Kunststoffe: Moderne Werkstoffe

Kunststoffe – Moderne Werkstoffe

• Werkstoffe sind Materialien, die in eine Form gebracht und technisch angewendet werden können
• Kunststoffe sind organische Stoffe aus Makromolekülen, die durch Umwandlung von Naturprodukten oder Synthese aus Erdöl, Erdgas oder Kohle entstehen.
• Organische Materialien basieren auf Kohlenstoff, meist aus lebender organischer Materie
• Kohlenstoff in Erdöl, Kohle und Erdgas stammt von einst lebendem Material ab
• Kohlenstoff in Kunststoffen ist mit Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff oder Schwefel verbunden
• Kunststoffeigenschaften ähneln denen von Holz, Horn oder Harz

Grundtypen synthetischer Kunststoffe

• Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere sind die drei Grundtypen
• Vielfältige Gemenge wie Kunststofflegierungen, Dispersionen, Polymerblends oder Verbundwerkstoffe werden verarbeitet
• Ziel ist es, die mechanischen und physikalischen Eigenschaften der Komponenten gleichzeitig zu nutzen
• Hochfeste Glasfasern in Kombination mit einem leichten Kunststoff ergeben GFK

Wirtschaftliche Bedeutung der Kunststoffe

• Kunststoffe sind aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken, da sie das Leben erleichtern und neue Technologien ermöglichen
• Die großtechnische Produktion begann in den 1930er Jahren
• 1949 erreichte die globale Produktion von Kunststoffen erstmals eine Million Tonnen
• Bis 2008 stieg die Produktion mit einem durchschnittlichen Wachstum von 9 % jährlich auf 245 Millionen Tonnen pro Jahr
• Die Wirtschaftskrise um 2008 hinterließ eine Wachstumskurve
• Die bisher produzierte Menge an Plastik könnte den gesamten Erdball sechsmal mit Folie einwickeln
• Bis 2025 wird ein Produktionsanstieg von bis zu 36 % erwartet, besonders in Asien und Osteuropa

Kunststoffe und Massenproduktion heute

• Ende des 19. Jahrhunderts entstand ein Wirtschaftssystem basierend auf Massenproduktion und -konsum
• Henry Ford schuf die technische und ökonomische Grundlage dafür
• In seinen Fabriken setzte er auf die Serienfertigung aus standardisierten Teilen in effizienten Produktionsketten
• Das Fließband war das wichtigste Glied dieser Kette
• Die Prinzipien der Massenfertigung prägten die wirtschaftliche und gesellschaftliche Entwicklung in den Industrienationen und werden heute weltweit angewendet.

Prinzipien der Massenproduktion

• Große Mengen gleicher Produkte werden in gleichbleibender Qualität unter optimaler Materialnutzung gefertigt
• Dazu sind spezielle Maschinen, Fertigungsverfahren und eine funktionale Organisationsstruktur erforderlich
• Einzelteile und Baugruppen müssen austauschbar sein und Normen sowie Maßhaltigkeit eingehalten werden
• Jeder Mitarbeiter erledigt nur bestimmte Tätigkeiten, auf die er spezialisiert ist
• Massenfertigung ermöglicht geringe Produktpreise durch Rationalisierung und niedrige Einkaufskosten
• Massenkonsum macht Massenproduktion wirtschaftlich

Vorteile der Massenproduktion

• Befriedigung des hohen Produktbedarfs
• Kostengünstige Produktion und billigere Produktangebote
• Teilhabe an Innovationen, Wohlstand und Luxus auch für Menschen mit geringem Einkommen
• Viele Arbeitsplätze und Berufsbilder für unterschiedliche Bildungsniveaus
• Austauschbarkeit standardisierter Produkte und Teile

Probleme der Massenproduktion

• Umwelt- und Gesundheitsprobleme, deren Schutzmaßnahmen die Preisvorteile verringern
• Überproduktion, Billigpreise und Kurzlebigkeit fördern Müllberge
• Unwiederbringlicher Verbrauch von Rohstoffen in großen Mengen
• Lieferprobleme bei Rohstoffen erhöhen Produktpreise
• Unflexible Produktlinien, die schwer umzustellen sind
• Träge Reaktion auf Herstellungsprobleme
• Überwiegend keine Berücksichtigung individueller Kundenwünsche
• Verdrängung kleinerer Hersteller vom Markt, Diktat von Konditionen und Preisen durch große Firmen

