Kunststoffe

01. Wie werden Kunststoffe nach ihren technologischen Eigenschaften unterteilt?

Kunststoffe (auch: Plaste, Plastik) werden durch chemische Umwandlung von Naturstoffen (Zellulose, Harz) oder vollsynthetisch aus Erdöl, Erdgas oder Kohle hergestellt.

• Kunststoffe besitzen im Allgemeinen eine Reihe günstiger Verarbeitungseigenschaften:

  • formbar

  • korrosionsbeständig

  • einfärbbar

  • geeignet zur Isolation (Temperatur, elektrischer Strom).

  Nachteilig ist die schwierige Entsorgung von Kunststoffen. Im Vergleich zu Metallen ist die Festigkeit und die Verformbarkeit geringer, die Dehnbarkeit sowie die Schlagzähigkeit höher.

• Einteilung der Kunststoffe nach der Entstehung:

  • Thermoplaste/Plastomere sind Kunststoffe aus langen Fadenmolekülen; die Struktur ist unvernetzt, nicht kristallin bis teilkristallin.

  • Duroplaste/Duromere sind Kunststoffe aus räumlich eng vernetzten Makromolekülen; die Struktur ist vernetzt, nicht kristallin.

  • Elaste/Elastomere sind Kunststoffe aus räumlich lose vernetzten Makromolekülen; die Struktur ist verknäuelt oder schwach vernetzt.

• Einteilung der Kunststoffe nach technologischen Eigenschaften:

  Einteilung der Kunststoffe
  Eigenschaften	Thermoplaste/Plastomere	Duroplaste/Duromere	Elaste/Elastomere
  Verarbeitungs-Eigenschaft	gut verarbeitbar plastisch verformbar (bei erhöhter Temperatur) Verformung bleibt erhalten schweißbar spanbar härt-, trenn- und klebbar	aufwändig verarbeitbar nur spanend bearbeitbar (bei geringem Vorschub und geringer Schnittgeschwindigkeit) nicht schweißbar spröde nicht schmelzbar	gut verarbeitbar stark elastisch verformbar hohe Formfestigkeit nicht schweißbar nicht schmelzbar quellbar
  Mechanische Eigenschaft	hohe Festigkeit	hohe Festigkeit hohe Härte hohe Wärmebeständigkeit	hartelastisch bei tiefer Temperatur gummielastisch bei hoher Temperatur
  Chemische Beständigkeit	sehr gut	sehr gut	mäßig

02. Welche Kunststoffarten werden in der Industrie vorwiegend eingesetzt?

Dazu ausgewählte Beispiele nach DIN EN ISO 1043:

03. Was sind faserverstärkte Kunststoffe?

Faserverstärkte Kunststoffe zählen zu den Verbundwerkstoffen. Die Eigenschaften wie geringe Dichte, hohe Festigkeit, hohes Elastizitätsmodul und einfache Verarbeitung werden bestimmt durch die Wahl der Kunststoffe für die Matrix und die Wahl und Anordnung der Fasern. Die gebräuchlichsten faserverstärkten Kunststoffe sind die glas- und kohlenstofffaserverstärkten, seltener die borfaden- und araramid-/kevlarverstärkten. Die Fasern können als Faserbünde, gerichtete und ungerichtete Kurzfasern, Matten, Gewebe und Vlies angeordnet sein. Diese Anordnung hat wesentlichen Einfluss auf die Zugkraftwirkung und Festigkeit in dem Verbund. Sie steigt mit der Ausrichtung. Faserverstärkte Kunststoffe werden vielseitig verwendet, so im Fahrzeug-, Flugzeug- und Bootsbau, z. B. für Bauteile und Verkleidungen, im allgemeinen Maschinenbau, im Bauwesen, in der Sportgeräteherstellung, der Möbelindustrie und für etliche weitere Anwendungsgebiete.

04. Welche Verfahren zur Kunststoffverarbeitung gibt es?

Thermoplaste und thermoplastische Elastomere können durch folgende spanlose Verfahren verarbeitet werden:

• Extrudieren

• Blasen von Hohlkörpern

• Spritzgießen

• Formpressen von Duroplasten

• Vakuumtiefziehverfahren

• Herstellen von Schaumstoffen

• Schweißen von Kunststoffen

  • Heißgasschweißen

  • Heizelementschweißen

  • Reibschweißen.

05. Was ist Extrudieren?

Extrudieren ist ein Vorgang, bei dem Kunststoffgranulat einer beheizten Transportschnecke zugeführt und in ihr aufgeschmolzen, homogenisiert, entgast und verdichtet wird. Durch den im Extruder aufgebauten Druck wird die Kunststoffschmelze durch eine Düse gedrückt, deren Form das Profil des austretenden Strangs bestimmt. Nach dem Austritt wird der Kunststoff kalibriert und abgekühlt, bis er vollkommen erstarrt ist. Mit diesem Verfahren lassen sich nahtlose Rohre, Folien, Tafeln, Bänder und andere Halbzeuge herstellen.

06. Wie erfolgt das Blasen von Hohlkörpern?

Als Blasen von Hohlkörpern, auch Extrusionsblasen, bezeichnet den Extrudiervorgang, bei dem die Kunststoffschmelze durch eine Ringdüse in eine Hohlraumform mit gekühlten Außenwänden geblasen wird. Nach Abkühlung an den Außenwänden und Öffnen der Form kann der Hohlkörper entnommen werden. Kanister, Tanks, Fässer u. ä. Behälter werden so hergestellt.

