Spritzgießen vs. Extrusion von Kunststoffen: Worin liegt der Unterschied?

Die Kunststoffverarbeitung hat seit ihren Anfängen eine bemerkenswerte Entwicklung durchlaufen und sich in viele verschiedene Verarbeitungsmethoden verzweigt. In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf den Vergleich zweier gängiger Kunststoffverarbeitungstechniken: Spritzgießen und Extrusionsgießen.

Wenn Sie den Unterschied zwischen den beiden verstehen, können Sie teure Umwege bei der Werkzeugentwicklung vermeiden, Materialien auswählen, die sich in der Produktion gut verhalten, und Ihre Kosten- und Zeitvorgaben einhalten. Lesen Sie weiter, um mehr zu erfahren!

Was ist der Unterschied: Spritzgießen vs. Extrusion?

• Mechanismus und Prozess
• Ausrüstung und Werkzeuge
• Werkstoffe und Teilearten
• Konstruktionsregeln und Teilegeometrie
• Produktionsökonomie und Durchsatz
• Mängel und Fehlerbehebung

Wesentliche Unterschiede in Mechanismus und Prozess

Der Kunststoffextrusionsprozess

Beim Kunststoffextrusionsverfahren werden lange, durchgehende Produkte hergestellt, indem geschmolzenes Material durch eine geformte Düse gepresst wird. Man kann sich das wie Spaghetti vorstellen, die aus einer Nudelpresse kommen; der Querschnitt wird durch die Düsenöffnung bestimmt, und die Ausbringungsmenge ist prinzipiell unbegrenzt.

In der Praxis erhitzt, mischt und komprimiert die rotierende Schnecke eines Extruders Kunststoffgranulat. Die Schmelze wird durch eine Düse gepresst, die das gewünschte Profil vorgibt. Anschließend wird das Material in der Produktionslinie mithilfe von Luft, Wasserbädern oder Kühlwalzen verfestigt. Abzugsvorrichtungen steuern die Strangspannung und -geschwindigkeit, während Schneid-, Wickel- oder Sägemaschinen den Endlosstrang in verwendbare Längen oder Rollen umwandeln.

Der Spritzgussprozess

Plastik Spritzguss Das Verfahren stellt in einem wiederholten Zyklus einzelne, vollständig dreidimensionale Teile her. Granulat wird in einem beheizten Zylinder plastifiziert und anschließend unter hohem Druck in eine geschlossene Form eingespritzt. Die Form enthält eine oder mehrere Kavitäten, die die Geometrie des Teils definieren. Angusskanäle und Anschnitte verteilen die Schmelze in die einzelnen Kavitäten. Nach dem Nachfüllen und Halten zur Schwindungsbegrenzung erfolgt die Kühlung.

Das Teil wird verfestigt. Anschließend öffnet sich die Form, und Auswerferstifte drücken das Teil heraus, womit der Zyklus abgeschlossen ist.

Wesentliche Unterschiede bei Ausrüstung und Werkzeugen

Extruder, Düsen und nachgelagerte Handhabung

Eine Extrusionsanlage umfasst einen Trichter und eine Schnecken-/Zylinderbaugruppe, Siebpakete und Brecherplatten zur Schmelzefiltration sowie eine Düse, die die gewünschte Form vorgibt.

Die nachgelagerten Anlagen stabilisieren und verarbeiten das Produkt: Kalibratoren und Vakuumtanks zur Maßkontrolle von Hohlprofilen, Wasserbäder oder Luftmesser zur Kühlung, Abzugsvorrichtungen zur Steuerung der Bandgeschwindigkeit und Schneid-, Schlitz- oder Wickelmaschinen zur Endbearbeitung.

Spritzgießmaschinen, Formen und Angusskanäle

Spritzgießzellen basieren im Wesentlichen auf einer Presse mit definierter Schließkraft, einer Spritzeinheit und einem Werkzeug. Das Werkzeug ist das Herzstück des Fertigungsprozesses: bearbeitet Hohlräume und Kerne, Kühlkreisläufe, Auswerfersysteme und manchmal Seitenantriebe oder Heber zur Erzeugung von Hinterschneidungen.

