Vielfältiger Einsatz von Spritzguss in der Industrie

Von Abdeckplatte bis Zahnbürste – Spritzgussteile finden sich in nahezu allen Bereichen der Industrie bzw. industriell gefertigten Produkten. Produziert werden sie nicht nur in Großserien mit über 1.000 Stück (häufig sogar Millionen Teile), sondern auch in kleineren Serien; exklusiv in Zusammenarbeit mit den Kunden. Der Innovationsfreude sind durch neue Materialtexturen keine Grenzen gesetzt, was die Kunststoffindustrie auch künftig zu einem wichtigen Wirtschaftszweig macht.

Spritzguss – häufiger drin als gedacht

Stühle, Autoteile, Tische, diverse Verpackungen, Drahtspulen, Kämme, Musikinstrumente – unzählige Alltagsgegenstände sind aus Spritzguss hergestellt. Doch kaum jemand weiß, wie das Verfahren funktioniert und warum es vor allem in der Industrie kaum wegzudenken ist.

Deutschland gehört mittlerweile zu den größten Robotermärkten global. Eingesetzt werden mehr als 230.000 Industrie-Roboter, die für eine wachsende Automation und damit einhergehend Effizienz sorgen. Durch die zunehmend automatisierte Volkswirtschaft kommen auch längst vergessen geglaubte Industriezweige zurück, beispielsweise die textile Fertigung.

Die innovativen Roboter bestehen nicht nur aus technischen Meisterleistungen. Auch Spritzgussteile aus Kunststoff sind hier fast immer in Form von Schrauben, Abdeckung und Co. zu finden.

Die Spritzgussverfahren sind, im Gegensatz zu anderen innovativen Ideen, keine deutsche Errungenschaft. ( Foto: Adobe Stock – Artinun ) Die Spritzgussverfahren sind, im Gegensatz zu anderen innovativen Ideen, keine deutsche Errungenschaft. ( Foto: Adobe Stock – Artinun )

Ein traditionsreiches Verfahren neu innovativ gedacht

Die Spritzgussverfahren sind, im Gegensatz zu anderen innovativen Ideen, keine deutsche Errungenschaft. 1872 stellten die Brüder Hyatt (USA) ein Gerät vor, das automatisiert Kunststoffe in Form brachte. Eine Idee mit bahnbrechendem Erfolg war geboren.

In den letzten Jahrzehnten wurden die Geräte innovativer, ihre Anwendungsbereiche vielfältiger. Spritzgussteile werden in Haushaltsgeräten, in der Automobilindustrie, im medizinischen Bereich und in vielen anderen Segmenten genutzt. So individuell wie die Einsatzmöglichkeiten, so different auch die Erfordernisse an die Spritzgussteile und die herstellenden Maschinen.

Verschiedene Spritzguss-Verfahren für individuelle Anwendungsbereiche

Seit der ersten automatisierten Kunststoffpressung 1872 hat sich viel getan. Mittlerweile gibt es, entsprechend den anfordern müssen aus Industrie und Co., verschiedene Verfahren. Hierzu zählen vor allem der thermoplastische, der Duroplast- sowie der Elastomer-Spritzguss. Hinzu kommen weitere Verfahren wie Mehrkomponenten-Spritzgießen oder Schmelzkern-Spritzgießen.

Mit Hitze und Druck werden daraus Stoßstangen, Zahnbürsten und Co. Spritzguss ist effizient, steht jedoch wegen des häufig fehlenden Nachhaltigkeitsgedankens in der Kritik.

Thermoplaste – flexibel, aber nicht hitzebeständig

Zu den thermoplastischen Kunststoffen gehören etwa Polyethen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyvinylchlorid (PVC). Erzeugnisse aus dem thermoplastischen (griech. „thermos“ = warm) Verfahren sind vor allem aus dem Alltag bekannt. Genutzt wird es beispielsweise für die Herstellung von Joghurtbechern. Die Vorzüge: maximale Flexibilität und Leichtigkeit. Doch die Struktur der Polyethylene ist kaum hitzebeständig, sodass niedrige Temperaturen ausreichen, um die zwischenmolekularen Kräfte zu überbrücken.

