Kunststofftechnik leicht gemacht (eBook)

Ulf Bruder ist seit fast 50 Jahren in der Kunststoffindustrie tätig. Dabei hatte er verschiedene leitende technische Positionen in Schweden und auf der ganzen Welt inne. Er hat zahlreiche Publikationen verfasst und hält Vorträge und Seminare bei Industrieunternehmen und an Universitäten. Darüber hinaus erfreut sich seine App für Mobilgeräte "Plastic Guide" weltweit großer Beliebtheit.

Inhalt 6
Vorwort 18
Kapitel 1 Polymere und Kunststoffe 20
1.1 Duroplaste 22
1.2 Thermoplaste 23
1.3 Amorphe und teilkristalline Kunststoffe 24
Kapitel 2 Standardkunststoffe 26
2.1 Polyethylen (PE) 26
2.1.1 Einteilung 27
2.1.2 Eigenschaften von Polyethylen 27
2.1.3 Recycling 28
2.1.4 Anwendungsgebiete 28
2.2 Polypropylen (PP) 30
2.2.1 Eigenschaften von Polypropylen 31
2.2.2 Recycling 32
2.3 Polyvinylchlorid (PVC) 32
2.3.1 Eigenschaften von PVC 33
2.3.2 Recycling 33
2.4 Polystyrol (PS) 34
2.4.1 Einteilung 35
2.4.2 Eigenschaften von Polystyrol 35
2.4.3 Recycling 36
2.4.4 Anwendungsgebiete 36
2.5 Styrol-Acrylnitril (SAN) 36
2.6 Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) 37
2.6.1 ABS Blends 38
2.6.2 Eigenschaften von ABS 38
2.6.3 Recycling 38
2.6.4 Anwendungsgebiete 39
2.7 Polymethylmethacrylat (PMMA) 40
2.7.1 Eigenschaften von PMMA 41
2.7.2 Recycling 41
2.7.3 Anwendungsgebiete 41
Kapitel 3 Technische Kunststoffe 42
3.1 Polyamid (Nylon) 42
3.1.1 Einteilung 42
3.1.2 Eigenschaften von Polyamid 44
3.1.3 Recycling 44
3.1.4 Anwendungsgebiete 44
3.2 POM (Polyoxymethylen) 45
3.2.1 Eigenschaften von POM 46
3.2.2 Recycling 47
3.2.3 Anwendungsgebiete 47
3.3 Polyester 48
3.3.1 Eigenschaften von PBT und PET 50
3.3.2 Recycling 50
3.3.3 Anwendungsgebiete 50
3.4 Polycarbonat 52
3.4.1 Eigenschaften von Polycarbonat 53
3.4.2 Recycling 53
3.4.3 Anwendungsgebiete 53
Kapitel 4 Thermoplastische Elastomere 55
4.1 TPE-O 55
4.1.1 Eigenschaften von TPE-O 55
4.1.2 Anwendungsbereiche 56
4.2 TPE-S 57
4.2.1 Eigenschaften von TPE-S 57
4.2.2 Anwendungsbereiche 58
4.3 TPE-V 58
4.3.1 Eigenschaften von TPE-V 59
4.3.2 Anwendungsbereiche 59
4.4 TPE-U 60
4.4.1 Eigenschaften von TPE-U 60
4.4.2 Anwendungsbereiche 61
4.5 TPE-E 61
4.5.1 Eigenschaften von TPE-E 61
4.5.2 Anwendungsbereiche 62
4.6 TPE-A 63
4.6.1 Eigenschaften von TPE-A 63
4.6.2 Anwendungsbereiche 64
Kapitel 5 Hochleistungspolymere 65
5.1 Hochleistungsthermoplaste 65
5.1.1 Recycling 66
5.2 Fluorpolymere 66
5.2.1 Eigenschaften von PTFE 67
5.2.2 Anwendungsbereiche 67
5.3 Hochleistungs-Polyamid – PPA 68
5.3.1 Eigenschaften von PPA 68
5.3.2 Anwendungsbereiche 69
5.4 Flüssigkristalline Polymere – LCP 69
5.4.1 Eigenschaften von LCP 69
5.4.2 Anwendungsbereiche 70
5.5 Polyphenylensulfid – PPS 71
5.5.1 Eigenschaften von PPS 71
5.5.2 Anwendungsbereiche 71
5.6 Polyetheretherketon – PEEK 72
5.6.1 Eigenschaften von PEEK 72
5.6.2 Anwendungsbereiche 73
