möchte ich über das Fertigungsverfahren: Spritzgießen reden. Blickt doch mal kurz um euch herum, egal wo ihr gerade seid. Im Auto, im Büro oder auf der Couch. Ihr seht garantiert ein Smartphone-Gehäuse, eine Kaffeemaschine, Steckdosen oder vielleicht ein Spielzeug. Fast alle diese Gegenstände haben eines gemeinsam: Sie bestehen aus Kunststoff. Aber habt ihr euch mal gefragt, wie diese komplexen Formen überhaupt entstehen? Komplett nahtlos, präzise und in Millionenstückzahl? Die Antwort darauf lautet: Spritzgießen. Es ist das wohl bedeutendste Verfahren der modernen Kunststoffverarbeitung. Und genau dieses faszinierende Zusammenspiel aus Chemie, Physik und Maschinenbau schauen wir uns heute mal genauer an.
In der Fachliteratur wird das Spritzgießen als sogenanntes Urformverfahren definiert. Das bedeutet im Grunde: Wir starten mit einem formlosen Stoff und machen daraus einen festen Körper. Das Geniale daran ist der direkte Weg: Vom rohen Rohstoff zum fertigen Produkt braucht es im Idealfall nur einen einzigen Arbeitsschritt. Eine Nachbearbeitung ist meistens gar nicht nötig. An dieser Stelle ein kurzer Gruß an die treuen Hörer unter euch: Wer sich jetzt an unsere Episode 79 erinnert fühlt, liegt absolut richtig! Da haben wir ja über die verschiedenen Gießverfahren gesprochen – und das Spritzgießen schlägt genau in dieselbe Kerbe. Das macht das Verfahren extrem wirtschaftlich, erfordert aber einiges an Vorbereitung. Das Herzstück des Erfolgs liegt im Spritzgießwerkzeug – also der Form. Diese Formen werden mittels modernster CAD-Software konstruiert und hochpräzise aus massivem Stahl gefertigt. Weil diese Werkzeuge in der Herstellung extrem teuer sind, lohnt sich das Verfahren erst bei hohen Stückzahlen. Aber wenn die Produktion erst einmal läuft, sprechen wir von einer enormen Seriengenauigkeit. Ob das erste oder das millionste Teil – sie sind absolut identisch. Falls ihr euch jetzt fragt: „Mensch, ich brauche aber nur ein paar Prototypen oder eine kleine Stückzahl und keine Million“ – kein Problem! Hört dazu unbedingt noch mal in unsere Episode 65 rein. Da haben wir uns ja intensiv mit dem Vakuumgießen beschäftigt, was genau für solche kleinen Serien die perfekte Alternative ist.
Aber wie läuft das nun konkret in der Maschine ab? Man kann die Spritzgießmaschine im Wesentlichen in zwei Bereiche teilen: die Spritzeinheit und die Schließeinheit. Wenn wir uns den zyklischen Prozess als fließenden Kreislauf vorstellen, beginnt alles mit dem ersten großen Schritt, dem Plastifizieren und Einfärben. Am Einfülltrichter der Spritzeinheit wird das eigentliche Kunststoffmaterial angeliefert, das meist noch farblos oder naturfarben ist und als linsengroßes Basis-Granulat vorliegt. Damit das fertige Produkt später aber die gewünschte Farbe erhält, wird diesem Rohstoff direkt beim Einzug das sogenannte Masterbatch beigemischt. Das sind ebenfalls kleine Kunststoffkörnchen, die jedoch eine extrem hohe Konzentration an Farbpigmenten enthalten und haargenau dosiert werden. Dieses Gemisch fällt nun tiefer in einen beheizten Zylinder, in dem sich eine massive, rotierende Schnecke befindet. Durch die Drehung der Schnecke entsteht eine enorme Reibung, die das Material zusammen mit den äußeren Heizbändern komplett aufschmilzt, während sich die Farbpigmente des Masterbatches absolut gleichmäßig in der Masse verteilen, bis eine homogene, zähflüssige Schmelze entsteht. Sobald genügend flüssiges Material vorliegt, stoppt die Drehung der Schnecke und es folgt der zweite Schritt: das Einspritzen. Die Schnecke schießt nun wie ein Kolben nach vorne und presst den heißen, farbigen Kunststoff mit gewaltigem Druck – oft weit über 1.000 Bar – durch eine Düse direkt in das fest geschlossene Stahlwerkzeug. Da sich Kunststoff beim Abkühlen jedoch zusammenzieht, geht der Prozess direkt über in den dritten Schritt, das Nachdrücken und Kühlen . Hierbei bleibt die Schnecke für eine Weile vorne und hält einen sogenannten Nachdruck aufrecht. So wird noch etwas Material nachgeschoben, um den Volumenschwund auszugleichen und eine makellose Oberfläche zu garantieren. Währenddessen kühlt das Stahlwerkzeug über interne Kühlkanäle ab, wodurch der Kunststoff erstarrt und seine endgültige Form annimmt. Zuletzt folgt der vierte und finale Schritt des Zyklus: das Auswerfen. Die Schließeinheit öffnet das Werkzeug, mechanische Auswerferstifte drücken das fertige, bunte Bauteil heraus, und die Form schließt sich sofort wieder. Der gesamte Kreislauf beginnt von vorn – und das oft in Sekundenschnelle.
Welche Materialien kommen dabei zum Einsatz? Die absolute Hauptrolle spielen die Thermoplaste. Das sind Kunststoffe, die sich bei Hitze verflüssigen und beim Abkühlen wieder verfestigen. Das Spannende daran ist, dass dieser Prozess rein physikalisch ist. Man kann sich das vorstellen wie Schokolade: Sie schmilzt in der Sonne und wird im Kühlschrank wieder hart – und das kann man theoretisch beliebig oft wiederholen. Das macht Thermoplaste auch so interessant für das Recycling. Zwar lassen sich auch duroplastische Kunststoffe spritzen, aber diese reagieren chemisch und „vernetzen“ unumkehrbar beim Erhitzen – wie ein Kuchenteig, den man nach dem Backen auch nicht mehr verflüssigen kann. Der Löwenanteil unserer Alltagsgegenstände stammt jedoch aus dem Thermoplast-Spritzguss.
Wenn ihr also das nächste Mal eure Computer-Maus in die Hand nehmt, eine Plastikflasche öffnet oder im Auto sitzt: Denkt mal an die gewaltigen Kräfte, die Präzision und die ausgeklügelte Thermodynamik, die in diesen simplen Alltagsgegenständen stecken. Und daran, dass ein paar Körnchen Masterbatch dafür gesorgt haben, dass die Farbe genau stimmt.
geschrieben von Vuong Nguyen
gesprochen von Benjamin Remmers
