Kunststoffverarbeitung

Extrusion eines Kunststoffprofiles, Universität Stuttgart

Die Kunststoffverarbeitung bezeichnet die Fertigung von Formteilen, Halbzeugen, Fasern oder Folien aus Kunststoffen. Dabei werden aus verschiedenen formhaften Materialen durch unterschiedliche Prozesse neue Formen gewonnen. Die Fertigungsverfahren werden in Deutschland nach DIN 8580 eingeteilt. Für die Kunststoffverarbeitung sind insbesondere Urform-, Umform- und Fügeverfahren bedeutsam.

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Aufbereitung

Unter der Aufbereitung versteht man die Prozessabläufe die dem Rohstoff unterworfen werden bis er als Formmasse einem Prozess zugeführt werden kann. Wesentlich lassen sich die Abläufe einteilen in das Mischen, Dispergieren, Kneten, Lösen, Trocknen und Granulieren. Auch dazu zählen lassen sich das Einarbeiten von Zusätzen wie Farbstoffen, Füll- und Verstärkungsstoffen, Weichmachern, Gleitmitteln, Stabilisatoren, Flammschutzmitteln, Treibmitteln, Lösemitteln oder anderern Polymeren, sowie die Umwandlung der Formmasse in eine geeignete Form (Granulat, Pulver, Paste, Lösung, Dispersion)

Mischen

Ein optimaler Mischvorgang und das Verständnis dessen Ablaufes beeinflusst die Qualität des Endproduktes maßgeblich. Man spricht hier auch von der Mischgüte. Dabei ist es Aufgabe des Mischens einen Stoff I in eine einen Stoff II einzubetten. Der Stoff I kann dabei als Phase in einer Matrix (Stoff II) verstanden werden. Zu Berücksichtigen ist dabei, dass die Mischung beim späteren Bearbeitungsprozess unter Umständen wieder aufgemscholzen werden muss. Um die feine Struktur der Mischung dabei nicht zu zerstören kommen als Compatibilizer bezeichnete Stoffe zum Einsatz. Diese sind Makromoleküle, die sich an den Grenzflächen der Phasen zwischenlagern und dort eine Verträglichkeit der beiden Phasen herstellen. Man bezeichnet diese auch als Verträglichkeitsvermittler. Die Mischungen, auch Blends (engl. blend = Mischung) genannt, unterscheidet man in drei Kategorien: homogene Blends aus kompatiblen Polymeren, einphasige Blends aus partiell inkompatiblen Polymeren und mehrphasige Blends aus inkompatiblen Polymeren. Beim Mischen unterscheidet man anhand der angewandten Mechanismen in distributives und dispersives Mischen, sowie Koaleszenz. Das distributive Mischen wird auch als laminieren bezeichnet. Dabei wird durch eine hohe Dehnung die Grenzfläche der Phasenanteile erhöht und die Schichtdicke verringert. Als dispersives Mischen bezeichnet man das Aufbrechen von Agglomeraten, Partikeln oder unlöslichen Fluiden und dem Verteilen dieser Bruchstücke in einer Matrix. Entscheidend für den Erfolg ist dabei die Höhe der in das System eingebrachten Spannung, welche das Zerteilen der Partikel zur Folge hat. Die Koaleszenz beschreibt das Zusammenfließen einzelner Tropfen etwa durch Kollision im Strömungsfeld. Je nach Füllstoffanteil und Oberflächenspannung kann der Prozess der Koaleszenz den Prozess des Dispergierens überwiegen. In einem solchen Fall vergröbert sich die Blendmorphologie beim Mischen. Die Mischer lassen sich dabei in zwei Kategorien einteilen: diskontinuierliche Feststoffmischer, wie Schneckenbandmischer, Schaufelmischer, Paddelmischer, Kegelschneckenmischer, Pflugscharmischer, schnell laufender Trogmischer, langsam laufender Trogmischer und Senkrecht-Schneckenmischer, und kontinuierliche Feststoffmischer, wie Schneckenbandmischer, Schaufelmischer, Paddelmischer, Doppelspiralenmischer und Pflugscharmischer.

Dispergieren

Beim Dispergieren einer Polymerschmelze in einer Matrix wird die kugelförmige, energetisch günstigste Form durch Deformation und Spannung aufgebrochen. Zum Dispergieren von Feststoffagglomeraten sind Dehnströme besonders effektiv. Dies ist eine sehr energiearme Möglichkeit Feststoffagglomeraten zu einem Feingemenge aufzubereiten.

Granulieren

Kunststoffgranulat in verschiedenen Farben

Das Granulieren ist ein recht simpler Schritt. Dabei wird die eigentlich fertige Formmasse verträglich für die Weiterverarbeitung formatiert. In der Industrie haben sich Anlagen durchgesetzt, welche mit einem Granulat beschickt werden. Dadurch bildet Granulat auch den wichtigsten Formstoff. Es gibt verschiedene Granuliermaschinen, welche sich grundlegend nach Heißabschlag und Kaltabschlag unterteilen lassen. Beide Typen Formen dabei die Masse in runde Stränge. Der Unterschied besteht darin, dass bei Maschinen mit Heißabschlag das Material erst auf die gewünschte Korngröße zerteilt wird und anschließend erkaltet. Bei Maschinen mit Kaltabschlag werden die Stränge zuerst abgekühlt und dann auf die gewünschte Korngröße zerteilt.

Eine Alternative zum Granulieren ist das Herstellen von Filament. Dabei werden die Stränge erkaltet und in großen Bahnen aufgerollt. Verwendung finden diese Halbzeuge für Additive Fertigungsverfahren.