5.7 Polyetherimid – PEI 73
5.7.1 Eigenschaften von PEI 74
5.7.2 Anwendungsbereiche 74
5.8 Polysulfon – PSU 75
5.8.1 Eigenschaften von PSU 75
5.8.2 Anwendungsbereiche 76
5.9 Polyphenylsulfon – PPSU 76
5.9.1 Eigenschaften von PPSU 76
5.9.2 Anwendungsbereiche 77
Kapitel 6 Biokunststoffe und Biokomposite 78
6.1 Definition 78
6.1.1 Was bedeutet Biokunststoff? 79
6.1.2 Markt 79
6.1.3 Produktion und Einsatz von Biokunststoffen 80
6.2 Biokunststoffe 81
6.3 Biopolymere 81
6.4 Polymere auf biologischer Basis: Biopolyester 83
6.5 Polymere auf biologischer Basis: Biopolyamide 85
6.6 Biopolymere auf Basis von Mikroorganismen 86
6.7 Bioethanol oder Biomethanol 86
6.8 Biokomposite 87
6.9 Weitere Information zu Biokunststoffen 88
Kapitel 7 Kunststoffe und Umwelt 89
7.1 Kunststoff ist klimafreundlich und spart Energie 89
7.2 Auswirkungen der Umwelt auf Kunststoffe 91
7.3 Recycling von Kunststoffen 92
7.3.1 Kunststoff-Recycling in der EU 93
Kapitel 8 Modifizierung von Polymeren 95
8.1 Polymerisation 95
8.2 Additive 97
8.2.1 Steifigkeit und Zugfestigkeit 98
8.2.2 Oberflächenhärte 98
8.2.3 Verschleißfestigkeit 98
8.2.4 Zähigkeit 99
8.3 Physikalische Eigenschaften 99
8.3.1 Erscheinungsbild 99
8.3.2 Kristallinität 100
8.3.3 Witterungsbeständigkeit 100
8.3.4 Reibungsverhalten 101
8.3.5 Dichte 101
8.4 Chemische Eigenschaften 102
8.4.1 Barriereeigenschaften 102
8.4.2 Oxidationsbeständigkeit 102
8.4.3 Hydrolysebeständigkeit 103
8.5 Elektrische Eigenschaften 103
8.6 Thermische Eigenschaften 104
8.6.1 Wärmestabilisierung 104
8.6.2 Wärmeformbeständigkeit 105
8.6.3 Einstufung des Brandverhaltens 105
8.7 Materialpreis 106
Kapitel 9 Materialdaten und Messgrößen 107
9.1 Zugfestigkeit und Steifigkeit 108
9.2 Schlagzähigkeit 111
9.3 Maximale Einsatztemperatur 112
9.3.1 Dauergebrauchstemperatur 112
9.3.2 Wärmeformbeständigkeit 112
9.4 Prüfung des Brandverhaltens 113
9.4.1 Brennbarkeitsklasse HB 114
9.4.2 Brennbarkeitsklasse V 114
9.5 Elektrische Eigenschaften 115
9.6 Fließeigenschaften: Schmelzindex 116
9.7 Schwindung 116
Kapitel 10 Materialdatenbanken im Internet 117
10.1 CAMPUS 117
10.1.1 Eigenschaften von CAMPUS 5.2 118
10.2 Material Data Center 118
10.2.1 Eigenschaften des Material Data Center 119
10.3 Prospector Plastics Database 119
10.3.1 Eigenschaften der Prospector Plastics Database 120
Kapitel 11 Prüfverfahren für Kunststoff-Rohstoffe und Formteile 121
11.1 Qualitätskontrolle bei der Herstellung des Rohstoffs 121
11.2 Visuelle Qualitätskontrolle von Kunststoffgranulaten 122
11.3 Visuelle Prüfung von Kunststoffteilen 123
11.4 Prüfungen, die der Spritzgießer durchführen kann 124
11.5 Spezielle Prüfverfahren 126
Kapitel 12 Spritzgießverfahren 129
12.1 Geschichte 129
12.2 Eigenschaften 130
12.2.1 Einschränkungen 130
12.3 Die Spritzgießmaschine 131
12.3.1 Einspritzeinheit 131
12.3.2 Schließeinheit 132
