Verfahrensüberblick

Spanlose Bearbeitung von Kunststoffen

Umformen -

Es können nur thermoplastische Kunststoffe umgeformt werden. Es werden vorwiegend thermoplastische Kunststoff-Halbzeuge in Temperaturbereichen in denen die Kunststoffe im thermoelastischen Zustand vorliegen umgeformt. Dies ist also eine Warmumformung. Bei amorphen Thermoplasten, liegt die Umformtemperatur oberhalb des Erweichungstemperaturbereiches. Wo hingegen die Umformtemperatur bei teilkristallinen Thermoplasten im Kristallitschmelzbereich liegt. Ein großer Vorteil der Warmumformung ist, daß nur kleine Kräfte aufgebracht werden müssen, um eine große Umformung zu erreichen. Ein Nachteil ist allerdings, daß die Umformkraft nach dem Umformen solange weiter auf das Werkstück einwirken muß, bis es durch Einfrieren wieder in einen festen Zustand versetzt worden ist. Wird das Werkstück wieder erhitzt werden die, beim Umformen entstandenen, Spannungen und erzeugten Orientierungen der Kettenmoleküle wieder frei und das Werkstück hat das Bestreben sich wieder in seine ursprüngliche Form zurück zu verändern (z.B.: Joghurtbecher). Dieses Verhalten wird Rückstellbestreben genannt.

Biegen und Abkanten von Tafeln

Das Biegen und Abkanten von Tafeln erfolgt als Warmumformung im thermo- oder gummielastischen Temperaturbereich. Mit Heizelementen (mechanische Berührung), Heizstrahlern oder Warmgas erfolgt die Erwärmung der umzuformenden Zone. Bei dünnwandigen Tafeln (bis ca. 3 mm) genügt meist eine einseitige Erwärmung auf der Biegezugseite. Ist die Tafeldicke größer muß beidseitig erwärmt werden. Vorrichtungen, die zum Biegen und Abkanten verwendet werden sind zum Beispiel aus Holz, Schichtpreßstoffen oder Metall, je nach der Anzahl der umzuformenden Teile. Die Abkühlzeiten hängen von der Vorrichtung ab. So ist die Abkühlzeit bei einer Vorrichtung aus Metall kürzer als bei einer nichtmetallischen, wie z.B.: Holz. Aufgrund der Rückfederung, die nach dem Einfrieren auftritt, müssen die Biegewinkel entsprechend größer sein als für das fertige Werkstück gefordert ist. Zum Biegen und Abkanten gibt es geeignete Maschinen, allerdings kann auch von Hand gearbeitet werden. Eine weitere Möglichkeit des Biegens von Tafeln ist das Formbiegen. Es werden aus ebenen Tafeln zylindrisch oder sphärisch gekrümmte Flächen erzeugt. Das Formbiegen eignet sich vor allem für kleine Stückzahlen großflächiger Formteile bei geringem Werkzeugaufwand. Zur Herstellung von Rohren mit großen Druchmessern können Tafeln durch Rundbiegen mit nachfolgendem Verschweißen der Längskanten verwendet werden. Es sind auch Vierkantrohre möglich.

Biegen und Aufweiten von Rohren

Stehen bei der Rohrverlegung keine geeigneten Formstücke zur Verfügung, kann man für die handwerkliche Verarbeitung von Kunststoffrohren Rohrbogen und Rohrmuffen auf eine einfache Weise selbst herstellen. Hauptsächlich wird diese Methode auf PVC-hart-Rohre angewandt. Die Umformung erfolgt hier ebenfalls im thermoelastischen Bereich. Das beim Umformen der Querschnitt im Rohrbogen erhalten bleibt, füllt man das Rohr vorher mit Sand, Schaumgummi, Schraubenfedern oder aufgeblasenen Gummischläuchen. Anschließend erwärmt man die Rohrstücke in einem Wärmeschrank oder örtlich an der Biegestelle durch Warmgas. Zur Muffenherstellung kann die Erwärmung auch durch eintauchen in heiße Flüssigkeiten (z.B.: Paraffin, Glyzerin) erfolgen. Das erwärmte Rohr wird dann von Hand oder in einer Vorrichtung gebogen und bis zur Formstabilität abgekühlt.

