Spritzgussmaterialien 101: Alles, was Anfänger wissen müssen

Spritzgussmaterialien

Spritzgießen ist ein Standardverfahren zur Herstellung von präzisen und genauen Bauteilen in großen Stückzahlen. Das Verfahren ist äußerst vielseitig und bietet eine große Materialauswahl sowie hohe Präzision und Effizienz. Dabei wird geschmolzenes Polymer unter hohem Druck in einen Formhohlraum eingespritzt, wo es abkühlt und die Form der Form annimmt.

Werkstoffe spielen eine entscheidende Rolle bei der Teilefertigung. Die Wahl des Werkstoffs beeinflusst Kosten, Teilequalität, Leistung und Produktionseffizienz. Darüber hinaus kann der Werkstoff die Umweltverträglichkeit und die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften bestimmen. Dieser Vergleich von Spritzgusswerkstoffen verdeutlicht, wie sich verschiedene Kunststoffe hinsichtlich wichtiger Kennzahlen wie Festigkeit und Kosten verhalten. 

Die Rolle von Harzen beim Spritzgießen

Harze bilden die Basis des Polymers. Sie werden geschmolzen und unter hohem Druck in eine Form eingespritzt. Die Eigenschaften von Harzen lassen sich an unterschiedliche Anforderungen anpassen. So können beispielsweise Additive wie Füllstoffe, Verstärkungsmaterialien und Stabilisatoren für eine bessere Haltbarkeit hinzugefügt werden. Farbstoffe werden verwendet, um dem Formteil verschiedene Farben zu verleihen. Das Fließverhalten während verschiedener Prozesse wie Abkühlen, Füllen und die endgültige Leistung des Teils werden durch das Harz bestimmt. Rohstoffe für Spritzgussgranulat sind die Grundlage des gesamten Prozesses. 

Wichtige physikalische und chemische Eigenschaften

Die Eignung eines Materials wird anhand verschiedener Eigenschaften und seines Verhaltens unter Belastung beurteilt. Zu diesen Eigenschaften zählen sowohl mechanische als auch chemische, die je nach Anwendungsbereich bewertet werden müssen. Einige wesentliche Eigenschaften sind nachfolgend aufgeführt:

• Zugfestigkeit: Dies ist ein Maß für die maximale Belastung, die ein Material beim Ziehen oder Dehnen aushalten kann, bevor es bricht.
• Bruchdehnung in %: Dies ist ein prozentuales Maß dafür, wie stark sich die Länge des Materials verändert, und zeigt somit seine Duktilität an. 
• Biegemodul: Der Biegemodul ist ein Maß für den Widerstand gegen Biegung und Durchbiegung unter Biegebelastung und zeigt die Duktilität des Materials an.
• Schlagfestigkeit: Dies gibt an, wie viel Energie die Materialien bei einem plötzlichen Aufprall absorbieren können, ohne zu brechen. Die Bestimmung erfolgt üblicherweise mit Charpy-Biegeversuchen.
• Wärmeformbeständigkeitstemperatur: Die Temperatur, bei der sich das Material zu verformen beginnt. Sie zeigt die kurzfristige Wärmebeständigkeit der Materialien unter Belastung an.
• Schmelzflussindex: Es zeigt an, wie gut das Material unter normalen Bedingungen fließt. Höhere Werte bedeuten, dass das Material leichter fließt und sich dadurch besser in Risse absetzt.
• Chemische Resistenz: Es beschreibt die Beständigkeit des Materials gegenüber verschiedenen chemischen Substanzen wie Lösungsmitteln, Ölen und Säuren.
• Dichte (g/cm³): Es handelt sich um die Masse pro Volumeneinheit des Materials, die das Gewicht des Bauteils, den Auftrieb und die Kosten beeinflusst.
• Entflammbarkeitsklasse (UL94): Dies zeigt an, wie leicht es entzündet wird, brennt und selbstverlöschend ist. 

Thermoplaste vs. duroplastische Kunststoffe

Spritzguss wird hauptsächlich mit Thermoplasten durchgeführt. Diese sind hochtemperaturbeständig, ohne sich zu zersetzen oder chemisch zu verändern. Thermoplaste sind recycelbar und können mehrfach wiederverwendet werden. Dadurch werden die Umweltbelastung minimiert und die Kosten durch weniger Materialabfall gesenkt. Kunststoffe wie PP und ABS werden aufgrund ihrer Robustheit und Wirtschaftlichkeit in verschiedenen Branchen häufig eingesetzt. 

