Leitfaden zu Fertigungsverfahren für Kunststoffe

3D-Druck

3D-Drucker erzeugen dreidimensionale Teile direkt aus CAD-Modellen, indem sie das Material Schicht für Schicht aufbauen, bis ein vollständiges physisches Teil vorhanden ist.

Fertigungsverfahren

1. Druckeinrichtung: Eine Druckvorbereitungssoftware wird eingesetzt, um Modelle im Fertigungsvolumen eines Druckers auszurichten und zu platzieren, bei Bedarf Stützstrukturen hinzuzufügen und das gestützte Modell in Schichten zu slicen.

2. Drucken: Der Druckprozess hängt von der Art der 3D-Drucktechnologie ab: Bei der Schmelzschichtung (Fused Deposition Modeling, FDM) wird ein Kunststoff-Filament geschmolzen, bei der Stereolithografie (SLA) wird flüssiges Kunstharz gehärtet und beim Selektiven Lasersintern (SLS) wird Kunststoffpulver verschmolzen.

3. Nachbearbeitung: Wenn der Druck abgeschlossen ist, werden die Teile aus dem Drucker entfernt, gereinigt oder gewaschen, nachgehärtet (abhängig von der Technologie) und die Stützstrukturen werden entfernt (falls vorhanden).

Da bei 3D-Druckern keine Werkzeugbestückung erforderlich ist und sie nur eine minimale Einrichtungszeit für ein neues Design benötigen, sind die Kosten für die Produktion eines maßgeschneiderten Teils im Vergleich mit herkömmlichen Herstellungsverfahren vernachlässigbar.

3D-Druckverfahren sind im Allgemeinen langsamer und arbeitsaufwendiger als Herstellungsverfahren, die für die Massenproduktion genutzt werden.

Angesichts der Verbesserungen der 3D-Drucktechnologie sinken die Teilekosten weiter, wodurch sie für eine größere Bandbreite an Anwendungen für kleine und mittelgroße Chargen in Frage kommt.

Obwohl die meisten Herstellungsverfahren für Kunststoffteile teure Industrieausrüstung, dedizierte Einrichtungen und fachkundige Bediener erfordern, können Unternehmen mit 3D-Druck Produkte und Prototypen aus Kunststoff leicht firmenintern herstellen.

Kompakte Desktop- oder Benchtop-3D-Drucksysteme zum Fertigen von Kunststoffteilen sind kostengünstig und verbrauchen sehr wenig Platz. Es sind keine besonderen Fähigkeiten erforderlich, wodurch Ingenieur-, Designteams und Hersteller Iterationen beschleunigen und Produktionszyklen von Tagen oder Wochen auf einige wenige Stunden verkürzen können.

Materialien

Es gibt viele verschiedene Arten von 3D-Druckern und 3D-Drucktechnologien auf dem Markt, und die verfügbaren Materialien unterscheiden sich je nach Technologie.

CNC-Bearbeitung

Die CNC-Bearbeitung umfasst Fräsmaschinen, Drehmaschinen und andere computergesteuerte Zerspanungsverfahren. Bei diesen Verfahren sind die Ausgangsstoffe feste Blöcke oder Stäbe aus Metall oder Kunststoff, die geformt werden, indem Material durch Schneiden, Bohren und Schleifen abgehoben wird.
Im Gegensatz zu den meisten Herstellungsverfahren für Kunststoffteile ist die CNC-Bearbeitung ein zerspanendes Verfahren, bei dem Material entweder durch ein rotierendes Werkzeug und ein festes Teil (Fräsen) oder ein rotierendes Teil und ein festes Werkzeug (Drehmaschine) abgehoben wird.

Fertigungsverfahren

1. Einrichtung: Bei CNC-Maschinen ist ein Zwischenschritt erforderlich, bei dem Werkzeugwege erstellt und validiert werden (CAD zu CAM). Die Werkzeugwege bestimmen, wie sich die Schneidwerkzeuge bewegen, mit welcher Geschwindigkeit, und ob Werkzeuge ausgetauscht werden müssen.

2. Zerspanen: Die Werkzeugwege werden an die Maschine gesendet, auf der das entsprechende zerspanende Verfahren beginnt. Abhängig von der gewünschten Form des Endprodukts muss das Werkstück neu ausgerichtet werden, damit der Werkzeugkopf neue Bereiche erreichen kann.

