Allgemeines zur Werkzeugauswahl

Vorteilhaft bei der Verwendung von Kunststoffen gegenüber anderen Werkstoffen

• leichte Formgebung und Eignung für Massenanfertigung
• geringe Dichte, dadurch günstig spezifische Festigkeit, verminderte Transportkosten
• korrorsionsbeständigkeit und überwiegend beständig gegen Chemikalien
• Eignung für medizinische Anwendung als Implantat-Werkstoff, für Geräte und Behälter
• wärme- und schalldämmend, durch Schaumstrukturen noch zu steigern
• einfärbbar, oft auch gute Transparentz
• elektrisch isolierend und meist günstiges dielektrisches Verhalten
• Verbundbauweisen ermöglichen die Anpassung an besondere Belastungsfälle
• großes bedarfsorientiertes Angebot
• umfangreiche physikalische und chemische Modifizierungsmöglichkeiten durch Mischung, Weichmachung, streckende, verstärkende und leitfähige Füllstoffe, Pigmente, Eigenverstärkung:Copolymersation
• praktisch unbegrenzte Ressourcen 
• recyclierbar

problematisch bei der Verwendung von Kunststoffen

• geringe Festigkeit von unverstärkten Kunststoffen
• zeitabhängige Festigkeits- und Verformungseigenschaften, Neigung zum Kriechen und Relaxieren
• verminderte Dimensionsstabilität, Neigung zum Verziehen, Schrumpfen, Quellen
• geringe Wärmebeständigkeit
• meist brennbar
• eventuell alterungsanfällig bei UV-Licht und Bewitterung und Ozoneinfluss, dadurch Abbau, Vergilbung, Verfärbung, Rissbildung
• eventuell anfällig gegen Mikro- und Makroorganismen
• überwiegend gasdurchlässig, permeabel
• Neigung zu Migration
• Neigung zu Weichmacherverlusten bei weichgemachten Kunststoffen
• elektrostatisch aufladbar

Struktur des Kunststoffe

Der strukturelle Aufbau der Kunststoffe ist einerseits chemisch vorgegeben durch die Konstitution, den chemischen Aufbau, sowie die Konfiguration, die feste räumliche Anordnung der Grundbausteine und von Molekühlgruppen entlang der Kette,
wird andererseits physikalisch wesentlich beeinflusst durch die Konformation, die Gestalt der Makromoleküle.

Die Neigung zu Kristallinität und Orientierung bei vielen Polymerwerkstoffen ist konformationsbedingt.

Die chemische und physikalische Struktur bestimmen zusammen mit der Beweglichkeit von einzelnen Makromolekülbereichen die wesentlichen Eigenschaften dieser Werkstoffgruppe.

Copolymerisation

Bei der Herstellung von Kunststoffen aus verschiedenen Grundbausteinen (Monomereinheiten) spricht man von Copolymerisation, sie spielt für die gezielte Veränderung von Polymereigenschaften eine große Rolle. Man kann im Wesentlichen 4 Arten von Copolymeren unterscheiden, die im folgenden Schema mit jeweils zwei Monomersorten (  ● und x) dargestellt werden.

Die Copolymerisation wird häufig zur Erniedrigung der Glastemperatur herangezogen, um die Zähigkeit des Kunststoffes bei tieferen Temperaturen zu steigern.

Diese auch mit "innerer Weichmachung" bezeichnete Erniedrigung der Glastemperatur kann man mit der skizzierten Block-Copolymerisation (3) oder mit der Pfropf-Copolymerisation (4) als Weichsegmente zu betrachten

Übersicht über die wesentlichen Verarbeitungsmöglichkeiten

Urfomen

Aus einem Ausgangsmaterial z.B. Granulat wird das Produkt in endgültiger Form geschaffen durch:

• Gießen
• Extrudieren

Daraus entsteht dann ein fertiges Bauteil oder Halbzeug

• Profile
• Rohre
• Platten

Umformen

Ein vorgeformtes Produkt wird zum Endprodukt umgeformt durch:

• Tiefziehen
• Warmformen

Daraus entsteht dann ein fertiges Bauteil durch:

• Tiefziehen
• daraus kann ein Becher entstehen

Fügen

Das Produkt entsteht durch:

• Schweißen
• Kleben
• mechanisches Verbinden
• Schrauben
• Nieten
• Nageln
• Schnappverbindung

Dadurch ensteht ein fertiges Bauteil, was aus verschiedenen Teilen und aus verschiedenen Werkstoffen zusammengefügt wird.