Kaltkanäle sind bei einfacheren Formen üblich, während Heißkanäle durch die Aufrechterhaltung der Schmelze im Zuführungssystem den Materialverlust reduzieren und die Zykluszeit verkürzen. Dieser Prozess lässt sich zudem automatisieren. Beispielsweise werden bei einigen Spritzgießverfahren Roboter für die Teileentnahme, die Beschriftung im Werkzeug oder die Bildverarbeitung eingesetzt.

Unterschiede zwischen Spritzguss und Extrusion bei der Werkzeugherstellung

Der offensichtlichste Unterschied zwischen Extrusions- und Spritzgusswerkzeugen ist ihr Preis

Unter normalen Umständen lassen sich Extrusionswerkzeuge schneller und kostengünstiger herstellen. Einfache Profilwerkzeuge können innerhalb weniger Tage bis Wochen zu moderaten Kosten gefertigt werden.

Im Vergleich dazu sind Spritzgussformen deutlich komplexer. Selbst einfache Aluminiumwerkzeuge mit einer Kavität können mehrere Wochen in Anspruch nehmen. Ganz zu schweigen von Stahlformen mit mehreren Kavitäten und engen Toleranzen, deren Herstellung Monate und erhebliche Investitionen erfordern kann. Die Investition lohnt sich jedoch durch hohe Stückzahlen und gleichbleibende Teilequalität.

Wesentliche Unterschiede bei Materialien und Teilearten

Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere

Beide Prozesse laufen Thermoplaste wie beispielsweise PP, PE, PVC, ABS, PC, PET, Kunststoffharz und Nylon.

Ihre wichtigsten Basismaterialien. Allerdings eignen sich manche Materialien für den einen Prozess besser als für den anderen.

Extrusion wird häufig mit Thermoplasten in Verbindung gebracht, da diese beim kontinuierlichen Druckprozess sauber schmelzen und wieder verfestigen.

Das Spritzgießen bietet unterdessen eine bessere Unterstützung für Thermoplaste, Duroplaste wie Phenolharze, Epoxidharze mit B-Phase und Elastomere einschließlich flüssigem Silikonkautschuk.

Profile, Bleche und Folien vs. diskrete dreidimensionale Formen

Extrusionstechniken eignen sich besonders für die Herstellung von Produkten mit einheitlichem Querschnitt: Fensterrahmen, Kabelummantelungen, medizinische Schläuche, Dichtungsbänder, Wellplatten und Mehrschichtfolien. Durch Coextrusion lassen sich Materialien schichten, um Barriereeigenschaften, Steifigkeit oder Farbe zu kombinieren.

Spritzgussverfahren erzeugen einzelne Bauteile: Flaschenverschlüsse, Gehäuse, Zahnräder, Steckverbinder, Spielzeug, Objektivgehäuse und Strukturhalterungen., Autoteile. Es eignet sich besser, wenn Teile Vorsprünge, bewegliche Scharniere, Schnappverschlüsse, Gewinde oder feine Texturen erfordern, die alle in einem Arbeitsgang geformt und nicht später hinzugefügt werden.

Wesentliche Unterschiede bei den Konstruktionsregeln und der Teilegeometrie

Wandstärke und Hinterschnitte

Beim Extrusionsverfahren sollte die Wandstärke so gleichmäßig wie möglich bleiben, soweit es das Profil zulässt, um Unterschiede zu vermeiden.

l Kühlung und Verzug. Scharfe Übergänge sind nicht empfehlenswert, da Radien und gleichmäßige Fließwege die Formtrennlinien und Verformungen reduzieren.

Da die Form durch die Düsenöffnung vorgegeben ist, sind echte Hinterschnitte in Extrusionsrichtung ohne Nachbearbeitung nicht möglich. Biegungen oder Sekundärumformungen können den Verlauf nach dem Abkühlen anpassen, der Querschnitt bleibt jedoch konstant.