3. Nachbearbeitung: Nach der Fertigung wird das Teil gereinigt, entgratet und getrimmt.

Die zerspanende Bearbeitung eignet sich ideal für Kunststoffanwendungen mit geringen Volumen, die enge Toleranzen und schwer formbare Geometrien erfordern. Typische Anwendungen sind Prototypen und Fertigteile wie Riemenscheiben, Zahnräder und Buchsen.

Die CNC-Bearbeitung erfordert geringe bis mittlere Einrichtungskosten und ermöglicht die Herstellung hochwertiger Kunststoffteile aus vielen verschiedenen Materialien mit geringen Durchlaufzeiten.

Bei den Bearbeitungsprozessen sind die möglichen Teilegeometrien im Vergleich zum 3D-Druck eingeschränkter. Beim zerspanenden Bearbeiten nehmen die Kosten pro Teil mit zunehmender Teilekomplexität zu. Hinterschneidungen, Durchbrüche und Merkmale auf verschiedenen Teileflächen tragen alle zu erhöhten Teilekosten bei.

Die Bearbeitungsprozesse erfordern Aufmaße für den Werkzeugzugang und bestimmte Geometrien wie geschwungenen internen Kanälen lassen sich nur schwer oder gar nicht mit herkömmlichen zerspanenden Verfahren herstellen.

Materialien

Die meisten harten Kunststoffe können mit leicht unterschiedlichem Schwierigkeitsgrad zerspant werden. Weichere Duroplaste erfordern Spezialwerkzeuge, die das Teil beim Bearbeiten stützen, und gefüllte Kunststoffe können abrasiv wirken und die Standzeit des Schneidwerkzeugs verringern.

Einige häufig bearbeitete Kunststoffe sind:

• Acrylglas (PMMA)
• Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere (ABS)
• Polyamidnylon (PA)
• Polylactide (PLA)
• Polycarbonat (PC)
• Polyetheretherketon (PEEK)
• Polyethylen (PE)
• Polypropylen (PP)
• Polyvinylchlorid (PVC)
• Polycarbonat (PC)
• Polystyrol (PS)
• Polyoxymethylen (POM)

Polymerguss

Beim Polymerguss füllt ein reaktionsfähiges flüssiges Kunstharz oder Kautschuk eine Form, was zu einer chemischen Reaktion und zum Aushärten führt. Typische Polymere zum Gießen sind Polyurethan, Epoxidharz, Silikon und Acrylglas.

Fertigungsverfahren

1. Formvorbereitung: Die Form wird mit einem Trennmittel beschichtet, um das Entformen erleichtert, und häufig auf eine materialspezifische Temperatur vorgeheizt.

2. Gießen: Das Kunstharz wird mit einem Härter gemischt und in die Form gegossen oder gespritzt und füllt so den Formhohlraum.

3. Härten: Das Gussstück härtet in der Form aus (wenn die Form Wärme ausgesetzt wird, kann die Aushärtezeit bei bestimmten Polymeren beschleunigt werden).

4. Entformen: Die Form wird geöffnet und das gehärtete Teil entfernt.

5. Trimmen: Gussrückstände, wie Grate, Angüsse und Nähte werden weggeschnitten oder abgeschliffen.

Flexible Formen aus Latex oder bei Raumtemperatur vulkanisiertem (RTV) Silikonkautschuk sind kostengünstig, eignen sich jedoch nur für eine begrenzte Anzahl an Gussteilen (zwischen 25 und 100), da die chemische Reaktion von Urethan, Epoxidharz, Polyester und Acrylharz die Formoberflächen zersetzt.

RTV-Silikonformen können selbst die kleinsten Details wiedergeben, wodurch sich hochwertige Gussteile erzielen lassen. Stereolithografie-3D-Druck ist eine häufige Methode zur Herstellung von Urformen direkt aus CAD-Designs, zum Teil wegen seiner hohen Auflösung und der ähnlichen Fähigkeit, filigrane Details wiederzugeben.

Der Polymerguss ist verhältnismäßig kostengünstig und erfordert geringe Startinvestitionen, aber Duroplaste zum Gießen sind für gewöhnlich teurer als entsprechende Thermoplaste und das Gießen von Teilen ist arbeitsaufwendig. Jedes Gussteil erfordert etwas Handarbeit beim Nachbearbeiten, wodurch die Gesamtkosten pro Teil im Vergleich zu automatisierten Herstellungsverfahren wie dem Spritzguss hoch sind.

