Was ist das Schussvolumen beim Spritzgießen?

Die maximale Menge an Kunststoff, die während eines Spritzgießzyklus in das Werkzeug eingespritzt werden kann, wird branchenüblich als Schussvolumen (Shot Size) bezeichnet. Das Kunststoffgranulat wird dabei über den Trichter in die Zylinder- und Schneckeneinheit befördert, um den Prozess zu starten.

Mithilfe des Spritzgießverfahrens wird geschmolzenes Material unter hohem Druck in die Werkzeugkavität eingespritzt. Dieses Verfahren dient dazu, Kunststoffteile in großen Stückzahlen äußerst wirtschaftlich und präzise zu produzieren.

Beim Kunststoffspritzguss wird das Rohmaterial zunächst in den Zylinder eingeführt und dort thermisch aufgeschmolzen. Anschließend wird der flüssige Kunststoff bei fest geschlossenem Werkzeug in die Kavität gespritzt, wo er abkühlt und aushärtet. Im letzten Schritt öffnet sich das Werkzeug, und die fertigen Kunststoffkomponenten werden sicher ausgeworfen.

Wie man das Schussvolumen berechnet

Die Verweilzeit des Materials wird maßgeblich von der Größe des Schusses und des Zylinders beeinflusst, was sich direkt auf die Qualität des Endprodukts auswirken kann. Lange Verweilzeiten und eine damit einhergehende thermische Schädigung des Polymers resultieren oft aus kleinen Schussvolumina, die nur eine geringe Zylinderkapazität beanspruchen.

Ein geringes Schussvolumen, das weniger als 20 % der gesamten Zylinderkapazität ausmacht, führt häufig zu stark verlängerten Verweilzeiten. Dies verursacht wiederum einen spürbaren thermischen Abbau des Polymers und erschwert eine präzise, verlässliche Prozesskontrolle erheblich.

Andererseits können sehr große Schussvolumina und Zylinderfüllstände von über 50 % zu einem ungleichmäßigen Aufschmelzen des Materials führen. Ebenso resultiert daraus oft eine stark verlangsamte Schneckenrücklaufzeit, was den gesamten Zyklus verzögert.

Darüber hinaus weisen größere Schnecken typischerweise eine geringere Kapazität für den maximalen Einspritzdruck auf. Große Schussvolumina, die mehr als 65 % des Zylindervolumens einnehmen, verursachen oft erhebliche Probleme mit der Schmelzequalität, wie etwa unvollständig aufgeschmolzene Partikel, mangelhafte Homogenität und unwirtschaftlich lange Schneckenrücklaufzeiten.

Um auf der sicheren Seite zu sein, empfiehlt sich unter Umständen die Anschaffung eines zweiten Zylinders für Ihre Spritzgießmaschine. Auf diese Weise können noch mehr Werkzeuge flexibel und effizient mit zwei Zylindern betrieben werden. Wenn Sie direkt bei der Anschaffung der neuen Maschine einen zweiten Zylinder mitbestellen, werden Sie oft von den vergleichsweise niedrigen Zusatzkosten positiv überrascht sein. Mit der richtigen Ausstattung und einem erfahrenen Bediener lassen sich die Zylinder selbst im heißen Zustand in weniger als 30 Minuten problemlos austauschen.

Formel für das Schussvolumen beim Spritzgießen

Die einfachste Formel zur exakten Berechnung des benötigten Schussvolumens für ein Werkzeug lautet:

Schwindung+Angussvolumen+Produktvolumen+Verteilerkanalvolumen=Werkzeugschussvolumen

Formel für die Maschinen-Schusskapazität / das Schussvolumen

Das Gesamtgewicht oder Gesamtvolumen, das die Schnecke während eines einzigen Spritzgießzyklus einspritzt, wird als Schusskapazität der Maschine (in Gramm) oder Schussvolumen (in Millimetern) bezeichnet. Dieser wichtige Wert ist in der Industrie auch als maximale Einspritzkapazität der Spritzgießmaschine bekannt.

Wenn Sie den Druck in Ihre verfahrenstechnischen Berechnungen einbeziehen, sollten diese wie folgt aussehen:

Hub x Schneckenkolbenfläche = Einspritzvolumen

Einspritzkraft/Schneckenkolbenfläche = Einspritzdruck

Daher gilt:

Maximales Einspritzvolumen × Maximaler Einspritzdruck/1000= Schusskapazität der Spritzeinheit

Die Berechnungen auf Basis von Schneckengewicht und Materialdichte gestalten sich hingegen folgendermaßen:

