Lade Inhalt...

Laborbericht der Fertigungstechnik. Spritgießen, Extrudieren und Programmieren

Technischer Bericht 2016 34 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Maschinenbau

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1. Einleitung

2. Spritgießen
2.1 Theoretische Grundlagen
2.2 Versuchsaufbau
2.3 Versuchsdurchführung
2.3.1 Füllreihe und Ermittlung der optimalen Dosiermenge
2.3.2 Ermittlung der optimalen Nachdruckdauer
2.3.3 Analyse der Merkmale spritzgegossener Bauteile

3. Extrudieren
3.1 Theoretische Grundlagen
3.2 Versuchsaufbau
3.3 Versuchsdurchführung
3.3.1 Durchsatz des Extruders
3.3.2 Abzugsgeschwindigkeit
3.3.3 Analyse von extrudierten Beispielteilen
3.3.4 Berechnung der Abzugsgeschwindigkeit

4. Thermoformen von Kunststoffen
4.1 Theoretische Grundlagen
4.2 Versuchsaufbau
4.3 Versuchsdurchführung
4.3.1 Thermoformen mit Variation der Heizdauer
4.3.2 Messung des Verformungsgrades
4.3.3 Analyse thermogeformter und spritgegossener Bauteile
4.3.4 Berechnung der Dicke des Halbzeugs

5. Programmieren nach DIN 66025
5.1 Theoretische Grundlagen
5.2 Versuchsaufbau
5.3 Versuchsdurchführung
5.3.1 NC-Programm in G90 (Absolutbemassung)
5.3.2 NC-Programm in G40/G41/G42 (Werkzeugbahnkorrektur)
5.3.3 Fräsen nach NC-Programmen

6. Rüsten und Programmieren eines NC-Bearbeitungszentrums
6.1 Analyse einer gegebenen Spannvorrichtung
6.2 Vermessen von Werkzeugen und Erstellen eines Arbeitsplans
6.3 Aufbau einer Spannvorrichtung aus modularen Komponenten
6.4 NC-Programm für das Musterteil

7. Schlusswort

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 4: Optimale Nachdruckdauer - Spritzgießen

Abbildung 5: Extrusionsanlage

Abbildung 6: Ermittlung des Durchsatzes des Extruders

Abbildung 7: Thermoformenprozess

Abbildung 8: Thermoformmaschine Illig UA 60 E

Abbildung 10: Ermittlung der optimalen Heizdauer

Abbildung 18: Pleuel - Technische Zeichnung

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Ermittlung der optimalen Dosiermenge beim Spritzgießen

Tabelle 2: Messergebnisse der Abzugsgeschwindigkeit

Tabelle 3: Analyse von extrudierten Beispielteilen

Tabelle 4: Vergleich der thermogeformten und spritzgegossenen Bauteile

Tabelle 5: Stückliste - Spannvorrichtung

1. Einleitung

Der nachfolgende Laborbericht wurde im Rahmen der Laborveranstaltung FTE03, die vom 26.09 bis 29.09.2016 in der Hochschule Pforzheim stattfand, angefertigt. Im Labor wurden die zur Verfügung gestellten Spritzgießmaschine, Extrusionsanlage und Thermoformmaschine vorgestellt. Die Studierenden wurden in zwei Gruppen aufgeteilt, die jeweils einen theoretischen Teil des Labors bearbeitet sowie die praktischen Versuche durchgeführt haben. Ziel dieser Arbeit ist es, die Versuchsdurchführungen der Gruppe 2 darzustellen und die daraus entstandenen Ergebnisse aufzuzeigen.

