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Kunststoffverarbeitung Thermoplastische Kunststoffe endlich gratfrei stanzen

Autor / Redakteur: Katrin Lechler / Peter Königsreuther

Grat und Flitter, auch Engelshaar genannt, entstehen durch die bisherigen Verfahren beim Stanzen von thermoplastischen Kunststoffen. Jetzt gibt es eine Methode, mit der der Zusatzaufwand, den die „himmlischen“ Überbleibsel zur ihrer Beseitigung erfordern, entfällt.

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Gratfreies Stanzen von Kunststoffen ist bisher nicht in einem Hub möglich. Während etwa PVC bei hohen Geschwindigkeiten gratfrei gestanzt wird, ist es bei PC-ABS umgekehrt: Je höher die Geschwindigkeit, desto mehr Grat und Flitter entstehen. Deshalb hat Stanova Stanztechnik ein innovatives Werkzeug entwickelt, das eine Nachbearbeitung nach dem Stanzen beider Polymere obsolet macht. In einer Anlage des Typs Powerspee ist das Werkzeug im Einsatz.
Gratfreies Stanzen von Kunststoffen ist bisher nicht in einem Hub möglich. Während etwa PVC bei hohen Geschwindigkeiten gratfrei gestanzt wird, ist es bei PC-ABS umgekehrt: Je höher die Geschwindigkeit, desto mehr Grat und Flitter entstehen. Deshalb hat Stanova Stanztechnik ein innovatives Werkzeug entwickelt, das eine Nachbearbeitung nach dem Stanzen beider Polymere obsolet macht. In einer Anlage des Typs Powerspee ist das Werkzeug im Einsatz.
(Bild: Stanova)

Gratfreies Stanzen von Kunststoffen ist bisher nicht in einem Hub möglich. An den Schnittkanten bilden sich Grat und Flitter, die Monteur(innen) im Schaltschrankbau verletzen können. Außerdem können sie die Funktionsfähigkeit von Bauteilen beeinträchtigen. Wer jemals verzweifelt den Grund für eine Fehlermeldung suchte und schließlich im Schaltschrank ein Kabel fand, das durch die scharfen Kanten eines Verdrahtungskanals beschädigt wurde, weiß um das destruktive Potenzial von Engelshaar.

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Kostentreiber Entgrataufwand

Grat an Kunststoffteilen wird bisher chemisch, thermisch oder mechanisch entfernt. Verdrahtungskanäle werden zur Entgratung zum Beispiel mit winzigen Kugeln beschossen. Aber auch klassische Verfahren wie Gleitschleifen oder Fräsen werden genutzt. Sie alle haben zwei Nachteile: Sie senken die Produktivität und erhöhen vor allem bei der Einzelteilbearbeitung die Kosten. Die Fachzeitschrift „mav Innovation“ geht davon aus, dass bei Präzisionsbauteilen 30 % der Herstellungskosten auf das Entgraten entfallen, bei Bauteilen aus der Automobilbranche sind es immerhin 15 bis 20 %.

PVC und PC-ABS nacharbeitsfrei stanzen

Stanova Stanztechnik GmbH hat zwei Verfahren entwickelt, mit dem die gängigen Kunststoffe Polyvinylchlorid (PVC) und Polycarbonat-Acrylnitril-Butadien-Styrol (PC-ABS) gratfrei gestanzt werden können. „Wir haben viele Trial-and-Error-Schleifen hinter uns, bis wir substanzielle Verbesserungen erreicht haben“, sagt Manuel Schulz, Automatisierungstechniker bei Stanova. Stempelbeschichtungen und thermische Bearbeitungen von Werkzeug und Werkstoff brachten nicht die erhofften Verbesserungen.

Auch Polymere haben Star-Allüren

Vor allem setzte sich nach zahlreichen Versuchen die Erkenntnis durch, dass es nicht ein erfolgreiches Verfahren für alle thermoplastischen Kunststoffe geben kann, sondern dass sich jeder Werkstoff beim Scherschneiden durch Stanzen anders verhält. Jeder Kunststoff ist quasi eine regelrechte Diva, wenn man so will. Deshalb hat Stanova in einem ersten Schritt ein Verfahren für das Stanzen von PVC patentieren lassen: „PVC ist ein Werkstoff, bei dem wir durch hohe Stanzgeschwindigkeiten in Kombination mit einem kleinen Schneidspalt gute Ergebnisse erzielt haben“, sagt Uwe Heidler, Versuchsingenieur bei Stanova. Die hohen Stanzgeschwindigkeiten von 900 Hüben pro Minute erreicht Stanova durch den Einsatz von Exzenterstanzen, die von Servomotoren angetrieben werden. Eine hohe Produktionsgeschwindigkeit ist besonders da sinnvoll, wo Endlosmaterial gestanzt wird oder wo ein Vorschub die Werkstücke auf den Takt der Stanzeinheit beschleunigt.