Ein Blick auf die Molekülstruktur zeigt, warum diese Materialeigenschaften vorliegen. Lange Molekülketten bilden die Struktur der Thermoplaste. Sie sind nicht untereinander verkettet, sodass sie gegeneinander gleiten können (ähnlich gekochter Spaghetti in einem Topf). Allerdings hat diese Flexibilität einen Nachteil, denn dadurch können die thermoplastischen Produkte äußerst fragil (vor allem unter Wärmeeinwirkung) werden.

Duroplaste – hart, aber spröde

Das Wort Duroplaste ist aus dem lateinischen Begriff „durus“ abgeleitet, was so viel wie „hart“ bedeutet. Spritzgussteile, die aus Duroplaste (etwa Polyurethan, Epoxidharze, Silikonharze) hergestellt werden, sind zwar äußerst robust, allerdings auch spröde. Im Gegensatz zu thermoplastischen Erzeugnissen sind sie wärmeresistent und verformen sich nicht. Bei hohen Temperaturen setzt kein Schmelzvorgang ein, stattdessen verkohlen die Produkte.

Die molekulare Struktur der Duroplaste verrät, warum die Stoffe so robust sind. Alle Moleküle sind miteinander auf dreidimensionaler Ebene vernetzt. Somit muss viel Energieaufwand eingesetzt werden, um dieses Netz zu zerbrechen; die Kunststoffe zu zerstören.

Elastomere – dehnbar und formflexibel

Polyurethan oder Silikonelastomere gehören beispielsweise zu den sogenannten Elastomeren. Sie sind, wie es der Begriff aus dem Griechischen „elastos“ schon sagt, äußerst dehnbar. Ursächlich dafür ihre Vernetzung, jedoch weniger stark wie bei den Duroplasten. Stattdessen sind die Molekülketten locker miteinander verknüpft, können sich sehr gut bewegen. Auch, wenn ein Produkt aus Elastomer einem hohen Druck ausgesetzt ist, kehrt es nach Entlastung wieder in seinen Ausgangszustand zurück.

Die Idee für die erste Spritzguss-Maschine stammt aus den USA, doch das Innovationsland Deutschland holt nach Jahrzehnten auf. ( Foto: Adobe Stock – phoenix021 )

Spritzguss – den Kunststoff-Innovationen gehört die Zukunft

In Studien zeigt sich, dass die Spritzguss-Produktion vor allem in der Verpackungsindustrie Anwendung findet. Große Umverpackungen, kleinerer Einwegbehälter für Nahrungsmittel oder Systemgastronomie – die Vorzüge der Kunststoffe (beispielsweise geringes Gewicht, Flexibilität und einfache Reinigung) werden vor allem bei zuvor packenden Produkten global eingesetzt.

Ein weiterer Absatzmarkt für Spritzguss-Kunststoff-Produkte: die Automobilindustrie. Nicht nur in Deutschland macht sich ein Wandel der automobilen Zunft bemerkbar, sondern weltweit. Hersteller setzen auf mehr Effizienz, denn geringeres Fahrzeuggewicht bedeutet weniger Kraftstoffverbrauch. Kunststoffteile sind eine ideale Möglichkeit, um Bauteile robust, flexibel und wenig Eigengewicht zu konzipieren.

Innovation aus einem Guss Made in Germany: Die TU München optimiert Kunststoffanwendungen

Die Idee für die erste Spritzguss-Maschine stammt aus den USA, doch das Innovationsland Deutschland holt nach Jahrzehnten auf. Smarte Köpfe der TU München und andere Studieneinrichtungen forschen seit Jahren an noch innovativeren Kunststoff-Ideen aus einem Guss. Ziel ist es, künftig Kunststoffteile ohne Schrauben oder Kleber herzustellen. Dadurch soll noch weniger Gewicht produziert werden.

Ein weiterer Vorteil der Spritzgussteile aus einer Hand: Sie lassen sich individuell anpassen, beispielsweise mit Blick auf Belastbarkeit, Stoffverträglichkeit, Temperaturanforderung oder anderen Komponenten.

Innovation der Zukunft: Spritzgussteile könnten schon bald Häuser erschwinglicher machen und für nachhaltige Bauweise sorgen.

