Mechanisch bearbeitete Bauteile aus Kunststoff - Sinn oder Unsinn?

Die spangebend hergestellten Bauteile weisen oft eine höhere Verschleißfestigkeit und haben damit eine höhere Lebensdauer.

Spricht man heute über die spangebende Fertigung (drehen, fräsen, bohren) von Kunststoffbauteilen, so wird in aller Regel schnell gefragt, ob das denn überhaupt Sinn mache?

Die Kunststoffverarbeitung hat sich in den letzten 50 Jahren rasant entwickelt. Wurden in den Anfangsjahren hauptsächlich Konsumgüter und Bauteile mit einfacher Geometrie in großer Stückzahl produziert, so können heute selbst komplexeste technische Bauteile im Kunststoffspritzguss hergestellt werden. Auch die Montage mehrerer Einzelteile zu einem Bauelement während des Verarbeitungsprozesses ist technisch möglich. Millionen Teile werden auf modernen Maschinen in hoher Präzision und Effizienz aus den unterschiedlichsten Kunststoffen gefertigt. Insofern ist die Frage, ob es wirtschaftlich sei und technisch Sinn mache, Kunststoffbauteile spangebend aus dem Vollen zu fertigen, durchaus berechtigt. Doch trotz fortschrittlichster Kunststoffverarbeitungs-Technologie wächst der Markt für gedrehte und/oder gefräste Kunststoffbauteile stetig. Woran liegt das?

Die Kunststoffindustrie kennt verschiedene Verfahren zur Herstellung von technischen Bauteilen. Neben Extrusion, Guss und Pressen haben Umformprozesse (Tiefziehen) und vor allem der Spritzguss eine große Bedeutung bei der Herstellung von technischen Teilen aus Kunststoff. Während die Extrusion insbesondere für die Herstellung technischer Profile genutzt wird, sind Pressen und Gießen Verarbeitungsverfahren zur Produktion von Bauteilen mit relativ einfacher Geometrie und verhältnismäßig großer Wandstärke. Umformprozesse werden für die Produktion von Behältern, Gehäusen und Abdeckungen gewählt. Den bei weitem größten Teil aber decken die im Spritzguss hergestellten technischen Bauteile ab.

Der Kunststoff-Spitzguss ist eines der kostengünstigsten Verfahren zur Herstellung von technischen Bauteilen in Großserie. Dies liegt insbesondere daran, dass beim Spritzguss kaum Materialverlust auftritt. Vor allem Angüsse fallen bei laufender Produktion als Abfall an. Und selbst diese können meist wieder in den Prozess zurückgeführt werden. Darüber hinaus erlaubt das Spritzgussverfahren die Herstellung unterschiedlichster Oberflächen. Verschiedenste Farben können verwendet werden und eine fast unerschöpfliche Vielfalt von Kunststoffen bzw. Kunststoffmischungen (Compounds, Blends) sind verfügbar.

Allerdings, und das gilt für alle bisher genannten Verarbeitungsverfahren, fallen grundsätzlich Werkzeugkosten an. Für Extrusion, Spritzguss, Pressen, Gießen und auch für das Umformen werden mehr oder weniger aufwändige Werkzeuge benötigt. Komplexe Spritzgusswerkzeuge kosten nicht selten mehrere zehn bis hunderttausend EUR. Eine Formänderung ist bisweilen äußerst aufwendig, benötigt relativ viel Zeit und ist ebenfalls kostenintensiv.

Die genannten Verarbeitungsverfahren lohnen sich folglich nur, wenn die Werkzeugkosten durch entsprechende Produktionsstückzahlen aufgefangen werden. Geringe Stückzahlen müssen hohe Werkzeugkostenanteile tragen und Einzelteile lassen sich so wirtschaftlich gar nicht sinnvoll fertigen. Mit spangebenden Verfahren hingegen können selbst Einzelteile ohne zusätzliche Werkzeugkosten gefertigt werden. Aber die Werkzeugkosten sind nicht das einzige Argument, das für die spangebenden Fertigungsverfahren spricht. Es gibt mehrere technische Gründe, die die spangebende Fertigung sinnvoll machen.

