Bericht zum Einsatz von Polymeren

Kunststofftechnik

an der University of Applied Science, Mannheim

29.11.2002

Bericht verfasst von

Raphaël Murswieck und Mark Brandner

---

Werkstoffkunde -Labor

Mark Brandner und Raphaël Murswieck

Inhaltsverzeichnis zu Werkstoffkundelabor Kunststoffe

Maschinen zur Verarbeitung von Thermoplasten

1. Spritzgießen

1.1 Spritzgießmaschine

2. Extrudieren

2.2 Extrudiermaschine

3. Tiefziehen

3.3 Tiefziehmaschine

Untersuchte Kunststoffarten

4. Polyethylen PE

5. Polypropylen PP

6. Acrylnitril-Butadien-Styrol-Polymerisate ABS

7. Polystyrol PS

8. Polymethylmethacrylat PMMA

9. Polyamide PA

10. Polyalkylenterephthalate PBTP

{

PAGE

}

---

Werkstoffkunde -Labor

Mark Brandner und Raphaël Murswieck

1.Spritzgießen von Thermoplasten

Allgemeines

Das Spritzgießen ist ein wichtiges Verarbeitungsverfahren vor allem für

thermoplastische Kunststoffe.

Die Maschine besteht aus einem Plastifizierzylinder mit einer integrierten

Förderschnecke, dem Stoßzylinder sowie einer mehrteiligen Werkzeug- Hohlform.

(siehe Abbildung auf nächster Seite)

Funktionsprinzip

Das eingefüllte Kunststoffgranulat wird im Plastifizierungszylinder erwärmt und

zähflüssig gemacht. Beim Spritzhub drückt der Kolben des Stoßzylinders die

Schnecke nach vorne uns spritzt die weiche Kunststoffmasse mit hoher

Geschwindigkeit in den Werkzeughohlraum.

Die Werkzeughälften sind gekühlt um so ein schnelles Abkühlen der Masse zu

gewährleisten. Während des Auswurfs des Werkstücks wird die Schnecke wieder

zurückgefahren und ein neuer Fertigungszyklus kann beginnen.

Vorteile

Die Vorteile des Spritzgießens bestehen in der schnellen und kostengünstigen

Herstellung in einem Arbeitsgang, selbst von komplizierten Werkzeuggeometrien.

Meist ist eine Nachbearbeitung nicht erforderlich. Allerdings lohnt sich Spritzgießen

nur bei Massenteilen, da die Herstellung der Werkzeugformen sehr kostenintensiv ist.

Anwendungen

Zu den typischen Spritzgußerzeugnissen zählen neben Eimern, Bierkästen, Gehäuse

für Fernseh, -Rundfunk- und Küchengeräte auch Massenteile für Kraftfahrzeuge, wie

Zahnräder und Schrauben oder aber auch Großteile wie Telefonzellen.

Duroplaste und Elastomere

In beschränktem Umfang werden auch Duroplaste und Elastomere durch Spritzgießen

verarbeitet. Dabei wird der Plastifizierungszylinder nur soweit erwärmt, daß eine

ausreichende Plastizität der Kunststoffmasse erreicht wird. Das Werkzeug ist stark

erwärmt, da hier die Aushärtung in der Wärme erfolgt.

{

PAGE

}

---

Werkstoffkunde -Labor

Mark Brandner und Raphaël Murswieck

1.1. Schaubild der Spritzgießmaschine

1.Arbeitszyklus ,,Schließen"

1. Spritzkolben

2. Querhauptplatte

3. Kolbenführungsbuchse

4. Zylinderheizband

5. Masseverdrängungseinsatz

6. Spritzdüse

7. Formeinsatz

8. Formplatte

9. Grundplatte

10. Angußziehstift

11. Auswerferhalteplatte

12. Auswerferstange

13. Anschlagplatte

14. Anschlagschraube

15. Dosierkolben

16. Rückholfeder

17. Werkzeugaufspannplatte

2.Arbeitszyklus ,,Einspritzen"