Trocknen

Gerade bei der Aufbereitung von Thermoplasten ist es notwendig hydrolytische Abbauprozesse zu verhindern indem man das Granulat trocknet. Vor allem bei hydrophilen Kunststoffen ist dies besonders wichtig, aber auch bei hydrophoben Kunststoffen kann dies erforderlich werden. Das ist der Fall, wenn Füllstoffe oder Pigmente eingesetzt werden welche einen hydrophilen Charakter aufweisen. Entscheidend für den Erfolg des Trocknens sind dabei die Temperatur, die Luftfeuchtigkeit und der Luftstrom an Frischluft.

Verarbeitung und Bearbeitung

Extrudieren

Extrudieren beschreibt das Aufschmelzen von Kunststoff-Formmasse und das Austragen durch eine maßgebende Düse mit abschließender Kühlung. Das Extrudieren kommt zum Einsatz, um aus Formmasse Halbzeuge wie Rohre, Profile oder Bleche herzustellen. Die meisten Extrudiermaschinen werden mit Granulat beschickt. Extruder können zusätzlich mit Dosier- und Stopfeinrichtungen zur gleichmäßigen Produktaufgabe, beheizten Vakuumtrichtern zur Vorab-Entgasung und -Trocknung, Scher- und Mischteilen zur Erhöhung der Homogenität einer Schmelze, Staubuchsen oder Lochplatten an der Schneckenspitze zur Anpassung des Massedrucks an den Werkzeugwiderstand, Schmelzepumpen für einen gleichmäßigen Massestrom zum formgebenden Werkzeug und Auswechselbare Schmelzefilter zur Reinigung der Schmelze und Verringerung des Quellkörperanteils ausgestattet werden.

Je nachdem was für ein Halbzeug hergestellt werden soll, werden Extruder mit verschiedenen Werkzeugen zur Formgebung ausgestattet

Für einige Prozesse ist es wichtig die Korngröße des Granulats noch weiter zu verkleinern. Dazu wird das Granulat zu Pulver vermahlen.

Spritzgießen

Spritzgussbauteil mit Werkzeug

Für ausführlichere Beschreibungen siehe Spritzgiessen und Spritzgiessmaschine. Für Thermoplaste ist das Spritzgießen das wichtigste Verfahren zur Verarbeitung. Das Spritzgießen besteht aus mehreren Schritten: dem Einspritzen, dem Nachdrücken, dem Plastifizieren und der Werkzeugöffnung samt Auswurf. Beim Einspritzen wird die Schmelze mit durchschnittlich 100 bar in das Formnest gepresst. Während des Nachdrückens erstart die Schmelze, wobei der Druck auf 600 bis 1500 bar erhöht wird. Während das Bauteil im Werkzeug komplett erstarrt plastifiziert (plastifizieren = aufschmelzen von Kunststoff) die Schnecke neue schmelze für den nächsten Zyklus. Letztendlich öffnet sich das Werkzeug. Das Werkstück fällt je nach Maschine dann einfach heraus oder wird über eine Handhabungseinrichtung heraus genommen. Nachdem sich das Werkzeug dann wieder geschlossen hat beginnt der Prozess von neuem.

Spanende Bearbeitung

Natürlich können Kunststoffe auch spanend bearbeitet werden mit den herkömmlichen Verfahren, wie zum Beispiel Bohren, Drehen, Fräsen und Schleifen. Im Vergleich zu Metallen lassen sich Kunststoffe sogar hervorragend spanend bearbeiten. Hohe Zeit-Span-Volumen sind möglich, solange ausreichend Kühlschmierstoff eingesetzt wird

Witschaftliche Bedeutung

Kunststoffe sind in der heutigen Zeit nicht mehr aus dem industriellen und privaten Alltag wegzudenken. Die globale Produktion hat sich seit 1950 bis 2010 von 25 Mio. m³ auf 280 Mio. m³ um mehr als 1100 % gesteigert. Damit übersteigt Kunststoff selbst die globale Herstellung von Stahl um 100 Mio. m³. Anteilig beträgt die Produktion in den wichtigsten Produktionsregionen dabei 20 % in Westeuropa, 25 % in Nordamerika und 39,5 % in Asien. Die Produktionsstandorte gehen dabei meist mit der nachgelagerten Industrie einher. So ist einer der wichtigen Standorte in Deutschland der Chemiepark in Marl. Das Haupteinsatzgebiet für Kunststoff in Europa ist dabei die Verpackungsindustrie mit 35 %. Das Baugewerbe verwendet etwa 23 % des produzierten Kunststoffes, der Fahrzeugbau 10 %, Elektrik und Elektronik 6 % und sonstige (Landwirtschaft, Möbel, Haushalt, Freizeit, Sport, Medizin und Maschinenbau) 26 %. Obwohl die Anwendung in der Medizintechnik immer wichtiger wird beträgt der Anteil des Verbrauches in diesem Gebiet gerade einmal 1 %, was an dem immensen Volumen der anderen Sektoren liegt. Damit darf bei der Beurteilung des Marktes nicht nur der volumenanteilige Verbrauch bewertet werden. So werden im Bereich der Verpackungsindustrie bereits nach neuen Ausgangsstoffen gesucht, was in anderen Bereichen, wie der Medizin, oft nicht möglich ist.

Weiterführende Suche

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Literatur und Quellen

• Baur, Brinkmann, Osswald, Rudolph, und Schmachtenberg: Saechtling Kunststoff Taschenbuch; Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG; ISBN: 978-3-446-43442-4
• Klemens Kohlgrüber, Michael Bierdel und Harald Rust: Polymer-Aufbereitung und Kunststoff-Compoundierung - Grundlagen, Apparate, Maschinen, Anwendungstechnik; Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG; ISBN: 978-3-446-45832-1