Industrie 4.0 – mit Spritzgussteilen zu Mehrkosteneffizienz

In den nächsten Jahren wird sich entscheiden, wie zukunftsträchtig Spritzgusstechnik tatsächlich ist. Maßgeblich beteiligt an der Entscheidung: die Fähigkeit zur Adaption an die dynamischen Anforderungen. Der VDI hat in einer Studie herausgefunden, dass bei der Spritzguss-Herstellung und der Industrie 4.0 noch viel Verbesserungspotenzial besteht.

In Sachen Flexibilität, Robustheit und Leichtigkeit haben die Spritzgussteile einen Vorteil; sie können zur Kostenreduktion bei Automobilherstellern und Co. beitragen. Kritik gibt es hingegen am geringen Anteil der Recyclingware. Das steht im Gegensatz zu den globalen Bemühungen, künftig verstärkt auf Recycling bei Kunststoff und Co. zu setzen.

Das VDI beklagt: „Der immer noch verhältnismäßig geringe Anteil des Rezyklateinsatzes bedeutet nicht nur einen Verlust des Wertstoffs Kunststoff und einen verhältnismäßig großen Rohstoffanteil zur Herstellung von Kunststoffneubauteilen, sondern durch die Verbrennung auch eine Belastung des Klimas mit CO2“.

Schaffen es die Spritzgusshersteller in den nächsten Jahren, verstärkt auf Recycling (schon beginnend beim Produktdesign) zu setzen, könnten die Absatzmöglichkeiten deutlich steigen; vor allem beim Schließen der Stoffwechsel Kreisläufe.

Spritzguss neu gedacht: Häuser bald aus der Form?

Die Spritzgusstechnologie könnte in den nächsten Jahren einen weiteren wesentlichen Schritt gehen: die Verwendung beim Hausbau. Was noch vor einigen Jahren utopisch klang, ist heute bereits in zahlreichen Pilotprojekten Wirklichkeit geworden: Häuser aus dem 3D-Drucker. Auch in Deutschland sind einige Projekte dieser Art zu bestaunen, beispielsweise in Beckum.

Zum Einsatz kommen ganz neue Materialien, die mit dem klassischen Spritzguss nichts zu tun haben. Neben Kunststoffverbundteilen wird auch Betongemisch genutzt. Dadurch wird in mehreren Schritten ein Haus in ein bis drei Tagen (abhängig von der Grundfläche und Form) gedruckt. Nicht nur eine enorme Zeit-, sondern auch Kostenersparnis.

Für viele könnte sich damit der Traum von den eigenen vier Wänden trotz steigender Immobilienpreise dennoch erfüllen. Im Vergleich zur traditionellen Bauweise sind die „gedruckten“ Häuser günstiger, lassen sich trotzdem individuell modifizieren. Einziger Nachteil: Noch ist die Innovation beim Hausbau wenig verbreitet, was das Verfahren kostenintensiv macht. Doch auch die Brüder Hyatt fingen 1872 mit einer maschinellen Idee vom Kunststoffdruck an. Im Vergleich zu heutigen Möglichkeiten mussten auch sie damals einen enormen Preis für ihre erste Gusserzeugnisse zahlen.

Tipp: Thermoplastische Faserstoffe als nachhaltige Alternative zum Kunststoff

Eine Innovation könnte alle nachhaltigen Bedenken beim Kunststoff lösen: thermoplastische Faserstoffe. Sie bestehen größtenteils aus nachwachsenden Rohstoffen (beispielsweise Holzspänen) und auch die Bindemittel sind ökologisch. So wird beispielsweise Mais oder Soja gemeinsam mit Naturherzen verwendet, um einen Faserstoff mit thermoplastischen Eigenschaften herzustellen.

Der Biowerkstoff (bekannt als „Arboform“) wurde 1998 entwickelt und könnte die Zukunft des Spritzgusses nachhaltig positiv prägen. Damit lassen sich zahlreiche Formen mit ähnlich positiven Materialeigenschaften wie Kunststoff herstellen. Dazu zählen beispielsweise Zahnputzbecher, Schüsseln und Co.