Spritzgießen profitiert von der detailgetreuen Wiedergabe von 3D-Formteilen und ermöglicht die Herstellung von Hinterschneidungen durch seitliche Eingriffe, kollabierbare Kerne oder Auswerfer. Eine gleichmäßige nominelle Wandstärke ist jedoch weiterhin wünschenswert, da sie das Einfallen und den Verzug minimiert. Rippen und Verstärkungsbleche dienen der Versteifung ohne zusätzliche Masse.

Toleranzen, Oberflächenbeschaffenheit und integrierte Merkmale

Extrusion ermöglicht moderate Toleranzen, die von der Linienstabilität, der Kühlung und der Werkzeugkonstruktion abhängen. Die Vorschubbewegung beim Extrusionsverfahren erhöht die Längsgenauigkeit über die Distanz, führt aber bei kleinen Strukturen oder engen Bohrungsgrößen zu zusätzlichen Schwierigkeiten. Die Oberflächengüte hängt von der Werkzeugqualität, der Kühlung und der Nachbearbeitung ab, beispielsweise von Prägewalzen für Muster auf Folien und Platten.

Spritzgießen ermöglicht routinemäßig engere Toleranzen und hochwertige Oberflächen direkt nach dem Werkzeugaustritt. Diese Präzision erlaubt Merkmale wie Formtexturierung, polierte Oberflächen und Mikrostrukturen bei Produkten wie Medizinprodukten. Gewinde, Schnappverschlüsse, Filmscharniere und Einsätze können direkt in die Formgeometrie integriert werden, wodurch der Montageaufwand minimiert wird.

Montage und Sekundärbearbeitung

Extrudierte Produkte erfordern oft eine Reihe von Bearbeitungsschritten, um ihre endgültige Form zu erreichen: Schneiden, Bohren, Stanzen, Schweißen, Heißbiegen oder Kleben. Beispielsweise kann ein extrudierter PVC-Rahmen in Aluminiumoptik zugeschnitten und auf Gehrung geschnitten und anschließend mechanisch verbunden werden.

Im Gegensatz dazu kann das Spritzgießen mehrere Funktionen in einem Bauteil vereinen, wie beispielsweise die Zugentlastung von Kabeln.

FS, Dichtungen und Befestigungszapfen werden zusammengeformt. Das Kunststoffprodukt muss gegebenenfalls nur entgratet oder der Anguss entfernt werden. Umspritzen und Einlegetechnik reduzieren den nachfolgenden Montageaufwand zusätzlich, indem Materialien kombiniert oder Metalleinsätze an der Presse hinzugefügt werden.

Wesentliche Unterschiede in der Produktionsökonomie und im Durchsatz

Zykluszeit und Liniengeschwindigkeit

Die Extrusion arbeitet kontinuierlich und ihre Liniengeschwindigkeit lässt sich auf einen bestimmten Wert einstellen. Einmal optimal eingestellt, kann sie pro Schicht Tausende Meter Produkt herstellen.

Die Maßeinheit beim Spritzgießen ist der “Zyklus”: Die Zykluszeit kann bei einfachen Kunststoffprodukten wie kleinen Kappen oder Verbindungsstücken nur Sekunden betragen, bei dickeren, größeren Teilen hingegen mehrere zehn Sekunden bis Minuten. Mehrkavitätenwerkzeuge vervielfachen den Ausstoß pro Zyklus mit der Anzahl ihrer Kavitäten, was das Produktionsvolumen weiter erhöht.

Ausschuss, Ausbeute und Umrüstungen

Die Extrusion zeichnet sich typischerweise durch eine geringe Ausschussrate nach dem Anlauf aus. Der Abfall beschränkt sich auf Spülvorgänge, Anfangs- und Endschnitte sowie Materialfehler bei Produktwechseln. Die Co-Extrusion kann Spülvorgänge und Farbwechsel zwar erschweren, die Ausbeute im stationären Zustand ist jedoch weiterhin hoch.

Ausschuss beim Spritzgießen entsteht durch Kaltkanalreste und fehlerhafte Kunststoffteile. Heißkanalsysteme reduzieren den Kanalabfall und verbessern die Konsistenz, erhöhen aber die Werkzeugkosten und den Wartungsaufwand.