Duroplaste sind anders und dauerhaft. Nach dem Einspritzen in die Form härten sie durch eine chemische Reaktion aus und sind somit nicht recycelbar und nicht wiederverwendbar. Thermoplaste zeichnen sich durch Hitzebeständigkeit und Dimensionsstabilität aus. Dies führt zu einer größeren Umweltbelastung. Thermoplaste sind daher für anspruchsvolle Anwendungen besser geeignet. 

Klassifizierung von Kunststoffformteilen

Amorphe Kunststoffe: Eigenschaften und Anwendungen

Amorphe Kunststoffe besitzen keine Struktur oder geordnete Molekülkristalle. Dadurch erhalten sie eine gute Transparenz und Schlagfestigkeit. Darüber hinaus zeichnen sich amorphe Kunststoffe durch exzellente Oberflächenbeschaffenheit aus. Sie finden breite Anwendung in optischen Linsen, Elektronikgehäusen und transparenten Gehäusen.

Kristalline und halbkristalline Kunststoffe

Kristalline und teilkristalline Kunststoffe sind zäh, formstabil und weisen eine hervorragende chemische Beständigkeit auf. Ihre geordnete Struktur verleiht ihnen ihre exzellenten mechanischen Eigenschaften. Kunststoffpolymere wie PP, PE und POM sind kristallin und werden für hochbelastende Anwendungen, beispielsweise in der Automobilindustrie und anderen Industriezweigen, eingesetzt. Obwohl kristalline Kunststoffe für bestimmte Anwendungen besser geeignet sind, neigen sie stärker zum Schrumpfen und Verziehen. Daher erfordern sie eine optimierte und sorgfältige Fertigung.

Hochleistungs- und technische Kunststoffe

Kunststoffe wie PEEK, PEI und PPS zählen zu den Hochleistungskunststoffen. Sie zeichnen sich durch hervorragende mechanische und chemische Eigenschaften aus, sind thermisch stabil bei Temperaturen über 200 °C und weisen eine hohe Zugfestigkeit von über 90 MPa auf. Diese Eigenschaften gewährleisten Langlebigkeit und Robustheit.

Hochleistungskunststoffe dienen in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt sowie der Automobilindustrie als Ersatz für Metall in Strukturbauteilen, aber auch in Dichtungen und Gleitlagern für die Öl- und Gasindustrie. Obwohl sie teurer sind, machen sie ihre entscheidenden Eigenschaften ideal für hohe Temperaturen und aggressive Chemikalien.

Die 10 häufigsten Spritzgussmaterialien

Polypropylen (PP)

Polypropylen-Recyclingsymbol

Polypropylen ist der weltweit zweithäufigste Kunststoff. Es bietet eine gute Chemikalienbeständigkeit und behält seine Form auch nach Verdrehung oder Biegung. Sein hoher Schmelzpunkt verhindert thermische Zersetzung. Zudem ist es feuchtigkeits- bzw. wasserbeständig. Spritzgegossenes Polypropylen ist außerdem recycelbar.

Polyethylen (PE)

Langlebige Polyethylenrohre

Polyethylen ist der weltweit am häufigsten verwendete Kunststoff. Es gibt verschiedene Varianten, die sich in ihrer Dichte unterscheiden: Polyethylen hoher Dichte (HDPE) und Polyethylen niedriger Dichte (LDPE). Beide unterscheiden sich hinsichtlich Härte, Flexibilität, Schmelzpunkt und optischen Eigenschaften. HDPE-Materialien Sie werden geschätzt, weil sie eine bessere Haltbarkeit und Stoßfestigkeit für Dinge wie Behälter und äußere Kunststoffteile aufweisen. 

Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)

ABS-Autospiegelgehäuse

ABS-Kunststoffe ABS hat einen niedrigeren Schmelzpunkt als andere Kunststoffe und lässt sich daher leichter formen. Es ist undurchsichtig und lässt sich daher gut einfärben. Darüber hinaus ist ABS glänzend, attraktiv und robust. Neben diesen Eigenschaften bietet es vielfältige Veredelungsmöglichkeiten und ist somit für verschiedene Anwendungen geeignet.

ABS ist bekannt für seine Festigkeit und Schlagfestigkeit, weist jedoch eine geringe Beständigkeit gegenüber Sonnenlicht (UV-Strahlung), Wasser und Witterungseinflüssen auf. Im Vergleich zu Acryl ist spritzgegossenes ABS daher für Außenanwendungen weniger geeignet.

