Kunststoffverarbeitung I,II & III Vorlesungen und Übungen

Aufbauend auf der Vorlesung und Übung „Werkstoffkunde II“ erläutert diese Grundlagenveranstaltung die wichtigsten Verarbeitungsverfahren der Kunststofftechnik. In einem einführenden Teil werden die Einteilung der Kunststoffe, ihre Eigenschaften sowie Verfahren zur Aufbereitung vorgestellt, der Schwerpunkt liegt auf einer ausführlichen Behandlung von Standard- und Sonderverfahren der Kunststofftechnik und ihrer Anwendungsgebiete.

Inhalte der Vorlesung

Das Extrusionsverfahren ist ein kontinuierliches Verfahren, mithilfe dessen Folien, Platten und Profile hergestellt werden. Zur Erzeugung von Hohlköpern aus thermoplastischen Kunststoffen (Flaschen, Kanister, aber auch Kofferhalbschalen oder Kraftstofftanks) werden heute überwiegend Extrusionsblasformverfahren und Streckblasverfahren genutzt. Die einzelnen Prozesse mit ihren Besonderheiten, Möglichkeiten und Grenzen werden in der Vorlesung detailliert erläutert.

Der Spritzgießprozess als diskontinuierliches Verfahren ermöglicht die vollautomatische Herstellung geometrisch komplexer Kunststoffteile in großen Stückzahlen – von kleinsten Zahnrädern oder Lagern über bis hin zu Mülltonnen mit mehreren 100 Litern Fassungsvermögen. Maschine und Verfahrensablauf werden ebenso erläutert wie einzelne Sonderverfahren wie das Thermoplastschaumspritzgießen, mithilfe dessen Bauteile mit geschäumtem Kern hergestellt werden können.

Besonders wenn große Stabilität in Verbindung mit geringem Gewicht gefragt ist (Karosserien, Sportartikel, Windräder) sind faserverstärkte Kunststoffe der herausragende Werkstoff. In der Vorlesung werden die eingesetzten Faser- und Matrixwerkstoffe, Einsatzbereiche für faserverstärkte Kunststoffe und Verfahren thematisiert.

Darüber hinaus betrachtet die Vorlesung wichtige Weiterverarbeitungstechniken wie Thermoformen und Schweißen und geht auf die Verfahren der Elastomerverarbeitung (Kautschuk) und der Polyurethanverarbeitung (Reaktionskunststoff mit besonders breitem Einsatzspektrum) ein.

Die wichtigsten in der Vorlesung Kunststoffverarbeitung I vorgestellten Verfahren – Extrusion und Spritzgießen – werden in dieser Vorlesung und der zugehörigen Übungsreihe eingehender thematisiert. Der Schwerpunkt liegt auf der Technik und Auslegung von Maschinen und Werkzeugen sowie auf Temperaturausgleichsvorgängen und Orientierungen in Kunststoffen.

Inhalte der Vorlesung

Zentrales Element einer Extrusionsanlage ist der Extruder bzw. die Extruderschnecke, die die Aufgabe hat, eine homogene Schmelze gleichmäßig, in ausreichender Menge und passend temperiert in das Werkzeug zu fördern; hier wird das Material schließlich zu Rohren, Platten, Folien oder Profilen ausgeformt. In der Vorlesung werden die Abläufe im Schneckenkanal durch Aufschmelzmodelle erläutert und es werden Ansätze zur Auslegung von Extrudern diskutiert.

Weitere Funktionselemente der Extrusionsanlage – Einfüllöffnung, Entgasungssysteme, Antriebseinheit etc. – werden ausführlich besprochen. In einem Themenblock zur Auslegung von Extrusionswerkzeugen werden allgemeine Gestaltungsregeln, verschiedene Bauformen und Anwendungen dargestellt.

Der Spritzgießprozess wird mit den Phasen des Spritzgießzyklus vertieft dargestellt. Eine wichtige Basis zum Verständnis des Prozesses sind Methoden und Formeln zur Bestimmung und Berechnung von Prozessparametern wie Massetemperaturen, Temperaturprofilen, Einspritzarbeit, Geschwindigkeitsprofilen und Druckverläufen sowie die Nutzung von p-v-T-Diagrammen zur Ermittlung des Zusammenhangs zwischen Druck, Temperatur und spezifischem Volumen.

Mit Blick auf die zu fertigenden Produkte werden auch die jeweiligen Vor- und Nachteile der Prozessvarianten sowie ihre Einsatzmöglichkeiten verdeutlicht. Für ein vertieftes Werkstoff- und Prozessverständnis werden umfassende Kenntnisse über Temperaturausgleichsvorgänge und Molekülorientierungen vermittelt.

Die Veranstaltung „Kunststoffverarbeitung III“ beschäftigt sich mit komplexen Fragestellungen der Kunststoffverarbeitung, insbesondere mit der Auslegung und Herstellung von Bauteilen. Grundlegend hierfür ist ein umfassendes Wissen über die Eigenschaften der Kunststoffe und über die verschiedenen Verarbeitungsprozesse; dieses wurde in den vorausgehenden Veranstaltungen „Kunststoffverarbeitung I“ und „Kunststoffverarbeitung II“ vermittelt und wird in der Master-Veranstaltung „Kunststoffvearbeitung III“ auf weiterführende Fragestellungen angewandt.

Inhalte der Vorlesung

Die Vorlesung beginnt mit einem Block zur Gestaltung und Auslegung von Kunststoffbauteilen und der entsprechenden Spritzgusswerkzeuge. Besondere Berücksichtigung finden die werkstoffspezifischen Bedingungen, die großen Einfluss auf Bauteilgestaltung und -herstellung haben.

Die kunststofftechnischen Produktionsverfahren werden vertieft und um vor- und nachgeschaltete Begleitprozesse erweitert: Mit den Themen Qualitätssicherung, Erfassung und Optimierung von Verarbeitungsprozessen, Oberflächenfunktionalisierung, Prototypenherstellung und Entsorgung wird das Prozessverständnis mit zahlreichen Randbedingungen, die in der industriellen Produktion von größter Bedeutung sind, vervollständigt. Das Thema „Additive Fertigung“ gibt einen Überblick über die unterschiedlichen Verfahren zum schichtweisen („additiven“ bzw. „generativen“) Aufbau von Bauteilen. Bei diesen Verfahren erfolgt die Fertigung ohne Verwendung eines Formwerkzeugs, was insbesondere für die Herstellung stark individualisierter Produkte in kleinen Stückzahlen höchst interessant ist.

Ein großer Block zu Faserverbundkunststoffen vermittelt umfassendes Wissen zu diesem wichtigen Thema.