Jedes Kunststoffteil ist einzigartig und hat individuelle Anforderungen. Aus diesem Grund gibt es viele verschiedene Verfahren zum Bearbeiten von Kunststoff.
Die bekanntesten Verfahren sind das Spritzgussverfahren, das Blasformverfahren, das Tiefziehverfahren und das Rotationsschmelzverfahren. Allerdings ist nicht jedes Verfahren für jeden Zweck geeignet.
Im Folgen werden diese verschiedenen Verfahren mit den dazu passenden Anwendungszwecken vorgestellt.
Das Spritzgussverfahren
Das Verfahren des Spritzgießens ist ein Verfahren, welches überwiegend in der Kunststoffindustrie eingesetzt wird. Hierbei wird in der Spritzgießmaschine der jeweilige Kunststoff verflüssigt und in die Spritzgießform mit Druck eingespritzt. In der Form geht der flüssige Kunststoff durch Abkühlung wieder in seinen festen Zustand über und wird nach dem Öffnen als fertiges Produkt entnommen. Der innenliegende Hohlraum der Form wird dabei komplett mit Kunststoff ausgefüllt und bestimmt damit die Form des Produktes. Das Spritzgießen ermöglicht eine große Auswahl von verschiedenen Formen und Oberflächenstrukturen wie zum Beispiel glatte Oberflächen, Muster und Gravuren.
Mit dem Verfahren des Spritzgießens lassen sich Formteile in großer Stückzahl kostengünstig herstellen. Dadurch dass die Formkosten einen großen Teil der notwendigen Investitionen einnehmen, wird der Punkt der Wirtschaftlichkeit erst bei einigen Tausend Teilen erreicht.
Fertige Spritzgussteile können mit Massen von ein paar Milligramm bis hin zu ca. 150 Kg produziert werden. Im Spritzgussverfahren werden thermoplastische Kunststoffe durch Füllstoffe für die Spritzgießverarbeitung modifiziert.
- Produktionsprozess beim Spritzgussverfahren
Zu Beginn des Produktionsprozesses wird der Kunststoff in Form von Granulat in die rotierende Schnecke der Spritzgussmaschine eingegeben. Auf dem Weg durch die Schnecke bis hin zur Schneckenspitze wird das Kunststoffgranulat erhitzt und dadurch auch aufgeschmolzen.
Da die Düse vor der Schneckenspitze noch geschlossen ist staut sich dort das aufgeschmolzene Kunststoffgranulat an und es fängt an sich Druck aufzubauen.
Durch den Druck weicht die Schnecke zurück, da sie sich axial bewegen kann und schraubt sich somit aus der aufgeschmolzenen Kunststoffmasse heraus. Der Staudruck vor der Schneckenspitze in Zusammenhang mit der sich zurückschraubenden Schnecke bewirkt, dass die Kunststoffmasse sich verdichtet.
Sobald genug Material an der Schneckenspitze vorhanden ist, dass die Form vollständig gefüllt werden kann, ist der Dosiervorgang beendet und die Rotation der Schnecke wird eingestellt.
Nach dem Abschließen des Dosiervorgangs wird die Spritzeinheit an die Spritzgussform gefahren. Unter einem Druck von 2.000 bar wird nun die aufgeschmolzene Kunststoffmasse durch die Drüse ins Innere der Spritzgussform gedrückt. Um Schwindung auszugleichen wird die Spritzeinheit von "Spritzguss" auf "Nachdruck" umgestellt. Dadurch erkaltet die Masse und wird versiegelt.
Da die Spritzgussform kälter ist als die Kunststoffmasse, kühlt der geschmolzene Kunststoff in der Form ab. Durch das Abkühlen kommt es zu einer Volumenschwindung. Um diese Schwindung auszugleichen, wird weiterhin der Druck leicht reduziert aufrechterhalten, sodass Material nachfließt und die Schwindung ausgleicht. Dieses Nachdrücken des Materials wird solange erfolgen bis der Siegelpunkt erreicht ist und der Anguss erstarrt.
Zuletzt öffnet sich eine Hälfte der Form und durch eindringende Stifte in der anderen Hälfte wird das fertige abgekühlte Kunststoffteil ausgeworfen. Das Kunststoffteil kann nun weiterverarbeitet werden. Der überstehende Anguss wird dann in einer separaten Bearbeitung oder schon während des Entformens abgeschnitten.
