Das Spritzgießen ist für die Herstellung von Großserienteilen weit verbreitet, birgt aber auch einige Herausforderungen, wie z. B. hohe Einrichtungskosten und die Gefahr von Fehlern.

Zu den Nachteilen des Spritzgießens gehören hohe Werkzeugkosten, lange Vorlaufzeiten, Materialabfall und Einschränkungen bei komplexen Geometrien. Das Verfahren ist auch nicht ideal für die Produktion von Kleinserien.

Das Spritzgießen bietet zwar eine hohe Effizienz in der Massenproduktion, aber man muss auch seine Nachteile kennen, um zu entscheiden, wann es die richtige Wahl für Ihre Produktionsanforderungen ist.

Was ist Spritzgießen?

Spritzgießen ist ein weit verbreitetes Herstellungsverfahren, bei dem geschmolzener Kunststoff in Formen gespritzt wird, um komplexe Teile schnell und effizient herzustellen. Es ist ideal für die Produktion großer Mengen.

Spritzgießen ist ein Verfahren, bei dem geschmolzener Kunststoff in einen Formhohlraum gespritzt wird, um Teile zu formen. Es ist bekannt für hohe Effizienz, Präzision und die Fähigkeit, komplexe Formen mit minimalem Abfall herzustellen. Es wird in Branchen wie der Automobil-, Elektronik- und Medizintechnik eingesetzt.

Beim Spritzgießen nimmt man heißes, geschmolzenes Material und spritzt es in eine Form. Dann lässt man es abkühlen und aushärten. Und so funktioniert es: Du nimmst kleine Kunststoffpellets oder -pulver und gibst sie in den Trichter der Spritzgießmaschine. Die Maschine heizt sie auf und schmilzt sie zu einer Flüssigkeit.

Dann spritzt sie die Flüssigkeit durch eine Düse am Ende der Maschine in eine kalte, geschlossene Form. Die Form kühlt die Flüssigkeit ab und macht sie hart. Wenn du die Form öffnest und den Kunststoff herausnimmst, bist du fertig. Das ist ein Zyklus.

Was sind die Schritte im Spritzgießprozess?

Der Spritzgießprozess umfasst mehrere kritische Schritte, von denen jeder einzelne zur effizienten und konsistenten Herstellung von hochwertigen Kunststoffteilen beiträgt.

Der Spritzgießprozess umfasst das Schließen, Einspritzen, Abkühlen und Auswerfen. Es beginnt mit dem Schmelzen des Kunststoffs, dem Einspritzen in eine Form, dem Abkühlenlassen und dem Auswerfen des fertigen Teils. Diese Schritte gewährleisten Präzision, Geschwindigkeit und minimalen Abfall bei der Herstellung.

Befüllungsphase

Das Füllen ist der erste Schritt im gesamten Spritzgießprozess. Die Zeit beginnt mit dem Schließen der Form und dem Spritzgießen, bis der Formhohlraum mit etwa 95% gefüllt ist. Theoretisch gilt, je kürzer die Abfüllzeit¹desto höher ist der Wirkungsgrad der Formgebung, aber in der Praxis ist die Formgebungszeit oder Einspritzgeschwindigkeit² ist an viele Bedingungen geknüpft.

Druckhaltestufe

Die Druckhaltestufe dient dazu, den Druck aufrechtzuerhalten, die Schmelze zu verdichten, den Kunststoff dichter zu machen (Verdichtung) und die Schrumpfung des Kunststoffs zu kompensieren. Während der Nachdruckphase ist der Gegendruck hoch, da der Formhohlraum bereits mit Kunststoff gefüllt ist.

Während der Druckhalte- und Verpackungsphase kann sich die Schnecke der Spritzgießmaschine nur langsam vorwärts bewegen, und der Kunststoff fließt auch nur langsam. Dieser Fluss wird als Druckhaltefluss bezeichnet. Da der Kunststoff in der Nachdruckphase an der Werkzeugwand abgekühlt und verfestigt wird und die Viskosität der Schmelze schnell ansteigt, ist der Widerstand im Formhohlraum sehr hoch.

Im späteren Teil der Haltephase erreicht das Kunststoffmaterial eine immer höhere Dichte, und das Kunststoffteil beginnt sich zu formen. Die Haltephase sollte so lange andauern, bis der Anschnitt fest und dicht ist. Zu diesem Zeitpunkt wird die Werkzeuginnendruck³während der Haltephase hoch ist.

Abkühlungsphase

Die Gestaltung des Kühlsystems ist bei Spritzgießwerkzeugen sehr wichtig. Denn nur wenn die geformten Kunststofferzeugnisse abgekühlt und so verfestigt sind, dass sie steif genug sind, kann verhindert werden, dass die Kunststofferzeugnisse nach der Entformung durch äußere Kräfte verformt werden.