Zunächst gibt es Kunststoffe, die sich aufgrund ihres chemischen Aufbaus nicht thermoplastisch verarbeiten lassen. Diese Materialien können nicht aufgeschmolzen werden und entziehen sich damit vor allem der Spritzgussverarbeitung! Ein typischer Vertreter dieser Gruppe ist der Fluorkunststoff Polytetrafluorethylen (PTFE), vielen besser bekannt unter den Markennamen Teflon (Dupont) oder Hostaflon (Dyneon). Dieser Kunststoff zeichnet sich durch einige außergewöhnliche Eigenschaften aus. PTFE ist gegen fast jede Chemikalie beständig, es ist antiadhäsiv, hat einen extrem geringen Reibungskoeffizienten und eignet sich aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften ideal für Dichtungsanwendungen, da es sich hervorragend an die Gegenkontur anpassen kann. Aber reines PTFE lässt sich nicht im Spritzguss verarbeiten. Zwar können bestimmte Bauteile im Press-Sinter-Verfahren direkt hergestellt werden, die Masse der Teile aber wird spangebend aus Halbzeug hergestellt.

Ähnlich verhält es sich mit dem Polyimid. Bei diesen aromatischen Thermoplasten handelt es sich um einen Hochtemperatur-Material, das kurzzeitig bis weit über 400°C belastet werden kann. Das vor allem unter dem Markennamen Vespel S (Dupont) bekannte Polyimid wird für technische Bauteile, wie Dichtungen, Gleit- oder Antriebselemente unter extremen Belastungen eingesetzt. Aber auch dieser Kunststoff entzieht sich weitgehend der thermoplastischen Verarbeitung. Zwar können, wie beim PTFE, Bauteile im Press-Sinter-Verfahren direkt geformt werden, aber auch hier gibt es Einschränkungen bei der Geometrie. Und die mechanischen Eigenschaften der direkt geformten Bauteile sind bis zu 20 Prozent schlechter als die der spangebend, aus Halbzeug gefertigten Teile.

Verfahren sind abzuwägen

Muss man also solch spezielle Kunststoffe einsetzen, so geht unter Umständen gar kein Weg an der spangebenden Fertigung vorbei. Aber nicht nur bei diesen Exoten gibt es technische Gründe, spangebende Fertigungsverfahren zu verwenden. Häufig zeigen spangebend hergestellten Kunststoffbauteile bessere mechanische Eigenschaften als ihre spritzgegossenen Derivate. Versuche an geometrisch identischen Gleitlagern haben gezeigt, dass bei gleicher Materialzusammensetzung auf Basis von Polyamid (PA), die spangebend hergestellten Bauteile eine höhere Verschleißfestigkeit und damit eine bessere Lebensdauer aufweisen, als die, zugegebener Maßen günstigeren, im Spritzguss hergestellten Lager.

Mechanisch bearbeitete Bauteile aus Kunststoff - Sinn oder Unsinn?

Das Fräsen einer Kunststoff-Schnecke lohnt sich aus verschiedenen Gründen.

Eigentlich ist dieses Ergebnis nicht verwunderlich. Um Kunststoffe im Spritzguss verarbeiten zu können, müssen diese Materialien bestimmte Fließeigenschaften aufweisen. Sie müssen leicht und schnell in alle Bereiche des Werkzeugs fließen können. Aus diesem Grunde dürfen die Molekülketten nicht zu lang, das Molekulargewicht nicht zu groß, die Viskosität nicht zu hoch sein! Bei der Herstellung von Kunststoffhalbzeugen für die spangebende Verarbeitung jedoch braucht man gerade ein hohes Molekulargewicht. Man benötigt hochviskose, eher langsam fließende Materialqualitäten, um die relativ großen Querschnitte der Halbzeuge extrudieren zu können. Umso höher das Molekulargewicht ist, desto besser sind auch viele der mechanischen Eigenschaften. Wenige lange Molekülketten halten unter Belastung viel besser, als viele kurze. Dieser Zusammenhang gilt für fast alle Kunststoffe, so dass spangebend hergestellte Bauteile meist bessere mechanische Eigenschaften aufweisen, als die entsprechend spritzgegossenen. Zumal Spritzgussteile, bedingt durch die Werkzeugtechnik, so genannte Bindenähte aufweisen, die bei hoher Belastung potentielle Bruchstellen bedeuten.

