Die spanabhebende Bearbeitung wird meist mit dem Fräsen von Metall oder eventuell dem Drehen von Holz in Verbindung gebracht. Dank der Entwicklungen in der Materialwissenschaft und der Polymerherstellungstechniken sind jedoch inzwischen verschiedene Kunststoffarten verfügbar, die Metall effektiv ersetzen können.
Sie sind besonders für solche Anwendungsbereiche geeignet, bei denen ein geringes Gewicht und niedrige Herstellungskosten wichtiger sind als eine hohe mechanische Festigkeit. So ermöglicht das Fräsen von Kunststoffen - traditionell und CNC - die schnelle Herstellung von hochwertigen Teilen für viele Industriezweige.
Was ist Kunststoff-Fräsen?
Das Kunststofffräsen ist eine Bearbeitungsmethode zur Herstellung von Teilen aus verschiedenen Polymeren. Wie bei der Bearbeitung von Metallen (Stahl, Aluminium) oder anderen Materialien kann es sowohl mit CNC- als auch mit herkömmlichen Fräsmaschinen durchgeführt werden.
Es ist eine Form der Hohlraumbearbeitung, was bedeutet, dass das mit dieser Technologie hergestellte Teil nach der Bearbeitung leichter ist als der Materialblock, aus dem es hergestellt wurde. Obwohl die Technologie der Polymerbearbeitung an sich der Metallbearbeitung sehr ähnlich ist, erfordert die spezifische Beschaffenheit von Kunststoffen den Einsatz von etwas anderen Werkzeugen und Arbeitstechniken.
Zunächst einmal leiten Polymere bei der Bearbeitung Wärme sehr schlecht. Unter anderem aus diesem Grund erfordert das Fräsen von Kunststoffen eine gute Wärmeableitung und einen hocheffizienten Spanabzug.
Hohe Temperaturen bei der Bearbeitung von Kunststoffen können zum Verstopfen des Fräsers durch die Späne, zu einer schlechteren Oberflächenqualität und zu thermischem Verschleiß führen.
Auch aus diesen Gründen wird bei der Bearbeitung von Kunststoffen das Fräsen im Gegenlauf eingesetzt - die vom Fräser abgestoßenen Späne auf der bearbeiteten Oberfläche können thermische Verformungen (sog. Grate) verursachen.
Auch dies kann durch die Wahl eines Fräsers mit der richtigen Geometrie oder durch den Einsatz einer leistungsfähigen Spanabfuhr verhindert werden. Die Auswahl des richtigen Fräsertyps und -materials wirkt sich ebenfalls direkt auf den Bearbeitungsprozess aus.
Für die Bearbeitung von Polymeren empfiehlt es sich, Fräser aus monolithischem Hartmetall und mit einer für das zu bearbeitende Material geeigneten Geometrie zu wählen. Diese gewährleisten die beste Bearbeitungsqualität und eine effektive Spanabfuhr (insbesondere Fräser mit großen Spanöffnungen).
Die besten Ergebnisse beim Fräsen von Kunststoffen - sowohl beim CNC-Fräsen als auch beim traditionellen Fräsen - werden mit hohen Spindelgeschwindigkeiten und mittleren Vorschüben erzielt.
Erwähnenswert ist, dass flache Kunststoffoberflächen im Gegensatz zu Holz besser durch Planfräsen als durch Zylinderfräsen bearbeitet werden können.
Mit diesen Produktionsparametern für Teile aus technischen Kunststoffen und anderen Polymeren lässt sich die beste Oberflächenqualität erzielen.
Die Parameter sind besonders wichtig, wenn mit CNC-Fräsmaschinen (numerisch gesteuerte Maschinen) gearbeitet wird - die Automatisierung des Zerspanungsprozesses beschleunigt die Herstellung der Teile erheblich, erfordert aber auch mehr Sorgfalt bei der korrekten Programmierung der Maschine durch den Bediener.
Bearbeitung von Kunststoffen: wann ist sie anwendbar?
Wenn man über die Verwendung von Kunststoffen bei der Herstellung von Teilen spricht, muss man ihre physikalisch-technischen Eigenschaften berücksichtigen. Dank der Technologien zur Herstellung von Kunststoffen verfügen diese über eine ausreichende mechanische und thermische Festigkeit, um einige bisher aus Metall gefertigte Teile zu ersetzen.
Zusammen mit dem geringeren Gewicht von Kunststoffteilen und den niedrigeren Kosten für ihre Herstellung kann die Verwendung von Polymeren in weniger anspruchsvollen Anwendungen eine Quelle wirklicher Einsparungen sein und ist es oft auch, ohne dass die Festigkeit oder Haltbarkeit darunter leidet.
