Die spanabhebende Bearbeitung von Kunststoffen ist in der Regel dann erforderlich, wenn die Anzahl der herzustellenden Teile so gering ist, dass herkömmliche Kunststoffverarbeitungsmethoden (z. B. Spritzgießen) aufgrund ihrer hohen Werkzeugkosten nicht wirtschaftlich sind, oder wenn sie die erforderliche Präzision oder Komplexität nicht erreichen können. Ein häufiger Fehler bei der Bearbeitung von Kunststoffprodukten besteht darin, die gleichen Regeln und Lösungen wie für Metalle ohne Änderung anzuwenden und dabei die viskoelastischen Eigenschaften von Polymeren und die starke Frequenz- und Temperaturabhängigkeit ihrer Eigenschaften zu ignorieren. In der Literatur gibt es nur wenige Arbeiten, die eine wissenschaftliche Grundlage für die Bearbeitung von Kunststoffen bieten.
Die endgültige Form der verschiedenen Kunststoffprodukte wird manchmal durch Zerspanung hergestellt. Dies geschieht in der Regel, wenn die benötigte Stückzahl so gering ist, dass sich die Herstellung einer teuren Form (z. B. Spritzguss) nicht rechnet, oder wenn ein hoher Grad an Genauigkeit und/oder Komplexität erforderlich ist, der mit Massenproduktionsverfahren nicht oder nur mit unwirtschaftlich teuren Lösungen erreicht werden kann. Häufig wird eine Kombination aus maschineller Bearbeitung und anderer Kunststoffverarbeitung eingesetzt, d.h. wenn z.B. der Endwert einer oder mehrerer Abmessungen eines spritzgegossenen oder extrudierten Produkts durch nachträgliche Bearbeitung angepasst wird oder wenn nachträglich Löcher in das thermogeformte Produkt geschnitten werden.
Die mechanischen Eigenschaften verschiedener Polymere können sehr unterschiedlich sein und reichen von gummiartigen, weichen und flexiblen Kunststoffen bis hin zu verstärkten Kunststoffen mit hoher Steifigkeit. Zu berücksichtigen ist auch, dass die mechanischen Eigenschaften von Kunststoffen stark temperaturabhängig sind und ihre Elastizitätsmodulwerte in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Krafteinwirkung, d. h. der Anwendungsfrequenz, stark variieren (dasselbe Material ist bei hohen Frequenzen steif und bei niedrigen Frequenzen weich). Bei Bearbeitungsprozessen muss auch darauf geachtet werden, dass die Oberflächenqualität, d. h. die Glätte, der entstehenden Oberfläche nicht beeinträchtigt wird.
Bei der Auslegung von Zerspanungswerkzeugen und der Festlegung von Zerspanungsparametern wird in der Regel von Informationen aus technischen Datenbanken ausgegangen, die auf den Erfahrungen der Rohstoffunternehmen beruhen und als Grundlage für die experimentelle Optimierung der für ein bestimmtes Produkt erforderlichen Werte dienen. Mathematische Modelle, die die oben genannten typischen Kunststoffeigenschaften theoretisch und komplex berücksichtigen und direkt in der Praxis anwendbare Informationen liefern, befinden sich derzeit noch im Entwicklungsstadium.
Einige Zusammenhänge wurden jedoch bereits ermittelt. So lässt sich beispielsweise beim Bohren von Kunststoffen ein Modell aufstellen, das wichtige Zusammenhänge aus zwei grundlegenden Faktoren ableitet: Unter Berücksichtigung der Schnittgeschwindigkeit lässt sich feststellen, dass bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten (niedriger Frequenz) die Wechselwirkung zwischen dem Polymer und dem Schneidwerkzeug groß ist, während diese Wechselwirkung bei höheren Schnittgeschwindigkeiten kleiner wird. Dieses Phänomen wird durch die so genannte "charakteristische Zeit" beschrieben, die ein einzigartiges Merkmal verschiedener Polymere ist und von ihrer Glasübergangstemperatur, ihrem Kristallinitätsgrad, ihrer durchschnittlichen Molmasse und deren Verteilung, der Ausrichtung der Polymerketten, den Zusatzstoffen und einigen anderen Eigenschaften abhängt.
Das zweite Theorem des Basismodells besagt, dass es eine Beziehung zwischen der/den wechselwirkenden Kraft(en) und der Wechselwirkungszeit gibt. Die thermischen und mechanischen Eigenschaften von Polymeren stehen in einem logarithmischen Verhältnis zum Verhältnis von Verarbeitungszeit und "charakteristischer" Zeit. Dies gilt sowohl für die Druckkraft (T) als auch für das Drehmoment (M) beim Bohren, d. h:
T = To log(tc/t)
M = Mo log(tc/t)
wobei tc ist die charakteristische Zeit, To und Mo hängt von anderen Schneidparametern ab. Die Wechselwirkungszeit kann als Kehrwert der Vorlaufzeit (v) ausgedrückt werden, To und Mo hängt mindestens von der Bohrgeschwindigkeit (s) ab.