Polycarbonat (PC)

Polycarbonat PC

Polycarbonat (PC) ist ein leichter, formstabiler und transparenter Kunststoff mit hervorragenden optischen Eigenschaften. Er ist bis zu einem gewissen Grad UV-beständig, kann aber bei längerer Einwirkung von UV-Licht einen Gelbstich annehmen und spröde werden, wodurch er, wie andere Kunststoffe auch, absplittert und abblättert. PC ist deutlich fester als Glas und sehr langlebig, was es zu einem hervorragenden Ersatz für Glasscheiben macht.

Acryl (PMMA)

Lasergeschnittenes, transparentes Acryl

Acryl ist ein transparenter und leichter Kunststoff, ähnlich wie Polycarbonat. Spritzgegossenes Acryl zeichnet sich durch optische Klarheit aus. Acryl ist UV-beständig und witterungsbeständig. Dank seiner guten Fließfähigkeit ist es UV-beständig und lässt sich präzise formen. Allerdings ist es empfindlich gegenüber Lösungsmitteln. Obwohl es eine hohe Zugfestigkeit besitzt, kann es unter starker Belastung brechen.

Nylon Polyamid (PA) 

CNC-Bearbeitung Nylonzahnrad

Nylon ist ein synthetisches Polyamid, das sich durch hohe Zähigkeit sowie ausgezeichnete Hitze- und Verschleißbeständigkeit auszeichnet. Nylon ist von Natur aus nicht flammhemmend und kann sich unter Sonneneinstrahlung zersetzen, obwohl UV-Stabilisatoren erhältlich sind. Nylon weist eine geringe Chemikalienbeständigkeit auf und ist feuchtigkeitsempfindlich. Es besitzt jedoch eine hohe Festigkeit und ausgezeichnete Dimensionsstabilität, wodurch es sich für Anwendungen mit hohen Belastungen wie Zahnräder und Lager eignet.

Polyoxymethylen (POM)

Gefräste POM-Kunststoffbuchsen

Spezialisierte und hybride Formmaterialien

Thermoplastische Elastomere (TPE) und Polyurethane (TPU)

TPE ist eine Mischung aus Gummi und Kunststoff. Es ist weich und flexibel wie Gummi, wird aber wie ein Kunststoff verarbeitet. Oft auch als thermoplastischer Gummi bezeichnet, besitzt es eine mäßige Dehnbarkeit, kann sich unter Belastung biegen und kehrt anschließend in seine ursprüngliche Form zurück. Es ist recycelbar. 

TPU ist eine Art TPE. Es handelt sich um ein gummiartiges Material, das sich hervorragend als Ersatz für Hartgummi eignet. Im Vergleich zu TPE weist TPU eine bessere Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit auf. Allerdings ist es schwieriger zu verarbeiten und aufgrund des längeren Trocknungsprozesses teurer.

Glasfaserverstärkte und faserverstärkte Harze

Glas- oder faserverstärkte Kunststoffe enthalten 10–50 % Kurzglasfasern in thermoplastischen Grundmaterialien wie Nylon, PA, Polypropylen, PP und PPS. Durch die Zugabe von Fasern oder Glas werden die mechanischen Eigenschaften des Materials für strukturelle Anwendungen verbessert.

Glasfasern können die Zugfestigkeit des Materials verdoppeln und auf etwa 240 MPa steigern sowie den Biegemodul vervierfachen, wodurch die Steifigkeit um das Zwei- bis Vierfache erhöht wird. Kohlenstofffasern bieten ein überlegenes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und eine hohe Leitfähigkeit. Aufgrund des höheren Druckbedarfs sind sie schwieriger zu verarbeiten und können schrumpfen.

Nachhaltige und biobasierte Materialien (PLA)

PLA ist ein biobasierter Werkstoff, der aus Maisstärke oder Zuckerrohr gewonnen wird. Er ist umweltfreundlich und hat in letzter Zeit das Spritzgießen vorangetrieben. PLA zeichnet sich durch hervorragende Steifigkeit und optische Klarheit aus. Da er ungiftig ist, eignet er sich hervorragend für Einweggeschirr und -teller. Weitere Biokunststoffe sind PHA und Bio-PP. Diese Biokunststoffe weisen jedoch den Nachteil niedriger Wärmeformbeständigkeitstemperaturen sowie höherer Kosten und längerer Produktionszyklen aufgrund langsamer Kristallisation auf.