Das Polymergießen wird für gewöhnlich zum Prototypenbau, bei der Kleinserienfertigung und bei bestimmten zahntechnischen und Schmuckanwendungen eingesetzt.

Materialien

• Polyurethan
• Epoxidharz
• Polyether
• Polyester
• Acrylglas
• Silikon

Rotationsguss

Der Rotationsguss (auch bekannt als Rotationsformen) ist ein Verfahren, bei dem eine hohle Form mit einem Thermoplast in Pulverform gefüllt und um zwei Achsen rotiert wird, um in erster Linie große Hohlkörper herzustellen. Verfahren zum Rotationsformen von Duroplasten sind auch verfügbar, sind jedoch weniger häufig.

Fertigungsverfahren

1. Beschicken: Der Formhohlraum wird mit Kunststoffpulver beschickt; anschließend werden die restlichen Teile der Form montiert und der Hohlraum so zum Erwärmen geschlossen.

2. Erwärmen: Die Form wird erwärmt, bis das Kunststoffpulver schmilzt und an den Wänden der Form haftet, während die Form um zwei zueinander senkrechte Achsen rotiert wird, um eine einheitliche Kunststoffbeschichtung zu gewährleisten.

3. Abkühlen: Die Form wird langsam abgekühlt, während sie sich weiterhin dreht, um sicherzustellen, dass die Haut des Teils nicht durchhängt oder zusammenfällt, bevor sie vollständig ausgehärtet ist.

4. Entnahme der Teile: Das Teil wird aus der Form entnommen und Grate werden entfernt.

Der Rotationsguss erfordert weniger teure Werkzeuge als andere Gussverfahren, da der Prozess die Zentrifugalkraft nutzt, um die Form zu füllen, und nicht Druck. Die Formen können aus Epoxidharz oder Aluminium gefertigt, zerspant, gegossen oder geformt werden, und das zu geringeren Kosten und deutlich schneller als die Werkzeugausstattung bei anderen Gussverfahren, besonders bei großen Teilen.

Der Rotationsguss sorgt für eine nahezu einheitliche Wandstärke. Nach der Werkzeugausstattung und der Einrichtung des Verfahrens sind die Kosten pro Teil im Verhältnis zur Teilgröße sehr gering. Es können auch vorgefertigte Teile wie Metallgewinde, innere Rohre und Strukturen zur Form hinzugefügt werden.

Durch diese Faktoren eignet sich der Rotationsguss ideal für die Kleinserienfertigung oder als Alternative zum Blasformen bei kleineren Chargen. Typische durch Rotationsguss hergestellte Produkte sind Tanks, Bojen, große Behälter, Spielzeug, Helme und Kanurümpfe.

Das Fertigungsverfahren weist einige Designeinschränkungen auf und nachbearbeitete Produkte verfügen über größere Toleranzen. Da die gesamte Form erwärmt und abgekühlt werden muss, weist der Prozess auch lange Zykluszeiten auf und ist verhältnismäßig arbeitsintensiv, wodurch seine Effizienz bei Anwendungen mit größerem Fertigungsvolumen eingeschränkt wird.

Materialien

Das häufigste Material für den Rotationsguss ist Polyethylen (PE), das bei 80 Prozent aller Anwendungen eingesetzt wird, vor allem weil PE bei Raumtemperatur leicht zu einem Pulver zermahlen werden kann.

Häufig beim Rotationsguss eingesetzte Kunststoffe:

• Polyethylen
• Polypropylen
• Polyvinylchlorid
• Nylon
• Polycarbonat

Vakuumformen

Vakuumformen ist ein Herstellungsverfahren, bei dem ein Kunststoff für gewöhnlich in einer Form erwärmt und geformt wird. Vakuumformmaschinen unterscheiden sich in Größe und Komplexität und reichen von kostengünstigen Desktop-Geräten bis hin zu automatisierten Industriemaschinen. Die nachfolgenden Schritte beschreiben das typische Fertigungsverfahren beim industriellen Vakuumformen.

Fertigungsverfahren

1. Einspannen: Eine Kunststoffplatte wird in einen Rahmen geklemmt.

2. Erwärmen: Die Platte und der Rahmen werden den Heizelementen angenähert, wodurch der Kunststoff weich und biegsam wird.

3. Vakuum: Der Rahmen wird abgesenkt und der Kunststoff wird über die Form gespannt, während ein Vakuum erzeugt wird, um alle Luft zwischen dem Kunststoff und der Form zu herauszusaugen. Auf diese Weise wird das Teil geformt.