12.3.3 Spritzgießzyklus 133
12.4 Alternative Spritzgießverfahren 134
12.4.1 Mehrkomponenten-Spritzgießen 134
12.4.2 Gas- oder Wasser-Injektion 135
Kapitel 13 Nachbearbeitungsverfahren 136
13.1 Oberflächenbehandlung von Formteilen 136
13.1.1 Bedrucken 136
13.1.2 Heißprägen 137
13.1.3 Tampondruck 138
13.1.4 Siebdruck 138
13.1.5 IMD: In-Mould-Dekorieren 139
13.1.6 Lasermarkierung 140
13.1.7 Lackierung 140
13.1.8 Metallisierung/Verchromung 141
Kapitel 14 Verschiedene Bauarten von Werkzeugen 142
14.1 Zweiplattenwerkzeuge 142
14.2 Dreiplattenwerkzeuge 143
14.3 Schieberwerkzeuge 143
14.4 Werkzeuge mit rotierenden Kernen 144
14.5 Etagenwerkzeuge 144
14.6 Werkzeuge mit Auswerfern an der festen Werkzeughälfte 145
14.7 Familienwerkzeuge 145
14.8 Mehrkomponenten-Werkzeuge 146
14.9 Werkzeuge mit Schmelzkernen 147
Kapitel 15 Aufbau von Werkzeugen 148
15.1 Die Aufgaben des Werkzeugs 149
15.2 Angusssysteme – Kaltkanal 149
15.3 Angusssysteme – Heißkanal 151
15.4 Pfropfenfänger/Angusszieher 152
15.5 Temperier- und Kühlsysteme 153
15.6 Belüftungssyteme 155
15.7 Auswerfersysteme 156
15.8 Entformungsschrägen 157
Kapitel 16 Werkzeuggestaltung und Produktqualität 158
16.1 Durch das Werkzeug verursachte Probleme 158
16.1.1 Zu schwache Werkzeugplatten 158
16.1.2 Fehlerhafte Auslegung von Anguss und Düse 159
16.1.3 Fehlerhafte Auslegung der Angusskanäle 160
16.1.4 Fehlerhafte Auslegung bzw. Positionierung oder Fehlen des Pfropfenfängers 160
16.1.5 Fehlerhafte Auslegung des Anschnitts 161
16.1.6 Fehlerhafte Entlüftung 162
16.1.7 Fehlerhafte Regelung der Werkzeugtemperatur 163
Kapitel 17 Prototypenwerkzeuge und Analyse des Füllvorgangs 164
17.1 Prototypenwerkzeuge 164
17.2 Analyse des Füllvorgangs 165
17.2.1 Analyse des Füllvorgangs 165
17.3 Arbeitsablauf 166
17.3.1 Gitternetzmodell 166
17.3.2 Werkstoffauswahl 167
17.3.3 Verfahrensparameter 167
17.3.4 Auswahl des Anschnittpunkts 167
17.3.5 Simulation 168
17.3.6 Ergebnisse der Simulation 168
17.3.7 Füllverlauf 169
17.3.8 Druckverteilung 169
17.3.9 Schließkraft 169
17.3.10 Kühlzeit 170
17.3.11 Temperaturregelung 170
17.3.12 Schwindung und Verzug 170
17.3.13 Glasfaserorientierung 171
17.3.14 Analyse des Verzugs 171
17.3.15 Position des Anschnitts 171
17.3.16 Materialwechsel 172
17.3.17 Simulations-Software 172
Kapitel 18 Rapid Prototyping und Additive Fertigungsverfahren 173
18.1 Prototypen 173
18.2 Rapid Prototyping (RP) 174
18.2.1 SLA – Stereolithographie 175
18.2.2 SLS – Selektives Laser Sintern 178
18.2.3 FDM – Fused Deposition Modeling 180
18.2.4 3D-Drucken 181
18.2.5 3D-Drucker 182
18.2.6 PolyJet 183
18.3 Generative Fertigung (Additive Manufacturing) 185
Kapitel 19 Kostenberechnungen für Formteile 187
19.1 Berechnung der Bauteilkosten 188
19.2 Szenarien Bauteilkosten 192
19.3 Kostenvergleich 193
Kapitel 20 Extrusion 196
20.1 Der Extrusionsprozess 196
20.1.1 Vorteile (+) und Grenzen (–) 196