Umrüstungen sind beim Extrusionsverfahren (Werkzeugwechsel, Anpassung der Bedingungen) in der Regel schneller als beim Spritzgießen (Formwechsel, erneute Validierung des Prozesses), insbesondere bei komplexen Mehrkavitätenwerkzeugen.

Kostenstruktur und Gewinnschwellenmengen

Die Kostenstruktur des Extrusionsverfahrens begünstigt große Serien einfacher Querschnitte: geringer Werkzeugaufwand, hoher Materialdurchsatz und minimaler Arbeitsaufwand. Es eignet sich hervorragend für die Herstellung von Profilen und Folien in großen Stückzahlen und mit geringer Komplexität, da jeder zusätzliche Meter die Stückkosten senkt.

Spritzgießen verursacht höhere Fixkosten (Werkzeuge, Validierung), skaliert aber effizient mit steigendem Produktionsvolumen.

Sobald die Form amortisiert ist, können Kleinteile in Mehrkavitätenwerkzeugen äußerst wirtschaftlich hergestellt werden.

Wesentliche Unterschiede bei Fehlern und Fehlerbehebung

Häufige Extrusionsfehler und Lösungen

Stanzlinien & Haifischhaut

• Ursachen: Abgenutzte oder verschmutzte Matrize; übermäßige Scherkräfte.
• Lösungen: Düse reinigen/warten; Prozesstemperaturen und Schneckendrehzahl anpassen.

Verzug/Biegung und ungleichmäßige Wandstärke

• Ursachen: Ungleichmäßige Kühlung; falsche Abzugskraft; ungleichmäßiger Materialfluss.
• Lösungen: Kühlsystem ausbalancieren; Abzugsgeschwindigkeit/Zugkraft kalibrieren; Werkzeugkonstruktion überprüfen.

Neben diesen Lösungen gibt es auch Präventionsmethoden, die die Wahrscheinlichkeit verringern können.

gänzlich auf Mängel achten. Beispielsweise sollten die Mitarbeiter vor Ort die Siebpakete regelmäßig überprüfen und austauschen, und die Lagerleiter müssen sicherstellen, dass das Material vollständig trocken ist, insbesondere bei hygroskopischen Kunststoffen wie Nylon.

Häufige Fehler beim Spritzgießen und ihre Lösungen

• Einsinkmarken: Verursacht durch dicke Wandstärken, werden sie durch die Konstruktion gleichmäßiger Wände, den Einsatz von Kernausbrüchen und die Optimierung des Packungsdrucks behoben.
• Verzug/Schwindung: Die Ursache liegt in ungleichmäßiger Kühlung oder Faserausrichtung. Korrekturen erfolgen durch Verbesserung des Kühlkonzepts der Form und Anpassung der Angussplatzierung.
• Blitz- und Kurzaufnahmen: Blitzbildung deutet auf zu hohen Druck oder zu starke Schließkraft hin, während unvollständige Füllung auf unzureichende Entlüftung oder zu niedrige Schmelztemperatur hinweist; in beiden Fällen ist eine Anpassung der Prozesseinstellungen und die Sicherstellung einer ordnungsgemäßen Entlüftung erforderlich.
• Brandspuren und Spreizung: Diese Probleme, die auf eingeschlossene Luft oder Feuchtigkeit zurückzuführen sind, werden durch eine verbesserte Schimmelentlüftung und gründliches Vortrocknen des Materials beseitigt.

Eine systematische Vorgehensweise bei der Anpassung von Temperatur, Geschwindigkeit, Druck und Belüftung in Kombination mit regelmäßiger Formenwartung löst diese Probleme in der Regel.

Prozesssteuerung, Messtechnik und Validierung

Beide Verfahren profitieren von einer präzisen Steuerung, wobei beim Spritzgießen im Allgemeinen engere Toleranzen und Zeitfenster erforderlich sind. Wissenschaftliche Spritzgießverfahren, Versuchsplanung (DOE), Kavitätsdruckmessung, entkoppelte Füll- und Nachdruckprozesse sowie Echtzeitüberwachung sind gängige Methoden.