Da die Abkühlzeit⁴etwa 70% bis 80% des gesamten Gießzyklus ausmacht, kann ein gut konzipiertes Kühlsystem die Gießzeit erheblich verkürzen, die Produktivität des Spritzgießens verbessern und die Kosten senken. Unsachgemäß konzipierte Kühlsysteme verlängern die Formgebungszeit und erhöhen die Kosten; ungleichmäßige Kühlleitungen führen außerdem zu Verwerfungen und Verformungen der Kunststoffprodukte.

Entformungsphase

Die Entformung ist das letzte Glied in einem Spritzgießzyklus. Obwohl das Produkt bereits kaltgeformt wurde, hat die Entformung immer noch einen sehr wichtigen Einfluss auf die Qualität des Produkts. Unsachgemäße Entformungsmethoden können zu ungleichmäßiger Krafteinwirkung auf das Produkt während der Entformung und zur Verformung des Produkts beim Auswerfen führen.

Es gibt zwei Hauptarten der Entformung: Auswerfer und Abstreifer. Wählen Sie bei der Konstruktion einer Form die geeignete Entformungsmethode auf der Grundlage der strukturellen Merkmale des Produkts, um die Produktqualität zu gewährleisten.

Was sind die Nachteile des Spritzgießens?

Das Spritzgießen ist ein beliebtes Herstellungsverfahren, das jedoch auch seine Nachteile hat, darunter hohe Anfangskosten und Einschränkungen bei komplexen Geometrien oder Materialien.

Zu den Nachteilen des Spritzgießens gehören hohe Einrichtungskosten, der Bedarf an teuren Formen und eine begrenzte Flexibilität bei der Materialauswahl. Aufgrund der hohen Kosten für den Formenbau und die Einrichtung ist das Verfahren für kleine Produktionsserien weniger geeignet.

Hohe anfängliche Formkosten

Einer der großen Nachteile des Spritzgießens sind die hohen Kosten für die Herstellung der Form. Das Entwerfen und Herstellen von Formen, die zu einer bestimmten Teileform passen, kann sehr teuer sein, insbesondere bei komplexen oder ausgefallenen Designs. Diese Vorlaufkosten können für Unternehmen mit kleinerer Produktion oder begrenzten Budgets ein Hindernis darstellen.

Die Vorlaufkosten sind hoch, weil man das Teil entwerfen, testen und ein Werkzeug dafür herstellen muss. Sie müssen es entwerfen und einen Prototyp erstellen (möglicherweise durch CNC- oder 3D-Druck), dann müssen Sie das Prototyp-Werkzeug für die Massenproduktion des Teils entwerfen. Erst nach umfangreichen Tests in diesen beiden Phasen können Sie das Teil schließlich spritzgießen.

Niedriger Wirkungsgrad

Die Geschwindigkeit des Kunststoffspritzgießens hängt von der Größe der Spritzgießmaschine und den Prozessbedingungen ab. Je größer die Spritzgießmaschine, desto schneller die Produktion.

Aber selbst mit einer großen Spritzgießmaschine dauert es Dutzende von Sekunden, um einen Schuss zu spritzen. Die Produktionsgeschwindigkeit des Kunststoffspritzgießens ist also im Vergleich zu anderen Herstellungsverfahren relativ langsam, was sich auf die Produktionseffizienz von Industrieprodukten auswirkt.

Der Spritzgießprozess ist unumkehrbar

Beim Spritzgießen können zwar mehrere Kunststoffmaterialien in jede beliebige Form gebracht werden, aber das ist eine Einbahnstraße. Nach dem Gießen ist die Form festgelegt. Wenn Sie das Design ändern oder modifizieren möchten, müssen Sie eine neue Form herstellen, was Zeit und Geld kostet.

Hohe Ausschußquote

Auch die Ausschussquote im Produktionsprozess des Kunststoffspritzgießens ist relativ hoch. Das liegt daran, dass die Temperatur- und Druckschwankungen während des Spritzgießprozesses Defekte wie Verzug, Grate und Hohlräume verursachen können. Sobald diese Probleme auftreten, muss die Spritzgussform neu angefertigt oder das fehlerhafte Teil weggeworfen werden, was zu einer erhöhten Verschwendung von Geld und Zeit führt.

Größenbeschränkungen

Beim Spritzgießen gibt es Größenbeschränkungen, insbesondere für große Teile. Die Größe der Spritzgießmaschine und die Größe der Kavität begrenzen das größte Teil, das Sie herstellen können. Wenn Sie ein großes Teil herstellen möchten, benötigen Sie möglicherweise eine spezielle Ausrüstung oder mehrere Kavitäten, was das Verfahren teurer und komplizierter macht.