Nach dem Entformen kann nun die Form sich schließen und ein neuer Produktionsprozess beginnen. - Materialmöglichkeiten beim Spritzgussverfahren
Für das Spritzgießen, eignen sich eine Vielzahl von Thermoplasten, Duroplasten und Elastomeren. Vor allem im Fahrzeugbau werden Polyolefine, sowie Polypropylen für bespielweise Stoßstangen verwendet. Plexiglas und Polycarbonat wird bei der Herstellung für transparente Gegenstände wie zum Beispiel KFZ-Scheinwerfer verwendet. Der Kunststoff Polystyrol wird in der Spielzeugindustrie und bei Haushaltsgeräten eingesetzt.
Das Blasformverfahren
Bei dem Blasformverfahren oder am häufigsten angewendet davon das Extrusionsblasformverfahren handelt sich um ein Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern aus verschiedenen thermoplastischen Kunststoffen. Dabei sind die am häufigsten verwendeten Materialien beim Extrusionsblasformen Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP).
- Produktionsprozess beim Extrusionsblasformverfahren
Zuerst wird der Kunststoff durch einen Extruder aufgeschmolzen und mithilfe einer Förderschnecke zu einer Düse transportiert. Dort wird der Rohstoff nun durch die Düse gepresst, sodass das Material zu einer schlauchförmigen Form wird. Dieser Materialschlauch wird auch Vorformling genannt.
Anschließend schließt sich das Werkzeug, welches aus zwei Hälften besteht, um den Vorformling. Das Werkzeug weißt im Inneren den negativ, also umgekehrten, Abdruck der gewünschten Form des fertigen Produkts auf. Mithilfe einer Trennvorrichtung wie einem Messer wird nun der Vorformling von dem weiter aus der Düse austretenden Material abgetrennt. Bei diesem Vorgang entstehen Quetschnähte am Boden des Formteils, welche zum Beispiel typisch für die Unterseite einer Shampooflasche sind.
Sobald der Vorformling, abgetrennt von der Düse, sich in den beiden geschlossenen Werkzeughälften befindet, taucht eine rohrartige Vorrichtung in den Materialschlauch ein. Durch diese Vorrichtung strömt Druckluft ins Innere des Materialschlauchs. Dadurch wird der Vorformling aufgeblasen und legt sich an die Innenwände des Werkzeugs. Zusätzlich wir durch das Rohr am Halsbereich des Kunststoffes zum Beispiel ein Gewinde geformt.
Wenn der Vorformling sich komplett aufgeblasen hat und die Innenwände des Werkzeuges exakt nachformt kann der Kühlprozess beginnen. Dabei wird die Hitze des Werkzeuges durch eingelassene Kühlkreisläufe reduziert. Die Luft, die zwischen dem Werkzeug und dem aufgeblasenen Vorformling liegt, kann über Formtrennebenen oder auch zusätzlich eingebrachte Entlüftungsbohrungen in der Blasform entweichen.
Sobald das aufgeblasene Formteil durch den Abkühlprozess seine Entnahmetemperatur erreicht hat, können die Werkzeughälften geöffnet und das Blasformteil entnommen werden. Anschließend kann der Prozess von neuem beginnen und die Werkzeughälften sich somit um einen neuen Vorformling schließen.
Zuletzt wird das Formteil zu einer Butzentrennstation gebracht. Dort werden die Ränder des Vorformling, welche nicht aufgeblasen wurden, da sie über die Form hinausragten, mit einer Stanz- oder auch Schneidevorrichtung vom Blasformteil getrennt. Diese Reste werden auch Buten genannt und können nachdem sie feingemahlen wurden erneut dem Fertigungsprozess hinzugefügt werden. - Materialmöglichkeiten
Für das Extrusionsblasformverfahren werden thermoplastische Kunststoffe verarbeitet, welche bestimmte Voraussetzungen erfüllen müssen, damit sie gut verarbeitet werden können.
Die Dehnviskosität sollte hoch genug sein, dass der Vorformling nicht durch sein eigenes Gewicht beim Extrudieren unkontrolliert zu fließen beginnt. Allerdings sollte die Dehnviskosität auch nicht zu hoch sein, da ansonsten die Kunststoffe sich nicht aufblasen lassen und an dünnen Stellen schnell aufreizen oder platzen können.
