Spritzgussverfahren für Plastikflaschen

Spritzgussverfahren: die Kerntechnologie des thermoplastischen Formens

Das Spritzgussverfahren ist eine effiziente Formtechnologie, mit der thermoplastische Materialien mithilfe von Formen zu verschiedenen Produkten verarbeitet werden. Dank der Vorteile hoher Automatisierung, schneller Produktionseffizienz und hoher Produktgenauigkeit hat es sich zu einem der am weitesten verbreiteten Verfahren in der modernen Kunststoffverarbeitung entwickelt. Von alltäglichem Kunststoffgeschirr und Handyhüllen bis hin zu Präzisionsautoteilen und medizinischen Geräten – die Spritzgusstechnologie unterstützt mit ihrer hohen Anpassungsfähigkeit und Flexibilität die Produktherstellung in vielen Branchen und nimmt in der Materialwissenschaft und der industriellen Produktion eine unersetzliche Position ein.

1. Prozessprinzipien und Kernelemente

Das Kernprinzip des Spritzgussverfahrens ist der zyklische Prozess des Schmelzens, Fließens und Erstarrens: Feste Kunststoffpartikel werden erhitzt und zu einer fließenden, dynamischen Schmelze geschmolzen, die unter Druck in eine geschlossene Formkavität gespritzt wird. Nach dem Abkühlen und Erstarren in der Kavität bildet die Schmelze ein Produkt, das der Form der Kavität entspricht. Dieser Prozess wird durch die synergetische Wirkung der drei Kernelemente Rohstoffe, Spritzgussausrüstung und Formen erreicht.

Anforderungen an die Rohstoffeigenschaften

Das Spritzgussverfahren stellt besondere Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Rohstoffe (Thermoplaste), was sich direkt auf die Qualität und Effizienz des Spritzgusses auswirkt. Die Schmelzflussrate (MFR) ist ein wichtiger Indikator für die Fließfähigkeit der Kunststoffschmelze. Eine zu hohe MFR kann zu starker Schrumpfung und instabiler Produktgröße führen. Ist sie zu niedrig, verschlechtert sich die Fließfähigkeit, was zu Materialmangel und unzureichender Füllung führen kann. Der geeignete MFR-Kunststoff muss entsprechend der Komplexität des Produkts ausgewählt werden, z. B. hochfließfähiges PP und ABS für Präzisionsteile und hochfestes PC und PA für Strukturteile.

Die thermische Stabilität von Kunststoffen ist ebenso wichtig. Sie müssen der Heiztemperatur des Materialbehälters (üblicherweise 150–350 °C) standhalten, ohne dass sie sich zersetzen, da sonst Verfärbungen auftreten und die mechanischen Eigenschaften des Produkts nachlassen. Daher ist es vor der Verarbeitung wichtig, die thermische Zersetzungstemperatur des Kunststoffs zu überprüfen. Beispielsweise muss PVC ein Wärmestabilisator zugesetzt werden, um Zersetzung zu verhindern. Darüber hinaus muss die Schrumpfrate des Kunststoffs (der Anteil der Abkühlungsschrumpfung nach dem Formen) an die Formgestaltung angepasst werden. Verschiedene Kunststoffe weisen erhebliche Unterschiede in der Schrumpfrate auf (z. B. PE-Schrumpfrate von 1,5–3 %, PC-Schrumpfrate von 0,5–0,7 %). Um die Maßgenauigkeit des Produkts zu gewährleisten, muss die Form einen Schrumpfungsspielraum aufweisen.

Zu den gängigen Spritzgusskunststoffen gehören allgemeine Kunststoffe (PP, PE, ABS, PS), technische Kunststoffe (PC, PA, POM, PBT) und Spezialkunststoffe (PEEK, PI), die für Szenarien mit unterschiedlichen Anforderungen an Festigkeit, Temperaturbeständigkeit und chemische Beständigkeit geeignet sind.