Spangegebenes Umformen

Zu den Spangegebenen Umformen gehören:

• Drehen
• Fräsen
• Hobeln
• Bohren
• Schleifen

Hierbei werden die wesentlichen Parameter für die Qualität einer Spangebung durch:

• die Geometrie des Schneidwerkzeuges
• die Auswahl von Schnitt- und Freiwinkel
• die Schneidgeschwindigkeit
• die Spandicke, die Spanform
• die Möglichkeit des Abtransportes der entstehenden Wärme mit dem abgetragenen Span

Verstrecken (Eigenverstärkung)

Durch eine Erhöhung der Transportgeschwindigkeit aufeinanderfolgender Walzenpaare für eine gefertigte Bahn kommt zu einer Kaltverstreckung.
Bei teilkristallinen Thermoplasten entsteht neben der Orientierung der Makromoleküle auch noch eine Erhöhung des Kristallinitätsgrades.

Ziel des Verstreckvorganges ist die Steigerung von Zugfestigkeit und die Elastizitätsmodul in Orientierungsrichtung.

Das gleiche Ziel erreicht man bei einer Warmverstreckung z.B. von:

• (textilien) Fäden

man spricht hier von der Schmelzedeformation, bei der eine Verstreckung noch vor der Erstarrung erfolgt.

Warmformen (Spanloses Umformen (Kunststoff))

Das Warmformen von Halbzeugen ist ein Umformverfahren für Thermoplaste durch:

• Zug
• Druck
• oder Biege-Formkräfte

nachdem das Halbzeug durch äußere Erwärmung in einen zähen formbaren Zustand gebracht wurde.

Bei relativ geringen Werkzeugkosten lassen sich auch größere Teile Warmformen, dabei können auch weitgehend gleichbleibende Wanddicken erreicht werden.

Kaltformen (Spanloses Umformen (Kunststoff))

Beim Kaltumformen werden Halbzeuge aus zähen Thermoplasten kurzzeitig mit hohen Verformungskräften geformt.
Die Umformteile werden dabei anisotrop, was aber zu einer verbesserten Transparenz und erhöhter Schlagzähigkeit führt.
Das für das Kaltformen typische Tiefziehen wird auch unter Warmformbedingung eingesetzt.

Umformverfahren (Kunststoff)

Beim Umformen werden Produkte (Halbzeuge), die bereits im Urformverfahren hergestellt wurden, zu Fertigteilen weiter verarbeitet. Hierzu zählen insbesondere spanlose Verfahren wie das Tiefziehen, das sowohl als Kaltform- wie auch als Warmformverfahren eingesetzt wird, von Serienprodukten für Verpackungen aus:

•  Platten 
•  Folien.

Blasformen (Kunststoff)

Das Blasformen mit seinen verschiedenen Verfahren dient zur Herstellung von thermoplastischen Hohlkörpern. Der Ablauf erfolgt in mehreren Schritten:

1. Schritt
1. Herstellung eine Formlings, eines Schlauch- oder Rohrabschnittes aus einem Extruder. Der i. Allg. noch warme Strangabschnitt von zweiteiligen Werkzeug erfasst
2. Schritt
1. an den Enden zusammengepresst und 
3. Schritt:
1. mit Druckluft bis zum Auffüllen des gesamten Werkzeughohlraumes aufgeblasen

Verfahren sind:

• Extrusionsblasformen
• Spritzblasen
• Tauchblasen
• Streckblasen
• Folienblasen

Extrudieren

Dieses Verfahren dient zur Herstellung endlos geformter thermoplastischer Halbzeuge wie:

• Profile
• Platten
• Folien

Das kontinuierlich eingezogene Granulat wird in der Schnecke des Extruders 

1. komprimiert
2. plastifiziert
3. entlüftet
4. durchgeknetet
5. und anschließend durch das Profil-Werkzeug gedrückt

Das entstehende Profil durchläuft anschließend bis zur endgültigen Erstarrung eine Kühlstrecke

Spritzgießen

Das Spritzgießen ist das häufigste Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Thermoplasten. Der thermoplastische Kunststoff wir in einer Schneckenmaschine hergestellt.

1. wird erwärmt anschließend
2. wird diese plastifiziert und
3. unter Druck durch eine Düse (Anguss) in das kalte Formwerkzeug gespritzt
4. dort erstarrt die Masse

In diskontinuierlichen Schritten erfolgen die Plastifizierung der Formmasse, das Einspritzen in das geschlossene Werkzeug und das Öffnen der Form mit anschließenden Auswerfen des Formteils.

Es gibt auch noch das Mehrfach-Spritzen, bei diesem wird ein entsprechendes Mehrfach-Werkzeug verwendet, bei dem man z.B. 32 Teile gleichzeitig anfertigen kann.

Beim Spritzgießen von Duroplasten wird die vorplastifizierte Masse in die heiße Form gespritzt, in der sie aushärtet.

Niederdruckformen

Das dargestellte Laminierverfahren ist eine einfache Art zur Herstellung von verstärkten Kunststoffbauteilen aus Duroplasten, das Handformverfahren.
Hierbei werden schichtweise Harz und Verstärkungsmaterial manuell aufgebracht und mit Rollen eingearbeitet. Das Einarbeiten und Verdichten unter geringem Druck kann durch weitere Verfahren erfolgen, z.B.:

• Durcksackverfahren
• Vakuumverfahren
• Faserspritzen

Herstellen von Schaumstoffen

Bei fast allen Kunststoffen möglich durch Einsatz physikalischer oder chemischer Treibmittel. Dadurch entstehen:

• geschlossene
• offene
• gemischte

Zellenstrukturen.