Masse/Dichte= Volumen

π×D×D×Schusslänge/2=Zylindervolumen bzw. Schussvolumen  

Faktoren, die das Schussvolumen des Produkts beeinflussen

Bei der präzisen Berechnung des optimalen Schussvolumens müssen Sie verschiedene wesentliche Faktoren zwingend berücksichtigen. Diese verfahrenstechnischen Parameter sind wie folgt:

• Zunächst müssen das Angussvolumen, das Verteilerkanalvolumen und das eigentliche Produktvolumen bei der Bestimmung der Schussgröße einkalkuliert werden. Der Grund dafür ist schlichtweg, dass das geschmolzene Polymer beim Einspritzen in das Werkzeug all diese Hohlräume vollständig und lückenlos ausfüllen muss.
• Ein weiterer entscheidender Aspekt, der die präzise Berechnung des Schussvolumens maßgeblich beeinflusst, ist die materialspezifische Schwindung des Polymers. Diese Schwindung resultiert aus dem natürlichen Abkühlprozess der heißen Polymerschmelze im Werkzeug. Aufgrund der stark unterschiedlichen Dichten verschiedener Kunststoffe fällt auch die Werkzeugschwindung je nach verwendetem Material völlig unterschiedlich aus.
• Darüber hinaus können die spezifische Art des verwendeten Polymers sowie die exakte Menge der beigemischten Additive dessen physikalische Dichte und die Fließeigenschaften spürbar verändern.

Die sorgfältige Berücksichtigung all dieser Faktoren hilft Ihnen letztendlich dabei, das benötigte Schussvolumen, das Gesamtvolumen und die optimale Zylinderkapazität exakt und zuverlässig abzuschätzen.

Die Spritzeinheit

Die Hauptaufgabe der Spritzeinheit besteht darin, das Kunststoffmaterial absolut gleichmäßig aufzuschmelzen, bevor es mit einem präzise voreingestellten Druck und einer definierten Fließgeschwindigkeit in das Werkzeug eingespritzt wird. Es handelt sich hierbei um äußerst anspruchsvolle physikalische Prozesse, da insbesondere Fluorpolymere oft eine sehr begrenzte Wärmeleitfähigkeit, eine hohe spezifische Wärmekapazität und eine enorme Schmelzviskosität aufweisen.

Um diese komplexen verfahrenstechnischen Herausforderungen zu bewältigen, wurden im Laufe der Zeit zahlreiche technische Variationen von Maschinen entwickelt. Generell lassen sich diese unterschiedlichen konstruktiven Ansätze in vier primäre Konzepte für Spritzeinheiten unterteilen:

• Einstufiger Kolben
• Zweistufiger Kolben
• Einstufige Schnecke
• Zweistufige Schnecken-Kolben-Kombination

Obwohl die einstufige Kolbeneinheit in sehr kleinen Maschinen oder bei bestimmten Spezialanwendungen noch immer existiert, gilt sie heute aufgrund ihrer Ineffektivität beim Heizen, Mischen und bei der Druckübertragung als weitgehend veraltet. Ihre einzigen verbleibenden Vorteile liegen in der absoluten mechanischen Einfachheit und den extrem niedrigen Anschaffungskosten.

Auch das zweistufige Kolbensystem ist heutzutage in der Industrie so gut wie obsolet. Trotz des konstruktiven Versuchs, die Leistung durch eine physische Trennung der Heiz- und Druckströmungsvorgänge zu verbessern, bleibt der reine Kolben ein äußerst ineffektives Werkzeug zum homogenen Mischen und Erwärmen von Kunststoffen.

Die zweistufige Schnecken-Kolben-Einheit trennt die Aufgaben des Fließens und Erwärmens noch konsequenter, indem sie einen separaten Kolben ausschließlich für den Einspritzvorgang nutzt, während eine vorgeschaltete Schnecke das Mischen und Erhitzen übernimmt. Dieses Anlagenkonzept ist technisch sehr reizvoll, da hierbei zwei spezialisierte Werkzeuge eingesetzt werden, die für ihre jeweilige Aufgabe absolut optimal geeignet sind.

Darüber hinaus wird die Leistungsfähigkeit einer Spritzeinheit oft anhand des maximalen Einspritzdrucks und des maximal verfügbaren Einspritzvolumens klassifiziert und bewertet. Der absolut höchste Druck, der am vorderen (stromabwärts gelegenen) Ende der Schnecke aufgebaut werden kann, wird als nomineller Einspritzdruck bezeichnet. Dieser Wert hängt direkt vom Durchmesser der Schnecke und der hydraulischen oder elektrischen Kraft ab, die sie nach vorne drückt.