Zusammensetzung der Spritzgussausrüstung

Die Spritzgießmaschine ist das Herzstück des Spritzgießprozesses und besteht aus vier Teilen: Einspritzsystem, Formspannsystem, hydraulischem Getriebe und elektrischer Steuerung. Das Einspritzsystem ist für das Schmelzen und Einspritzen des Kunststoffs verantwortlich und umfasst Trichter, Zylinder, Schnecke und Düse: Der Trichter speichert Kunststoffpartikel, die durch die Schwerkraft in den Zylinder fallen. Wickeln Sie einen Heizring um die Außenseite des Materialzylinders, um den Kunststoff zu erhitzen, bis er geschmolzen ist. Die Schnecke übernimmt durch Rotation und axiale Bewegung den Transport, die Verdichtung und die Plastifizierung (Schmelzmischung) des Kunststoffs. Die plastifizierte Schmelze wird durch eine Düse in die Form eingespritzt.

Das Formspannsystem ermöglicht das Öffnen, Schließen und Verriegeln der Form. Es besteht aus einer festen und einer beweglichen Schablone, einer Zugstange und einem Spannzylinder. Die Spannkraft muss dem Einspritzdruck und der projizierten Produktfläche entsprechen, um ein Aufweiten der Form und damit die Bildung von Graten beim Einspritzen zu verhindern. Die Formel zur Berechnung der Spannkraft lautet: Spannkraft (kN) = projizierte Produktfläche (cm²) x Einspritzdruck (MPa) x Sicherheitsfaktor (1,2–1,5).

Das hydraulische Getriebesystem sorgt für die Kraftübertragung beim Einspritzen und Schließen der Form und steuert Geschwindigkeit und Druck der Bewegung jedes Bauteils. Das elektrische Steuerungssystem (SPS + Touchscreen) steuert die Prozessparameter (Temperatur, Druck, Zeit) präzise und ermöglicht so eine automatisierte Produktion. Hochwertige Spritzgussmaschinen sind zudem mit Servomotoren ausgestattet, die eine Energieeinsparung von über 30 % ermöglichen.

Wichtige Punkte der Formenkonstruktion

Die Form ist der Schlüssel zur Bestimmung der Form und Qualität des Produkts. Sie besteht aus Hohlraum, Kern, Gießsystem, Kühlsystem und Auswurfsystem. Die durch Hohlraum und Kern gebildeten Außen- und Innenflächen des Produkts bestehen meist aus Formstahl (z. B. P20, 718H), der abgeschreckt und poliert werden muss, um Oberflächenglätte und Verschleißfestigkeit zu gewährleisten.

Das Gießsystem führt das geschmolzene Material von der Düse in den Formhohlraum ein, einschließlich Hauptkanal, Umleitungskanal und Anguss: Der Hauptkanal verbindet Düse und Umleitungskanal und muss eine Verjüngung (2°–5°) aufweisen, um das Entformen zu erleichtern. Der Umleitungskanal verteilt die Schmelze auf mehrere Hohlräume. Der Anguss ist der letzte Kanal, durch den die Schmelze in den Formhohlraum gelangt. Er ist klein (normalerweise 0,5–2 mm), was das Schneiden der Schmelze und das Trennen des Produkts erleichtert. Gängige Angusstypen sind Seiten-, Punkt- und verdeckte Angussarten, die entsprechend der Produktform ausgewählt werden müssen.

Das Kühlsystem führt die Wärme der Schmelze durch zirkulierendes Wasser ab und beschleunigt so die Erstarrung des Produkts. Der Kühlwasserkanal muss nahe der Oberfläche des Formhohlraums (15–25 mm entfernt) liegen, um eine gleichmäßige Kühlung zu gewährleisten. Die Abkühlzeit macht 50–70 % des Formzyklus aus und wirkt sich direkt auf die Produktionseffizienz aus. Das Auswerfersystem (Auswerferstift, Deckplatte, Auswerferrohr) drückt das Produkt nach dem Abkühlen aus der Form, um Verformungen oder Kratzer zu vermeiden.