Die Extrusion erfordert eine stabile Schmelztemperatur, einen stabilen Druck und eine stabile Bandgeschwindigkeit sowie SPC-Diagramme zur Bestimmung kritischer Maße. Die Messtechnik reicht von Messschiebern und optischen Komparatoren am Boden bis hin zu Koordinatenmessgeräten und Computertomographie für komplexe Formteile. In regulierten Branchen sind die Validierungsverfahren formalisierter, da hier Rückverfolgbarkeit und Prozessfähigkeit nachgewiesen werden müssen.

Wie man zwischen Extrusion und Spritzgießen wählt

Mit dem Wissen, das Sie in diesem Artikel erworben haben, können Sie die Situationen auf praktische Weise analysieren, indem Sie die Bedürfnisse anhand dieser vier Dimensionen abbilden.

Geometrie:

• Konstanter Querschnitt → Extrusion.
• Komplexe 3D-Formen mit Hinterschneidungen → Spritzguss.

Toleranzen und Oberflächenbeschaffenheit:

• Mittlere Toleranzen und funktionelle Oberflächenbeschaffenheit → Extrusion.
• Enge Toleranzen und ästhetische Oberflächen → Spritzguss.

Lautstärke und Geschwindigkeit:

• Sehr lange Längen oder Endlosrollen → Extrusion.
• Hohe Stückzahlen von Einzelteilen (insbesondere bei Mehrkavitätenwerkzeugen) → Spritzgießen.

Werkzeugausstattung und Markteinführungszeit:

• Schnelle und kostengünstige Werkzeugherstellung erforderlich → Extrusion.
• Bereitschaft, für Präzision und Funktionen zu investieren → Spritzguss.

Im Zweifelsfall frühzeitig einen Prototyp erstellen, Fertigungsingenieure in DFM-Reviews einbeziehen und eine schnelle Break-Even-Analyse durchführen, bei der die Werkzeugkosten und die Liniengeschwindigkeit mit den Werkzeugkosten, der Anzahl der Kavitäten und der Zykluszeit verglichen werden.

Fazit: Die Wahl zwischen Spritzguss und Extrusion

Letztendlich handelt es sich bei den Unterschieden zwischen Spritzguss und Extrusion eher um Eigenschaften als um Vor- und Nachteile. Die Wahl des Verfahrens hängt davon ab, welches besser zum jeweiligen Anwendungsfall passt. Ihre Entscheidung sollte sich primär an der Geometrie Ihres Endprodukts orientieren. Darüber hinaus sollten Sie Budget, Zeitplan und Produktionsmenge berücksichtigen.

Auf diese Weise können Sie bei der Auswahl von Formgebungsdienstleistungen in der Kunststoffindustrie den passenden Herstellungsprozess mit Zuversicht bestimmen.

Häufig gestellte Fragen

Wie unterscheidet sich die Materialauswahl für den einen Prozess von der für den anderen hinsichtlich der Additive?

Obwohl beide Verfahren dieselben thermoplastischen Basismaterialien verwenden, kann sich die Zusammensetzung (z. B. mit Zusatzstoffen wie Farbstoffen, UV-Stabilisatoren oder Gleitmitteln) unterscheiden. Extrusionsmassen werden unter Umständen auf eine hohe thermische Stabilität optimiert, um der kontinuierlichen Hitzeeinwirkung im Extrusionszylinder standzuhalten. Spritzgussmassen hingegen sind auf höhere Fließgeschwindigkeiten ausgelegt, um dünnwandige und komplexe Formen schnell zu füllen.

Gibt es Bauteilgeometrien, die in einen “Graubereich” zwischen den beiden Prozessen fallen?

Ja, manche Teile können eine Herausforderung darstellen. Ein langes, gerades Teil mit konstantem Querschnitt, aber kleinen, komplexen Hinterschneidungen, kann extrudiert und anschließend in einem zweiten Umformprozess bearbeitet werden. Alternativ kann es kostengünstiger sein, es in mehreren Teilen im Spritzgussverfahren herzustellen. Ebenso kann ein sehr großes, flaches Teil potenziell durch Extrusion (als Platte) oder im großformatigen Spritzgussverfahren gefertigt werden, was eine detaillierte Kosten-Nutzen-Analyse erfordert.