Ersatz traditioneller Materialien

• Kunststoffe werden aufgrund ihrer positiven Eigenschaften oft traditionellen Werkstoffen vorgezogen

Begründung für den Einsatz von Kunststoffen

• Autoindustrie: Tank aus Kunststoff, da er sich problemlos formen lässt und keine Korrosionspartikel in den Leitungen entstehen
• Bauwesen: Fensterrahmen aus Kunststoff, da er leicht zu reinigen und verwitterungsbeständig ist
• Flugzeugbau: Fenster aus Kunststoff, da er verzerrungsfreie Durchsicht und hohe Stabilität bei geringem Gewicht bietet
• Haushalt: Schüsseln/Behälter aus Kunststoff, da er bruchfest und kostengünstig ist
• Bekleidungsindustrie: Outdoorbekleidung aus Kunststoff, da sie winddicht und leicht ist
• Innenausbau: Fußböden aus Kunststoff, da er leicht zu verlegen und isolierend ist
• Dekoration/Bühnenbild: Zierleisten aus Kunststoff, da sie einfach zu montieren und leicht sind
• Möbelbau: Sofabezug aus Kunststoff, da er pflegeleicht und in vielen Farben erhältlich ist

Rückbesinnung auf traditionelle Werkstoffe

• Traditionelle Werkstoffe werden weiterhin genutzt und zum Teil bewusst gegenüber Kunststoffen bevorzugt

Begründung für den Einsatz des traditionellen Werkstoffs

• Haushalt: Besteck aus Metall für festliche Anlässe und Hitzebeständigkeit
• Spielwaren: Bauklötze aus Holz für angenehmere Haptik und ohne Gesundheitsgefährdung
• Lebensmittelverpackungen: Flaschen aus Glas, da keine Schadstoffe abgegeben werden und problemloses Recycling möglich ist
• Bürobedarf: Ordner/Einbände aus Papier/Pappe zur Schonung fossiler Energieträger
• Sanitärbereich: Waschbecken aus Keramik wegen Kratzfestigkeit und dauerhaft hygienischer Oberfläche
• Bekleidung: Socken aus Baumwolle für angenehmeres Tragegefühl
• Innenausbau: Fußböden aus Stein für hochwertigere Optik und längere Haltbarkeit

Herstellungsverfahren der Kunststoffe

• Erdöl wird in Raffinerien durch Destillation in Rohbenzin (Naphta) getrennt
• Rohbenzin wird in einem thermischen Spaltprozess in Ethen, Propen, Buten und Kohlenwasserstoffverbindungen „auseinandergebrochen“
• Die gewonnenen Grundbausteine (Monomere) werden in Makromoleküle (Polymere) verknüpft
• Alle Kunststoffe sind aus riesigen Makromolekülen aufgebaut
• Jedes Verfahren kann als „Polymerisation“ bezeichnet werden, da Polymere entstehen

Anforderungen Monomere für Makromoleküle

• Monomere müssen fortwährend bindungsfähig (reaktiv) sein
• Einzelne Monomere können sich verbinden und das größere Molekül ist wieder bestrebt, eine weitere Bindung einzugehen
• Nur dann ist eine Vereinigung zu sehr großen Molekülen möglich

Syntheseverfahren zur Herstellung unterschiedlicher Makromoleküle

• Aufbau nach Größe, Gestalt und Anordnung ist wichtig
• Die Syntheseverfahren werden in Kettenpolymerisation, Polykondensation und Polyaddition eingeteilt

Kettenpolymerisation

• Gleichartige Grundbausteine werden unter Einfluss von Initiatoren so umgebaut, dass sie bindungsfähig werden
• Sie verknüpfen sich zu fadenförmigen Makromolekülen, indem sich immer wieder ein weiteres Molekül anlagert
• Die Reaktion verläuft stufenlos, bis sich alle Bausteine angereiht haben
• Es entstehen keine Reaktionsnebenprodukte, weshalb die Kunststoffe als Kettenpolymerisate bezeichnet werden

