Ein Leitfaden zu modernen Kunststoffherstellungsverfahren

Hier beschreiben wir acht der wichtigsten Kunststoffherstellungstechnologien, die heute in der Industrie eingesetzt werden.

1. 3D-Druck (Additive Fertigung)

3D-Drucker bauen dreidimensionale Teile direkt aus CAD-Dateien. Der Prozess funktioniert, indem Material Schicht für Schicht hinzugefügt wird, bis das endgültige Objekt fertig ist. Dieser additive Ansatz steht in starkem Kontrast zu traditionellen subtraktiven Methoden.

Der Prozess:

1. Druckeinrichtung: Ein Bediener verwendet spezielle Software, um das digitale Modell in einem virtuellen Bauraum auszurichten. Die Software schneidet das Modell dann in dünne horizontale Schichten und generiert einen Werkzeugweg für den Drucker. Bei Bedarf fügt die Software Stützstrukturen hinzu.
2. Drucken: Der Drucker führt den Werkzeugweg Schicht für Schicht aus. Die spezifische Technologie bestimmt, wie Material hinzugefügt wird. Fused Deposition Modeling (FDM) extrudiert geschmolzenes Kunststofffilament. Stereolithographie (SLA) verwendet einen Laser, um flüssiges Photopolymerharz auszuhärten. Selektives Lasersintern (SLS) verwendet einen Laser, um pulverförmigen Kunststoff zu verschmelzen.
3. Nachbearbeiten: Nach dem Drucken entnimmt der Bediener das Teil aus dem Drucker. Abhängig von der Technologie kann das Teil eine Reinigung, Waschen und Nachhärtung erfordern, um seine endgültigen Eigenschaften zu erzielen. Der Bediener entfernt dann alle Stützstrukturen.

Der 3D-Druck macht Werkzeuge überflüssig, was die Einrichtungszeiten und -kosten für kundenspezifische Teile drastisch reduziert. Es ist jedoch im Allgemeinen langsamer und arbeitsintensiver pro Teil als Massenproduktionsmethoden. Mit dem Fortschritt der Technologie verbessert sich die Kosteneffizienz, wodurch sie für Produktionsläufe mit niedrigem bis mittlerem Volumen rentabel wird.

2. CNC-Bearbeitung

CNC-Bearbeitung (Computer Numerical Control) ist ein subtraktives Fertigungsverfahren. Es verwendet computergesteuerte Werkzeuge wie Fräsen, Drehmaschinen und Schleifmaschinen, um selektiv Material von einem festen Block aus Kunststoff oder Metall, bekannt als Werkstück, zu entfernen.

Der Prozess:

1. Job Setup: A programmer first converts a CAD model into a CAM (Computer-Aided Manufacturing) file. This file contains toolpaths that direct the cutting tools’ movements and speeds.
2. Machining: The operator sends the toolpaths to the CNC machine. For milling, a spinning tool removes material from a fixed workpiece. For turning on a lathe, the workpiece spins against a fixed cutting tool.
3. Nachbearbeiten: Once machining is complete, the operator cleans the part, deburrs sharp edges, and trims away any excess material.

CNC machining is ideal for producing low-volume plastic parts with very tight tolerances and geometries that are difficult to mold. It excels at creating prototypes and functional end-use parts like gears and fixtures. While setup costs are moderate, part complexity can significantly increase machining time and cost.

3. Polymer Casting

Polymer casting involves pouring a liquid reactive resin or rubber into a mold. The material then undergoes a chemical reaction and solidifies into the final part.

Der Prozess:

1. Mold Preparation: An operator applies a release agent to the mold’s interior surfaces to prevent the part from sticking. Sometimes, they preheat the mold to a specific temperature.
2. Casting: The operator mixes a synthetic resin with a curing agent and pours or injects it into the mold cavity.
3. Curing: The material cures inside the mold until it solidifies. Applying heat can accelerate this process for certain polymers.
4. De-molding: The operator opens the mold and carefully removes the cured part.
5. Trimming: Finally, the operator cuts or sands away any artifacts like flash or sprues.

Molds for polymer casting, often made from RTV silicone rubber, are inexpensive compared to the hard steel tools used in injection molding. This makes the process excellent for prototyping and short production runs. However, thermoset casting resins are often more expensive than thermoplastics, and the process is labor-intensive, resulting in a higher cost per part.

4. Rotational Molding

Rotational molding, or rotomolding, is a unique process for creating large, hollow plastic objects. It involves heating a hollow mold filled with powdered plastic while rotating it on two axes.