18. Aufspannplatte

19. Auswerfgrundplatte

20. Auswerfschäumer

21. Ausferfstift

22. Formeinsatz

23. Formplatte

24. Aufspannplatte

25. Angußbuchse

26. Düsenheizband

27. Plastizier-Spritzzylinder

28. Werkzeugaufspannplatte

29. Zylinderbefestigung

30. Dosiereinrichtung

31. Anschlagschraube

32. Maschinenkörper

3.Arbeitszyklus ,,Entformen"

{

PAGE

}

---

Werkstoffkunde -Labor

Mark Brandner und Raphaël Murswieck

2. Extruder

Allgemeines

Das Extrudieren gehört zu den vielseitigsten Verfahren zur thermoplastischen

Verarbeitung von Kunststoffen.

Funktionsprinzip

Der Extruder ist eine stetig arbeitende Schneckenstrangpresse mit einer vorgesetzten

Profildüse. Das Kunststoffgranulat wird durch die rotierende Schnecke zuerst

verdichtet, entgast, erwärmt und dadurch plastifiziert. Das Schmelzen des Granulats

erfolgt zum einen durch die Reibung der sich verdichtenden Masse sowie durch

Heizaggregate an der äußeren Zylinderwand der Schnecke.

Die Schnecke drückt die Kunststoffmasse fortlaufend durch eine Profildüse, welche

am Ende des Zylinders aufgeschraubt ist. Dort tritt sie als Strang in Form der

formgebenden Düse aus.

Die Schnecke selbst hat einen zur Düse hin zunehmenden Durchmesser um die

Kunststoffmasse zu verdichten und einen Druck aufzubauen. Es entsteht ein

Druckabfall bei Austritt der Masse aus der Düse. Der Querschnitt der Austrittsöffnung

der Düse bestimmt das Profil des austretenden Stranges. Es können runde oder aber

auch flache Profile verwendet werden.

Zur weiteren Verarbeitung und um den Kunststoffstrang in seine Endform zu bringen,

wird es durch einen evakuierten Raum geleitet. Da in dem Kunststoffstrang noch der

normale Luftdruck herrscht, wird der Strang an den Innendurchmesser eins

Kupferrohres gedrückt und erhält somit seine endgültige Form.

Anwendungen

Zu den typischen Extrudererzeugnissen zählen Platten, Bänder, Stäbe, Profile wie z.B.

Fensterrahmen, Rohre oder Gartenschläuche.

Es können aber auch schlauchartige Profile zum anschließenden aufblasen, z. B. von

Flaschen oder Tanks, gepresst werden, welche nicht sofort in einem Tauchbad gekühlt

werden.

{

PAGE

}

---

Werkstoffkunde -Labor

Mark Brandner und Raphaël Murswieck

2.1 Schaubild des Extruders

1. Schnecke

2. Zylinder

3. Trichter

4. Motor

5. Getriebe

6. Heizung

Einfachschnecke

Doppelschnecke

{

PAGE

}

---

Werkstoffkunde -Labor

Mark Brandner und Raphaël Murswieck

3. Tiefziehen

Allgemein

Die Tiefziehmaschine (auch als Verpackungsmaschine bekannt) wird zum Formen von

Platten und Folien aus thermoplastischen Kunststoffen angewendet.

Das Tiefziehen kann auf Pressen (wie Spindelpressen, Exzenterpressen oder

hydraulischen Ober- und Unterkolbenpressen) oder auf Spezialmaschinen

durchgeführt werden.

Funktionsprinzip

Die Halbzeuge (also Kunststoffplatten) werden gleichmäßig auf die optimale

Temperatur des jeweils eingesetzten Kunststoff aufgeheizt und mittels Vakuum,

Druckluft und mechanischer Kräfte umgeformt.

Damit auch feine Konturen, die durch einfaches aufziehen der warmen Platte nicht

geformt werden können, ebenfalls abgebildet werden können, werden ganz feine

Löcher an die entsprechen Stellen gebohrt. Durch Vakuum an der Unterseite des

Werkstückes wird nun der gewärmte Kunststoff durch die Löcher an die Form

angesaugt.

