Verarbeitung von Kunststoffen

Kunststoffe sind heutzutage allgegenwärtig. Man benutzt sie zu unterschiedlichsten Zwecken. Ob in Verpackungen, Kleidung, Elektronikgeräten oder Folie – Kunststoff kann vielfältig eingesetzt werden. Dabei fällt auf, dass es verschiedene Arten von Kunststoffen gibt, denn das Hartplastik in Flaschen und das weiche Plastik aus Folien unterscheidet sich sehr. Dementsprechend müssen die verschiedenen Kunststoffe auch anders verarbeitet werden, damit die gewünschte Konsistenz und die gewünschten Eigenschaften bei dem Kunststoff auch so eintreten. Welche Methoden es zur Kunststoffverarbeitung gibt und wie diese genau funktionieren erfährst du hier.

Definition von Kunststoffen

Kunststoffe sind aus Erdöl produzierte Polymere. Polymere sind viele verkettete Makromoleküle, die aus gleichartigen Monomeren bestehen. Diese Monomere können dabei als Kette aneinander gelagert sein, welche nochmals kleinere Seitenketten haben können oder auch in einer netzartigen Struktur auftauchen.

Die Kettenlänge von Kunststoffen variiert zwischen einigen tausend bis über eine Million monomere organische Moleküleinheiten.

Abbildung 1: Polymer-Strukturen

Kunststoffgruppen

Zudem kann man Kunststoffe in drei große Gruppen einteilen. Es gibt die Thermoplaste, welche komplett unverzweigte oder sehr wenig verzweigte Monomerketten besitzen. Die zweite Gruppe sind Elastomere. Diese haben nur sehr weitmaschig verzweigte Polymere. Duroplasten bilden die letzte Gruppe, in der die Polymere sehr engmaschig aufgebaut sind.

Verarbeitung von Kunststoffen – Methoden

In folgender Abbildung kannst du dir ein Bild davon machen, wie die verschiedenen Kunststoffverarbeitungsverfahren eingeteilt werden. Die wichtigsten und am häufigsten angewendeten Verfahren werden im folgenden Abschnitt genauer erklärt.

Abbildung 2: Einteilung der Verarbeitungsverfahren von Kunststoffen

Kunststoffverarbeitung – Urformverfahren

Dieses Prinzip heißt Urformen, da hier mit der Urform des Kunststoffes gearbeitet wird. Wenn man formlose Stoffe wie Pulver oder Ähnliches zum Herstellen fester, geometrischer Körper verwendet, handelt es sich um ein Urformverfahren. Mit einem solchen Verfahren werden Formteile wie Gehäuseteile, Rohre und Becher hergestellt. Diese Verfahren sind für die früher auch Spritzmassen genannten Thermoplaste die bedeutendste Art der Formgebung. Sie erfordern auch keine Nachbearbeitung der so hergestellten Formteile. Die Duroplaste lassen sich ausschließlich durch Urformverfahren verarbeiten.

Die verschiedenen Verfahren in der Urformung kann man in kontinuierlich und diskontinuierlich einteilen.

Kunststoffverarbeitung – Kontinuierliche Verfahren beim Urformen

Kontinuierliche Verfahren werden genutzt, um lange, unterbrechungsfreie Formen herzustellen. Beispiele dafür sind Schläuche, Folien und Ähnliches.

Extrusion

Derart erzeugte Platten werden oft weiterverarbeitet, indem man sie erneut durch Erwärmen erweicht, über eine Form zieht und entweder durch Druck oder ein Vakuum in die gewünschte Form bringt. Auf diese Weise sind Becher, Wannen oder sogar Bootskörper herstellbar. Erwärmt man z.B. einen Joghurtbecher auf seine Glasübergangstemperatur, erinnert sich das Formteil an seine ursprüngliche Form und wird wieder zu einer flachen Platte.

Kalandrieren

Das Kalandrieren wird zum Herstellen von Folien genutzt. Dabei wird der Kunststoff geschmolzen und in einen dünnen Spalt zwischen zwei Walzen gegossen, welche sich in entgegengesetzte Richtungen drehen.

Die Walzen sind dabei erwärmt, um den Kunststoff flexibel zu halten. Weitere Walzen, welche danach geschaltet sind, kümmern sich um die genauen Einzelheiten (Dicke, Form oder Ähnliches) der entstandenen Kunststoffplatte.

Mit diesem Verfahren werden vor allem Folien, dünne Platten oder auch Bodenbeläge hergestellt.

