In den letzten Jahrzehnten haben sich Kunststoffe in vielen Branchen – von der Automobilindustrie über die Elektronik bis hin zur Medizin und vielen anderen – zu einem vollwertigen Konstruktionsmaterial entwickelt.
Ihre wachsende Beliebtheit ist auf eine Kombination aus geringem Gewicht, chemischer Beständigkeit und einer Vielzahl mechanischer Eigenschaften zurückzuführen, die an die jeweilige Anwendung angepasst werden können.
Gleichzeitig unterscheidet sich die CNC-Bearbeitung von Kunststoffen erheblich vom Zerspanen von Metallen. Polymere verhalten sich unter dem Einfluss von Wärme, Feuchtigkeit und inneren Spannungen völlig anders. Dies erfordert einen anderen Ansatz bei der Konstruktion, der Auswahl der Werkzeuge und den Fertigungsstrategien.
In diesem Artikel werden wir uns mit den Besonderheiten der CNC-Bearbeitung von Kunststoffen befassen – wir werden die häufigsten technologischen Herausforderungen, die Unterschiede im Ansatz im Vergleich zu Metallen und die entscheidenden Faktoren für die Qualität und Wiederholbarkeit der Produktion diskutieren.
Inhaltsverzeichnis
Warum unterscheidet sich die CNC-Bearbeitung von Kunststoffen von der von Metallen?
Kunststoffe verhalten sich im Bearbeitungsprozess anders als Metalle, was hauptsächlich auf ihre physikalischen und strukturellen Eigenschaften zurückzuführen ist. Drei Faktoren spielen dabei die größte Rolle:
- Wärme – Polymere haben einen niedrigen Wärmeleitkoeffizienten. Die beim Zerspanen entstehende Energie konzentriert sich auf die Kontaktstelle mit dem Werkzeug. Dies kann zum Schmelzen der Kanten, zur Bildung von Graten und sogar zu dauerhaften Verformungen des Werkstücks führen. Eine wirksame Kontrollmethode ist die Verwendung sehr scharfer Werkzeuge und eine intensive Spanabfuhr – meist mit Druckluft oder Ölnebel (MQL).
- Innere Spannungen – entstehen beim Extrudieren oder Formen von Halbzeugen und können beim Zerspanen freigesetzt werden. Infolgedessen kann sich das Werkstück bereits nach dem Entnehmen aus der Maschine verformen, obwohl es unmittelbar nach der Bearbeitung stabil aussieht.
- Feuchtigkeit – Einige Kunststoffe (z. B. Nylon PA) sind stark hygroskopisch und können Wasser in einer Menge von mehreren Prozent ihres Eigengewichts aufnehmen. Dies führt zu Quellungen und Maßänderungen und damit zu Schwierigkeiten bei der Einhaltung der Toleranzen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei Polymeren die Kontrolle der Temperatur, die Berücksichtigung innerer Spannungen und die feuchtigkeitsbedingte Dimensionsstabilität von entscheidender Bedeutung sind.
Eigenschaften ausgewählter Materialien bei der CNC-Bearbeitung von Kunststoffen
Aufgrund der Vielfalt der Kunststoffe lässt sich kaum von einer universellen Bearbeitungsmethode sprechen. Jedes Polymer verhält sich unter dem Einfluss von Temperatur, Feuchtigkeit oder mechanischer Belastung anders.
POM (Acetal) – das am besten vorhersehbare technische Polymer
POM gilt als der am einfachsten zu bearbeitende Konstruktionswerkstoff. Er zeichnet sich durch geringe Feuchtigkeitsaufnahme, Dimensionsstabilität und gute Oberflächenqualität nach dem Zerspanen aus. Daher ist er oft die erste Wahl bei der Herstellung von Präzisionsmechanikteilen, die eine hohe Maßhaltigkeit erfordern.
PA (Nylon) – ein Material, das einer Feuchtigkeitskontrolle bedarf
Nylon zeichnet sich durch eine hohe mechanische Festigkeit aus, hat jedoch den Nachteil einer starken Hygroskopizität. Das aufgenommene Wasser verändert nicht nur die Abmessungen, sondern auch die Härte und Elastizität des Materials. Aus diesem Grund trocknen viele Betriebe die Halbzeuge vor der Bearbeitung und führen vor dem Zerspanen eine Spannungsarmglühung durch. (Wärmebehandlung, bei der das Material erhitzt, auf einer bestimmten Temperatur gehalten und langsam abgekühlt wird, um innere Spannungen zu beseitigen)
PC (Polycarbonat) – stark, aber anfällig für Spannungsrisse
Polycarbonat wird wegen seiner außergewöhnlichen Schlagfestigkeit geschätzt. Leider neigt es gleichzeitig zu Mikrorissen unter dem Einfluss innerer Spannungen und bei Kontakt mit bestimmten Kühlmitteln und Lösungsmitteln. Um das Risiko zu verringern, werden scharfe Werkzeuge, eine Kühlung mit neutralen Medien und ein Glühprozess bei kritischen Bauteilen eingesetzt.