Abgesehen von den üblich angewandten Warmformverfahren (Biegen, Ziehformen)

arbeitet man meist mit automatisierten Thermoformmaschinen. Das Erwärmen des in

einem Spannrahmen fest fixierten Halbzeugs erfolgt in der Regel mit Infrarot-

Flächenstrahlern (Keramik oder Quarzstrahler).

Beim Tiefziehen von dünnen PC-Folien kann auch kalt gearbeitet werden.

Beim Warmformen unterscheidet man grundsätzlich zwischen dem Negativ- und dem

Positivverfahren. Bei der Negativformung wird das erwärmte Halbzeug in den

konkaven Formholraum gesaugt oder gedrückt, beim Positivformen auf ein Konvex-

Modell (Positiv-Formkern) gesaugt. Die am Werkzeug anliegende Seite wird glatter

und maßgenauer.

Das Tiefziehen mit Gegenform besteht aus Stempel und Gesenk. Der niederfahrende

Stempel drückt die erwärmte Folie in die Form, die dadurch die gewünschte Kontur

annimmt.

So geformte Werkstücke weisen eine gute Maßhaltigkeit auf.

Anwendung

Die Spanne der so hergestellten Teile reicht von Verpackungsbehältern für die

Konsumgüterindustrie bis hin zu Großformteilen wie z.B. Fassadenelemente,

Sanitärzellen, Container, Spielzeugen

{

PAGE

}

---

Werkstoffkunde -Labor

Mark Brandner und Raphaël Murswieck

4.1 Schaubild der ,,Verpackungsmaschine"

Formstation

Positiv- / Negativformverfahren

Positivverfahren

Negativverfahren

{

PAGE

}

---

Werkstoffkunde -Labor

Mark Brandner und Raphaël Murswieck

4. Polyethylen PE

Allgemeines

Das Gefüge von Polyethylen besteht aus unpolarer teilkristalliner Thermoplaste mit

unterschiedlichem Verzweigungsgrad und besitzt eine niedrige Dichte.

PE sieht ungefärbt milchig weiß aus und ist nur bei sehr dünnen Folien fast glasklar.

Die mechanischen Eigenschaften sind abhängig von der Kristallinität und vom

Polymerisationsgrad. So besitzt PE ausgezeichnete elektrische Isoliereigenschaften

und kann kurzzeitig bis zu 105°C und höher thermisch beansprucht werden.

Bei unserem Brennversuch brennt es mit bläulicher Flamme und tropft brennend ab.

PE ist beständig gegen Säuren, Laugen, Salzlösungen, Wasser usw., versprödet jedoch

bei direkter Sonneneinstrahlung und ist durchlässig gegenüber Gas und Sauerstoff und

somit ungeeignet für z.B. Getränkeflaschen.

Verarbeitung

Verarbeitet wird PE hauptsächlich durch Spritzgießen aber auch durch Extrudieren

und Extrusionsblasen.

Anwendungsbeispiele

Im Maschinen- und Fahrzeugbau wird PE werden hauptsächlich Handgriffe,

Verschlußstopfen, Dichtungen, Batteriekästen, Kraftstoffbehälter, oder

Autoinnenverkleidungen verwendet.

In der Elektrotechnik wird PE hauptsächlich zur Isolierung von Hochspannungskabeln,

Instalationsrohre und Verteilerdosen verwendet.

Im Bauwesen werden Rohleitungen für Trink- und Abwasser sowie Abdeckfolien und

Heizöltanks aus PE hergestellt.

Technische Daten:

Dichte:

0,914..0,96 g/cm3

Zugfestigkeit:

8..35 N/mm2

E-Modul:

200.1400 N/mm2

Reißdehnung:

300..1000 %

{

PAGE

}

---

Werkstoffkunde -Labor

Mark Brandner und Raphaël Murswieck

5. Polypropylen PP

Allgemein

Das Gefüge besteht weitgehend aus unpolarer Thermoplaste mit Kristallinität

zwischen 60% - 70% und besitzt eine Dichte von 0,9g/cm3 bis 0,91 g/m3 .

PP ist ungefärbt schwach transparent und ist mit vielen Farben gedeckt einfärbbar bei

hohem Oberflächenglanz.