Streckformen von Folien und Tafeln

Dieses Verfahren ist selbstverständlich nur für thermoplastische Kunststoffe geeignet. Die Verformung muß im thermo- oder gummielastischen Bereich als Warmumformung durchgeführt werden. Der Folien- oder Tafelzuschnitt ist in einem Spannrahmen fest eingespannt. Damit eine Faltenbildung verhindert wird, erfolgt die Verformung zweiachsig durch Zugspannung. Da der Werkstoff durch die feste Einspannung nicht nachfließen kann, erfolgt die Verformung aus der Wanddicke heraus, die Wanddicke wird daher kleiner mit zunehmender Formungstiefe.

Verfahrensablauf beim Streckformen:

Zuschneiden von Tafeln und Folien oder Arbeiten von der Rolle

Einspannen

Erwärmen in den thermoelasitschen Bereich

Umformen (mechanisch - pneumatisch)

Abkühlen (Einfrieren) unter Einwirkung der Umformkraft

Ausformen

Nacharbeiten (Randbeschneiden, Rollieren von Becherrändern usw.)

Alle diese Vorgänge können halbautomatisch oder vollautomatisch im Durchlaufverfahren auf entsprechenden Maschinen bzw. Anlagen durchgeführt werden.

Zur Erwärmung werden Wärmeöfen (eher selten, da lange Heizzeiten), Kontaktheizungen (für dünne Folien) und Infrarotstrahlungsheizungen (häufigste Art mit Keramik- oder Quarzstrahlern) verwendet. Je nach Formteilgestalt und Wanddickenverteilung ist auf gleichmäßige oder gezielt unterschiedliche Temperaturverteilung zu achten. Das Umformverfahren hängt vom Kunststoff, der Gestalt des Formteils, der Wanddickenverteilung und der Stückzahl ab.

Gebräuchliche Verfahren sind:

Vakuumformen: positiv und negativ möglich; die Maschinen sind preiswert, die Werkzeuge billig. Die Negativ-Verformung benötigt meist einen Stempel, sonst erhält man dünne Ecken und dicke Flansche. Positiv-Verformung ist meist nur für flache oder reliefartige Teile zweckmäßig.

Druckluftformen: Maschinen sind teurer, beim Werkzeug ist höherer Aufwand notwendig, allerdings sind bessere Konturenschärfen und hohe Taktfolge erreichbar.

Vakuumformen mit mechanischer oder pneumatischer Vorstreckung

Verpackungsbehälter und Trinkbecher werden in Mehrfachmetallwerkzeugen nach mechanischem Vorstrecken mit Filzstempeln durch Druckluft geformt. Großflächige Formteile können in Holzwerkzeugen oder Werkzeugen aus verstärkten Epoxidharzen hergestellt werden. Es kann pneumatisch oder mechanisch mit filz- oder stoffbelegten Holzstempeln vorgestreckt werden. Um die Abkühlzeit zu verkürzen wird die Oberfläche der Formteile in der Maschine mit Preßluft oder Preßluft-Wassernebel-Gemischen besprüht.

Spanende Bearbeitung von Kunststoffen

Die spanende Bearbeitung von Kunststoffen kommt vor allem bei folgendem in Frage:

zur Nacharbeit bei Spritzguß,- Preß- und umgeformten Teilen

bei der handwerklichen Verarbeitung zur Herstellung von Einzelstücken (Prototypen, Ersatzteilen)

zur Vorbereitung von Schweißnähten im Apparatebau

zum Zerschneiden von Halbzeug

Allgemein sind Kunststoffe nach allen gängigen Verfahren spanend bearbeitbar. Allerdings muß bezüglich Werkzeuggeometrie und Maschinenauslegung (Drehzahl, Schnittgeschwindigkeit, Vorschub, usw.) auf die grundsätzlich anderen Eigenschaften der Kunststoffe gegenüber den Metallen geachtet werden. Diese Eigenschaften sind schlechte Wärmeleitung, große Wärmeausdehnung, kleinerer Elastizitätsmodul, gegebenenfalls niedrige Erweichungstemperatur, Rückdeformation starker Verschleiß der Werkzeuge durch Füllstoffe, Staubentwicklung bei Duroplasten und gegebenenfalls Freiwerden von Zersetzungsprodukten.

Schneiden, Sägen, Trennen

Beispiele:

Zuschneiden von Tafeln auf der Schlagschere

handwerkliches Sägen mit speziellen Sägeblättern für Kunststoffe

maschinelles Sägen auf der Bandsäge mit speziellen Sägeblättern (je weicher der Kunststoff ist, um so größer ist die Zahnteilung)

Da die Schnitte verhältnismäßig rauh werden müssen sie gegebenenfalls nachbearbeitet werden. Bei der spanenden Bearbeitung von thermoplastischen Kunststoffen müssen die Bandgeschwindigkeiten so gewählt werden, daß im Sägespalt keine zu große Erwärmung und damit auch Klemmwirkung auftritt. Beim maschinellen Sägen auf der Kreissäge sind Sägeblätter mit hartmetallbestückten Zähnen und besonderem Schliff je nach dem zu trennendem Kunststoff angebracht.

