Ein Überblick über die verschiedenen Arten von Spritzgießverfahren

Spritzgießen zählt zu den am weitesten entwickelten Fertigungstechniken der modernen Industrie. Mit den steigenden Produktionsanforderungen wächst auch die Anzahl der Varianten. In diesem Artikel geben wir Ihnen einen kurzen, aber präzisen Überblick über die aktuell verwendeten Spritzgießverfahren.

Was definiert das Spritzgießen?

Spritzguss Spritzgießen ist der Vorgang, bei dem flüssiges Rohmaterial mithilfe einer Spritzgießmaschine unter Druck in einen Formhohlraum aus Stahl oder Aluminium gepresst wird. Nach dem Erstarren wird das Formteil ausgeworfen und der Zyklus wiederholt sich. Ein Spritzgießverfahren wird durch drei Faktoren bestimmt: die Formarchitektur, das Materialsystem und das Verarbeitungsverfahren. Eine Änderung eines dieser Faktoren beeinflusst Wirtschaftlichkeit und Leistungsfähigkeit.

Kernarten des Spritzgießverfahrens

Standard-Thermoplast-Spritzguss

Als eine der am weitesten verbreiteten Varianten des Spritzgießens verwendet das Standard-Thermoplast-Spritzgießen gängige Kunststoffe wie ABS und Polycarbonat (PC)., Polypropylen (PP), Nylon (PA) und Mischungen wie PC/ABS. Es eignet sich für Gehäuse, Halterungen, Blenden, Geräteteile, alles mit Wänden nahe den üblichen Richtlinien (etwa 2–4 mm für viele Kunststoffe) und moderaten Merkmalen.

Das Kunststoffspritzgießen bietet die niedrigsten Stückkosten bei hohen Stückzahlen, die größte Materialauswahl und ausgereifte Werkzeugtechniken. Serienformen und Heißkanalsysteme tragen zur Abfallreduzierung bei. Dank optimierter Angussführung und Kühlung sind die Zykluszeiten kurz und die Wiederholgenauigkeit hervorragend. Es ist in der Regel die erste Wahl, es sei denn, Geometrie oder Leistung erfordern ein Spezialverfahren.

Dünnwandiges Spritzgießen

Dünnwandiges Spritzgießen ermöglicht die Herstellung von Bauteilen, die dünner sind als üblicherweise angenommen, oft bis zu 0,4–0,8 mm, gelegentlich sogar weniger, abhängig von Harz und Fließlänge. Beispiele hierfür sind Smartphone-Gehäuse, Akkus und hochdichte Unterhaltungselektronik, wo selbst ein Zehntel Millimeter entscheidend ist.

Dieses Verfahren zeichnet sich durch höhere Einspritzdrücke, höhere Einspritzgeschwindigkeiten und präzise abgestimmte Angusskanäle aus, die das Harz durch lange, schlanke Fließwege befördern. Die Formen erfordern robuste Stahlsorten, polierte Fließkanäle und eine effektive Entlüftung. Die Maschinen benötigen eine hohe Ansprechgeschwindigkeit und eine ausreichende Schließkraft, um den Spitzendruck im Formhohlraum auszugleichen.

Allerdings bringt es auch Nachteile mit sich: Die Werkzeuge sind komplexer und das Prozessfenster ist enger.

Mikro-Spritzgießen

Mikrospritzguss ermöglicht die Herstellung von Bauteilen mit Abmessungen von Milligramm bis Gramm und mikroskopischen Strukturen: mikrofluidische Chips, winzige Zahnräder, Katheterspitzen oder Mikroskoptischkomponenten. Angussgrößen und Spritzvolumen sind minimal, und die Kontrolle der Verweilzeit ist entscheidend, um Materialbeeinträchtigungen zu vermeiden.

Dieses hochpräzise Verfahren ermöglicht die Herstellung von Strukturen unter 100 µm, enge Toleranzen und eine extrem gleichmäßige Dosierung von Schuss zu Schuss. Aufgrund der Komplexität des Prozesses werden vorwiegend stabile, reinraumtaugliche Kunststoffe (PEEK, PEI, PP in medizinischer Qualität) verwendet. Die Werkzeuge sind teuer und empfindlich. Doch bei winzigen Teilen und hohen Stückzahlen ist kein anderes Verfahren hinsichtlich Wiederholgenauigkeit und Stückkosten so effektiv.