Polykondensation

• Gleichartige oder verschiedene Grundbausteine, die jeweils zu mindestens zwei neuen Bindungen fähig sind, verbinden sich zu Makromolekülen
• Die Reaktion verläuft in mehreren Stufen und kann nach jedem Schritt unterbrochen werden
• Auf jeder Stufe werden die Moleküle größer und es bilden sich einfache Reaktionsnebenprodukte, das Kondensat
• Das Kondensat (z. B. Wasser) muss ständig entfernt werden, damit die Reaktion optimal verläuft
• Die entstehenden Kunststoffe sind Polykondensate

Polyaddition

• Verschiedene Grundbausteine, die mindestens zwei neue Bindungen eingehen können, verbinden sich zu Makromolekülen
• Die Reaktion läuft ähnlich wie die Polykondensation in mehreren Stufen ab, wobei die Moleküle immer größer werden und sich erst am Ende zu Makromolekülen verbinden
• Es entstehen allerdings keine Reaktionsnebenprodukte
• Die erzeugten Kunststoffe werden als Polyaddukte bezeichnet

Beispiele für Syntheseverfahren, Syntheseprodukte und Kunststoffarten

• Kettenpolymerisation: Polyethylen PE, Polypropylen PP, Polystyrol PS, Polyvinylchlorid PVC, PMMA (Eimer, Becher/Flasche, Folien)
• Polykondensation: Polyester, Polyamid PA, Phenoplaste PF (Textilfasern, Spachtelmasse, Angelschnur)
• Polyaddition: Epoxidharze EP, Polyurethane PUR (Klebstoffe/Grundierungen, Matratzen/Sohlen)

Industrielle Formungsverfahren

• Extrudieren (lat. extrudere = hinaustreiben): Dabei wird Kunststoffgranulat über einen Trichter in die Maschine gefüllt, aufgeschmolzen und plastifiziert
• Förderschnecke durchmischt das Material und bewegt es nach vorne
• Die plastische Kunststoffmasse wird durch ein formgebendes Werkzeug gepresst
• Nach dem Austreten aus dem Werkzeug erstarrt der Kunststoff, das sogenannte Extrudat
• Die Extrusion produziert beliebige lange Halbzeuge mit unterschiedlichsten Querschnitten
• Je nach Form der Öffnung können Platten, Stangen, Rohre, Profile, Schläuche oder dünne Fäden extrudiert werden

Spritzgießen

• Dabei wird Kunststoffgranulat über einen Trichter in die Maschine gefüllt, aufgeschmolzen und plastifiziert
• Eine Förderschnecke durchmischt das Material und bewegt sich in Richtung der Längsachse hin- und her
• Im ersten Schritt gleitet die Schnecke nach hinten und füllt den Raum vor der Schneckenspitze mit der plastischen Kunststoffmasse
• Im nächsten Schritt presst die Schnecke die Masse durch eine Düse in das Spritzgusswerkzeug
• Die Masse wird in den Hohlraum gespritzt, kühlt an den Wänden ab und erstarrt
• Eine Schließeinheit öffnet das Werkzeug und das Fertigteil wird ausgeworfen
• Die Spritzgießen können komplizierte Formen sehr schnell und in großer Stückzahl verwirklicht werden

Extrusionsblasformen

• Die meisten Hohlkörper aus thermoplastischen Kunststoffen werden im Extrusionsblasverfahren hergestellt
• Aufgeschmolzenes Polymer wird mittels einer Förderschnecke durch eine Düse gepresst
• Dadurch entsteht ein plastischer Kunststoffschlauch
• Dieser Schlauch wird in die Blasform gedrückt
• Werkzeugwände umschließen Schlauch
• Luft wird hineingepresst, sodass er sich weitet und an die Werkzeugwand anpasst
• Das Hohlwerkzeug wird anschließend luftdicht abgeschlossen
• Nach dem Abkühlen wird der erstarrte Hohlkörper ausgeworfen und weiterverarbeitet
• Vor allem Polyethylen und Polypropylen sind die am meisten verarbeiteten Kunststoffe beim Extrusionsblasformen
• Produktbeispiele: Kanister und Flaschen

