Für Rapid Prototyping oder Kleinserienfertigung stehen Tausende von Kunststoffen auf dem Markt zur Verfügung – die Wahl des richtigen Kunststoffs für ein bestimmtes Projekt kann daher, insbesondere für angehende Erfinder oder Unternehmer, eine Herausforderung sein. Jedes Material stellt einen Kompromiss hinsichtlich Kosten, Festigkeit, Flexibilität und Oberflächenbeschaffenheit dar. Es gilt, nicht nur den Anwendungsbereich des Bauteils oder Produkts, sondern auch die Einsatzumgebung zu berücksichtigen.
Technische Kunststoffe weisen im Allgemeinen verbesserte mechanische Eigenschaften auf, die für eine höhere Haltbarkeit sorgen und sich während des Herstellungsprozesses nicht verändern. Einige Kunststoffarten lassen sich zudem modifizieren, um ihre Festigkeit sowie ihre Schlag- und Hitzebeständigkeit zu verbessern. Im Folgenden betrachten wir die verschiedenen Kunststoffmaterialien, die je nach Funktionalität des Endprodukts in Betracht gezogen werden sollten.
Eines der am häufigsten verwendeten Harze für mechanische Bauteile ist Nylon, auch bekannt als Polyamid (PA). In Verbindung mit Molybdän weist Polyamid eine glatte Oberfläche auf, die eine reibungslose Bewegung ermöglicht. Allerdings sind Nylon-auf-Nylon-Zahnräder nicht empfehlenswert, da sie – ähnlich wie Kunststoffe – zum Verkleben neigen. PA zeichnet sich durch hohe Verschleiß- und Abriebfestigkeit sowie gute mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen aus. Nylon ist ein ideales Material für den 3D-Druck mit Kunststoff, nimmt jedoch mit der Zeit Wasser auf.
Polyoxymethylen (POM) eignet sich hervorragend für mechanische Bauteile. POM ist ein Acetalharz, aus dem DuPonts Delrin® hergestellt wird, ein wertvoller Kunststoff, der unter anderem für Zahnräder, Schrauben und Räder verwendet wird. POM zeichnet sich durch hohe Biege- und Zugfestigkeit, Steifigkeit und Härte aus. Allerdings wird POM durch Laugen, Chlor und heißes Wasser zersetzt und lässt sich nur schwer verkleben.
Wenn es sich bei Ihrem Projekt um einen Behälter handelt, ist Polypropylen (PP) die beste Wahl. Polypropylen wird für Lebensmittelbehälter verwendet, da es hitzebeständig, öl- und lösungsmittelundurchlässig ist und keine Chemikalien freisetzt, wodurch es unbedenklich zum Verzehr geeignet ist. Polypropylen bietet zudem ein optimales Verhältnis von Steifigkeit und Schlagfestigkeit, wodurch sich leicht Schlaufen herstellen lassen, die wiederholt gebogen werden können, ohne zu brechen. Es kann auch für Rohre und Schläuche verwendet werden.
Eine weitere Option ist Polyethylen (PE). PE ist der weltweit am häufigsten verwendete Kunststoff, weist jedoch eine geringe Festigkeit, Härte und Steifigkeit auf. Es handelt sich meist um einen milchig-weißen Kunststoff, der zur Herstellung von Medikamentenflaschen, Milch- und Waschmittelbehältern verwendet wird. Polyethylen ist gegenüber einer Vielzahl von Chemikalien sehr beständig, hat aber einen niedrigen Schmelzpunkt.
Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) ist ein idealer Werkstoff für alle Projekte, die eine hohe Schlag-, Reiß- und Bruchfestigkeit erfordern. ABS ist leicht und kann mit Glasfaser verstärkt werden. Es ist zwar teurer als Styrol, hat aber aufgrund seiner Härte und Festigkeit eine längere Lebensdauer. 3D-Modellierung von ABS im Schmelzformverfahren für schnelles Prototyping.
Aufgrund seiner Eigenschaften eignet sich ABS gut für Wearables. Wir bei Star Rapid haben das Smartwatch-Gehäuse für E3design aus spritzgegossenem, schwarz vorlackiertem ABS/PC-Kunststoff gefertigt. Durch diese Materialwahl ist das Gerät relativ leicht und gleichzeitig stoßfest, beispielsweise beim Aufprall der Uhr auf eine harte Oberfläche. Hochschlagfestes Polystyrol (HIPS) ist eine gute Wahl, wenn ein vielseitiges und stoßfestes Material benötigt wird. Es eignet sich für die Herstellung robuster Werkzeugkoffer und Elektrowerkzeugkoffer. Obwohl HIPS kostengünstig ist, gilt es nicht als umweltfreundlich.