Grenzen des Designs

Entwerfen von Kunststoffteilen. Wenn Sie Kunststoffteile entwerfen, müssen Sie bedenken, dass diese im Spritzgussverfahren hergestellt werden. Das bedeutet, dass Sie einige Grundregeln beachten müssen, wie z. B.: Versuchen Sie, Hinterschneidungen und scharfe Kanten zu vermeiden. Verwenden Sie eine gleichmäßige Wandstärke, um Defekte zu vermeiden wie Einfallstellen ⁵ die entstehen, wenn der Kühlprozess nicht gleichmäßig verläuft. Verwenden Sie Entformungsschrägen⁶ um die Entnahme des Teils aus der Form zu erleichtern.

Denken Sie daran, dass Werkzeuge in der Regel aus Stahl oder Aluminium hergestellt werden, so dass es schwierig ist, Änderungen am Design vorzunehmen. Wenn Sie einem Teil Kunststoff hinzufügen müssen, können Sie den Hohlraum des Werkzeugs vergrößern, indem Sie den Stahl oder das Aluminium wegschneiden. Wenn man aber Kunststoff entfernen will, muss man den Hohlraum durch Hinzufügen von Aluminium oder Metall verkleinern. Das ist wirklich schwierig und bedeutet in vielen Fällen, dass man das Werkzeug (oder einen Teil davon) wegwerfen und neu beginnen muss.

Auch das Gewicht und die Größe des Teils bestimmen die Größe des Werkzeugs und der Presse, die Sie benötigen. Je größer das Teil ist, desto schwieriger und teurer ist es.

Spritzgießen ist ein vielseitiges Verfahren zur Herstellung aller möglichen Formen und Details. Aber es gibt Grenzen für die Möglichkeiten. Einige Formen, wie scharfe Ecken, dünne Wände oder tiefe Löcher, können es schwierig machen, die Form zu füllen, das Teil abzukühlen oder es aus der Form zu bekommen.

Wenn man ein Teil für das Spritzgießen entwirft, muss man an Dinge wie Entformungswinkel, Wandstärke und andere Dinge denken, um sicherzustellen, dass die Form funktioniert und das Teil gut ist. Manchmal muss man zusätzliche Teile in die Form einbauen oder zusätzliche Arbeiten am Teil vornehmen, damit es funktioniert. Das macht es schwieriger und teurer, das Teil herzustellen.

Hohe Vorabkosten

Kunststoff-Spritzgießformen sind kompliziert. Nur erfahrene Ingenieure wissen, wie man sie entwirft und baut, was bedeutet, dass die Arbeitskosten hoch sind. Außerdem sind viele Schritte erforderlich, um eine Form herzustellen, die im Laufe der Zeit Millionen identischer Teile produzieren wird. Ein einfaches Einzelkavitätenwerkzeug kostet ab $2.000-3.000. Eine Großserien-Mehrkavitätenform aus gehärtetem Werkzeugstahl kann $100.000 oder mehr kosten.

Lange Vorlaufzeit

Eine gute Kunststoffspritzgussform hält ewig. Es erfordert also eine Menge Planung und Tests, um sie richtig zu machen. Die Phasen des Entwurfs, des Prototypings, der Prüfung und der Bearbeitung können Monate dauern. Im Vergleich zu anderen Arten der Kunststoffherstellung dauert die Herstellung von Kunststoffspritzgussformen sehr lange.

Wenn Sie eine Form wünschen, mit der Sie mehrere Kunststoffteile in einem Arbeitsgang herstellen können, kann es sogar noch länger dauern. Für diese Art der Form⁷kann der Formenbauer ein Einzelkavitätenwerkzeug entwerfen, bauen und testen, bevor er sich an die Herstellung eines Mehrfachkavitätenwerkzeugs wagt. Natürlich muss auch das Mehrkavitätenwerkzeug die Phasen Entwurf, Prototyping, Bau und Test durchlaufen.

Aber wenn Sie erst einmal die Planung und Bearbeitung vorgenommen haben, kann eine Kunststoffspritzgussform während ihrer Lebensdauer Millionen von Teilen herstellen. Der Umfang der Produktion von Kunststoffteilen überwiegt oft die Vorlaufkosten und den Zeitverlust.

Unbiegsame Materialien

Im Gegensatz zur CNC-Bearbeitung, bei der physische Teile anhand von Computerdesigndateien hergestellt werden, die jederzeit von Softwareingenieuren geändert werden können, ist es schwierig, nach der Bearbeitung große Änderungen an einer Kunststoffform vorzunehmen, da diese normalerweise aus Stahl besteht.