20.2 Materialien für die Extrusion 198
20.3 Die Auslegung des Extruders 199
20.3.1 Der Zylinder 199
20.3.2 Einschneckenextruder 200
20.3.3 Barriereschnecken 200
20.3.4 Parallele Doppelschneckenextruder 201
20.3.5 Konische Doppelschneckenextruder 201
20.3.6 Rotationsrichtung 202
20.3.7 Vergleich von Einschnecken- und Doppelschneckenextrudern 202
20.3.8 Werkzeug/Düse 203
20.3.9 Kalibrierung 203
20.3.10 Korrugatoren 204
20.3.11 Kühlung 204
20.3.12 Abzug 205
20.3.13 Kennzeichnung 205
20.3.14 Nachbearbeitung 206
20.3.15 Trennen 206
20.3.16 Wickeln 207
20.4 Extrusionsverfahren 207
20.4.1 Extrusion mit geradem Werkzeug 208
20.4.2 Extrusion mit Umlenk-Werkzeug 208
20.4.3 Extrusion von Platten 209
20.4.4 Coextrusion 210
20.4.5 Folienblasen 210
20.4.5.1 Vorteile (+) und Grenzen (–) des Folienblasens 211
20.4.6 Kabelherstellung 212
20.4.7 Monofilamente 213
20.4.8 Compoundierung 214
20.5 Gestaltung von extrudierten Produkten 215
20.5.1 Verrippung, Versteifung 216
20.5.2 Hohlräume 216
20.5.3 Dichtlippe 216
20.5.4 Scharnier 217
20.5.5 Führungen 217
20.5.6 Gleitverbindung 217
20.5.7 Schnappverbindung 218
20.5.8 Balg 218
20.5.9 Insert/Verstärkung 218
20.5.10 Reibung an der Oberfläche 219
20.5.11 Bedrucken/Stempeln 219
20.5.12 Dekoration der Oberfläche 219
20.5.13 Seitliche Löcher 220
20.5.14 Unregelmäßige Löcher 220
20.5.15 Korrugatoren 220
20.5.16 Spiralisierung 221
20.5.17 Schäumen 221
20.5.18 Extrudierte Schraubenlöcher 221
20.5.19 Muffen und Heizelementschweißen 222
Kapitel 21 Alternative Verarbeitungsmethoden für Thermoplaste 223
21.1 Blasformen 223
21.2 Rotationsformen 225
21.3 Vakuumformen 226
Kapitel 22 Vorgehensweise bei der Materialauswahl 228
22.1 Wie wählen Sie das richtige Material für Ihr Entwicklungsprojekt? 228
22.2 Entwicklungskooperation 229
22.3 Festlegung des Anforderungsprofils 229
22.4 Muss-Anforderungen 230
22.5 Kann-Anforderungen 231
22.6 Erstellung einer detaillierten Kostenanalyse 233
22.7 Erstellung eines aussagekräftigen Prüfprogramms 234
Kapitel 23 Anforderungen und Spezifikation von Kunststoffprodukten 235
23.1 Hintergrundinformationen 235
23.2 Losgröße 236
23.3 Formteilgröße 237
23.4 Toleranzanforderungen 237
23.5 Gestaltung des Formteils 239
23.6 Montage-Anforderungen 242
23.7 Mechanische Belastung 242
23.8 Chemische Beständigkeit 243
23.9 Elektrische Eigenschaften 244
23.10 Umweltauswirkungen 245
23.11 Farbe 246
23.12 Oberflächeneigenschaften 247
23.13 Sonstige Eigenschaften 249
23.14 Gesetzliche Anforderungen 250
23.15 Anforderungen des Recyclings 251
23.16 Kostenanforderungen 252
23.17 Anforderungsprofil: Checkliste 253
23.17.1 Hintergrundinformation 253
23.17.2 Batchgröße 254
23.17.3 Formteilgröße 254
23.17.4 Toleranzanforderungen 254
23.17.5 Formteilgestaltung 254
23.17.6 Montage-Anforderungen 254
23.17.7 Mechanische Belastung 254
23.17.8 Chemische Beständigkeit 254