Umspritzen, Einlegen und Mehrkomponenten-Spritzgießen

Überformen

Beim Umspritzen wird ein Material auf ein anderes aufgebracht, üblicherweise ein weiches Elastomer auf einem starren Untergrund, wie beispielsweise die griffige Umspritzung an einem Elektrowerkzeuggriff. Es verbessert Ergonomie, Abdichtung, Stoßdämpfung und Ästhetik ohne Montageaufwand.

Gängige Vorgehensweisen:

• Zweistufiges Umspritzen: Zuerst wird das starre Substrat geformt, dann wird es in eine zweite Form für das weiche Umspritzen gelegt.
• In-Mold-Umspritzen: innerhalb eines einzigen Werkzeugs, das das Teil zwischen Kavitäten rotiert oder überträgt.

Formteil einsetzen

Beim Einlegeverfahren wird ein vorgefertigtes Bauteil, häufig aus Metall, in ein Kunststoffformteil eingeschlossen. Typische Einlegeteile sind Gewindebolzen, Buchsen, Stanzkontakte, Magnete oder Sensorgehäuse. Das Verfahren ersetzt die nachträgliche Montage und verbessert die Festigkeit der Verbindungen sowie die Positioniergenauigkeit.

Zu Beginn der Produktfertigung werden die Einsätze zunächst manuell oder automatisiert eingelegt, durch Formelemente oder Vakuum fixiert und anschließend mit Harz umhüllt. Das Werkzeug muss die unterschiedliche Wärmeausdehnung ausgleichen, um Risse oder Spannungen an der Kunststoff-Metall-Grenzfläche zu vermeiden.

Es eignet sich ideal, wenn das Bauteil lokale mechanische Festigkeit oder Leitfähigkeit benötigt, ohne dass eine vollständige Metallverarbeitung erforderlich ist, wie z. B. medizinische Luer-Anschlüsse mit Metallgewinde, Kfz-Clips mit Stahlverschleißflächen oder Steckverbinder mit eingebetteten Anschlüssen.

Zwei- und Dreikomponenten-Spritzguss

Beim Mehrkomponenten-Spritzgießen werden zwei oder mehr Materialien (oder Farben) nacheinander in derselben Zelle und oft auch in derselben Form eingespritzt. Drehteller, Rückführmechanismen oder Indexiersysteme transportieren das teilgeformte Teil automatisch zur nächsten Kavität. So entstehen nahtlose Verbindungen, saubere Farbübergänge, integrierte Dichtungen, Filmscharniere oder Kombinationen aus harten und weichen Materialien – ganz ohne manuelle Eingriffe. Das Verfahren ermöglicht zudem einzigartige Funktionalitäten, wie beispielsweise transparente Fenster, die in opake Körper eingegossen werden.

Gas-/Wasserunterstützte und Co-Injektion

Gasunterstütztes Spritzgießen

Beim gasunterstützten Spritzgießen wird ein Inertgas (typischerweise Stickstoff) eingespritzt, nachdem der Formhohlraum teilweise mit Harz gefüllt ist. Das Gas bildet Hohlkanäle entlang dickerer Abschnitte, drückt das geschmolzene Kunststoffmaterial zu den äußeren Enden und formt so Kunststoffteile mit weniger Einfallstellen, Verzug und Gewicht. Es stellt jedoch besondere Anforderungen an die Werkzeugkonstruktion, da Entlüftung und Gaskanäle sorgfältig ausgelegt werden müssen.

Es kann eine breite Palette von Kunststoffprodukten herstellen, darunter große Griffe, Fernsehrahmen, Möbelkomponenten und Motorraumteile für Automobile. Formteile mit dicken Rippen. Dies ermöglicht dickere kosmetische Bereiche ohne Einfallstellen und kann die Zykluszeit verkürzen, indem Masse entfernt wird, die sonst gekühlt werden müsste.