Des Weiteren muss die Temperaturspannbreite des Materials so groß sein, dass die Temperatur der Kunststoffmasse über die gesamte Länge des Vorformlings eine Weiterverarbeitung ermöglicht. Dies ist vor allem der Fall bei besonders großen Formteilen. Wenn das Material eine breite Temperaturspannbreite hat, ist die zur Verfügung stehend Bearbeitungszeit bis die Werkzeughälften geschlossen werden müssen größer.
Aus diesem Grund werden sehr häufig Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) als Material zur Verarbeitung mit dem Extrusionsblasverfahren eingesetzt. Besonders Polyethylen mit einer hohen Dichte (PE-HD) wird zur Herstellung von Verpackungsbehälter eingesetzt. Aufgrund der Lebensmittelechtheit und den Eigenschaften gegenüber Wasser, sowie der chemischen Beständigkeit ist PE-HD besonders gut geeignet. Polypropylen wird dagegen eher für Lebensmittelverpackungen oder für Verpackungen von pharmazeutischen und kosmetischen Erzeugnissen verwendet.
Das Tiefziehverfahren
Das Tiefziehverfahren, oder auch Thermoformen genannt, ist ein Verfahren, in welchem thermoplastische Kunststoffplatten mithilfe von Wärme und Unterdruck bearbeitet werden. Die Kunststoffplatte wird erwärmt und mithilfe von Unterdruck über das Werkzeug gezogen. Dabei legt die erwärmte Kunststoffplatte sich um die Konturen des Werkzeugs. Nachdem der bearbeitete Kunststoff heruntergekühlt wurde, kann das Werkzeug entnommen und das Kunststoffteil bearbeitet werden.
Bei diesem Verfahren beträgt die Standardwandstärke ca. 1mm – 10mm. Allerdings ist dies abhängig von der Dicke der Kunststoffplatte und der Streckung im Werkzeug.
Der hauptsächliche Anwendungsbereich ist die Verpackungsbranche, jedoch hat das Tiefziehverfahren auch vermehrt Anklang im industriellen Bereich gefunden. Im Konsumgüterbereich ist besonders die bei der Herstellung von Kühl- und Gefriergeräten zu erwähnen. Hierbei werden die Innenbehälter und die Innenverkleidung der Türen durch Thermoformen hergestellt.
- Produktionsprozess beim Tiefziehverfahren
Zu Beginn des Prozesses wird eine Kunststoffplatte in einen Rahmen gespannt. Diese wird nun erwärmt durch Infrarotstrahlen oder Warmluft bis diese elastisch verformbar ist. Sobald die Kunststoffplatte die optimale Temperatur erreicht hat, so dass sie biegsam ist, kann der eigentliche Prozess beginnen.
Dabei findet zuerst eine Vorstreckung des Materials statt. Dies geschieht, indem die Kunststoffplatte durch Einblasen von Luft aus Luftkanälen im Werkzeug etwas gewölbt wird. Nun kann die erwärmte und vorgewölbte Platte über die Formkontur des Werkzeugs gezogen werden. Allerdings kann die vorgewölbte Platte auch durch ein Absaugen der Luft innerhalb des Werkzeugs nach unten gezogen werden, bis der Kunststoff vollständig an den Innenwänden des Werkzeugs liegt. Durch den Unterdruck legt die Platte sich an die Konturen und bildet diese nach und mithilfe von kleinen Luftkanälen werden die verbliebenen Lufteinschlüsse zwischen der Form und dem Kunststoff abgesaugt.
Anschließend kann der Kühlprozess starten. Dabei wird mithilfe von kühlen Gebläsen der Kunststoff in der Form gehärtet. Sobald der Kunststoff wieder gehärtet ist, kann die Form entfernt werden. Dies geschieht durch ein Einblasen der Druckluft und einem gleichzeitigen absenken des Werkzeugs. Dadurch kann sich das Tiefziehteil von der Form Lösen. Nun kann das Formteil weiterverarbeitet werden. Der durch das Befestigen der Platte an der Form entstehende Klemmrand wird zeitnah nach der Herstellung entfernt um einen Verzug des Kunststoffteils zu vermeiden. - Materialmöglichkeiten
Im Tiefziehverfahren lassen sich grundsätzlich eine Vielzahl an Thermoplaste verarbeiten, wobei der Trend momentan weg von PVC geht. Heutzutage werden überwiegend die Materialien PET, PS und PP im Tiefziehen verwendet.