Sie müssen jedoch dringend darauf achten, diesen Wert nicht mit dem Systemdruck in der Hydraulikleitung zu verwechseln, der auf den Einspritzzylinder wirkt und die Schnecke antreibt. Ebenso wenig darf er mit dem tatsächlichen Druck gleichgesetzt werden, der erforderlich ist, um die Werkzeugkavitäten vollständig zu füllen. Aufgrund von unvermeidbaren Druckverlusten in der Maschinendüse und im komplexen Angusssystem des Werkzeugs ist der finale Fülldruck in der Kavität deutlich geringer.

Die wichtigsten Prozessschritte der Spritzeinheit laufen typischerweise in der folgenden Reihenfolge ab:

• Das Material wird durch die kontinuierliche Rotation der Schnecke erhitzt und aufgeschmolzen, um dann entlang der Schneckengänge zum vorderen Ende der Schnecke transportiert zu werden. Die Zylinderdüse bleibt in dieser Phase entweder durch ein mechanisches oder thermisches Verschlussventil oder durch das noch im Werkzeug befindliche Bauteil des vorherigen Zyklus sicher verschlossen.

Während sich genügend Schmelze ansammelt, um das nächste Formteil zu produzieren, drückt die akkumulierte Kunststoffmasse die sich noch drehende Schnecke gegen einen präzise gesteuerten Widerstand – den sogenannten Staudruck – nach hinten. Sobald das exakte Dosiervolumen erreicht ist, stoppt die Rotation der Schnecke vollständig. Die homogene Kunststoffschmelze ist nun bereit für den nächsten Einspritzvorgang.

• Wenn die Zylinderdüse geöffnet wird, bewegt sich die Schnecke rein axial und ohne jegliche Rotation nach vorne, wodurch sie in diesem Moment exakt wie ein Kolben fungiert. Infolgedessen wird die vor der Schneckenspitze gesammelte Kunststoffschmelze mit hohem Druck durch die Düse direkt in das formgebende Werkzeug gepresst.

Um ein ungewolltes Zurückfließen der Schmelze entlang der Schneckengänge zu verhindern, ist an der Schneckenspitze in der Regel ein spezielles Rückstromsperrventil installiert. Dieser gesamte hochdynamische Vorgang bildet die eigentliche Einspritz- oder Formfüllphase.

• Nachdem das Werkzeug vollständig gefüllt ist, wird der Schneckendruck noch für eine kurze, exakt definierte Zeit aufrechterhalten, um die volumetrische Schwindung der abkühlenden Schmelze im Inneren der Form auszugleichen. Dieser äußerst kritische Prozessschritt zur Qualitätssicherung wird als Nachdruckphase bezeichnet.
• Schließlich geht der Prozess in die reine Kühl- und Haltephase über, in der der Zyklus der Spritzeinheit mit der erneuten Schneckenrotation und der Schmelzeaufbereitung für den nächsten Schuss von vorn beginnt. Währenddessen bleibt das Werkzeug weiterhin sicher geschlossen, damit das Formteil auf die erforderliche Auswurftemperatur abkühlen kann, ohne sich zu verziehen.

Wenn die heiße Kunststoffschmelze in die Einspritzdüse und anschließend durch das Angusssystem in die komplexen Kavitäten gepresst wird, treten unvermeidlich erhebliche Druckabfälle auf. Diese dynamischen Druckverluste lassen sich nicht durch einfache Faustregeln berechnen, sondern erfordern oft detaillierte rheologische Erfahrungswerte.

Die Schließeinheit

Die Schließeinheit einer Spritzgießmaschine (IMM) hat die primäre Aufgabe, das Werkzeug gegen die enormen Kräfte geschlossen zu halten, die entstehen, wenn der Kunststoff unter hohem Einspritzdruck in das geschlossene Werkzeug gepresst wird. Sie verfügt über ein massives und leistungsstarkes Antriebssystem, das in der Lage ist, die bewegliche Aufspannplatte der Spritzgießmaschine in mindestens eine Richtung präzise zu verfahren.

Arten von Schließeinheiten

Beim Spritzgießprozess gibt es verschiedene Arten von Schließvorrichtungen. Diese sind wie folgt:

Kniehebel-Schließsystem

Ein Kniehebel ist ein intelligentes mechanisches Bauteil, das zur gezielten und effizienten Kraftverstärkung eingesetzt wird. In einer Spritzgießmaschine sind dabei zwei massive Hebelarme miteinander verbunden und enden in einem zentralen Drehgelenk. Das Ende des einen Hebelarms ist an einer festen Maschinenplatte montiert, während das andere Ende fest mit der mobilen Aufspannplatte verbunden ist. Wenn das Werkzeug geöffnet ist, weist der Kniehebel eine deutliche V-Form auf; sobald jedoch Druck auf das zentrale Gelenk ausgeübt wird, strecken sich die beiden Hebelarme und bilden eine gerade Linie, was die maximale Schließkraft erzeugt.