07. Was ist Spritzgießen?

Spritzgießen bezeichnet einen Vorgang, bei dem Kunststoffgranulat einer Plastifizier- und Spritzeinheit zugeführt wird. Diese besteht aus einer in einem Zylinder bewegten beheizten Transportschnecke (ähnlich Extruder) und einer Einspritzdüse. Die Kunststoffschmelze wird in ein Formwerkzeug gepresst (gespritzt), dessen beiden Hälften gekühlt sind. In ihnen erstarrt die Kunststoffmasse und erhält die gewünschte Form. Durch Druckluft wird das Werkstück ausgeworfen.

Vorteile des Spritzgießens:

• voll automatisierbar

• wenig Nacharbeit

• für komplizierte Formteile anwendbar

• läuft in einem Arbeitsgang ab (Schmelzen, Formen, Erstarren)

• hohe Reproduzierbarkeit.

08. Wie erfolgt das Formpressen von Duroplasten?

Formpressen ist ein Vorgang, bei dem eine für das Formteil bemessene unvernetzte, vorgewärmte Kunststoffmasse in den unteren Teil eines Stempels gefüllt wird. Danach drückt der obere Teil des Stempels auf diese Masse. Durch Druck und beheizte Formwandung wird die Masse flüssig und füllt den Zwischenraum beider Stempelteile aus. Dort verbleibt sie, bis sie ausgehärtet ist. Eine Auswurfvorrichtung schafft Platz für eine erneute Füllung. Das Formpressen kann für alle Kunststoffarten angewandt werden.

09. Was bezeichnet man als Vakuumtiefziehverfahren?

Das Vakuumtiefziehverfahren bezeichnet eine Warmumformung thermoplastischer Halbzeuge wie z. B. Folien und Platten. Dazu wird das Halbzeug gleichmäßig erwärmt und durch ein Vakuum in ein Formwerkzeug gesaugt, dessen Außenwände gekühlt sind. Dabei erstarrt die erwärmte Kunststoffmasse und behält die vom Werkzeug vorgegebene Form. Je nachdem, ob das erwärmte Kunststoffhalbzeug in eine Form oder über einen Stempel gezogen wird, unterscheidet man zwischen Negativ-Verfahren und Positiv-Verfahren.

10. Wie werden Schaumstoffe hergestellt?

Schaumstoffe entstehen grundsätzlich durch Aufschäumen von flüssigem Kunststoff. Dazu werden hinzugegebene Treibmittel entweder verdampft oder chemisch zersetzt, wodurch dann die feinen Gasbläschen entstehen. Aushärten schließt diesen Prozess ab. Die gebräuchlichsten Schaumstoffe sind Polystyrol-Schaumstoff und Polyurethan-Schaumstoff.

• Zur Herstellung von Polystyrol-Schaumstoff

  wird das mit dem Treibmittel Pentan vermischte Granulat mit Wasserdampf auf 105 °C erhitzt. Die so vorgeschäumte Masse wird zwischengelagert. In dieser Zeit entweicht ein Teil des Pentan und Luft wird aufgenommen. Das Fertigschäumen geschieht bei einer weiteren Erwärmung durch Wasserdampf auf ca 130 °C. In der Form wird die nun weiter aufgeschäumte Masse abgekühlt und abschließend zum beabsichtigten Bauteil verklebt.

• Zur Herstellung von Polyurethan-Schaumstoff

  werden die flüssigen Vorprodukte des Polyurethan gemischt und durch eine Schlitzdüse auf eine fortlaufende Trennfolie gespritzt. Dabei kommt es zu einer chemischen Reaktion zwischen beiden, die Gase freisetzt und das flüssige Polyurethan aufschäumt. Durch Aushärten auf der Ablaufbahn entstehen Schaumstoffblöcke.

11. Wie lassen sich Kunststoffe schweißen?

Teile aus gleichen oder ähnlichen thermoplastischen Kunststoffen lassen sich prinzipiell durch Schweißen zusammenfügen, indem sie an ihren Verbindungsflächen bis zum Schmelzzustand erwärmt und dann unter Druck aneinander gepresst werden. Nach Abkühlung der Verbindung bleibt diese formstabil.

12. Welche Schweißarten für Kunststoffe gibt es?

Aus der Vielzahl der Schweißarten werden behandelt:

• Heißgasschweißen

  Der thermoplastische Kunststoff und ein Schweißstab werden an den Fügeflächen durch eine Düse mit einem heißen Luftstrom bis zum Schmelzzustand erwärmt und dann unter Druck zusammengefügt und so verschweißt. Danach erfolgt die Abkühlung bis zur Erstarrung.

• Heizelementschweißen

  Die Erwärmung der zu verbindenden Teile des thermoplastischen Kunststoffs geschieht derart, dass sie an ein zwischen ihnen angebrachtes Heizelement gedrückt werden. Bei Erreichen der Schmelztemperatur wird das Heizelement entfernt und die Teile aneinander gepresst und so verschweißt. Danach erfolgt die Abkühlung bis zur Erstarrung.

• Reibschweißen

  Die zwei zu verbindenden Teile des thermoplastischen Kunststoffs werden einander gegenüber eingespannt, eines davon rotierbar. Während ein Teil rotiert, werden beide Teile aufeinander gedrückt. Durch die Reibung entsteht Wärme. Ist die Schmelztemperatur erreicht, wird die Rotation beendet und beide Teile werden aneinander gedrückt und so verschweißt. Danach erfolgt die Abkühlung bis zur Erstarrung.

• Ultraschallschweißen

  Die zwei zu verbindenden Teile des thermoplastischen Kunststoffs werden über einen Schallschweißkopf mit von einem Hochfrequenzgenerator erzeugten energiereichen, nicht hörbaren Schallwellen bestrahlt. Diese erwärmen die Fügestellen bis zur Schmelztemperatur, bei der sie durch Druck verschweißt werden. Dieses Verfahren bedarf nur sehr kurzer Schweißzeiten und ist für die Massenfertigung geeignet.