REIFF - Bearbeitungsrichtlinien von Kunststoffen

1. Spangebende Bearbeitung von thermoplastischen Kunststoffen
    1.1 Bearbeitungsmaschinen/-werkzeuge
    1.2 Bearbeiten und Spannen des Werkstücks
    1.3 Kühlung während der Bearbeitung
2. Kennwerte für die einzelnen Bearbeitungsverfahren
    2.1 Sägen
    2.2 Fräsen
    2.3 Drehen
    2.4 Bohren
    2.5 Bohren großer Durchmesser in Rundstababschnitten
    2.6 Hinweise zu verstärkten und gefüllten Kunststoffen

1. Spangebende Bearbeitung von thermoplastischen Kunststoffen
Mit der zunehmenden Vielfalt von technischen Kunststoffen und den daraus resultierenden Einsatzmöglichkeiten öffnen sich für den Konstrukteur neue Horizonte, die ihm mit den üblichen Werkstoffen verschlossen blieben. Oft ist, neben den Werkstoffgrenzen, nur das Herstellverfahren als Grenze der gestalterischen Möglichkeiten zu sehen. Insbesondere dann, wenn großvolumige Konstruktionsteile aus Guss-Polyamiden und Polyacetal (POM) oder Polyethylenterephtalat (PET) benötigt werden, können Herstellverfahren wie z.B, Spritzguss nicht eingesetzt werden. Dies gilt ebenso für komplexe Funktionsträger, die eine allseitige Bearbeitung mit engen Toleranzen erfordern. Hier hat sich die spanabhebende Herstellung als vorteilhaft erwiesen. Sowohl hochpräzise Funktionsträger als auch großvolumige Konstruktionsteile lassen sich in kleinen und mittleren Losgrößen besonders wirtschaftlich durch spanabhebende Bearbeitung herstellen. Für die Herstellung von qualitativ hochwertigen Produkten sind bei der Auswahl von Maschinen und Werkzeugen sowie deren Einsatz einige spezifische Eigenschaften der  Kunststoffe zu berücksichtigen.

1.1 Bearbeitungsmaschinen/-Werkzeuge
Für die spanabhebende Bearbeitung sind keine besonderen Maschinen oder Verfahren notwendig. Es können die in der Holz- und Metallbearbeitung üblichen Maschinen mit Werkzeugen aus HSS (Hochleistungs-Schnellschnittstahl) oder Hartmetall-Werkzeuge verwendet werden. Lediglich für die Bearbeitung der Kunststoffe mit der Kreissäge empfiehlt sich grundsätzlich der Einsatz von hartmetallbestückten Sägeblättern. Eine Besonderheit stellt die Gruppe der glasfaserverstärkten Kunststoffe dar. Eine Bearbeitung mit hartmetallbestückten Werkzeugen ist zwar möglich, jedoch können aufgrund der niedrigen Standzeiten der Werkzeuge nur schwer wirtschaftliche Ergebnisse erzielt werden. Hier empfiehlt sich die Verwendung von diamantbestückten Werkzeugen, die zwar wesentlich teurer als herkömmliche Werkzeuge sind, aber erheblich längere Standzeiten aufweisen.

1.2 Bearbeiten und Spannen des Werkstücks
Kunststoffe haben im Vergleich zu metallischen Werkstoffen ein geringes Wärmeableitvermögen sowie einen niedrigen E-Modul. Durch unsachgemäße Bearbeitung kann es zu starker Erwärmung des Werkstücks und damit zu Wärmedehnung kommen. Hohe Spanndrücke und stumpfe Werkzeuge erzeugen Verformungen des Werkstücks während der Bearbeitung. Maß- und Formabweichungen über den Toleranzbereich hinaus sind die Konsequenz. Zufriedenstellende Arbeitsergebnisse können also nur erzielt werden, wenn bei der Zerspanung von Kunststoffen einige werkstoffspezifische Richtlinien beachtet werden.
Im Einzelnen bedeutet das:

  • Es sollten möglichst hohe Schnittgeschwindigkeiten angestrebt werden.

  • Eine optimale Spanabfuhr muss gewährleistet sein, damit ein Einziehen der Späne durch das Werkzeug vermieden wird.