4. Kühlen und Entfernen: Wenn das Teil über der Form geformt wurde, muss es einige Zeit abkühlen, bevor es entfernt werden kann. Kühlsysteme wie Lüfter und Sprühnebel werden gelegentlich eingesetzt, um die Zykluszeiten zu verringern.

5. Trimmen: Sobald das Teil entfernt wurde, wird überschüssiges Material entweder von Hand oder einer CNC-Maschine entfernt.

Die Werkzeugkosten beim Vakuumformen sind im Vergleich zu anderen Umformverfahren niedrig, da nur geringe Kräfte und Drücke eingesetzt werden. Die Formen bestehen bei der Kleinserienfertigung und bei Maßanfertigungen aus Holz, Gips oder 3D-gedrucktem Kunstharz. Bei großen Volumina nutzen Hersteller haltbarere Metallwerkzeuge.

Aufgrund der Vielzahl an Thermoform- und Vakuumformgeräten auf dem Markt und den Automatisierungsmöglichkeiten bei High-End-Ausrüstung eignet sich Thermoformen ideal für jede beliebige Anwendung von maßgeschneiderten Produkten oder Prototypen bis hin zur Massenfertigung. Allerdings wird durch das Verfahren die Formenfreiheit häufig eingeschränkt und es kann nur zur Herstellung von Teilen eingesetzt werden, die verhältnismäßig dünne Wände und einfache Geometrien aufweisen.

Häufig vakuumgeformte Teile sind Produktverpackungen, Duschwannen, Kfz-Türverkleidungen, Bootsrümpfe und maßgeschneiderte Produkte wie Aligner in der Zahntechnik.

Materialien

Die meisten Thermoplaste können für das Thermoformen eingesetzt werden, wodurch die Materialauswahl flexibel ist.

• Acrylglas (PMMA)
• Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere (ABS)
• Polyethylenterephthalat, glykolmodifiziert (PETG)
• Polystyrol (PS)
• Polycarbonat (PC)
• Polypropylen (PP)
• Polyethylen (PE)
• Polyvinylchlorid (PVC)

Materialen

Spritzgießen

Beim Spritzgießen wird ein geschmolzener Thermoplast in eine Form gespritzt. Es handelt sich dabei um den am häufigsten genutzten Fertigungsprozess zur Massenproduktion von Kunststoffteilen.

Fertigungsverfahren

1. Formeinrichtung: Weist das Teil Einsätze auf, werden diese entweder von Hand oder per Roboter hinzugefügt. Die Form wird mit einer hydraulischen Presse geschlossen.

2. Kunststoffextrusion: Kleine Kunststoffpellets werden geschmolzen und mit einer Schnecke durch eine beheizte Kammer extrudiert.

3. Formen: Der geschmolzene Kunststoff wird in die Form gespritzt.

4. Kühlen und Entfernen: Das Teil kühlt in der Form ab, bis es fest genug ist, um entweder mechanisch oder mit Druckluft ausgeworfen zu werden.

5. Nachbearbeitung: Angüsse und Gräte (sofern vorhanden) werden vom Teil entfernt, häufig automatisch beim Öffnen der Form.

Formen für den Spritzguss sind hochgradig komplex und müssen mit engen Toleranzen hergestellt werden, damit hochwertige Teile erzielt werden. Aufgrund der hohen Temperaturen und Drücke werden diese Formen aus Metallen wie gehärtetem Stahl zerspanend gefertigt. Weichere Aluminiumformen sind günstiger, verschleißen aber auch schneller, weshalb sie eher für mittelgroße Chargen eingesetzt werden.

Das Spritzgießen kann zur Fertigung hochkomplexer Teile verwendet werden. Jedoch sorgen bestimmte Geometrien für einen bedeutenden Anstieg der Kosten. Durch Befolgen von Richtlinien zum Design for Manufacturing (DFM) bleiben die Werkzeugkosten in einem akzeptablen Umfang. Es kann Monate dauern, um neue Formen für den Spritzguss herzustellen. Ihre Kosten können fünf- bis sechsstellige Beträge erreichen.

Trotz der hohen Anfangskosten und dem langsamen Anfahren gibt es für das Spritzgießen keine Konkurrenz bei Anwendungen mit hohen Stückzahlen. Sobald die Werkzeugausstattung erfolgt ist, belaufen sich die Zykluszeiten auf wenige Sekunden, und Millionen von hochwertigen Teilen können zu einem Bruchteil der Kosten aller anderen Herstellungsverfahren gefertigt werden.