Liegen besonders harte Werkstoffe bzw. Füllstoffe mit Wasserkühlung vor, so ist das Trennen mit Trennscheiben (Diamanttrennscheiben) zu empfehlen.

Abgraten, Feilen, Hobeln

Beispiele:

Abgraten mit Ziehklinge oder spezieller Kunststoffeile

Feilen und Hobeln als handwerkliche Bearbeitung von einzelnen Flächen mit Kunststoffeilen bzw. -hobeln, die große Spanrillen aufweisen

maschinelles Hobeln auf Hobelmaschinen mit üblichen Stählen für die Kunststoffbearbeitung

Bohren, Senken

Der wichtigste Faktor ist, daß der Spiralbohrer einen Spanwinkel um 0° hat, damit eine schabende Wirkung ausgeübt wird.

Es können spezielle Bohrer für Kunststoffe mit steilerem Drall und kleinerem Spitzenwinkel eingesetzt werden. Es ist auch möglich neue scharfe geschliffene Bohrer für Stahl einzusetzen. Die Bohrer, die zum Einsatz kommen, müssen mindestens die Qualität eines HSS-Bohrers aufweisen. Werden harte oder gefüllte Kunststoffe bearbeitet sollten Bohrer mit Hartmetallschneiden verwendet werden. In Kunststoff gebohrte Löcher fallen im allgemeinen kleiner aus als dem entsprechenden Bohrdurchmesser. Beim Senken von Kunststoffen können nur spezielle, zylindrische Senker verwendet werden.

Fräsen

Es ist sowohl Gleichlauffräsen als auch Gegenlauffräsen möglich. Die verwendeten Fräsmaschinen sollten schnellaufend, also mit Schnittgeschwindigkeiten bis 2000m/min, sein. Es können aber auch schnellaufende Bohrmaschinen mit eingesetzten Fräsern verwendet werden. Fräser für Kunststoffe haben eine kleine Schneidenzahl und sind zweckmäßig mit Hartmetall bestückt. Je dünner das Werkstück ist, desto mehr sollte der Spanwinkel gegen 0° gehen, um ein Haken zu vermeiden. Wegen der starken Neigung zur "Bartbildung" am Werkstück sind die zu bearbeitenden Werkstücke an der Seite und im Fräserauslauf mit Beilagen aus gleichem oder ähnlichem Kunststoff zu spannen. Zum Nutenfräsen können zweischneidige Fräsmesser verwendet werden, die man auch selbst herstellen kann.

Drehen

Drehen ist ein sehr häufig verwendetes Verfahren sowohl in der Einzelfertigung als auch in der Serienfertigung. Bei der Automatenbearbeitung werden Drehen, Fräsen, Bohren, Gewindeschneiden, Rändeln usw. kombiniert. Es sind schnellaufende Drehmaschinen, mit Schnittgeschwindigkeiten bis 500 m/min, erforderlich und sie sollten, wenn möglich eine Einrichtung zur Luftkühlung haben. Die Schneidengeometrie der Drehmeißel richtet sich nach den zu bearbeitenden Kunststoffen. Die Werkzeuge sollten aus HSS oder Hartmetallen sein. Der Vorschub ist so zu wählen, daß die Wärme weitgehend mit dem Span abgeführt werden kann. Der Spanwinkel liegt um 0°, zum Teil auch negativ, daß heißt, man erreicht eine schabende Wirkung. In Ausnahmefällen, bei weichen Thermoplasten, werden ein positiver Spanwinkel und Hohlkehle verwendet, damit ein sogenannter Fließspan entsteht, das heißt eine stetige Spanabfuhr aus dem Schneidenbereich gewährleistet ist.

Schleifen

Schleifen wird insbesondere zum Einstellen genauer Maße bei Halbzeugschnitten oder Schweißnahtvorbereitungen angewandt. Bandschleifmaschinen mit Bändern verschiedener Körnung sind zweckmäßig. Je weicher ein zu bearbeitender Kunststoff ist, desto gröber muß die Körnung der Bänder sein, da sonst eine Neigung zum Schmieren und Aufschmelzen besteht. Die Staubabsaugung ist unbedingt erforderlich. Beim Arbeiten mit Schwingschleifern muß naß geschliffen werden.