2. Prozessablauf und Schlüsselparameter

Der Spritzgussprozess ist ein kontinuierlicher Zyklus, und die Parametersteuerung jedes Glieds wirkt sich direkt auf die Produktqualität aus. Der gesamte Prozess umfasst drei Phasen: Rohstoffaufbereitung, Spritzguss und Nachbearbeitung.

Phase der Rohstoffaufbereitung

Die Rohstoffe müssen vorbehandelt und getrocknet werden: Die Vorbehandlung umfasst das Sieben (Entfernen von Verunreinigungen) und Mischen (Hinzufügen von Farbmasterbatch und Additiven im richtigen Verhältnis), um die Einheitlichkeit der Rohstoffe zu gewährleisten. Die Trocknung ist für hygroskopische Kunststoffe (wie PA, PC, PBT) gedacht, die dazu neigen, Feuchtigkeit aus der Luft aufzunehmen und beim Schmelzen Defekte wie Blasen und Silberdrähte bilden können. Es ist notwendig, eine Trocknungsmaschine (Heißlufttrocknung oder Entfeuchtungstrocknung) zu verwenden, um den Feuchtigkeitsgehalt auf unter 0,02–0,05 % zu senken. Die Trocknungsparameter variieren je nach Kunststoff (z. B. PC-Trocknungstemperatur von 120 °C für 4–6 Stunden; Trocknungstemperatur von PA6 beträgt 80–90 °C für 4 Stunden).

Spritzgussphase

Dies ist der Kern des Prozesses, der aus fünf Schritten besteht: Plastifizieren, Einspritzen, Druckhalten, Kühlen sowie Öffnen und Entformen. Plastifizieren: Durch die Rotation der Schnecke werden Kunststoffpartikel vorwärts transportiert und durch die Erwärmung des Zylinders und die Scherkräfte der Schnecke zu einer gleichmäßigen Schmelze geschmolzen. Die Qualität der Plastifizierung hängt von der Zylindertemperatur, der Schneckendrehzahl und dem Gegendruck (Gegendruck während der Schneckenrotation) ab. Ein zu hoher Gegendruck verlängert die Plastifizierungszeit, ein zu niedriger führt zu einer ungleichmäßigen Plastifizierung.

Einspritzen: Die Schnecke bewegt sich schnell vorwärts, um die Schmelze mit hohem Druck und hoher Geschwindigkeit in den Formhohlraum einzuspritzen. Der Einspritzdruck beträgt üblicherweise 50–150 MPa und die Geschwindigkeit 30–150 mm/s. Die Anpassung erfolgt je nach Dicke und Komplexität des Produkts: Dünnwandige Produkte erfordern hohen Druck und hohe Geschwindigkeit (um die Abkühlung der Schmelze zu reduzieren), dickwandige Produkte niedrigen Druck und niedrige Geschwindigkeit (um ein Überlaufen zu verhindern).

Druckhaltung: Nachdem die Schmelze den Formhohlraum gefüllt hat, hält die Schnecke einen bestimmten Druck aufrecht, um das Material in den Hohlraum nachzufüllen und so die Abkühlungsschrumpfung der Schmelze auszugleichen. Die Druckhaltung beträgt üblicherweise 60–80 % des Einspritzdrucks. Die Haltezeit richtet sich nach der Produktdicke (bei dickwandigen Produkten ist eine längere Haltezeit erforderlich). Unzureichende Haltezeit kann zu Produkteindrücken und einer geringeren Größe führen.

Abkühlen: Nach Abschluss des Druckhaltens senkt das Formkühlsystem die Temperatur des Produkts unter die thermische Verformungstemperatur, sodass es erstarren und seine Form annehmen kann. Die Berechnungsformel für die Abkühlzeit lautet: Abkühlzeit (s) = (maximale Wandstärke des Produkts (mm))² × Materialkoeffizient. Verschiedene Kunststoffkoeffizienten sind unterschiedlich (z. B. PE-Koeffizient 0,8, PC-Koeffizient 1,2).