Zu den mechanischen Eigenschaften zählen seine hohe Steifigkeit, Härte und

Festigkeit, besitzt aber eine niedrigere Kerbschlagzähigkeit als PE.

Um PP als Konstruktionsteile zu verwenden ist eine Verstärkung mit Glasfasern

möglich.

Die elektrischen Eigenschaften sind ähnlich wie bei PE. Es besitzt wegen seiner hohen

Isolierungseigenschaften die Neigung zu elektrostatischer Aufladung und

Staubanziehen.

Bei hohen Temperaturen neigt reines PP zur Oxidation. Seine obere thermische

Belastung liegt bei ca. 110°C.

Bei unserem Brennversuch stellte sich heraus das es ein ähnliches Brennverhalten

aufweißt wie PE, auch PP brennt mit gelber Flamme mit blauen Kern und tropft

brennend ab. Außerdem ist PP beständig gegenüber wässrigen Lösungen sowie

schwache anorganische Säuren und Laugen.

Bei erhöhten Temperaturen ist PP unbeständig gegen Benzin, Benzol und

Halogenkohlenwasserstoffe.

Verarbeitung

PP ist hervorragend geeignet zum Spritzgießen, Extrudieren und Extrusionsblasen,

wobei Hohlkörper mit hoher Formbeständigkeit erzeugt werden können.

Anwendungsbeispiele

Im Maschinen- und Fahrzeugbau werden aus PP hauptsächlich Lüfterflügel,

Gaspedale, Pumpengehäuse, Abdeckplatten sowie Ventilatoren hergestellt.

Typische Haushaltsartikel sind Innenteile von Geschirrspülmaschinen,

Waschmaschinentrommeln, sowie Staubsaugerteile und kochfeste Folien.

In der Elektrotechnik findet PP vor allem als Kabelanschlüsse, Trafogehäuse, und

Antennenteile Verwendung.

Technische Daten

Dichte

0,9 0,91 g/cm³

Zugfestigkeit

29 N/m²

E-Modul

1100...1600 N/m²

{

PAGE

}

---

Werkstoffkunde -Labor

Mark Brandner und Raphaël Murswieck

6. Acrylnitril-Butadien-Styrol-Polymerisate ABS

Allgemein

Das Gefüge von ABS besteht aus amorpher Thermoplaste mit großen

Variationsmöglichkeiten im Aufbau und besitzt eine höhere Dichte im Vergleich zu

Wasser. ABS ist gelblich- weiß und gedeckt in allen Farben einfärbbar, es besitzt eine

matte Oberfläche und bei Sondertypen auch glasklar.

Bei Temperaturen bis ­40°C zeigt sich eine hohe Steifigkeit und Zähigkeit. Außerdem

ist es kratzfest und besitzt eine hohe Schlag- und Kerbschlagzähigkeit.

ABS hat einen hohen Oberflächen- und Durchgangswiderstand bei nur sehr geringer

elektrostatischer Aufladung. ABS ist bis ca. 100°C einsetzbar. Bei dem Brennversuch

brannte es mit rußender Flamme, aber ohne abzutropfen.

Beständig ist ABS gegen Wasser, wässrige Salzlösungen und Laugen. Unbeständigkeit

besteht gegenüber konzentrierte Mineralsäuren und chlorierte Kohlenwasserstoffe.

ABS wird vorwiegend durch Spritzgießen und Extrudieren verarbeitet, kann aber auch

sehr gut warmumgeformt werden.

Anwendungsbeispiele

In der Feinwerk- und Elektrotechnik werden aus ABS hauptsächlich Gehäuseteile für

Fernseh- und Rundfunkgeräte, sowie Fotoapparate, Telefone- und Lampen hergestellt.

Im Fahrzeugbau werden Karosserieteile, Armaturenbretter, Mittelkonsolen und

Frontspoiler gefertigt.

Weitere Anwendungen sind zum Beispiel Sitzschalen, Hocker, Gehäuseteile und

Küchenmaschinen.

