Die Untersuchung der Machbarkeit
und Umsetzung, Stahlbauteile
aus Polymerwerkstoffen zu ersetzen

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Kunststofffertigungsverfahren

Für unser Projekt waren nur drei Fertigungsverfahren von Kunststoffen interessant. Dazu gehört das Rotationsschmelzverfahren, das Thermoformen und das Spritzgießen. Im folgenden werden diese drei Verfahren kurz erläutert.

Rotationsschmelzverfahren

Beim Rotationsschmelzverfahren oder Rotationsgussverfahren wird ein Polymerwerkstoff in Pulverform in eine Form gegeben und diese wird biaxial rotiert, dabei fährt die ganze Form in einen Ofen. In dem Ofen rotiert die Form weiter. In der Form wird das Pulver zum Schmelzen gebracht. Ist das Pulver geschmolzen verteilt es sich langsam am äußeren Rand der Form. Kommt die Form aus dem Ofen findet als erstes eine Luftkühlung statt, danach bekommen die Bauteil noch eine Wasserberegnung. Eine Form benötigt eine Durchlaufzeit von einer Stunde.

Quelle: © www.rotoworldmag.com

Bei dem Rotationsschmelzverfahren ist es wichtig, das Kanten, Ecken und Ein-/ Ausläufe mit einem kleinsten Radius von R= 5 mm konstruiert werden. Um Werkzeugkosten zu sparen, sollte ein Bauteil direkt so konzipiert werden, dass möglichst einfache Formen mit wenigen Teilen benötigt werden. Nahtstellen könnten sichtbar bleiben, dies ist bei der Auslegung zu berücksichtigen. Das wichtigste ist jedoch, dass ein Bauteil eine geschlossene Hohlform aufweist, um es gut rotieren zu lassen.

Thermoformen

Der Kunststoff wird mithilfe von Wärme und Druckluft oder Vakuum umgeformt. Dieses Verfahren hat eine Ähnlichkeit zum Tiefziehen von Metall aus diesem Grund wird dieses Verfahren auch Vakuumtiefziehen genannt. Das Thermoformen unterscheidet sich zwischen zwei verschiedenen Halbzeugen, die Folien und die Platten. Platten haben eine Dicke ab ca. 1,5 mm. Folien können auf einer Rolle mit einem Durchmesser bis zu Ø 1,8 m dem Prozesszu-geführt werden.

Das Thermoformen von der Rolle läuft in Taktungen ab. Am Anfang wird die Folie in Sta-chelketten aufgenommen und geführt. Der erste Takt ist das Heizgerät, so wird die Folie weich und Formbar. Im zweiten Takt nimmt das Formwerkzeug die Folie auf und formt sie vor. Mithilfe von Druckluft und Vakuum wird die Folie in die endgültige Form gebracht. Die Druckluft und das Vakuum sorgen dafür, dass sich die warme Folie an die Form anlegt. Im nächsten Takt erstarrt die Folie vollständig durch Kühlung. Im letzten Takt wird das Bauteil ausgestanzt und Bohrungen etc. noch eingebracht.

Quelle: © Grütter Kunststoff + Formen AG CC BY-SA 3.0

Das Thermoformen von Platten läuft ähnlich ab. Hier findet nur alles in einer Maschine statt, es hat keine Taktungen. In der Maschine wird die Platte aufgeheizt, gepresst und dann mithilfe von Druckluft und Vakuum in die ecken gezogen. Die Verstreckung ist zu beachten, das bedeutet, dass wenn sich das Material dehnt sich unterumständen die Wand-stärken reduzieren. [1]

Beim Thermoformen ist es auch wichtig, dass überall mit großen Radien konstruiert wird. Mindestens wird die Wandstärke als Radius benötig, mehr ist aber besser. Die Bauteile dürfen keine geschlossene Kontur beinhalten. Bauteile die durch Thermoformen hergestellt werden, dürfen sich nur in eine Richtung erstrecken.

Spritzguss

Beim Spritzgießen handelt es sich um ein diskontinuierliches verfahren, das in Zyklen abläuft. Ein Zyklus besteht aus Füllen, Plastifizieren, Einspritzen. Dabei wird mit einer Spritzgießmaschine der jeweilige Werkstoff verflüssigt (plastifiziert) und in eine Form, dem Spritzgieß-werkzeug, unter Druck eingespritzt. Nachdem der Werkstoff durch Abkühlung oder eine Vernetzungsreaktion wieder in den festen Zustand übergegangen ist, kann er entnommen werden. Die Kavität , des Werkzeuges bestimmt dabei die Form und die Oberflächenstruktur des fertigen Teiles. Es sind heute Teile im Gewichtsbereich von wenigen zehntel Gramm bis zu einer Größenordnung von 150 kg herstellbar. Dementsprechend reichen die Zykluszeiten von wenigen Sekunden bis zu mehreren Minuten. Mit dem Spritzgießen lassen sich Gegenstände mit hoher Genauigkeit, wie z. B. für die Feinwerktechnik herstellen. Dieses Verfahren ist vor allem für die Massenproduktion von Bauteilen geeignet. Die Spritzgusswerkzeuge, die nötig sind für die Formgebung, sind bei diesem Verfahren sehr teuer, aus diesem Grund lohnt sich dieses Verfahren nicht für klein Serien. Es sind keine genaue Zahlen festzulegen, da sich die Kosten für jedes Produkt ändern. Vorteil bei diesem Verfahren ist, das die Bauteile direkt verwendet werden können. Sie benötigen keine Nachbehandlung. Die Oberflächen von Bauteilen können flexibel gestaltet werden. Diese können glatt, mit Narbungen, Muster oder Gravuren versehen sein. Das Spritzgießen ist relativ komplex, das heißt es muss viel beachtet werden. Es ist zum Beispiel auf den Einspritzdruck, den Nachdruck, die Baugeometrie, die Prozesstemperatur und Ausgangsstoff zu achten.[2][3][4]

Quellen: [1] 15. Adolf Illig, James L. Throne, Joachim Beine. Wikipedia. [Online] 8. 03 2018.
[Zitat vom: 1. 03 2019.] https://de.wikipedia.org/wiki/Thermoformen.
[2]Abts, Georg. Kunststoff- Wissen für Einsteiger. München : Carl Hanser Verlag, 2014.
ISBN: 978-3-446-43925-2.
[3] Müller Kunststofferzeugnisse. [Online] [Zitat vom: 15. Februar 2019.]
http://www.kunststoffe-mueller.de/spritzgussverfahren.html.
[4] Firma Cirp. [Online] [Zitat vom: 15. Februar 2019.]
https://www.cirp.de/verfahren/spritzguss.php5.