Viele Projekte erfordern Spritzgusskunststoffe mit gummiartigen Elastizitäten. Thermoplastisches Polyurethan (TPU) ist eine gute Wahl, da es in vielen speziellen Formulierungen für hohe Elastizität, gute Tieftemperatureigenschaften und Langlebigkeit erhältlich ist. TPU wird auch in Elektrowerkzeugen, Walzen, Kabelisolierungen und Sportartikeln eingesetzt. Dank seiner Lösungsmittelbeständigkeit weist TPU eine hohe Abrieb- und Scherfestigkeit auf und kann in vielen industriellen Umgebungen verwendet werden. Allerdings ist bekannt, dass es Feuchtigkeit aus der Luft aufnimmt, was die Verarbeitung während der Produktion erschwert. Für den Spritzguss gibt es thermoplastischen Gummi (TPR), der kostengünstig und einfach zu verarbeiten ist, beispielsweise zur Herstellung von stoßdämpfenden Gummigriffen.
Wenn Ihr Bauteil klare Linsen oder Fenster benötigt, ist Acrylglas (PMMA) die beste Wahl. Aufgrund seiner Steifigkeit und Abriebfestigkeit wird dieses Material zur Herstellung bruchsicherer Fenster wie Plexiglas verwendet. PMMA lässt sich zudem gut polieren, besitzt eine hohe Zugfestigkeit und ist kostengünstig für die Massenproduktion. Allerdings ist es nicht so schlag- und chemikalienbeständig wie Polycarbonat (PC).
Wenn Ihr Projekt ein robusteres Material erfordert, ist Polycarbonat (PC) widerstandsfähiger als PMMA und besitzt hervorragende optische Eigenschaften. Daher eignet es sich ideal für Linsen und kugelsichere Fenster. PC lässt sich zudem bei Raumtemperatur biegen und formen, ohne zu brechen. Dies ist besonders vorteilhaft für die Prototypenfertigung, da keine teuren Formen benötigt werden. PC ist zwar teurer als Acryl und kann bei längerem Kontakt mit heißem Wasser schädliche Chemikalien freisetzen, weshalb es nicht den Lebensmittelstandards entspricht. Aufgrund seiner Schlag- und Kratzfestigkeit ist PC jedoch für eine Vielzahl von Anwendungen ideal. Bei Star Rapid verwenden wir dieses Material zur Herstellung von Gehäusen für die Handheld-Terminals von Muller Commercial Solutions. Das Bauteil wurde CNC-gefräst aus einem massiven PC-Block; da es vollständig transparent sein musste, wurde es anschließend von Hand geschliffen und dampfpoliert.
Dies ist lediglich ein kurzer Überblick über einige der am häufigsten verwendeten Kunststoffe in der Fertigung. Die meisten davon lassen sich durch die Zugabe verschiedener Glasfasern, UV-Stabilisatoren, Gleitmittel oder anderer Harze modifizieren, um bestimmte Spezifikationen zu erreichen.
Gordon Stiles ist Gründer und Präsident von Star Rapid, einem Unternehmen für Rapid Prototyping, Werkzeugbau und Kleinserienfertigung. Aufgrund seines ingenieurwissenschaftlichen Hintergrunds gründete Stiles Star Rapid im Jahr 2005, und unter seiner Führung wuchs das Unternehmen auf 250 Mitarbeiter. Star Rapid beschäftigt ein internationales Team von Ingenieuren und Technikern, die Spitzentechnologien wie 3D-Druck und CNC-Mehrachsenbearbeitung mit traditionellen Fertigungstechniken und hohen Qualitätsstandards kombinieren. Vor seiner Tätigkeit bei Star Rapid war Stiles Inhaber und Geschäftsführer von STYLES RPD, dem größten britischen Unternehmen für Rapid Prototyping und Werkzeugbau, das im Jahr 2000 an ARRK Europe verkauft wurde.
Veröffentlichungsdatum: 19. April 2023