Wasserunterstütztes Spritzgießen

Ähnliches Prinzip, anderes Medium. Beim wasserunterstützten Formverfahren wird Wasser eingespritzt, um Hohlprofile zu erzeugen. Diese Methode eignet sich besonders für komplexe, lange, rohrförmige Formen mit Biegungen, wie beispielsweise Autotürgriffe, Scheibenwaschleitungen und Schläuche für Haushaltsgeräte.

Dieses Produktionsverfahren zeichnet sich durch schnellere Wärmeabfuhr (Wasser kühlt schnell ab), glatte Innenwände und gleichmäßigere Hohlquerschnitte im Vergleich zu Gasverfahren bei bestimmten Geometrien aus. Die Werkzeuge müssen Wassermanagement, Korrosionsbeständigkeit und präzise Entwässerung gewährleisten.

Co-Injektions- (Sandwich-)Formgebung

Das Co-Injektionsverfahren erzeugt eine Kern-Mantel-Struktur: Ein Hochleistungs- oder kosmetischer Mantel umschließt einen Kern aus einem anderen Harz. Der Kern kann aus recyceltem Polymer, Barrierematerial oder einem Harz mit maßgeschneiderten Eigenschaften bestehen (z. B. ein Schaumkern für ein optimales Verhältnis von Steifigkeit zu Gewicht). Es eignet sich am besten zur Kostenoptimierung des Materials, ohne Kompromisse bei Aussehen oder den Anforderungen an die Kontaktschichten einzugehen. Lebensmittelverpackungen nutzen häufig Barriereschichten, und Konsumgüter verwenden unter einem neuen Mantel recycelte Kerne, um Ästhetik und Leistung zu verbessern.

Elastomer, LSR und Duroplast/RIM

Spritzguss von Flüssigsilikonkautschuk (LSR)

Beim LSR-Spritzgießen werden zweikomponentige, platinvernetzte Silikonsysteme verwendet, die an der Presse dosiert und gemischt und anschließend in eine Kaltkanalform eingespritzt werden, wo sie im beheizten Formhohlraum aushärten. Da LSR ein duroplastisches Elastomer ist, schmilzt es nicht wieder: Es vernetzt sich und behält seine Form unter Hitzeeinwirkung.

LSR bietet hervorragende Chemikalienbeständigkeit, Biokompatibilität, einen breiten Einsatztemperaturbereich und ist für Reinräume geeignet. Es eignet sich für Produkte wie Dichtungen, Babyartikel, Wearables, medizinische Komponenten und optische Silikone für Linsen.

TPE/TPV- und Gummispritzguss

Thermoplastische Elastomere (TPEs) und thermoplastische Vulkanisate (TPVs) verhalten sich wie Gummi, lassen sich aber auf Standard-Thermoplastpressen verarbeiten, was die Wiederverwertbarkeit und das Umspritzen auf starre Substrate ermöglicht. Sie werden häufig für Griffe, Dichtungen, Faltenbälge und Schwingungsdämpfer eingesetzt.

Wenn echter Kautschuk benötigt wird, härtet das Material bei Nitrilkautschuk, EPDM, Fluorelastomeren und Kautschuk-Spritzguss im Werkzeug aus. Die Zykluszeiten sind länger, und die Werkzeuge müssen die Aushärtungskinetik und die Entlüftung flüchtiger Bestandteile steuern. Die Auswahl hängt oft von den Anforderungen an die chemische und thermische Beständigkeit ab.

Duroplast- und Reaktionsspritzgießen (RIM)

Beim Spritzgießen von Duroplasten werden irreversibel aushärtende Kunststoffe wie Phenolharze, Epoxidharze und bestimmte Polyester verarbeitet. Reaktionsspritzgießen (RIM) hingegen mischt niedrigviskose, reaktive Komponenten (üblicherweise Polyurethansysteme) und spritzt sie in die Form, wo sie polymerisieren. Es eignet sich für große Paneele und Gehäuse, energieabsorbierende Stoßfänger und Strukturbauteile mit integrierten Rippen. RIM ist besonders vorteilhaft für dicke, große Teile mit geringeren inneren Spannungen und niedrigeren Schließkräften aufgrund der niedrigen Anfangsviskosität.