Öffnen und Entformen der Form: Nach dem Abkühlen bewegt das Schließsystem die bewegliche Schablone zurück und öffnet die Form. Das Entformungssystem entformt das Produkt langsam und gleichmäßig, um Verformungen oder Weißwerden des Produkts zu verhindern.

Nachbearbeitungsphase

Einige Produkte erfordern eine Nachbearbeitung, um die Leistung zu verbessern: Entfernen von überschüssigem Material vom Anguss und der Trennfläche durch Entfernen von Graten; Eine Glühbehandlung (z. B. das Halten von PC-Produkten in einem 120 °C heißen Ofen für 2 Stunden) beseitigt innere Spannungen und verhindert Produktrisse; Eine Oberflächenbehandlung (Spritzlackierung, Galvanisierung, Siebdruck) verbessert Aussehen und Funktionalität; Bei Produkten in Lebensmittelqualität sind Reinigung und Desinfektion erforderlich, um Ölflecken und Verunreinigungen zu entfernen.

3. Qualitätskontrolle und häufige Probleme

Die Qualität von Spritzgussprodukten muss unter drei Gesichtspunkten kontrolliert werden: Aussehen, Größe und mechanische Eigenschaften. Häufige Mängel müssen durch Parameteroptimierung während der Produktion behoben werden.

Indikatoren für die Qualitätsprüfung

Zu den Anforderungen an die optische Qualität gehört, dass keine Mängel wie Grate, fehlendes Material, Blasen, Silberdrähte, Schrumpfspuren, Kratzer usw. vorhanden sein dürfen. Dies kann durch visuelle oder automatisierte Sichtprüfung (mit einer Genauigkeit von 0,01 mm) sichergestellt werden. Die Maßgenauigkeit muss der Zeichnungstoleranz (z. B. ± 0,1 mm) entsprechen und wichtige Abmessungen sollten mit einem Koordinatenmessgerät oder einem Messschieber gemessen werden. Die mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit, Schlagfestigkeit) müssen den Nutzungsanforderungen entsprechen und die Leistungsstandards werden durch Probenahme und Prüfung von Rohstoffen und Fertigprodukten sichergestellt.

Häufige Mängel und Lösungen

Produktionsfehler werden oft durch Parameter oder Formprobleme verursacht und können entsprechend angepasst werden: Grate (überschüssiges Material am Rand des Produkts) müssen aufgrund unzureichender Formschließkraft oder hohen Einspritzdrucks erhöht oder verringert werden. Unzureichendes Material (Hohlraum nicht gefüllt) aufgrund schlechter Fließfähigkeit der Schmelze oder unzureichendem Einspritzvolumen erfordert eine Erhöhung der Temperatur des Materialzylinders, einen Anstieg des Einspritzdrucks oder eine Verlängerung der Haltezeit. Aufgrund unzureichender Trocknung der Rohstoffe oder des Einschlusses von Luft in die Schmelze müssen Blasen stärker getrocknet oder die Schneckendrehzahl reduziert werden (um Lufteinschlüsse zu verringern). Schrumpfungsspuren (Oberflächenvertiefungen) erfordern aufgrund unzureichenden Drucks oder ungleichmäßiger Kühlung eine Erhöhung des Haltedrucks oder eine Optimierung des Kühlwasserkanals. Verzugsverformungen werden durch übermäßige innere Spannungen verursacht und erfordern eine Reduzierung des Temperaturgradienten der Form oder eine Anpassung der Angussposition, um einen gleichmäßigen Schmelzfluss zu gewährleisten.

4. Anwendungsfelder und Entwicklungstrends

Das Spritzgussverfahren mit seinen Vorteilen hoher Effizienz und Präzision wird in zahlreichen Branchen weithin eingesetzt und mit dem technologischen Fortschritt immer intelligenter und umweltfreundlicher.