  • Die verwendeten Werkzeuge müssen absolut scharf geschliffene Schneiden aufweisen. Stumpfe Schneiden können zu starker Erwärmung führen, was Verzug und Wärmedehnung zur Folge haben kann

  • Die Spanndrücke dürfen nicht zu hoch sein, da sonst Deformationen des Werkstücks und Abdrücke der Spannwerkzeuge im Werkstück die Folge sind.

  • Aufgrund der geringen Steifigkeit muss das Werkstück auf dem Maschinentisch ausreichend unterstützt werden und möglichst vollflächig aufliegen.

  • Einwandfreie, hochwertige Oberflächen lassen sich nur durch vibrationsarmen Maschinenenlauf realisieren.

Unter Beachtung dieser Richtlinien sind auch enge, kunststoffgerechte Toleranzen mit hoher Wiederholgenauigkeit ohne Schwierigkeiten realisierbar.

1.3 Kühlung während der Bearbeitung
Im Allgemeinen ist eine Kühlung während der Bearbeitung nicht unbedingt notwendig. Soll gekühlt werden, empfiehlt sich die Verwendung von Pressluft. Diese hat den Vorteil, dass neben dem Kühleffekt gleichzeitig der Span aus dem Arbeitsbereich entfernt wird und ein Einziehen des Spans in, bzw. ein Umlaufen des Spans um das Werkzeug verhindert wird. Handelsübliche Bohremulsionen können ebenfalls zur Kühlung verwendet werden und sind besonders für das Einbringen von tiefen Bohrungen und das Gewindeschneiden zu empfehlen.
Darüber hinaus lassen sich höhere Vorschübe und damit geringere Laufzeiten erzielen. Bei der Verwendung von Bohremulsionen ist jedoch darauf zu achten, dass diese nach der Bearbeitung rückstandslos entfernt wird. So wird verhindert, dass deren ölhaltige Bestandteile etwaige Folgearbeitsgänge wie z.B. Verkleben oder Lackieren behindern und speziell bei Polyamiden die Wasseranteile zu Veränderungen der Bauteile durch Feuchteaufnahme führen.


2. Kennwerte für die einzelnen Bearbeitungsverfahren
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.1 Sägen
Kunststoffe können gleichermaßen mit der Band- oder Kreissäge gesägt werden. Die Auswahl richtet sich nach der Form des Halbzeugs. Der Einsatz einer Bandsäge bietet sich insbesondere bei der Verwendung einer „Auflagekehle“ (Prisma) für den Zuschnitt von Vollstäben und Rohren an und birgt den Vorteil, dass die entstehende Barbeitungswärme durch das lange Sägeblatt gut ab geführt wird. Es muss jedoch auf eine ausreichende Schränkung des Blattes geachtet werden, damit ein Klemmen des Blattes
verhindert wird. Kreissägen kommen hingegen hauptsächlich für den Zuschnitt von Tafeln und Blöcken mit geraden Schnittkanten in Betracht. Hierbei ist zu beachten, dass mit ausreichenden Vorschüben gearbeitet wird, damit die Spanabfuhr gewährleistet ist und ein Klemmen des Sägeblatts sowie eine Überhitzung des Kunststoffs im Sägeschnitt verhindert wird. Die Tabelle 1 enthält Richtwerte für die Schneidengeometrie der Sägeblätter.

2.2 Fräsen
Die Fräsbearbeitung auf den üblichen Bearbeitungszentren ist unproblematisch. Mit hohen Schnittgeschwindigkeiten und unter mittleren Vorschüben lassen sich hohe Zerspanleistungen bei gleichzeitig guter Oberflächenqualität und Genauigkeit erzielen. Es ist darauf zu achten, dass Werkzeuge mit ausreichend großem Spanraum verwendet werden. Damit ist eine zuverlässige Spanabfuhr gewährleistet und es wird ein Wärmestau vermieden. Hinsichtlich der Schneidengeometrie empfehlen wir die in der Tabelle enthaltenen Werte.

2.3 Drehen
Da bei den meisten Kunststoffen ein Fließspan entsteht, ist auf eine besonders gute Abfuhr der Späne zu achten, da sich diese sonst einklemmen und mit dem Drehteil umlaufen. Des Weiteren ist aufgrund der geringeren Steifigkeit der Kunststoffe bei längeren Teilen die Gefahr des Durchhangs groß und deshalb die Verwendung einer Lünette ratsam. Für die Schneidengeometrie gelten
die Werte der Tabelle.