Technische Daten

Dichte

1,03 g/m3 bis 1,07 g/m3

E-Modul

2200...2800 N/m²

Zugfestigkeit

35-45 N/m²

{

PAGE

}

---

Werkstoffkunde -Labor

Mark Brandner und Raphaël Murswieck

7. Polystyrol PS

Allgemein

Polystyrol besitzt ein Gefüge aus amorpher Thermoplaste mit geringer

Feuchtigkeitsaufnahme und besitzt eine Dichte von 1,05 g/m3 .

PS ist glasklar, zeigt einen hohen Oberflächenglanz und ist und ist in allen Farben

durchsichtig und gedeckt einfärbbar.

Zu den mechanischen Eigenschaften zählen eine hohe Steifigkeit, Härte und ist sehr

spröde. Allerdings ist PS sehr Kerbempfindlich.

PS besitzt gute elektrische Widerstandswerte und sehr gute dielektrische

Eigenschaften. Es ist bis 70°C, Sondertypen bis 80°C thermisch einsetzbar.

Bei dem Brennversuch zeigte sich das PS gut und mit stark rußender Flamme brennt,

jedoch ohne abzutropfen.

PS ist beständig gegen Laugen, Alkohole und Mineralssäuren.

Gegen organische Lösungsmittel wie Benzin oder Aceton ist PS jedoch unbeständig.

Verarbeitung

Das am häufigsten eingesetzte Verfahren um PS zu verarbeiten, ist Spritzgießen;

jedoch kann es auch Extrudiert- und Warmumgeformt werden.

Anwendung

Polystyrol wird hauptsächlich in der Verpackungsindustrie verwendet wo

Verpackungen mit hohem Oberflächenglanz und Durchsichtigkeit benötigt werden,

wie z.B. Kosmetika, Schreibwaren und Medikamentenverpackungen.

In der Feinwerk- und Elektrotechnik werden Schaugläser, Tonbänder, Relaisteile und

Spulenkörper aus PS gefertigt. Verwendung findet PS aber auch als Wegwerfgeschirr

und -besteck sowie Modeschmuck oder aber auch CD-Hüllen.

Technische Daten

Dichte

1,05 g/m3 .

E-Modul

3000 N/mm²

Zugfestigkeit

55 N/mm²

{

PAGE

}

---

Werkstoffkunde -Labor

Mark Brandner und Raphaël Murswieck

8. Polymethylmethacrylat PMMA

Allgemeines

PMMA besteht aus amorpher Thermoplaste einer höheren Dichte als Wasser. PMMA

ist glasklar und besitzt einen hohen Oberflächenglanz mit hoher Brillanz und

kristallklarer Durchsicht. Bekannte Handelsnamen sind z.B. Plexiglas© oder Elvacite©

(Herstellerabhängig).

PMMA besitzt gute Zug-, Druck- und Biegefestigkeit, ist allerdings nur gering

verformbar und weitgehend kratzfest.

Zu den elektrischen Eigenschaften zählen ein guter Oberflächenwiderstand, sowie

Krichstromfestigkeit. PMMA ist optisch sehr hochwertig, besitzt keine Eigenfarbe und

ist sehr gut lichtdurchlässig. Die maximale Gebrauchstemperatur liegt bei 65°C und

auch bei niedrigen Temperaturen ist es beständig.

Beim Brennversuch zeigt sich, dass es praktisch rückstandslos und ohne abzutropfen

mit knisternd leuchtender Flamme verbrennt.

PMMA ist beständig gegenüber wässrigen Säuren, Laugen und Alkohol, jedoch

unbeständig gegenüber Spiritus und Nitrolacke.

Verarbeitung

Spritzgießen, Extrudieren und Warmumformen gehören zu Hauptverarbeitungs-

verfahren von PMMA.

Anwendung

In der Optik wird PMMA zu Brillengläsern, Lupen, Linsen, Prismen und

Lichtleitfasern verarbeitet. Im Haushalt werden Schüsseln, Becher und Bestecke

aus PMMA gefertigt.

In der Elektrotechnik findet PMMA Einsatz als Bedienungsknöpfe, Abdeckungen oder

Leuchtenabdeckungen.

Auch bruchsichere Dachverglasungen, Oberlichter, sowie Gewächshäuser werden im

Bauwesen angewandt. Aber auch im Modellbau und in der Werbetechnik findet

PMMA ein breites Anwendungsspektrum.