Vorschub und Stanzvorgang müssen harmonieren

Die Verfahrensinnovation ist einfach und komplex zugleich: Das Werkzeug fährt nicht mehr mit dem Werkstück mit, sondern ist stationär, während das Material vorgeschoben wird. Das ist insofern eine Herausforderung, weil die Vorschubbewegung und das Stanzen exakt synchronisiert werden müssen. Die Synchronisation betrifft alle Antriebe, die beiden Exzenter, die für das Stanzen zuständig sind, die beiden Antriebe, die das Material vorschieben. Beim Stanzen von Verdrahtungskanälen muss noch eine dritte Exzenterpresse synchronisiert werden. Sie stanzt die Befestigungslöcher in den Boden, die andere Abstände als die Seitenstanzen haben. Ein höchst komplexes Zusammenspiel und das alles bei 16 Hüben pro Sekunde.

Lieber zum Einfachwerkzeug greifen

Ein weiterer Vorteil: Einfachwerkzeuge lassen sich schnell und günstig umrüsten. Durch die stationäre Anordnung der Werkzeuge wird deutlich weniger Energie benötigt als mit Mehrfachwerkzeugen, die während des Stanzvorgangs mit dem Werkstück mitfahren und danach wieder zum Ausgangspunkt zurückkehren. Die Exzenterstanze von Stanova hat bei maximaler Stanzleistung (960 Hübe pro Minute) eine Leistungsaufnahme von 7 bis 10 kW/h. Dagegen verbraucht eine hydraulisch angetriebene Stanzmaschine mit circa 30 bis 40 kW/h mehr Strom bei weniger Hüben pro Minute.

Energieschonend von Stanze bis Extruder

Die Energieeinsparung setzt sich fort bis zum Extruder, der die zu stanzenden Halbzeuge und Profile erzeugt. Der Extruder kann aber häufig nicht bei maximaler Auslastung fahren, weil die herkömmlichen Stanzen zu langsam sind. Nach Aussagen des Extruderherstellers Battenfeld-Cincinnati sinkt der Wirkungsgrad moderner Extruder im Teillastbereich auf 50 bis 60 % ihrer maximal möglichen Leistung.

Läuft der Extruder nun nicht mehr im Teillastbetrieb, sondern leistet die maximale Ausbringung, wird die Wärmeleistung besser ausgeschöpft. Hier besteht gerade in der Kunststoffindustrie, deren Energiebedarf zu 60 % aus elektrischer Energie besteht, ein enormes Einsparpotenzial.

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Spezielle Werkzeuge für PC-ABS

Während PVC bei hohen Geschwindigkeiten gratfrei gestanzt wird, ist es bei PC-ABS genau andersherum: Je höher die Geschwindigkeit, umso mehr Grat und Flitter entsteht. Hier hat Stanova ein innovatives Werkzeug entwickelt, das eine Nachbearbeitung obsolet macht. Damit verringern sich die Herstellkosten für Produkte aus PC-ABS, der als Rohstoff bisher doppelt bis dreimal so teuer wie PVC ist. Gerade im Schienenfahrzeugbau, in öffentlichen Gebäuden und medizinischen Geräten, die höchsten Sicherheitsstandards entsprechen müssen, wird PC-ABS jedoch immer häufiger nachgefragt. Es ist selbstverlöschend und setzt im Brandfall keine giftigen Chlorwasserstoffdämpfe frei. Nicht zuletzt suchen Unternehmen nach Alternativen zu PVC, das bei der Herstellung und Entsorgung gesundheitlich und ökologisch bedenklich ist.

Für andere Kunststoffe noch attraktiver

Bei der Suche nach Alternativen werden auch technische Biopolymere immer interessanter, zu denen derzeit viel geforscht wird. Sie versprechen fossile Ressourcen zu schonen und biologisch abbaubar zu sein. Noch gibt es keine einheitlichen Definitionen und Prüfkriterien dieser sogenannten Biokunststoffe. Eines aber geht aus den Stanzversuchen von Stanova eindeutig hervor: Viele der getesteten Werkstoffe verhalten sich weniger divenhaft als PVC und PC-ABS und lassen sich bei der richtigen Parameterwahl absolut gratfrei stanzen.

Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert. Stanova Stanztechnik dankt Ihrer Kooperationspartnerin Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin (HTW) für die Unterstützung im Rahmen des Programms „Zentrales Innovationsprogamm Mittelstand“.

MM

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