Materialauswahlkriterien für die Teilekonstruktion

Verschiedene Kunststoffteile

Die Materialauswahl ist ein entscheidender Schritt beim Spritzgießen. Dabei müssen verschiedene Faktoren wie Kosten, Herstellbarkeit und Anwendungsbereich der Spritzgussteile berücksichtigt werden. Ein Leitfaden zur Materialauswahl für das Spritzgießen wie dieser ist ideal, um die mechanischen, thermischen und chemischen Anforderungen zu bewerten. 

Mechanische Festigkeit und Schlagfestigkeit sind die wichtigsten Kriterien bei der Materialauswahl. Kunststoffe mit hoher Zugfestigkeit eignen sich ideal für tragende und hochbeanspruchte Anwendungen, beispielsweise glasfaserverstärkter Kunststoff oder Polyamid (PA). Polycarbonat (PC) und ABS weisen eine ausgezeichnete Schlagfestigkeit auf und sind daher hervorragend für Konsumgüter geeignet.

Die thermische Stabilität und die Wärmeformbeständigkeit eines Materials sind entscheidend, um sein Verhalten bei hohen Temperaturen zu verstehen. Die Wärmeformbeständigkeitstemperatur definiert die Einsatzgrenzen des Materials. Für allgemeine Anwendungen liegt der Bereich bei etwa 90–110 °C. Polypropylen (PP) ist eine gute Wahl, während PEEK und Glasfaser für Hochtemperaturanwendungen ideal sind.

Hinsichtlich der chemischen Beständigkeit sind PP und PE überlegen. Sie weisen eine höhere Beständigkeit gegenüber Säuren, Aminen und Lösungsmitteln auf. Für Außenanwendungen sind PMMA sowie stabilisiertes PP und PE UV-beständig. Teile für die Medizin- und Lebensmittelindustrie werden aufgrund ihrer Sterilisierbarkeit und der Einhaltung gesetzlicher Vorschriften (FDA/USP/RoHS) aus PP, PC oder TPU gefertigt. Prototypenentwicklung und Tests sind weiterhin unerlässlich, um sicherzustellen, dass das gewählte Material alle Leistungs-, Umwelt- und Kostenanforderungen erfüllt.

Einfluss der Materialien auf den Spritzgießprozess

Formschrumpfung und Verformung

Formenschrumpfung und Verzug verstehen

Beim Abkühlen und Erstarren des geschmolzenen Polymers schrumpft dieses aufgrund von Dimensionsänderungen. Um dem entgegenzuwirken, muss bei der Werkzeugplanung ein Schrumpfzuschlag berücksichtigt werden. Amorphe Kunststoffe weisen im Vergleich zu kristallinen Polymeren eine geringere Schrumpfungsrate auf. 

Dies liegt an der fehlenden Molekularstruktur und Ordnung amorpher Polymere, wodurch die Richtungsabhängigkeit reduziert und eine präzise Toleranzkontrolle ermöglicht wird. Faktoren, die den Verzug beeinflussen können, sind unter anderem ungleichmäßige Abkühlung, zu geringe Wandstärken, Füllstoffe und unvollständige Kristallisation.

Durchflussraten und Schmelzviskosität

Der Schmelzflussindex (MFI) in ing/gg/g/10min misst das Fließverhalten von Materialien unter Standardbedingungen. Ein höherer MFI-Wert bedeutet geringere Viskosität und leichteres Fließen. PP und PE weisen einen hohen MFI-Wert von 20–50+ auf und eignen sich daher hervorragend für dünnwandige Anwendungen und komplexe Geometrien in ML-Formhohlräumen. Eine höhere Fließgeschwindigkeit ermöglicht zudem kürzere Füllzeiten und einen geringeren Einspritzdruck.

Geringere Schmelzflussrate bedeutet höhere Viskosität. HDPE und PP sind hierfür gute Beispiele; sie weisen einen niedrigen Schmelzflussindex (MFI) und eine höhere Viskosität auf, was sie für dickere und robustere Bauteile mit besseren mechanischen Eigenschaften geeignet macht.

Bei der Fertigung ist die Wahl eines Werkstoffs mit einem ausgewogenen Schmelzflussindex (MFI) wichtig. Ein höherer MFI-Wert bedeutet zwar eine bessere Verarbeitbarkeit, führt aber je nach Anwendung zu schwächeren Bauteilen.

Toleranz, Konsistenz und Oberflächenbeschaffenheit

Die bei der Teilefertigung erzielbare Toleranz hängt vom Material ab. Amorphe Kunststoffe ermöglichen aufgrund ihrer Molekularstruktur und ihres gleichmäßigen Schrumpfverhaltens engere Toleranzen, wodurch sich Ergebnisse vorhersagen und der Schrumpfung entgegenwirken lässt.