Technische Daten

Dichte

je nach Art von 1,08 g/m3 bis zu 1,18 g/m3

Zugfestigkeit:

68..75 N/mm2

E-Modul:

3300 N/mm2

{

PAGE

}

---

Werkstoffkunde -Labor

Mark Brandner und Raphaël Murswieck

9. Polyamide PA

Allgemein

Polyamide bestehen aus teilkristalliner Thermoplaste mit feinsphärolithischem Gefüge

mit einer höheren Dichte als Wasser. PA ist ungefärbt milchig und in allen Farben

gedeckt einfärbbar, amorphe Polyamide fast glasklar. Die mechanischen Eigenschaften

reichen von guter Schlagzähigkeit, Kerbschlagzähigkeit bis zu hoher

Ermüdungsfestigkeit.

PA besitzt einen günstigen Oberflächenwiderstand ist jedoch für Isolierungen nicht

geeignet wegen hoher dielektrischer Verluste. Die obere Gebrauchstemperatur ist je

nach Typ zwischen 80°C und 120°C. Bei unserem Brennversuch brannte PA bläulich

mit gelbem Rand, tropfte knisternd ab und zog lange Fäden.

Beständig ist PA gegenüber Benzin, Öl, Fett und Alkohol. Nicht beständig dagegen

weißt es gegenüber Mineralsäuren, starke Laugen und Phenole auf.

Verarbeitung

Wegen seiner ausgezeichneten Fließfähigkeit und Erstarrungsgeschwindigkeit ist

Spritzgießen sehr gut möglich, aber auch Extrudieren und Warmumformen sind häufig

angewande Verfahren.

Anwendung

Im Maschinenbau und der Feinwerktechnik werden Zahnräder, Riemenscheiben,

Steuerwalzen, sowie Laufrollen und Nockenscheiben gefertigt.

Im Fahrzeugbau wird PA zu Ölfilter, Ölwannen und Lagerbuchsen verarbeitet.

In der Elektrotechnik werden Spulenkörper, Verteilerkästen Motorengehäuse und

Elektrowerkzeuge hergestellt.

Technische Daten

Dichte

zwischen 1,01 g/m3 und 1,14 g/m3.

E-Modul

1700 N/mm²

Zugfestigkeit

57 N/mm2

{

PAGE

}

---

Werkstoffkunde -Labor

Mark Brandner und Raphaël Murswieck

10. Polbutylenterephthalate PBTP

Allgemein

PBTP ist ein teilkristalliner, thermoplastischer Kunststoff mit einer Dichte von 1,29

g/m3. PBTP ist wegen seiner hohen Kristallinität opak weiß und hat einen hohen

Oberflächenglanz, ist in allen Farben gedeckt einfärbbar. Zu den mechanischen

Eigenschaften gehören eine leichte Verarbeitbarkeit und eine gute Zähigkeit auch bei

tiefen Temperaturen.

PBTP hat günstige elektrische Isolierungseigenschaften und ein günstiges

dielektrisches Verhalten.

PBTP ist gut wärmebeständig, einsetzbar von ­60°C bis 110°C und kurzzeitig auch

höher. PBPT brennt mit stark rußender Flamme und tropfend ab.

Beständigkeit besteht gegenüber wässrigen Lösungen, Salze und Öle. Unbeständig ist

PBTP gegenüber heißem Wasser, Aceton, Säuren und Laugen.

Verarbeitung

Verarbeitet wird PBTP sehr gut durch Spritzgießen, Extrudieren und Warmumformen.

Anwendung

Maßhaltige technische Funktionsteile mit guten Gleiteigenschaften werden unter

anderem aus PBTP hergestellt. In der Feinwerktechnik- und Elektrotechnik werden

Gleitelemente, Steuerscheiben, Lager und Zahnräder aus PBTP hergestellt. Im

Maschinenbau kommt PBTP hauptsächlich als Gleitlager, Führungen und Kupplungen

zum Einsatz.

Andere Anwendungsbeispiele sind Küchengeräte sowie Schläuche und Rohre.

{

PAGE

}

---