Dies ist auf die Vorteile moderner Polymere zurückzuführen, wie z. B:
- geringes Gewicht,
- relativ hohe mechanische und thermische Beständigkeit,
- leichte Verarbeitbarkeit,
- hohe Beständigkeit gegen viele Chemikalien,
- geringe elektrische Leitfähigkeit,
- relativ niedriger Preis der Materialien,
- große Vielfalt an Polymertypen mit unterschiedlichen Eigenschaften (z. B. Transparenz).
Auch sie sind keine idealen Werkstoffe, so dass die Nachteile, die Kunststoffe vor allem gegenüber Metallen haben, nicht unerwähnt bleiben sollen:
- geringere mechanische Festigkeit und höhere Verschleißanfälligkeit,
- geringere Steifigkeit,
- geringe Beständigkeit gegen hohe Temperaturen.
Wichtig ist, dass dies allgemeine Eigenschaften moderner Polymere sind. Spezifische Typen können sich unterscheiden (z. B. hat Polyoxymethylen eine sehr gute thermische und mechanische Beständigkeit, Polycaprolactam jedoch nicht), so dass es wichtig ist, das richtige Material für spezifische Anwendungen auszuwählen.
Aufgrund dieser breiten Palette von Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften eignet sich das Kunststofffräsen für die schnelle und effiziente Herstellung von Bauteilen wie z. B.:
- leichte Zahnräder, oft monolithisch,
- verschiedene Arten von Bolzen und Buchsen,
- kleinere und größere Gehäuseteile,
- verschiedene Arten von Rahmen und Gittern.
Sie werden in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt - von der Spielzeugherstellung über Strukturteile für größere und kleinere Systeme bis hin zum Automobilsektor.
Das Fräsen von Polymeren, insbesondere wenn es numerisch gesteuert ist, ermöglicht eine schnellere Produktion, eine höhere Qualität der hergestellten Teile (engere Toleranzen, weniger Ausschuss bei der Qualitätskontrolle) sowie niedrigere Kosten je Einheit.
Kunststoffarten für die CNC-Bearbeitung
Die Entwicklungen in der Materialwissenschaft und der industriellen Chemie haben die Möglichkeiten zur Herstellung von Kunststoffteilen erheblich erweitert. Die breite Palette von Polymeren mit unterschiedlichen Eigenschaften macht es viel einfacher, das richtige Material auf der Grundlage seiner erwarteten Eigenschaften auszuwählen.
Verschiedene Kunststoffe haben unterschiedliche Eigenschaften und eignen sich daher für unterschiedliche Anwendungen. Bei einigen sind Abriebfestigkeit und hohe Steifigkeit wichtig, bei anderen ist eine hohe Dehnbarkeit mit akzeptabler Hochtemperaturtoleranz wichtiger.
Zu den Polymeren, die für die Herstellung von Teilen durch Fräsen verwendet werden, gehören:
- Hochleistungspolymere (z. B. PEI - Polyetherimid oder PAI - Polyamidoimid), die sehr gute mechanische Eigenschaften und Abriebfestigkeit aufweisen,
- Polyoxymethylen (POM), ein sehr beliebter technischer Kunststoff mit guter Steifigkeit, Wärmebeständigkeit und Abriebfestigkeit (häufig in der Automobilbranche verwendet),
- Polycaprolactam (PA-6), ein sehr leicht zu verarbeitender Kunststoff mit schlechten mechanischen Eigenschaften und sehr geringer elektrischer Leitfähigkeit, der für die Herstellung kleiner elektronischer Bauteile verwendet wird,
- Acrylglas (PMMA, umgangssprachlich Plexiglas) - ein transparentes Polymer, das häufig als wesentlich leichtere Alternative zu Glas verwendet wird (z. B. als Sichtschutz oder Fronten in verschiedenen Arten von Rahmen) und sich durch zufriedenstellende mechanische Eigenschaften und sehr hohe UV-Beständigkeit auszeichnet,
- PTFE (Polytetrafluorethylen, Tarflen) - sein niedriger Schmelzpunkt, seine guten mechanischen Eigenschaften und seine hohe Temperaturbeständigkeit machen es zu einem Material, das häufig auf Fräsmaschinen und anderen Bearbeitungsgeräten verarbeitet wird.
Die Wahl des richtigen Kunststoffs für die Herstellung eines Teils durch Fräsen ist äußerst wichtig. Sie kann dazu beitragen, die Produktionskosten zu optimieren oder ein Objekt mit besser geeigneten Parametern zu erhalten (z. B. muss nicht jede transparente Kunststoffplatte aus Polycarbonat bestehen - Acrylglas eignet sich in vielen Anwendungen besser).
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