2.4 Bohren
Bohrungen können mit einem handelsüblichen HSS-Bohrer hergestellt werden. Bei der Herstellung von tiefen Bohrungen ist darauf zu achten, dass für eine gute Spanabfuhr gesorgt ist, da es sonst an der Bohrungswand zur Erwärmung des Kunststoffs bis zur Schmelztemperatur kommen kann und der Bohrer „schmiert“. Dies gilt insbesondere für tiefe Bohrungen. Für Bohrungen in dünnwandige Werkstücke empfiehlt sich die Wahl einer hohen Schnittgeschwindigkeit und ggf. eines neutralen (0°) Spanwinkels. So wird ein Einhaken des Bohrers in das Werkstück und das damit verbunde Ausreißen der Bohrung bzw. Hochziehen des Werkstücks am Bohrer vermieden. In der Tabelle sind die empfohlenen Werte für die Bohrerschneidengeometrie dargestellt.

2.5 Bohren großer Durchmesser in Rundstababschnitten
Beim Bohren entstehen an den Bohrerschneiden, speziell bei hochkristallinen Werkstoffen wie PA 6 G hohe Temperaturen, die aufgrund der guten Isoliereigenschaften der Kunststoffe nicht ausreichend abgeführt werden können. Die Wärme führt zu einer inneren Dehnung des Werkstoffs, was Druckspannungen im Inneren des Stababschnitts hervorruft. Diese können so hoch werden, dass es zum Reißen und Auseinanderplatzen des Rohlings kommt. Dies kann durch werkstoffgerechte Bearbeitung weitgehend vermieden werden. Es empfiehlt sich, eine Vorbohrung anzubringen und die Fertigbearbeitung mit einem Innendrehmeißel auszuführen. Vorbohrungen sollten dabei im Durchmesser nicht größer als 35 mm sein. Bohrungen in langen Stababschnitten dürfen dabei nur von einer Seite her eingebracht werden, da sich sonst beim Aufeinandertreffen der Bohrungen in der Mitte des Rohlings ein
ungünstiges Spannungsverhältnis ergibt, welches das Reißen des Stababschnitts begünstigt. In extremen Fällen kann es notwendig sein, den Rohling auf ca. 120 — 150 °C zu erwärmen und die Vorbohrung in diesem Zustand anzubringen. Die Fertigbearbeitung kann dann nach dem vollständigen Abkühlen und Erreichen eines gleichmäßigen Temperaturniveaus
innerhalb des Rohlings erfolgen.

2.6 Hinweise zu verstärkten und gefüllten Kunststoffen
Kunststoffe, die durch Glasfasern, Kohlefasern, Glaskugeln, Mineralstoffe oder andere Stoffe verstärkt oder gefüllt sind, weisen gegenüber nicht verstärkten oder ungefüllten Kunststoffen ein höheres Restspannungsniveau auf. Durch die Verstärkungsund Füllstoffe werden die Produkte zudem härter und spröder und die Schlagzähigkeit nimmt ab. Das macht diese Produkte besonders rissempfindlich. Während der Zerspanung können die Restspannungen freigesetzt werden, was sich durch starken Verzug bis hin zur Rissbildung und vollständigem Bruch bemerkbar machen kann. Bei der Be- und Verarbeitung sollten daher folgende Hinweise berücksichtigt werden:

  • Die Halbzeuge sollten nach Möglichkeit vor dem Bohren oder Sägen auf ca. 120 °C erwärmt werden. (Zeit-Richtwert: ca. 5 - 6 min pro mm Querschnitt)

  • Für die Bearbeitung sollten mindestens hartmetallbestückte, besser jedoch diamantbeschichtete Werkzeuge verwendet werden.

  • Beim Spannen und Fixieren auf Verzugfreiheit achten bzw. das Material möglichst geringen Biege-, Zug- oder Druckkräften aussetzen.

Werden die vorstehenden Bearbeitungsrichtlinien beachtet, ist die Herstellung komplexer Produkte aus technischen Kunststoffen mit spangebenden Verfahren auch bei höchsten Qualitätsanforderungen an Genauigkeit und Funktionalität ohne Weiteres möglich.