Aufgrund der Materialeigenschaften lässt sich der Ausschuss nicht wieder einschmelzen, und Werkzeugtemperaturen sowie Aushärtungszyklen beeinflussen den Durchsatz erheblich. Bei Kleinserien großer Teile ist RIM jedoch oft kostengünstiger als die Werkzeugherstellung mit thermoplastischen Materialien.

Pulverspritzgießen (MIM/CIM)

Metallspritzguss (MIM)

Beim MIM-Verfahren werden feine Metallpulver mit einem Polymerbindemittel vermischt, um ein Ausgangsmaterial zu erzeugen, das sich zu komplexen Formen spritzgießen lässt. Nach dem Spritzgießen werden die Teile entbindert, um das Bindemittel zu entfernen, und anschließend gesintert, um das Metall zu verdichten. Typischerweise wird so eine theoretische Dichte von 95–991 µg/cm³ erreicht.

Die Stärken dieses Verfahrens liegen in seiner außergewöhnlichen Detailgenauigkeit bei der Fertigung kleiner, komplexer Metallbauteile, Zahnräder, Riegel, Scharniere, chirurgischer Instrumente und Waffenkomponenten. MIM konkurriert mit der CNC-Bearbeitung bei hohen Stückzahlen und schwer zu fräsenden Geometrien.

Keramisches Spritzgießen (CIM)

Das CIM-Verfahren folgt dem gleichen Prinzip wie das MIM-Verfahren, verwendet jedoch Keramikpulver wie Zirkonoxid oder Aluminiumoxid. Es ermöglicht die Herstellung verschleißfester, elektrisch isolierender und hochtemperaturbeständiger Bauteile mit feinen Details, Düsen, zahnärztlicher Teile und Sensorisolatoren.

Fazit

Die Vielfalt der Spritzgießverfahren unterstreicht ein grundlegendes Prinzip der modernen Fertigung: Wählen Sie das richtige Werkzeug für Ihren spezifischen Anwendungsfall. Die zahlreichen Varianten beweisen, dass kein Verfahren universell überlegen ist; vielmehr stellt jedes eine maßgeschneiderte Lösung dar.

Letztendlich ist die Wahl eines bestimmten Spritzgussverfahrens eine strategische Entscheidung, die weit über die reine Teilegeometrie hinausgeht. Um das passende Fertigungsverfahren für Ihre Teile auszuwählen, müssen Sie alle Einflussfaktoren berücksichtigen, bevor Sie die Entscheidung treffen. Alternativ können Sie arbeiten Sie mit einem Hersteller zusammen und holen Sie sich Unterstützung von Branchenexperten..

Häufig gestellte Fragen

Was sind neben der Form selbst die wichtigsten Kostentreiber für diese spezialisierten Verfahren?

Während die Werkzeugkosten einen erheblichen Anfangsaufwand darstellen, werden die laufenden Kosten stark vom Verfahren beeinflusst. Zu den wichtigsten Kostenfaktoren zählen Materialverschwendung (Abfall aus den Angusskanälen beim Standardspritzgießen im Vergleich zu keinem Abfall beim Heißkanalverfahren), Zykluszeit (längere Zyklen für dicke Teile oder Duroplaste), Nachbearbeitungsschritte (Entbindern/Sintern beim PIM-Verfahren, Endbearbeitung der Teile) und der erforderliche Automatisierungsgrad.

Können diese verschiedenen Formgebungsverfahren in einem einzigen Bauteil kombiniert werden?

Ja, das ist möglich. Hybridverfahren zählen sogar zu den fortschrittlichsten Fertigungstechnologien. Beispielsweise kann ein Bauteil zunächst mittels Gasinjektionsspritzguss hergestellt werden, um einen dicken Bereich auszuhöhlen und anschließend in einem zweiten Arbeitsgang mikrofein geformte Strukturen zu erzeugen. Ein weiteres Beispiel ist das Einlegen einer Metallkomponente in den Spritzguss, die später mit einem Soft-Touch-TPE umspritzt wird. Dies erfordert jedoch häufig eine ausgefeilte Produktionsplanung und mehrere Fertigungszellen.