Der Prozess:

1. Charging: An operator loads a measured amount of plastic powder into the mold cavity and closes it securely.
2. Heizung: The mold is placed in an oven and rotated along two perpendicular axes. The heat melts the powder, which tumbles and coats the mold’s interior walls.
3. Kühlung: The mold continues to rotate as it cools slowly. This ensures the plastic skin solidifies evenly without sagging.
4. Teilentfernung: Once cool, the operator opens the mold and removes the finished hollow part.

Rotomolding uses centrifugal force, not pressure, so its tooling can be made from less expensive materials like aluminum. This keeps setup costs relatively low. The process is perfect for producing items like tanks, kayaks, and large containers. Its main limitations are long cycle times and looser tolerances compared to other molding methods.

5. Vacuum Forming

Vacuum forming is a type of thermoforming where a sheet of heated plastic is draped over a mold and a vacuum pulls it into shape.

Der Prozess:

1. Klemmen: A machine clamps a sheet of plastic into a frame.
2. Heizung: Heating elements warm the sheet until it becomes soft and pliable.
3. Vacuum: The frame lowers the softened sheet over a mold. A vacuum pump then activates, sucking out the air between the sheet and the mold, forcing the plastic to conform to the mold’s shape.
4. Cooling and Release: The formed part cools and solidifies. Fans or a fine water mist can speed up this stage.
5. Trimming: The operator removes the part from the mold and trims away excess material.

Tooling for vacuum forming is very cost-effective since the process involves low pressures. This makes it suitable for everything from one-off prototypes to mass production. However, it is limited to creating parts with relatively simple geometries and thin walls, such as packaging, trays, and automotive liners.

6. Spritzgießen

Injection molding is the dominant process for mass-producing plastic parts. It works by injecting molten thermoplastic material at high pressure into a precisely machined mold.

Der Prozess:

1. Mold Setup: The two halves of a steel mold are closed by a powerful hydraulic press.
2. Injektion: A large screw melts plastic pellets and forces the molten material forward. The machine then injects this material into the mold cavity at high pressure.
3. Cooling and Release: The plastic cools and solidifies inside the mold. Once it is solid, the mold opens, and ejector pins push the part out.
4. Nachbearbeiten: The system often automatically removes sprues and runners (channels that guide the plastic) as the mold opens.

Injection molding can produce highly complex parts with excellent repeatability. However, the molds themselves are extremely expensive and can take months to create. This high initial investment is only justified by very high production volumes, where the per-part cost becomes incredibly low.

7. Extrusion

Extrusion creates objects with a fixed cross-sectional profile. The process works by pushing molten plastic through a shaped die.

Der Prozess:

1. Plasticating: A screw melts and conveys plastic pellets through a heated barrel.
2. Gießen: Die Schnecke presst den geschmolzenen Kunststoff durch eine Düse. Die Form der Düsenöffnung bestimmt das Profil des Endprodukts.
3. Kühlung: Das extrudierte Kunststoffprofil tritt aus der Düse aus und wird gekühlt, oft in einem Wasserbad.
4. Schneiden: Die kontinuierliche Form wird dann in die gewünschten Längen geschnitten oder auf eine Spule gewickelt.

Extrusion ist ein hocheffizienter, kontinuierlicher Prozess mit relativ niedrigen Werkzeugkosten im Vergleich zum Spritzgießen. Sie ist auf die Herstellung von linearen, zweidimensionalen Formen beschränkt. Zu den gängigen Anwendungen gehören Rohre, Schläuche, Fensterrahmen und Dichtungsbänder.

8. Blasformen

Blasformen ist eine Technik zur Herstellung von hohlen Kunststoffteilen, insbesondere Flaschen und Behälter. Dabei wird ein erhitzter Kunststoffschlauch in einem Formhohlraum aufgeblasen.

Der Prozess:

1. Vorformlingserstellung: Eine Maschine schmilzt Kunststoffgranulat und extrudiert es zu einem hohlen Schlauch, der als Vorformling bezeichnet wird.
2. Gießen: Eine Form schließt sich um den Vorformling und klemmt ein Ende zu. Druckluft wird dann in den Vorformling geblasen und bläst ihn wie einen Ballon auf, bis er gegen die kalten Formwände drückt.
3. Cooling and Release: Das Teil kühlt ab und verfestigt sich. Die Form öffnet sich dann und wirft das fertige Produkt aus.

Das Blasformen verwendet niedrigere Drücke als das Spritzgießen, was dazu beiträgt, die Werkzeugkosten moderat zu halten. Als kontinuierlicher, automatisierter Prozess kann es sehr hohe Produktionsraten und extrem niedrige Kosten pro Einheit erzielen. Es ist die Standardmethode zur Herstellung von Flaschen, Kraftstofftanks und anderen hohlen Gegenständen in großem Maßstab.