Abbildung 3: Kalandrier-Verfahren

Blasformen

Beim Blasformen werden hauptsächlich Hohlkörper, wie Flaschen hergestellt. Dabei wird zunächst, wie beim extrudieren, der erhitze, flüssiger Kunststoff in eine Düse gefüllt. Danach wird die Flüssigkeit dann in eine Form gespritzt, in welcher eine Druckluftdüse sitzt. Durch das Einblasen von Luft wird der Kunststoff an die Seiten der Form gepresst und verteilt sich dort gleichmäßig. Im Inneren der Form entsteht damit ein einfacher Hohlraum.

Abbildung 4: Blasformen

Kunststoffverarbeitung – Diskontinuierliche Verfahren beim Urformen

Bei den diskontinuierlichen Verfahren werden einzelne, abgeschlossene Objekte hergestellt. Die Herstellung wird also nicht fortlaufend durchgeführt, sondern immer einzeln für jedes entstehende Objekt.

Spritzgießen

Hier wird der Kunststoff zunächst wieder bis zur Schmelztemperatur erhitzt, damit der Kunststoff nun als Flüssigkeit vorliegt. Das Spritzgießen erlaubt die Herstellung auch komplizierter Formteile mit hoher Qualität. Dabei wird das erhitzte Kunststoffgemisch zunächst verdichtet, sodass sich keinerlei Luft mehr in dem Kunststoff befindet. Danach spritzt die Maschine den flüssigen Kunststoff in eine Form, wo dieser dann abkühlt und somit erhärtet. Dann muss der Kunststoff nur noch aus der Form gelöst werden und damit ist das Produkt auch schon fertig.

Gießen

Dieses Verfahren wird ausschließlich bei Duroplasten angewendet. Hier werden verschiedene Ausgangsstoffe gemischt, die dann in eine Form gegossen werden. Die Mischung polymerisiert zu einem Kunststoff, der dann aushärtet. So entsteht dann die feste, gewünschte Form.

Rotationsformen

Das Verfahren des Rotationsformens wird auch Rotationsguss oder Rotationsgießen genannt. Dabei wird geschmolzenes Kunststoffgranulat in eine sich drehende Form gegeben. Durch die Rotation verteilt sich die Masse gleichmäßig und verfestigt sich. Je nach Ausführung des rotierenden Werkzeugs ist es auch möglich, Werkstücke mit unterschiedlichen Wandstärken herzustellen. Das Rotationsformen wird beispielsweise verwendet, um Versandbehälter und größere Gehäuse sowie Möbel, Armaturenbretter und Spielzeug herzustellen.

Abbildung 5: Rotationsformen

Schäumen

Mit dem Schäumen wird Schaumstoff hergestellt. Dazu gibt es insgesamt drei verschiedene Verfahren: das chemische, physikalische und mechanische Treibverfahren.

Beim chemischen Verfahren werden bei der Polymerisation Gase freigesetzt, die den Kunststoff aufschäumen. Das physikalische Verfahren funktioniert mit einer Reaktionsmischung, die in eine niedrig siedende Flüssigkeit gegeben wird. Diese verdampft im Laufe der Polymerisation und bildet dabei typische Gasblasen, die wiederum eine schaumartige Struktur erzeugen.

Beim letzten Verfahren, dem mechanischen Verfahren, wird eine Kunststoffschmelze gerührt, während Gas in die Schmelze eingeblasen wird. Auch das löst wieder das Aufschäumen des Kunststoffes aus.

Kunststoffverarbeitung – Fügeverfahren

Kleben

Das Kleben ist ideal zum Verbinden von Duroplasten und Elastomeren. Für die Kunststoffverarbeitung von Thermoplasten bietet sich eher das Schweißen an. Grundvoraussetzung ist, dass der zu verklebende Kunststoff polar ist. Man unterscheidet physikalisch abbindende Klebstoffe und Reaktionsklebstoffe. Bei den physikalisch abbindenden Klebern ist der Klebstoff in einem organischen Lösungsmittel gelöst. Verdampft das Lösemittel, härtet der Klebstoff, bei dem es sich meist um ein Harz handelt, aus. Bei Reaktionsklebstoffen führt eine chemische Reaktion zur Aushärtung (Zweikomponentenkleber).

Schweißen

Um Kunststoff schweißen zu können, muss das Material schmelzfähig sein. Diese Eigenschaft hat nur Thermoplaste, daher ist nur diese Art von Kunststoff zum Schweißen geeignet. Zum Aufschmelzen des Materials kann man verschiedene Wärmequellen verwenden, wie elektrische Induktionsheizungen für das sogenannte Heizelementschweißen, heiße Druckluft für das Heißgasschweißen und Licht oder Laserstrahlung für das Strahlungsschweißen.

Man kann auch Reibung verwenden, um Wärme zu erzeugen. Beim Hochfrequenzschweißen reiben Moleküle aneinander und auch beim Reibschweißen erzeugt die mechanische Reibung, die zum Schweißen erforderliche Wärme.