23.17.9 Elektrische Eigenschaften 255
23.17.10 Umweltauswirkungen 255
23.17.11 Farbe 255
23.17.12 Oberflächeneigenschaften 255
23.17.13 Sonstige Eigenschaften 256
23.17.14 Gesetzliche Anforderungen 256
23.17.15 Recycling 256
23.17.16 Kosten 256
Kapitel 24 Konstruktionsregeln für thermoplastische Formteile 257
24.1 Regel 1: Kunststoffe sind keine Metalle 258
24.2 Regel 2: Berücksichtigung der besonderen Eigenschaften von Kunststoffen 259
24.2.1 Anisotropes Verhalten 260
24.2.2 Temperaturabhängiges Verhalten 260
24.2.3 Zeitabhängige Spannungs-Dehnungs-Kurve 261
24.2.3.1 Kriechen 261
24.2.3.2 Relaxation 261
24.2.4 Geschwindigkeitsabhängige Eigenschaften 262
24.2.5 Umweltabhängige Eigenschaften 263
24.2.6 Einfache Bauteilauslegung 263
24.2.7 Einfache Einfärbung 263
24.2.8 Einfache Montage 264
24.2.9 Recycling 264
24.3 Regel 3: Konstruieren im Hinblick auf das zukünftige Recycling 265
24.3.1 Zerlegung 265
24.3.2 Wiederverwendete Materialien 267
24.3.3 Kennzeichnung 267
24.3.4 Reinigung 268
24.4 Regel 4: Integration mehrerer Funktionen in einem Bauteil 268
24.5 Regel 5: Einhaltung einer gleichmäßigen Wanddicke 270
24.6 Regel 6: Vermeidung von scharfen Kanten 271
24.7 Regel 7: Verwendung von Rippen zur Erhöhung der Steifigkeit 273
24.7.1 Einschränkungen bei der Gestaltung von Rippen 273
24.7.2 Materialsparende Konstruktion 274
24.7.3 Vermeidung von Einfallstellen bei Rippen 274
24.8 Regel 8: Sorgfältige Positionierung und Dimensionierung des Anschnitts 274
24.8.1 Bindenähte 276
24.9 Regel 9: Vermeiden von engen Toleranzen 277
24.10 Regel 10: Auswahl eines geeigneten Montageverfahrens 278
Kapitel 25 Verbindungstechniken für Thermoplaste 279
25.1 Verbindungstechniken, die die Demontage erleichtern 279
25.2 Integrierte Schnappverbindungen 280
25.3 Dauerhafte Verbindungstechniken 281
25.4 Ultraschallschweißen 281
25.5 Vibrationsschweißen 282
25.6 Rotationsschweißen 283
25.7 Heizelementschweißen 284
25.8 Infrarotschweißen 285
25.9 Laserschweißen 285
25.10 Nieten 287
25.11 Kleben 288
Kapitel 26 Der Spritzgießprozess 289
26.1 Analyse des Spritzgießprozesses 289
26.2 Kontaktangaben 291
26.3 Informationsbereich 291
26.4 Materialinformation 292
26.5 Angaben zur Maschine 293
26.6 Angaben zum Werkzeug 295
26.7 Trocknung 297
26.8 Angaben zur Verarbeitung 299
26.9 Temperaturen 300
26.10 Druck, Einspritzgeschwindigkeit und Schneckendrehzahl 305
26.11 Nachdruck 306
26.12 Einspritzphase 308
26.13 Schneckendrehzahl 309
26.14 Zeit- und Wegeinstellungen 311
Kapitel 27 Prozessparameter für das Spritzgießen 316
Kapitel 28 Problemlösung und Qualitätsmanagement 320
28.1 Höhere Qualitätsansprüche 320
28.2 Analytische Fehlerbehebung 320
28.2.1 Definition des Problems 321
28.2.2 Definition der Abweichung 321
28.3 Eingrenzung eines Problems 322
28.3.1 Einteilung von Problemen 323
28.3.2 Problemanalyse 325