Die typischen Toleranzen von amorphem Kunststoff liegen bei etwa ±0.001–0.005 mm. Darüber hinaus ermöglicht er verschiedene Oberflächenveredelungen, wie z. B. Hochglanz und Glatt, aus ästhetischen Gründen. Kristalline und verstärkte Polymere stellen unterschiedliche Herausforderungen dar, wie beispielsweise die Schrumpfung aufgrund der Faserrichtung, die zu größeren Toleranzen und einer Verschlechterung der Oberflächenbeschaffenheit führen kann.

Industrielle Anwendungen nach Materialart

Automobil- und Luftfahrtkomponenten

Die Automobilindustrie ist ein Hauptabnehmer von spritzgegossenen Kunststoffen. Stoßfänger aus PP und ABS-Armaturenbretter sowie Scheinwerfergläser aus PA und PC mit Verglasung für bessere optische Klarheit dominieren den Markt aufgrund ihrer Kosteneffizienz sowie ihrer Schlag- und Chemikalienbeständigkeit. Hochleistungspolymere wie PEEK werden für Buchsen und Lager in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt.

Medizinische Kunststoffe und Gesundheitsprodukte

Die Medizin- und Gesundheitsbranche unterliegt strengen regulatorischen Standards und Vorschriften; daher müssen die in dieser Branche verwendeten Polymere der FDA/ISO 10993-Norm entsprechen. Polycarbonat (PC) wird für transparente Behälter, Polypropylen (PP) für Spritzen und Tetrapropylen (TP) für flexible Anwendungen eingesetzt. Der Vorteil dieser Polymere liegt in ihrer Biokompatibilität und Sterilisierbarkeit.

Lösungen für Unterhaltungselektronik und Verpackungen

ABS-Kunststoff ist aufgrund seiner Langlebigkeit und Stoßfestigkeit in der Unterhaltungselektronik weit verbreitet. Zudem bietet er verschiedene Oberflächenoptionen. PP und PE sind je nach Anwendung sowohl starr als auch flexibel. Sie lassen sich dünnwandig verarbeiten und sind daher kostengünstig, was sie zu einer budgetfreundlichen Option für Gehäuse macht.

So wählen Sie das richtige Material für Ihr Projekt aus

Gängige Spritzgussmaterialien

Bewertung der Leistungsanforderungen im Vergleich zum Budget

Um das am besten geeignete Material für Ihr Bauteil auszuwählen, müssen Sie Leistung und Budget in Einklang bringen. Die beste Methode hierfür ist die Analyse der Bauteilanforderungen. Kategorisieren Sie Ihre Anforderungen in funktionell essentielle und nicht essentielle, wie z. B. ästhetische. Gängige Kunststoffe wie PP und PE kosten etwa 1–2 US-Dollar pro Kilogramm und eignen sich hervorragend für 70 % der Anwendungen, beispielsweise für Spielzeugverpackungen und Gehäuse. Hochleistungskunststoffe wie PEEK oder PEI können über 50 US-Dollar pro Kilogramm kosten, sind aber für extreme Bedingungen, wie z. B. in der Luft- und Raumfahrt sowie bei Implantaten, unerlässlich. Unsere Blogbeiträge zu Kunststoff-Spritzgussmaterialien bieten einen detaillierten Vergleich. 

Bedeutung von Materialprüfung und Prototyping

Materialprüfung und Prototypenbau sind entscheidende Prozesse, die vor der Serienfertigung unerlässlich sind. Tests gewährleisten die Funktionsfähigkeit der Bauteile unter realen Bedingungen und das vorhergesagte Materialverhalten. Die Kosten für einen kleinen Prototyp können je nach Material und Komplexität zwischen 500 und 2000 US-Dollar liegen. Tests mit Prototypen liefern wichtige Daten, die analysiert werden können, um potenzielle Schwachstellen zu identifizieren. 

Standardprüfungen wie Zugfestigkeit (ASTM D638), Schlagfestigkeit (ASTM D256) und Wärmeformbeständigkeitsprüfung liefern eindeutige Ergebnisse (bestanden/nicht bestanden). Diese ersten Tests und Prototypen können Sie vor der Serienproduktion vor kostspieligen Fehlern bewahren.

Spritzgussdienstleistungen

Proleantech bietet modernste Spritzgussdienstleistungen für hochwertige Formteile aus Metall und Kunststoff. Wir sind spezialisiert auf die schnelle und großvolumige Fertigung komplexer Geometrien mit Toleranzen bis zu 0.005 mm.

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