Für jede gewünschte Anwendung gibt es ein passendes Material. Aus mit Talkum verstärktem PE können zum Beispiel Kotflügel hergestellt werden und ABS wird beispielsweise für Verkleidungen verwendet, welche starken Witterungseinflüssen ausgesetzt sind oder mit Chemikalien in Verbindung kommen.
Verfahrensvergleich
Ob es das Tiefzieh-, Spritzguss-, Blasform- oder Rotationsformverfahren ist, jedes dieser Fertigungsverfahren ist unterschiedlich und hat dem entsprechend auch positive sowie negative Aspekte. Die Entscheidung über das richtige Verfahren für ihr Produkt ist abhängig von verschiedenen Faktoren wie zum Beispiel das Volumen, das gewünschte Material, die Stückzahlen, die Komplexität und geometrische Besonderheiten. Sprechen Sie uns an! In einem ersten Gespräch können wir das optimale Verfahren finden. Unser erfahrenes Team berät Sie gerne und steht Ihnen bei dem gesamten Produktentstehungsprozess zur Seite, von den ersten Entscheidungen zu Material, Oberfläche etc. über die Konstruktion bis hin zur Serienfertigung.
Das Rotationsschmelzverfahren ist besonders geeignet bei großvolumigen Kunststoffteile, welche gegebenenfalls innen hohl sind. Außerdem können mit dem Rotationsverfahren auch sehr komplexe Geometrien realisiert werden. Allerdings sind dort die Stückzahlen begrenzt. Jedoch kann man durch eine Anpassung der Rotationsanlage, zum Beispiel durch Mehrfachformen, auch große Mengen herstellen. Dies ist beispielweise in der Spielzeugindustrie der Fall, wo das Rotationsverfahren aufgrund der Komplexität der Produkte eingesetzt wird.
Des Weiteren weist das Rotationsschmelzverfahren im Vergleich zu dem Spritzguss- und Blasformverfahren geringe Maschinen- sowie auch geringe Werkzeugkosten auf. In Kombination mit dem geringsten Produktionsabfall, verglichen mit den anderen Kunststoffbearbeitungsverfahren, ist das Rotationsschmelzerfahren eine wirtschaftliche Lösung für Klein- sowie auch Großserien.
Ein großer Vorteil gegenüber den anderen Verfahren ist auch die Kunststoffteilgröße. Diese kann von klein bis groß variieren und auch Hohlkörper sind ohne Probleme realisierbar. Zusätzlich können auch Gewinde und Einlegeteile direkt im Produktionsprozess mit eingebunden werden.
Durch den drucklosen Herstellungsprozess bedingt können die Rotationsformteile nahtlos und nahezu spannungsfrei realisiert werden. Dadurch sind die Formteile sehr robust im Gegensatz zu Produkten aus dem Blasform- sowie Tiefziehverfahren. Diese beiden Verfahren können teilweise an Randstellen Schwachstellen bezüglich der Spannung aufgrund der Nähte aufweisen.
Geschlossene Körper beispielweise können nur im Blasform- und Rotationsschmelzverfahren hergestellt werden, wobei im Blasformverfahren mehrere Öffnungen nur sehr schwer realisierbar sind. In anderen Verfahren werden die Öffnungen geschlossen, welche aber zu eventuell auftretenden undichten Stellen führen kann. Bei dem Blasformverfahren, genauso wie bei dem Tiefziehverfahren, können allerdings keine Einsätze realisiert werden, wodurch das Rotationsschmelzverfahren für geschlossene Hohlkörper am besten geeignet ist, besonders wenn mehrere Öffnungen, Einsätze oder Gewinde gewünscht sind.
Das Blasformverfahren hat im Gegensatz zum Rotationsverfahren deutlich höhere Werkzeugkosten und nur eine begrenzte Wandstärkendicke. Außerdem ist nur eine begrenzte Bauteilgröße möglich und aufgrund des Drucks kann die Wandstärke in Radienbereichen dünner sein als im restlichen Formteil, sodass Materialverstreckungen entstehen können.
Diese Materialverstreckungen können auch bei dem Tiefziehverfahren auftreten. Dort sind außerdem Hinterschneidungen fast gar nicht möglich und das Verfahren eignet sich lediglich bis zu einer begrenzten Bauteilgröße.
Auch bei dem Spritzgussverfahren sind Hinterschneidungen kaum möglich und nur eine begrenzte wandstärkendicke ist realisierbar. Zusätzlich fallen bei dem Spritzgussverfahren deutlich höhere Formkosten als bei dem Rotationsverfahren an.