PMMA (Acryl) – Kunstst off für optische Anwendungen
Acryl ist ein beliebtes Material, wenn Transparenz und eine hohe Ästhetik der Oberfläche gefordert sind. Um jedoch Dimensionsstabilität zu erreichen, ist sowohl vor als auch nach der Bearbeitung ein Ausglühen erforderlich.
In optischen Anwendungen wird zusätzlich eine Flamm- oder chemische Politur angewendet, um Mikrorisse zu entfernen und die Transparenz zu verbessern.
PTFE (Teflon) – Problem mit der Fließfähigkeit des Materials
PTFE ist ein Polymer mit einem sehr niedrigen Reibungskoeffizienten und einer ausgezeichneten chemischen Beständigkeit. Sein Nachteil ist seine Weichheit und seine Neigung zum sogenannten Kriechen – d. h. zur langsamen Verformung unter Belastung.
Die CNC-Bearbeitung erfordert hier besonders starre Spannvorrichtungen und scharfe Werkzeuggeometrien.
PEEK–Hochleistungspolymer
PEEK ist eines der teuersten und fortschrittlichsten Konstruktionspolymere. Es zeichnet sich durch eine hohe thermische und mechanische Beständigkeit aus. Seine CNC-Bearbeitung ist relativ vorhersehbar, vorausgesetzt, das Material wurde zuvor einem Glühprozess unterzogen.
Für glas- oder kohlefaserverstärkte Verbundwerkstoffe werden PCD- oder Diamantwerkzeuge empfohlen.
Dimensionsstabilität und Toleranzen bei der CNC-Bearbeitung von Kunststoffen
Eines der wichtigsten Themen bei der CNC-Bearbeitung von Kunststoffen ist die Dimensionsstabilität der Werkstücke. Diese hängt nicht nur von der Genauigkeit der Werkzeugmaschine ab, sondern auch von der Geschichte des Materials.
- Werkstücke können unmittelbar nach dem Extrudieren später Verformungen unterliegen,
- hygroskopische Materialien ändern ihre Abmessungen mit der Umgebungsfeuchtigkeit,
- halbkristalline Polymere (z. B. POM, PEEK) müssen möglicherweise spannungsfrei geglüht werden, um die Solltoleranzen zu erreichen.
Nach unserer Erfahrung ist es unter günstigen Bedingungen möglich, Toleranzen in der Größenordnung von ±0,0005 Zoll zu erreichen, jedoch nur bei stabilen Materialien (z. B. POM, PEEK) und bei entsprechender Kontrolle der Umgebungsbedingungen., but only for stable materials (e.g., POM, PEEK) and with proper environmental control.
Die Bedeutung des Designs für Kunststoffe
Das Design von Kunststoffteilen erfordert einen anderen Ansatz als bei Metallen. Polymere sind anfälliger für Spannungskonzentrationen, Verformungen oder das Schließen von Öffnungen nach der Bearbeitung. Daher müssen die Eigenschaften des Materials bereits in der Konstruktionsphase berücksichtigt werden.
In der Praxis bedeutet dies unter anderem, dass scharfe Innenkanten (die Risse verursachen) vermieden, Radien in Ecken verwendet, geeignete Wandstärken gewählt und Gewindeeinsätze anstelle von direkt in den Kunststoff eingearbeiteten Gewinden bevorzugt werden sollten.
Zusammenfassung
Die CNC-Bearbeitung von Kunststoffen ist ein Bereich, der Erfahrung und Verständnis für die Besonderheiten des Materials erfordert. Im Gegensatz zu Metallen, bei denen Wärme und Spannungen leichter zu kontrollieren sind, erfordern Polymere eine individuelle Herangehensweise.
- POM und PEEK bieten Stabilität und hohe Präzision,
- PA erfordert eine Feuchtigkeitskontrolle,
- PC und PMMA erfordern eine Temperung und eine sorgfältige Auswahl der Kühlmittel,
- PTFE ist aufgrund seiner Weichheit und Verformbarkeit ein besonders schwieriges Material.
Dank der Kenntnis dieser Zusammenhänge ist es möglich, eine hohe Oberflächenqualität und stabile Abmessungen zu erzielen, was Kunststoffe zu einem vollwertigen Material in der modernen Industrie macht.