Die experimentellen Ergebnisse belegen die Anwendbarkeit des oben genannten einfachen Modells für das Bohren von Polyamid und Teflon. Wie erwartet variierte die Steifigkeit (Elastizitätsmodul) der Kunststoffe signifikant in Abhängigkeit von der Verformungsrate (Frequenz), d. h. sie stieg mit zunehmender Verformungsrate. Auf der Grundlage der obigen Ergebnisse kann ein Modell zur Vorhersage der Auswirkungen von Schneidparametern auf andere Schneidverfahren erweitert werden.
Die Formgebung von Polypropylen (PP), das auch für technische Zwecke (z. B. Autoteile) verwendet wird, erfordert manchmal den Einsatz verschiedener Schneidetechniken, um das Endprodukt zu formen. Dazu gehören Häufig wird das Fräsen verwendet. Wenn Sie eine gute Maßgenauigkeit und/oder Oberflächenqualität erreichen wollen, müssen Sie eine CNC-Maschine zum Fräsen verwenden, da dies mit Handwerkzeugen nicht zu erreichen ist. PP ist schwierig (schlechter als z. B. ABS oder PET) bearbeitet werden können, Aufgrund seines eher weichen und gummiartigen Verhaltens "klebt" es oft am Fräskopf und neigt auch zum "Rückprall". Aus diesem Grund müssen die optimalen Schnittparameter in der Regel experimentell eingestellt werden, um eine angemessene Produktivität zu gewährleisten. Insbesondere die richtige Wahl der Vorschubgeschwindigkeit und der Fräskopfgeometrie ist wichtig. Ziel sollte es sein, große Späne zu schneiden, die mit einem langsamen Spiralfräser geschnitten werden können (siehe "Schneiden der Späne"). Abbildungen 1/A und 1/BDiese ein- und zweischneidigen Köpfe erzeugen größere Späne als herkömmliche Spiralfräsköpfe. Mit ein paar Probeschnitten können Sie entscheiden, ob ein- oder zweischneidige oder auf- oder abwärts schneidende Spiralfräsköpfe für ein bestimmtes Produkt ein besseres Ergebnis liefern. In manchen Fällen ist die Abbildung 1/C Der einschneidige "O"-Fräskopf liefert die besten Ergebnisse.
Da sich das relativ weiche PP beim Fräsen stark erwärmt, ist der Einsatz von Schnellstahlwerkzeugen nicht zu empfehlen. Gute Ergebnisse können mit Hartmetallfräsern erzielt werden, die sogar besser sind als hartmetall- und diamantgeschliffene Fräser.
Hohe Vorschubgeschwindigkeiten werden in Kombination mit niedrigen Drehzahlen empfohlen. Dadurch wird verhindert, dass Späne haften bleiben und zurücklaufen. Der Vorschub sollte so lange erhöht werden, bis die Qualität der gefrästen Oberfläche nicht mehr unter ein akzeptables Niveau sinkt. Dann sollte die Drehzahl reduziert werden, bis sich die Oberflächenqualität verbessert. Dieser Vorgang kann wiederholt werden, bis die optimalen Fräsparameter gefunden sind.
Für eine maximale Produktivität lohnt sich auch die zweistufige Frästechnik. Wenn das Gerät mit einem Kopfwechselmechanismus ausgestattet ist, kann die 1/D Abbildung Der hier abgebildete Fräskopf wird im zweiten Schritt verwendet, um die richtige Oberflächenqualität zu erreichen. In Fällen, in denen die Frästiefe das Dreifache des Fräskopfdurchmessers überschreitet, ist es ratsam, für den zweiten Schritt den gleichen Kopf wie im ersten Schritt zu verwenden.
Abbildung 1 Fräsköpfe für PP
Es ist auch sehr wichtig, das zu bearbeitende Werkstück gut zu greifen. Um die Vakuumspannung zu verbessern, wird oft ein Dichtungsband verwendet. Oft wird das Dichtungsband jedoch einfach auf den Greiftisch gelegt, und wenn das Vakuum angelegt wird, verflacht das Schaummaterial und gleicht keine Unebenheiten mehr aus. Die Folge sind Vibrationen des Werkstücks, die die Oberflächenqualität verschlechtern und manchmal zum Bruch des Fräskopfs führen können. Die Lösung besteht darin, in den Tisch unter dem Band eine Nut mit einer Tiefe von der Hälfte der Banddicke einzubringen.