Materialen

Der Spritzguss kann mit fast jedem Thermoplasten durchgeführt werden. Eine ähnliche Methode, bekannt als Reaction Injection Molding (RIM), wird verwendet, um Teile aus Duroplasten herzustellen.

Häufig genutzte Kunststoffe für das Spritzgießen sind:

• Acrylglas (PMMA)
• Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere (ABS)
• Polyamid (PA)
• Polyethylenterephthalat, glykolmodifiziert (PETG)
• Polystyrol (PS)
• Polycarbonat (PC)
• Polypropylen (PP)
• Polyethylen (PE)
• Polyvinylchlorid (PVC)

Extrusion

Bei der Extrusion wird Kunststoff durch ein Formwerkzeug gepresst. Das Formwerkzeug hat die Form des Querschnitts des Fertigteils.

Fertigungsverfahren

1. Kunststoffextrusion: Kunststoff wird erwärmt und mit einer Schnecke durch eine beheizte Kammer gefördert.

2. Formen: Kunststoff wird durch ein Formwerkzeug gepresst, das die endgültige Form des Teils abbildet.

3. Abkühlen: Der extrudierte Kunststoff wird abgekühlt.

4. Schneiden oder aufspulen: Der Strang wird aufgespult oder zurechtgeschnitten.

Im Vergleich zu anderen Industriemaschinen wie CNC-Zentren oder Spritzgussmaschinen sind Extruder verhältnismäßig günstig, da sie weniger komplex sind und eine geringere Genauigkeit erfordern. Aufgrund der einfachen Formen sind die Formwerkzeuge ebenfalls günstiger, wodurch die Werkzeugkosten lediglich einen Bruchteil der Formkosten beim Spritzguss ausmachen.
Ähnlich wie der Spritzguss ist das Extrudieren ein nahezu kontinuierliches Fertigungsverfahren, wodurch der Preis extrudierter Teile sehr gering ist.
Die Formen, die durch die Extrusion erzeugt werden können, sind auf Produkte mit durchgehenden Profilen beschränkt, so etwa auf T-Profile, I-Profile, L-Profile, U-Profile und quadratische oder kreisförmige Profile. Typische Anwendungen sind Rohre, Schläuche, Strohhalme und Fensterrahmen.

Materialien

Nahezu alle Thermoplaste, die extrudiert werden können, darunter:

• Acrylglas (PMMA)
• Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere (ABS)
• Polyamid (PA)
• Polyethylenterephthalat, glykolmodifiziert (PETG)
• Polystyrol (PS)
• Polycarbonat (PC)
• Polypropylen (PP)
• Polyethylen (PE)
• Polyvinylchlorid (PVC)

Blasformen

Blasformen ist ein Fertigungsverfahren, das zur Herstellung hohler Kunststoffteile genutzt wird, indem ein beheiztes Kunststoffrohr in einer Form aufgeblasen wird, bis es die gewünschte Geometrie aufweist.

Fertigungsverfahren

1. Formeinrichtung: Kleine Kunststoffpellets werden geschmolzen und zu einem hohlen Rohr geformt, das als Vorformling bezeichnet wird.

2. Formen: Der Vorformling wird in einer Form eingespannt und mit Druckluft aufgeblasen, bis er sich an die Innengeometrie der Form angepasst hat.

3. Kühlen und Entfernen: Das Teil kühlt in der Form ab, bis es fest genug ist, um ausgeworfen zu werden.

Beim Blasformen werden deutlich niedrigere Drücke als beim Spritzgießen eingesetzt, wodurch die Werkzeugkosten geringer sind. Ähnlich wie das Spritzgießen und das Extrudieren ist das Blasformen ein kontinuierlicher Prozess, der vollständig automatisiert werden kann, was für hohe Produktionsraten und geringe Stückkosten sorgt.

Das Blasformen ist eines der häufigsten Herstellungsverfahren von Kunststoffprodukten in großem Umfang. Typische Anwendungen sind Flaschen, Spielzeuge, Kfz-Bauteile, Industriebauteile und Verpackungen.

Materialien

Zum Blasformen können verschiedene Thermoplaste eingesetzt werden. Die am häufigsten eingesetzten Materialien sind:

• Polyethylenterephtalat (PET)
• Polypropylen (PP)
• Polyvinylchlorid (PVC)
• Polystyrol (PS)
• Polycarbonat (PC)
• Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere (ABS)