Kunststoffbearbeitung - Arten und Techniken

Kunststoffe, also Polymere verschiedener Art, sind aus dem modernen Leben nicht mehr wegzudenken.

Obwohl sie am häufigsten mit PET-Flaschen in Verbindung gebracht werden, gibt es Arten dieser Materialien, die sich durch eine hohe mechanische und thermische Festigkeit auszeichnen und daher in vielen Branchen verwendet werden.

Richtig bearbeitete Kunststoffteile können einige Metallteile ersetzen - vor allem dort, wo ein geringes Gewicht und niedrige Herstellungskosten wichtiger sind als eine extrem hohe mechanische Festigkeit.

Was ist Kunststoffbearbeitung?

Unter Kunststoffbearbeitung versteht man die Formgebung von Teilen aus verschiedenen Polymeren, in der Regel durch verlustreiche Bearbeitung (überschüssiges Material wird entfernt), wobei das fertige Objekt eine geringere Masse aufweist als der Block, aus dem es hergestellt wurde. Es werden dazu eingesetzt:

• Zerspanungswerkzeuge (Drehbänke, Fräsmaschinen, auch numerisch gesteuert), 
• Handwerkzeuge (Bohrer, Sägen, Meißel, Feilen usw.),
• verschiedene Arten von Pressen (z. B. zum Biegen größerer Teile), 
• Laser oder Wasserhochdruck (Waterjet).

Die derzeit hergestellten Polymere lassen sich relativ leicht verarbeiten, und einige von ihnen weisen eine hohe mechanische, thermische und chemische Beständigkeit auf, während sie (im Vergleich zu Metall) ein geringeres Gewicht aufweisen. 

Dadurch sind sie in der Lage, Metallteile in vielen Industriezweigen zu ersetzen und das tun sie auch. Das beste Beispiel ist ihre Verwendung bei der Herstellung von leichten Zahnrädern in Getrieben mit geringem Drehmoment (z. B. zum Heben von Glas in Autoscheiben). Wenn man von Kunststoffverarbeitung spricht, darf man den 3D-Druck nicht vergessen, der meist auf Polymeren (z. B. PET) und neuerdings auch auf dem Druck von Bauteilen aus Metallen (z. B. Titan oder Aluminium) basiert. 

Dabei geht es mehr um den "Bau" oder die "Herstellung" von Bauteilen aus Polymeren als um deren Verarbeitung, weshalb wir dieses Thema in diesem Artikel auslassen. Es ist erwähnenswert, dass sich die Verarbeitung von Polymeren selbst auf ihre mechanische Formgebung konzentriert. Der Prozess der Herstellung der Blöcke, die diesem Prozess unterzogen werden, beinhaltet in der Regel das Schmelzen dieser Blöcke (in der Regel in Granulatform) - dies wird allgemein als "Kunststoffverarbeitung" bezeichnet. 

Arten der Kunststoffbearbeitung

Es gibt viele Möglichkeiten, Teile aus Polymeren zu formen. Die zunehmende Beliebtheit von 3D-Druckern oder die hohe Verfügbarkeit von einfachen Laserplottern/-schneidern hat die Herstellung von Kleinteilen und das Rapid Prototyping weit zugänglich gemacht. 

Die meisten modernen Industrien benötigen jedoch Teile, die durch maschinelle Bearbeitung von Kunststoffen hergestellt werden. Das bedeutet, dass größere und kleinere Gegenstände aus technischen Kunststoffen in verschiedenen Arten von Anlagen geformt werden (mehr dazu im Folgenden). 

Eine solche Fertigung mit professionellen Maschinen ermöglicht hochpräzise Arbeit und reproduzierbare Teile, die Qualitätskriterien erfüllen und mit minimalen Toleranzen hergestellt werden.

Die gängigsten Methoden zur Formgebung und zum Gießen von Kunststoffen sind:

• Kunststoffbearbeitung – mit traditionellen (automatischen) Fräs- und Drehmaschinen. Damit kann das Material relativ schnell mit Fräsern oder Drehmessern geformt werden. Sie eignet sich für die Herstellung von Einzelteilen oder Kleinserien. Es ist weit verbreitet und ermöglicht bei Verwendung von Schablonen und entsprechender Qualitätskontrolle die Herstellung von Objekten mit ähnlichen Parametern. Aufgrund der manuellen Handhabung des gesamten Prozesses ist diese Form der Bearbeitung arbeits- und zeitintensiv und eignet sich nicht für die Massenproduktion,
• das plastische Biegen – wird auf speziellen Pressen oder anderen Werkzeugen zum Biegen und Formen von Winkeln durchgeführt. Bei dieser Form der Bearbeitung werden verschiedene Arten von Schablonen verwendet und sie kann bis zu einem gewissen Grad automatisiert werden. Sie wird in der Regel bei größeren Objekten (z. B. Profilen, Rohren oder Platten) angewandt. Sie wird unterteilt in:
  • das Kaltbiegen, d.h. die Formgebung von Gegenständen innerhalb ihrer natürlichen Elastizität und Plastizität. Diese Methode der Kunststoffverarbeitung ist relativ einfach und effizient, und es ist auch einfacher, damit eine gleichmäßige Biegekrümmung zu erreichen. Polycarbonate und PETG, d. h. Poly(ethylenterephthalat) mit Glykol, die häufig im 3D-Druck verwendet werden, werden am häufigsten auf diese Weise verarbeitet;
  • Thermobiegen, auch  als thermoplastisches Biegen  bekannt. Dabei werden Biege- und Winkelformwerkzeuge verwendet, die das Werkstück erwärmen, um seine Verformbarkeit zu verbessern. Polyethylen wird am häufigsten auf diese Weise bearbeitet;
• CNC Kunststoffbearbeitung – mit numerisch gesteuerten Dreh-, Fräs- und Schleifmaschinen. Dies ist derzeit eine der am häufigsten verwendeten Methoden zur Bearbeitung von Polymeren. Sie gewährleistet eine hohe Präzision der hergestellten Teile und minimale Toleranzen. Daher eignet es sich hervorragend für die Herstellung von Kunststoffteilen oder die Bearbeitung von Maschinenteilen und Geräten mit komplexen Formen (z. B. Zahnräder oder räumliche Objekte),
• Laserschneiden von Kunststoffen – dies ist eine relativ neue Bearbeitungsmethode, die für das Prototyping oder die Herstellung kleiner Teile sehr beliebt ist. Die gewünschte Form wird mit Hilfe eines leistungsstarken Lichtstrahls geschnitten. Bei diesem Verfahren wird eine große Menge an Wärme erzeugt, so dass der Bediener besonders auf die Kühlung der Arbeitsfläche und die richtigen Arbeitsparameter achten sollte. Heutzutage gewährleisten professionelle Laserschneidmaschinen eine hohe Präzision bei der Herstellung von Bauteilen.
  