28.3.3 Brainstorming 326
28.3.4 Überprüfung der Ursachen 327
28.3.5 Planung der zu ergreifenden Maßnahmen 327
28.4 Statistische Versuchsplanung (Statistical Design of Experiments – DOE) 328
28.4.1 Faktorielle Versuchsplanung 328
28.5 Fehler- Möglichkeits- und Einflussanalyse – FMEA 331
28.5.1 Allgemeine Konzepte der FMEA 333
Kapitel 29 Fehlersuche – Ursachen und Auswirkungen 335
29.1 Probleme beim Spritzgießen 335
29.2 Füllgrad 337
29.2.1 Teilfüllungen – Das Formteil ist nicht vollständig gefüllt 337
29.2.2 Gratbildung 338
29.2.3 Einfallstellen 338
29.2.4 Hohlräume oder Poren 339
29.3 Oberflächenfehler 340
29.3.1 Brandflecken 340
29.3.1.1 Entfärbung, dunkle Schlieren oder Materialabbau 340
29.3.1.2 Schwarze Stippen 340
29.3.1.3 Spliss oder Silberschlieren (an manchen Stellen der Oberfläche) 341
29.3.1.4 Diesel-Effekt – eingeschlossene Luft 342
29.3.2 Spliss oder Silberschlieren (auf der gesamten Oberfläche) 343
29.3.3 Farbschlieren – Schlechte Farbverteilung 343
29.3.4 Farbschlieren – Ungünstige Pigmentorientierung 344
29.3.5 Oberflächenglanz – Matte und glänzende Oberflächenabweichungen 344
29.3.6 Oberflächenglanz – Corona-Effekt 345
29.3.7 Spliss, Streifen und Blasen 345
29.3.8 Glasfaserschlieren 346
29.3.9 Bindenähte 346
29.3.10 Freistrahlbildung 347
29.3.11 Delaminierung 348
29.3.12 Schallplattenrillen (Orangenschalenhauteffekt) 348
29.3.13 Kalter Pfropfen 349
29.3.14 Auswerfermarkierungen 349
29.3.15 Ölflecken – braune oder schwarze Stippen 350
29.3.16 Wasserflecken 350
29.4 Geringe mechanische Festigkeit 351
29.4.1 Blasen oder Hohlräume im Inneren des Formteils 351
29.4.2 Risse 351
29.4.3 Unaufgeschmolzenes Material 352
29.4.4 Versprödung 353
29.4.5 Rissbildung 353
29.4.6 Probleme mit Mahlgut 354
29.5 Probleme mit der Maßhaltigkeit 355
29.5.1 Fehlerhafte Schwindung 355
29.5.2 Unrealistische Toleranzen 356
29.5.3 Verzug 357
29.6 Produktionsprobleme 358
29.6.1 Formteil haftet in der Kavität 358
29.6.2 Formteil haftet auf dem Kern 358
29.6.3 Formteil haftet an den Auswerferstiften 359
29.6.4 Anguss haftet im Werkzeug 360
29.6.5 Fadenbildung 361
Kapitel 30 Statistische Prozesskontrolle (SPC) 362
30.1 Warum SPC? 362
30.2 Begriffe der SPC 363
30.2.1 Normalverteilung (Gauß-Verteilung) 363
30.3 Standardabweichungen 363
30.3.1 Einfache Standardabweichung 363
30.3.2 Sechsfache Standardabweichung (Six Sigma) 364
30.3.3 Regelgrenzen 364
30.3.4 Zielwert 366
30.3.5 Zielwert Zentrierung (Target Value Centering, TC) 367
30.3.6 Maschinenfähigkeit (Cm) 368
30.3.7 Maschinenfähigkeitsindex (CmK) 368
30.3.8 Prozessfähigkeit (Cp) 369
30.3.9 Prozessfähigkeitsindex (Cpk) 369
30.3.10 Sechs wichtige Faktoren 370
30.3.11 Maschinenfähigkeit 370
30.3.12 Prozessfähigkeit 371
30.4 Anwendung der SPC in der Praxis 371
30.4.1 Software 371
30.4.2 Prozessdatenüberwachung 372
Kapitel 31 Internetadressen 374
Index 376