Material abhängiges Fließweg-/Dicken-Verhältnis

Die spangebende Fertigung bietet jedoch noch weitere Vorteile gegenüber dem Spritzguss. In der Schmelze verarbeitete Produkte schrumpfen mehr oder weniger stark, wenn sie erkalten. Dieses Phänomen kann zu teilweise erheblichen Toleranzproblemen führen. Hinzu kommt beim Spritzguss das Problem der Molekülorientierung, das abhängig von der Fließweggestaltung ist. Abhängig von Länge und Querschnitt des Fließweges richten sich Molekülketten in Spritzrichtung mehr oder weniger stark aus. In Richtung dieser Orientierung schwindet der Kunststoff aber geringer als quer dazu. Im ungünstigsten Fall verstärken sich dadurch nicht nur die Toleranzprobleme sondern auch die Verzugsneigung des Bauteils steigt drastisch. Bei der spangebenden Fertigung wirken zwar auch thermische Einflüsse und Materialspannungen werden freigesetzt, aber der bearbeitete Kunststoff schwindet nach der Bearbeitung in aller Regel nicht und der Verzugsneigung kann durch Bearbeitungspausen und/oder thermischer Zwischenbehandlung entgegengewirkt werden. Mit entsprechendem Aufwand und natürlich abhängig vom Material können bei der Zerspanung engste Toleranzen, selbst bei geometrisch komplexen Bauteilen eingehalten werden. Die Orientierung der Molekülketten spielt dabei in der Regel nur eine untergeordnete Rolle. Gleichzeitig können teilweise geometrische Besonderheiten, wie zum Beispiel Hinterschnitte, Bohrungen oder Gewinde dargestellt werden, die im Spritzguss gar nicht oder nur durch aufwendige Werkzeugkonstruktionen möglich sind.

Mechanisch bearbeitete Bauteile aus Kunststoff - Sinn oder Unsinn?

Werkstück-Aufnahme

Weiter ermöglicht der Spritzguss keine großen Wandstärken sonder verlangt ein vom Material abhängiges Fließweg-/Dicken-Verhältnis. Materialanhäufungen, wie sie durch große Wandstärken entstehen, führen fast zwangsläufig zu Einfallstellen. So lassen sich keine planen Oberflächen erzeugen. Große Querschnitte müssen daher üblicherweise durch das Anbringen von Rippen verstärkt werden. Die Rippen erhöhen nicht nur den Konstruktionsaufwand, auch die Werkzeugkosten werden durch eine aufwendigere Gestaltung beeinflusst. Mit der spangebenden Fertigung können, ein entsprechend großes Halbzeug vorausgesetzt, selbst Bauteile mit extremen Wandstärken gefertigt werden. Halbzeuge mit Durchmessern von über 50 cm oder Plattenstärken von über 10 cm sind durchaus verfügbar, wenn auch nicht aus allen Kunststoffen.

Einzelteile über 3D-Druck

Mittlerweile können Einzelteile aber auch über generative Fertigungsverfahren, wie das 3D-Drucken, wirtschaftlich gefertigt werden. Allerdings gibt es hier Einschränkungen bei der Materialauswahl. In aller Regel können nur bestimmte Kunststoffe in diesen Verfahren eingesetzt werden. Darüber hinaus ist die Baugröße der Bauteile immer auf den Fertigungsraum der jeweiligen Anlage begrenzt. Häufigster Grund für den Verzicht auf generative Fertigungsverfahren bei der Herstellung von Einzelteilen und Kleinserien ist jedoch die mechanische Festigkeit der so gefertigten Bauteile. Die Festigkeit und die Elastizität der generativ hergestellten Kunststoffbauteile fallen doch oft weiter hinter die der herkömmlich produzierten Teile zurück. Der schichtweise Aufbau ergibt zudem längs und quer zur Verarbeitungsrichtung deutlich unterschiedliche Eigenschaften. Um einen ersten optischen Eindruck zu gewinnen und um Funktionsweisen zu prüfen, eigen sich die generativen Fertigungsverfahren gut, aber Bauteile für den fortgesetzten mechanischen Einsatz lassen sich so (noch) nicht funktionssicher produzieren.

Mechanisch bearbeitete Bauteile aus Kunststoff - Sinn oder Unsinn?

Oft benötigt man für die spangebende Fertigung spezielle Werkstück-Aufnahmen.

Aus der Darstellung heraus wird deutlich, dass es über rein wirtschaftliche Überlegungen hinaus gute Gründe gibt, technische Kunststoffbauteile auch spangebend herzustellen. Entscheidet ist dabei vor allem, dass man für die spangebende Fertigung einen erfahrenen Bearbeitungsbetrieb auswählt. Nicht jeder Betrieb mit großer Erfahrung in der Zerspanung von allen möglichen Werkstoffen ist gleich auch ein guter Kunststoffbearbeiter. Kunststoffe sind aufgrund ihrer Eigenschaften in der mechanischen Bearbeitung nicht einfach und erfordern ein großes Wissen über die Eigenarten der einzelnen Typen. Und selbst unter den Kunststoffzerspanungs-Betrieben haben sich aus diesem Grunde viele auf nur einen Bereich der Kunststoffe spezialisiert. Unter den genannten Bedingungen macht es also durchaus Sinn technische Kunststoff-Bauteile auch mittels spangebender Verfahren herzustellen.n