Es gibt Schaumkunststoffe gleichmäßiger Struktur und Integralschäume, die im Kern geschäumt und im Randbereich kompakt und ungeschäumt sind. Diese haben einen hohen Verformungswiderstand bzw. ein hohes Widerstandsmoment (hat die selbe Wirkung wie beim Doppel-T-Träger).

Man kann außerdem noch zwischen Weich- und Hartschaum unterscheiden.

Offen-zellig sind für die Schalldämmung

geschlossen-zellig ist für die Wärmeisolierung am besten geeignet

Sintern

Beim Sintern bleibt in einer erhitzten Form eingeschüttetes thermoplastisches Pulver abschmelzend haften.
Nach entfernen des überschüssigen Pulvers, wird die Form zum Glätten der Formteiloberfläche noch einmal erwärmt, abgekühlt und entformt (Schüttsintern).

Wirbelsintern:
Beim Wirbelsintern wird ein zu beschichtendes Bauteil durch ein Wirbelbett geschwenkt und ebenfalls zur Glättung des anhaftenden Pulvers thermisch nachbehandelt.

Neben diesen drucklosen Sinterverfahren gibt es das Presssintern :

• welches bei Raumtemperatur 
• erhöhter Temperatur und Hochendruck 

zur Herstellung kompakter oder auch poröser Formteile

Kalandieren

• Herstellung von Bahnen und Folien aus plastifizierter Masse, die durch die Spalte verschieden angeordneter Walzensysteme
• bei schrittweiser verminderten Walzenspalte > geförder und geformt wird
• Fertigungsbreiten bis etwas 4m möglich.

Nachteil:

• Problem der Walzendurchbiegung und dadurch gleichmäßige Dicke über die gesamte Breite, ist meist sehr aufwändige Abhilfe durch ballige Walzenform (Bombage)
• Momentenaufbringung an den Walzenenden (Crossing Over)
• glatte polierte Stahlwalzen, eventuell zusätzliche Prägewalzen

Was dadurch Produziert werden kann:

• (Endlos-) Produkte
• Bodenbeläge
• Dichtungsbahnen
• Folien

Gießen (Kunststoff)

Relativ einfaches herstellungsverfahren von meist größeren Formteilen, für flüssige Kunststoffe als :

Schmelze
Lösung
flüssiges

Als Vorprodukt von Duroplasten.

Wird auch zur Herstellung von Halbzeugem durch breiten Schlitz auf ein Trägermaterial oder Transportband genutzt.

Die Erstarrung erfolgt durch Kühlung (Schmelze) bzw. Temperierung (Lösung)

Erhaltung von isotrope Formteile.

Abgewandelte Verfahren sind:

Schleudergießen (mit der Formfüllung durch Zentrifugalkräfte)
Filmgießen
Follengießen (nicht für die Serienanfertigung geeignet)

Urformverfahren (Kunststoff)

Die nach den verschiedenen Polymerisationsverfahren hergestellten Rohpolymere werden vor einer Verarbeitung zunächst aufbereitet.
Dabei werden Zusatzstoffe oder auch zusätzliche Polymerkomponenten eingesetzt, mit denen

• mechanische
• optische und Beständigkeitseigenschaften
• und Verarbeitungseigenschaften

günstig beeinflusst werden sollen, um für die zu fertigenden Produkte eine möglichst gute gute Gebrauchstauglichkeit zu erreichen.

Je nach Kunststoffart werden daraus für die weitere Verarbeitung verschiedene Lieferformen wie:

• Granulat
• Pulver
• Paste
• Flüssigkeit
• Kautschuck

als Ballen hergestellt.

Mechanisches Verbinden

zu Mechanischen Verbindungen gehören:

• lösbare Verbindungen
• z.B. Verschrauben
• oder Schnappverbindungen
• nicht lösbare Verbindugen:
• z.B. Nieten
• oder Nageln

Schweißen (Kunststoff)

Beim Schweißen erfolgt die Verbindung durch Aufschmelzen und Ineinanderfließen der angrenzenden Fügeteile. Es lassen sich daher nur Thermoplaste verschweißen, die außerdem mindestens von ähnlicher Stoffart sein müssen.

Die verschiedenen Schweißverfahren beruhen i.W. auf die unterschiedlichen Möglichkeiten für die zum Schmelzen aufzubringenden Erwärmungsmethoden:

• Heizelementschweißen    >    Wärmeleitung
• Warmgasschweißen         >    Konvektion
• Reibschweißen                 >    (äußere) Reibung
• Ultraschallschweißen       >    (innere) mechanische Reibung
• Hochfrequenzschweißen  >    (innere) elektrische Reibung