Hauptanwendungsgebiete

Die Verpackungsindustrie ist der größte Markt für Spritzgusstechnologie und produziert Flaschenverschlüsse, Behälter, Stülpschachteln usw. Beispielsweise werden für Mineralwasserflaschenverschlüsse PP-Spritzgussverfahren verwendet, um durch Gewindeformen eine Abdichtung zu gewährleisten. Die Automobilindustrie nutzt Spritzgussverfahren zur Herstellung von Innenteilen (Armaturenbrett, Türverkleidungen), Außenteilen (Stoßfänger) und Funktionsteilen (Steckverbindern) sowie technischen Kunststoffen (PC/ABS-Legierung) als Ersatz für Metalle zur Gewichtsreduzierung. Die Haushaltsgeräteindustrie produziert Gehäuse (Kühlschrankschubladen, Waschmaschinenschläuche) und Strukturkomponenten (Zahnräder, Halterungen), wobei ABS aufgrund seiner einfachen Einfärbbarkeit und mittleren Festigkeit zum gängigsten Material wird. Die Medizinindustrie nutzt medizinische Kunststoffe (PC, PP) im Spritzgussverfahren zur Herstellung von Spritzen, Gehäusen von Infusionssets und Komponenten für medizinische Geräte und benötigt dafür saubere Formen und ungiftige Rohstoffe. Die 3C-Industrie produziert Präzisionsteile wie Handygehäuse, Tastaturen, Steckverbinder usw. und benötigt dafür eine Maßtoleranz von ± 0,02 mm sowie hochpräzise Spritzgussmaschinen und -formen.

Technologische Entwicklungstrends

Intelligenz steht im Mittelpunkt. Spritzgussmaschinen sind mit Sensoren (Druck, Temperatur, Weg) und KI-Algorithmen ausgestattet, um den Schmelzzustand und die Produktqualität in Echtzeit zu überwachen. Durch adaptive Steuerung werden Parameter automatisch angepasst, um manuelle Eingriffe zu reduzieren und die Ausschussrate auf unter 0,5 % zu senken. Das industrielle Internet ermöglicht die Vernetzung von Geräten, die Fernüberwachung von Produktionsdaten und Energieverbrauch und verbessert die Managementeffizienz.

Beim Greening stehen Energieeinsparung, Verbrauchsreduzierung und Kreislaufwirtschaft im Mittelpunkt. Die Verbreitung von Spritzgussmaschinen mit Servomotor liegt bei über 80 % und der Energieverbrauch wurde um 30 % gesenkt. Die Spritzgusstechnologie für recycelte Kunststoffe ist ausgereift und durch Reinigung und Modifizierung können recycelte PP- und ABS-Produkte für Produkte verwendet werden, die nicht mit Lebensmitteln in Berührung kommen. Die Anwendung von Spritzgussverfahren für biobasierte Kunststoffe (PLA, PBAT) nimmt zu, wodurch die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen verringert wird.

Durchbruch in der Präzisions- und Spezialformtechnologie: Mikrospritzguss ermöglicht die Herstellung von Mikroprodukten mit einem Gewicht von weniger als 0,1 g (wie etwa medizinische Mikroteile) mit einer Genauigkeit von ± 0,001 mm. Beim gasunterstützten Spritzguss werden dickwandige Produkte durch Stickstoffeinspritzung hohl, wodurch Schrumpfungsspuren und Gewicht reduziert werden. Zweifarbiger/mehrfarbiger Spritzguss ermöglicht das einmalige Formen von Produkten aus mehreren Materialien oder mehreren Farben und verbessert so die Integration von Aussehen und Funktionalität.

Als Kerntechnologie der Kunststoffverarbeitung spiegelt das Spritzgussverfahren die kollaborative Innovation von Materialien, Anlagen und Formen wider. Von Alltagsgegenständen bis hin zu hochwertigen Industrieteilen unterstützt die Spritzgusstechnologie mit ihren effizienten und flexiblen Eigenschaften die Entwicklung der modernen Fertigungsindustrie. Mit der zunehmenden Verbreitung intelligenter und umweltfreundlicher Technologien wird das Spritzgussverfahren eine wichtigere Rolle in der Präzisionsproduktion und Ressourcenschonung spielen und die Fertigungsindustrie auf dem Weg zu höherer Qualität voranbringen.