Es gibt zwei Möglichkeiten, eine Kunststoffform zu ändern. Eine Möglichkeit besteht darin, den Formhohlraum zu vergrößern, indem Teile der Metallform weggeschnitten werden. Dadurch wird dem Teil Kunststoff hinzugefügt. Es ist schwieriger, Kunststoff aus dem Teil zu entfernen. Manchmal kann man Metall in den Hohlraum schweißen, aber manchmal geht das nicht und man braucht einen neuen Hohlraum oder eine ganz neue Form. Das bedeutet, dass man wieder in die Entwurfsphase zurückkehren muss.

Größenbeschränkungen

Wenn Sie ein großes Kunststoffteil herstellen müssen, hat das Spritzgießen seine Grenzen. Es gibt Spritzgießmaschinen, die groß genug sind, um einen Bootsrumpf herzustellen, aber die Gießszenarien, von denen ich hier spreche, sind für kleinere Teile, drei Pfund oder weniger. Wenn Sie ein größeres Teil benötigen, können die Vorlaufzeit und die Kosten exponentiell ansteigen.

Hohe Kosten

Spritzgießen ist eine hochpräzise Fertigungstechnologie, die viel Geld erfordert, um die Qualität und Stabilität des Produkts zu gewährleisten. Die Herstellung von Spritzgussteilen erfordert einen hohen Aufwand an Ausrüstung, Verfahren und Personal, was zu hohen Produktionskosten führt. Darüber hinaus erhöht die Notwendigkeit, hochwertige Rohstoffe und Zusatzstoffe im Spritzgussverfahren zu verwenden, die Kosten weiter.

Teile in kleinen Serien können teuer sein. Die Werkzeuge sind komplex, und die Maschine muss gereinigt werden, bevor man das nächste Teil herstellen kann. Das Einrichten dauert also sehr lange. Deshalb galten Spritzgießwerkzeuge bisher als zu teuer für Kleinserien.

Hohe Anforderungen an die Ausrüstung

Für das Spritzgießen werden zahlreiche Ausrüstungen benötigt, z. B. Spritzgießmaschinen, Formen, automatische Transporteinrichtungen und zugehörige Hilfsgeräte. Diese Geräte müssen streng gewartet und verwaltet werden, und wenn ein Fehler auftritt, sind die Reparaturkosten relativ hoch. Außerdem werden für das Spritzgießen hochpräzise Temperaturregelungssysteme und Druckregelungssysteme benötigt, so dass die Ausrüstung sehr stabil und zuverlässig sein muss.

Lange Produktionszyklen

Im Vergleich zu einigen Rapid-Prototyping-Methoden wie dem 3D-Druck dauert es beim Spritzgießen in der Regel länger, bis man mit der Herstellung beginnen kann. Dazu gehören der Entwurf und die Herstellung von Formen, die Durchführung von Formversuchen und die Einstellung von Prozessparametern, bevor Sie mit der Herstellung von Teilen in großem Maßstab beginnen können. Die Zeit vom Konzept bis zum fertigen Teil kann also länger sein als bei schnelleren Prototyping-Verfahren.

Der Produktionszyklus des Spritzgießens ist relativ lang und dauert in der Regel mehrere Tage bis mehrere Wochen. Dies liegt vor allem daran, dass das Spritzgießen mehrere Schritte erfordert, wie z. B. den Formenbau, die Erprobung der Form und die Serienproduktion, und jeder Schritt nimmt viel Zeit in Anspruch. Dies macht das Spritzgussverfahren auch für die Bearbeitung von dringenden Aufträgen ungeeignet.

Mängel am fertigen Produkt

Die Spritzgusstechnologie wurde entwickelt und angewandt, aber es gibt immer noch einige Fehler in den fertigen Produkten. So können beispielsweise Blasen, Lunker und unechte Stellen auftreten, die die Qualität und das Aussehen des Produkts erheblich beeinträchtigen.

Umweltverschmutzung

Bei der Herstellung von Produkten im Spritzgussverfahren können auch schlechte Dinge entstehen, wie chemikalienbeständige Kunststoffe, Kunststoffabfälle, Abgase und Abwässer, die die Welt zerstören können. Außerdem verbraucht das Spritzgießen viel Energie und Material, und es fällt viel ungenutzter Kunststoff oder Abfall an, was ebenfalls schlecht für die Welt ist.

Schlussfolgerung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Spritzgießen von Kunststoffen ein gängiges Herstellungsverfahren ist, das zwar manchmal niedrige Arbeitskosten und geringe Kosten hat, aber auch einige offensichtliche Nachteile aufweist.

Zu diesen Nachteilen gehören die geringe Effizienz, die hohen Anfangskosten, der irreversible Spritzgießprozess und die hohe Ausschussrate. Bei der Anwendung dieses Verfahrens müssen sich die Unternehmen dieser Probleme bewusst sein, um sie besser lösen und die Produktionseffizienz und den wirtschaftlichen Nutzen verbessern zu können.