Zu den wesentlichen wirtschaftlichen Vorteilen des Kniehebel-Schließsystems gehört, dass es deutlich weniger Energie und Motorleistung benötigt, um betrieben zu werden, und eine formschlüssige, positive Verriegelung des Werkzeugs gewährleistet. Auf der anderen Seite bestehen die Nachteile dieses mechanischen Systems darin, dass es in der Regel sehr wartungsintensiv ist und die exakte maschinelle Einstellung vergleichsweise komplex ausfällt.

Hydraulisches Schließsystem

In diesem Fall ist der massive Kolben (RAM) des Hydrauliksystems starr mit der beweglichen Aufspannplatte verbunden, und die Schließeinheit, die direkt von einem großformatigen Hydraulikzylinder angetrieben wird, ist unmittelbar mit der geschlossenen, beweglichen Werkzeughälfte gekoppelt. Der Antriebszylinder selbst ist konstruktiv in zwei Hauptbereiche unterteilt: den Öleinlass und den Ölauslass.

Wenn das Hydrauliköl unter hohem Druck in den Zylinder strömt, drückt es den massiven Kolben kraftvoll nach vorne, wodurch die bewegliche Aufspannplatte verfahren und das Werkzeug sicher geschlossen wird. Im Umkehrschluss bewegt sich der Kolben zügig zurück und das Werkzeug öffnet sich, sobald das unter Druck stehende Öl kontrolliert aus dem Zylinder abgelassen wird.

Einige der herausragenden Vorteile der hydraulischen Schließeinheit umfassen die sehr einfache Steuerung der Schließgeschwindigkeit sowie die variable Kraftunterstützung an jeder beliebigen Position des Hubs. Darüber hinaus ermöglicht dieses System eine unkomplizierte Messung der exakten Schließkraft, eine schnelle Werkzeugeinrichtung, eine stufenlose Anpassung der Zuhaltekraft und zeichnet sich durch seine generelle Wartungsfreundlichkeit aus.

Die Nachteile dieser Art der Schließung liegen in erster Linie auf der finanziellen Seite, da sie in der Anschaffung und oft auch im Betrieb deutlich kostenintensiver ist als ein rein mechanisches Kniehebelsystem oder eine formschlüssige Verriegelungsklammer.

Magnetisches Schließsystem

Bei diesem hochmodernen System erzeugen spezielle Magnetmodule, die direkt in die magnetischen Werkzeugspannplatten integriert sind, die gesamte erforderliche Haltekraft für den Prozess. Über ein zentrales und intuitives Bedienfeld lassen sich das Spannen des Werkzeugs, der schnelle Werkzeugwechsel sowie das gezielte Magnetisieren und Entmagnetisieren der Platten komfortabel steuern.

Die immensen technologischen Vorteile dieser innovativen Schließeinheit bestehen darin, dass elektrische Energie ausschließlich während der kurzen Magnetisierungs- und Entmagnetisierungsphasen benötigt wird, nicht jedoch während des eigentlichen, dauerhaften Spannvorgangs. Zudem bietet das System eine hochpräzise Echtzeitmessung der Spannkraft kombiniert mit zahlreichen integrierten Sicherheitsfunktionen und ist im industriellen Alltag nahezu völlig wartungsfrei.

Schussgewicht des Werkzeugs

Die Gesamtmenge des Materials, die in das Werkzeug eingespritzt wird, um dieses inklusive des gesamten Angusssystems vollständig zu füllen, wird branchenüblich als „Werkzeug-Schussgewicht“ oder „Produkt-Schussgewicht“ bezeichnet. Das Gewicht des Hauptangusses, der Verteilerkanäle und der eigentlichen Anschnitte bilden dabei die wesentlichen technischen Komponenten dieses Schussgewichts. Die exakte axiale Strecke, die die Schnecke zurücklegen muss, um das Produkt inklusive des kompletten Angusssystems zu füllen, ist hingegen als Werkzeug- oder Produkt-Schussvolumen (Shot Size) bekannt.

Fazit

Beim hochkomplexen Spritzgießverfahren wird roher Kunststoff aufgeschmolzen, unter hohem Druck in ein formgebendes Werkzeug eingespritzt, dort gezielt abgekühlt und verfestigt, bevor das fertige Kunststoffobjekt schließlich ausgeworfen wird. Die exakte Bestimmung und Einhaltung des Schussvolumens ist von absolut entscheidender Bedeutung für die Bauteilqualität, da sie eine Unterfüllung der Formebenen sowie die lästige Bildung von Schwimmhäuten (Flash) effektiv verhindert. Neben dem Schussvolumen beeinflussen auch viele weitere Maschinenparameter, wie beispielsweise die verfügbare Zylinderkapazität, den allgemeinen Spritzgießprozess maßgeblich.