Thermoformen

• Das Zugdruckumformen einer Folie, Platte oder Tafel in einen einseitig offenen Hohlkörper
• Das Halbzeug aus thermoplastischem Kunststoff wird in einem Rahmen eingespannt und dann bis zu seiner Verformbarkeit erwärmt
• Mit einem Stempel wird es in eine einseitig geöffnete Form gepresst bzw. durch Unterdruck in die Form gezogen
• Das warme Halbzeug passt sich der Werkzeugwand an, erstarrt und behält seine Form
• Das Formteil wird entnommen und kann nachbearbeitet werden
• Das Thermoformen zählt aufgrund seiner einfachen Verfahrenstechnik zu den bedeutendsten Umformverfahren
• Produktbeispiele: Joghurtbecher

Kalandrieren

• Das Material wird durch beheizte und polierte Stahlwalzen geführt
• Es dient zur Herstellung dickerer Folien
• Beispiele sind Tablettenverpackungen, Duschvorhänge und Fussbodenbeläge

Schäumen

• Die heisse Grundmasse wird mit Gasen vermischt
• Bei Erkalten entstehen Gasbläschen
• Beispiele sind Styropor, Dämmplatten, Helme und Thermoboxen

Eigenschaften moderner Kunststoffe

• Innovationen umfassen Faserverbundwerkstoffe
• Formgedächtnispolymere (FGP) besitzen einen Memory-Effekt, der es ihnen ermöglicht, sich an eine frühere Form zu „erinnern“
• Durch Wärme können Kunststoffe ihr Volumen verändern, schrumpfen oder ausdehnen

###Stimulus für Formgedächtnispolymere

• Stimulus setzt Kunststoff in Gange seine Form
• Wärme wird verwendet
• Die Rückformung beginnt ab der Schalttemperatur.
• Der Kunststoff ist „programmiert“, da die Temperatur und Form durch die Herstellung festgelegt werden

Andere Stimuli

• Manche Kunststoffe können durch Licht oder Magnetismus gesteuert werden
• Es gibt Kunststoffe mit Zweiweg-Memory-Effekt
• Derzeit werden FGP intensiv erforscht
• Sie können mit 3D-Druckern verarbeitet werden

Einsatzgebiete von FGP

• In der Medizintechnik können komprimierte Gegenstände minimalinvasiv eingebracht werden
• Durch Strahlung entfalten sie sich in Größe und Form wie Stents
• Zahnschienen aus FGP werden entwickelt, um Fehlstellungen zu korrigieren
• Der Formgedächtniseffekt kann die Schiene dem Behandlungsfortschritt anpassen
• Funktionspolymere werden für Verbindungselemente in Fahrzeugen, Flugzeugen und Maschinen verwendet
• Matratzen und Kopfhörer aus FGP-Schaumstoffen passen sich Körperformen an
• Etiketten aus dem Material sichern Produkte vor Fälschung durch 3D-ausgedruckte QR-Codes

Trennen durch Ritzbrechen

• Spanloses Trennen mit dem Ritzmesser, es entstehen keine Späne.
• Eignet sich zum Abtrennen von geraden Stücken
• Plattenstärken bis zu 5mm
• Folienstift und Lineal verwenden, um die Ritzlinie anzuzeichnen
• Werkstück wird eingespannt mit Stahllineal und Schraubzwingen
• Brett als Ritzunterlage
• Entlang des Stahllineals ritzen, bei dickeren Materialien von beiden Seiten
• Werkstück an gerader Kante über den Tisch hinaus einspannen
• Mit Schutzhandschuhen und Schutzbrille den Streifen abbrechen
• Entgraten der Kanten mit Feile oder Ziehklinge

Trennen durch Sägen

• Zum spanenden Trennen von thermoplastischen Kunststoffen eignen sich Handsägen mit Wellenschränkung
• Man erzielt eine feine und glatte Schnittkante
• Schutzfolie wird beim Sägen nicht entfernt

Weitere Infos zum Thermischen Umformen

• Mit zunehmender Erfahrung mit Acrylglas gilt es Bearbeitungsfehler beim thermischen Umformen zu vermeiden
• Liste an Bearbeitungsfehler und dazugehörige Maßnahmen zur Fehlervermeidung