  

Werkzeuge für die Kunststoffbearbeitung

Die am häufigsten verwendeten Werkzeuge für die Bearbeitung von Kunststoffen sind:

• spanabhebende Maschinen (z. B. für die CNC Kunststoffbearbeitung: Drehbänke, Fräsmaschinen), 
• Abkantpressen und andere Biegewerkzeuge, 
• Laserschneidmaschinen/Plotter, 
• Wasserstrahlschneidmaschinen, die häufig numerisch gesteuert sind und meist als "CNC-Schneidmaschinen" bezeichnet werden.

Jedes dieser Verfahren ermöglicht die Herstellung von Teilen aus Polymeren. Wie bei der Metallbearbeitung hängt die Wahl der Kunststoff-Formgebungstechnologie vom gewünschten Effekt, der Art des gewählten Polymers und der Art des Objekts ab. Diese Entscheidung wird in der Regel  von Fachleuten auf der Grundlage der vom Kunden erhaltenen Vorgaben getroffen. 

Für die Herstellung von flachen Objekten aus Kunststoffplatten eignet sich eine Laserschneidmaschine, insbesondere eine numerisch gesteuerte, hervorragend. Die hohe Präzision des Lasers ermöglicht das Schneiden von zweidimensionalen Objekten mit sehr komplexen Formen - ähnliche Anwendungen finden sich auch beim Wasserstrahlschneiden. 

Die Herstellung zylindrischer Teile (z. B. Bolzen und Buchsen) ist dagegen auf Drehmaschinen am effizientesten - der Einsatz von CNC-Anlagen hilft, den Prozess zu beschleunigen und die Toleranzen zu verringern. Das Fräsen von Kunststoffen ist ein weit gefasstes Thema, so dass es sich lohnt, darauf hinzuweisen, dass mit dieser Technologie sowohl in 2D als auch in 3D gearbeitet werden kann. 

Das Fräsen auf Fräsmaschinen ermöglicht sowohl die Herstellung komplexer 2D-Objekte (z. B. Zahnkränze) als auch die Bearbeitung von 3D-Objekten (z. B. mit 5-Achsen-Fräsmaschinen). Mit Pressen und anderen Biegewerkzeugen lassen sich größere Bauteile in den gewünschten Winkel bringen (z. B. Kunststoffgehäuse). Es gibt auch eine breite Palette von Handwerkzeugen oder Elektrowerkzeugen, die sich gut für die Ad-hoc-Formung von Kunststoffobjekten eignen, aber in der industriellen Produktion keine praktische Verwendung finden.

Die am häufigsten verarbeiteten Kunststoffe

Heute werden viele Arten von Kunststoffen in der industriellen Verarbeitung eingesetzt. Sie unterscheiden sich sowohl in ihren mechanischen als auch in ihren thermischen Eigenschaften und werden daher in vielen Branchen eingesetzt. Unter den am häufigsten bearbeiteten Polymeren sind zu erwähnen:

• Polyoxymethylen (POM), das sich durch eine hohe Abriebfestigkeit und gute thermische Eigenschaften auszeichnet (es kann dauerhaft bei Temperaturen bis zu +90 °C eingesetzt werden). Es wird häufig für die Herstellung von Teilen für viele Industriezweige verwendet, von Haushaltsgeräten bis hin zur Automobilindustrie,
• Polycarbonat (PC), transparent und ähnlich wie Acrylglas, aber mechanisch viel widerstandsfähiger. Es zeichnet sich auch durch eine gute Abriebfestigkeit aus - es ist in der Herstellung teurer als Plexiglas,
• Acrylglas (PMMA, plexiglas), ein transparentes Material mit recht guten mechanischen Eigenschaften und hoher Transparenz und Beständigkeit gegen UV-Strahlung (es vergilbt nicht),
• Polycaprolactam (poliamid-6, PA-6), ein Polymer mit relativ schlechten mechanischen Eigenschaften, das jedoch leicht zu verarbeiten ist und häufig zur Herstellung von Komponenten für elektronische Anwendungen verwendet wird,
• Hochleistungspolymere wie Polyetherimid (PEI), mit sehr guten mechanischen Eigenschaften und Beständigkeit gegen Säuren, Abrieb oder Temperatur, oder Polyamidoimid (PAI) mit hoher Beständigkeit gegen Ermüdungskorrosion.

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