2. Spritgießen

2.1 Theoretische Grundlagen

Das Spritzgießen ist eines der bedeutendsten Umformverfahren, das hauptsächlich in der Kunststoffverarbeitung eingesetzt wird. Mit diesem Fertigungsverfahren werden die Bauteile wirtschaftlich in großen Stückzahlen und mit sehr hoher Reproduziergenauigkeit hergestellt. In kürzester Zeit werden die Formteile direkt vom Rohstoff zum Fertigteil produziert, die keine oder nur geringere Nacharbeit benötigen. Sie weisen zwei Merkmale auf: Es sind die Einspritzpunkte und die Auswerferabdrücke zu sehen, da sich das Bauteil beim Auswerfen noch ein bisschen in einem weichen Zustand befindet. Dieses Verfahren dient auch zur Herstellung von Bauteilen mit komplizierter Geometrie, die nur in einem Arbeitsgang vollautomatisch produziert werden können. Dabei werden thermoplastische Kunststoffe (Granulat) durch die rotierende Schnecke unter der Temperatureinwirkung aufgeschmolzen. Danach wird die Schmelze, die sich axial zu der Schneckenrotation bewegt, unter hohem Druck in das geschlossene Werkzeug eingespritzt. Mit Hilfe eines Hohlraums (Kavität) bekommt das Bauteil seine gewünschte Form. Anschließend erfolgt die Abkühlungsphase, in der ein stabiler Formzustand erreicht wird. Danach kann das Fertigteil ausgeworfen oder entnommen werden. Dies geschieht in einem Zyklus, dessen Schritte wie folgt aussehen:

1) Der Ausgangszustand ist wenn

- Werkzeug öffnen
- Die Schmelze ist plastifiziert
- Die Plastifiziereinheit ist zurückgefahren

2) Werkzeug schließen und Plastifiziereinheit vorfahren

3) Beginn der Abkühlzeit, während der Abkühlzeit

- Nachdruck
- Plastifizeiren (Dosieren)
- Plastifiziereinheit zurück

4) Werkzeug öffnen und Bauteil auswerfen.[1]

2.2 Versuchsaufbau

Im Labor wurden die Versuche mit der Spritzgießmaschine Arburg Allrounder 270 S, 400-100 durchgeführt.

Vor den Laborübungen erfolgte eine Einweisung in die Maschinenbedingung und es wurden einige Prozessparameter wie folgt eingestellt:

- Temperatur der Schmelze (→ Viskosität )
- Einspritzgeschwindigkeit 30 cm³/s
- Druckverlauf bzw. Zeiten während der Abkühlung: Nachdruck von 450 bar, Abkühlzeit von 15 s
- Bauteil- und Werkzeugauslegung im Hinblick auf Schmelzfluss
- Temperatur im Werkzeug auf 20 °C
- Dosiermenge: V = 15 cm³

Für das Verfahren wurde das Polypropylen-Granulat genommen, aus dem nach dem Spritzgießen die Zugstäben entstehen, die später für das Kriechverfahren der Kunststoffe verwendet werden können. Das Polypropylen-Material weist eine Temperatur von 30 °C auf, die in der Abbildung 2 im blau markierten Feld zu sehen ist. In den weiß markierten Feldern sind die Temperaturen eingestellt, die für den Prozess wichtig sind.

2.3 Versuchsdurchführung

Nach einem Spritzgießzyklus bleibt die Spritzgießmaschine stehen, da sie im halbautomatischen Betrieb gefahren wird. Es wurden die Zugstäbe aus dem Polypropylen-Material spritzgegossen. In diesen Versuchen ging es um die Ermittlung des Restmassevolumens (der optimalen Dosiermenge) und der optimalen Nachdruckdauer, die in den nachfolgenden Kapiteln näher beschrieben werden.

2.3.1 Füllreihe und Ermittlung der optimalen Dosiermenge

Die optimale Dosiermenge ist erreicht, wenn am Ende der Nachdruckzeit das Schmelzvolumen von der Schneckenspitze ca. 5 % des Einspritzvolumens beträgt.[2] Um dieses zu ermitteln wurde dieser Versuch mit einem sehr kleinen Plastifiziervolumen von 15 cm³ angefangen und dann das Dosiervolumen in Schritten von 5 cm³ von Zyklus zu Zyklus erhöht. Die Volumenänderung erfolgt während des Nachdrucks vor dem Dosieren. Die Ergebnisse des Spritzgießens von den Zugstäben sind in der Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1: Ermittlung der optimalen Dosiermenge beim Spritzgießen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: eigene Darstellung

Das optimale Dosiervolumen (Restmassevolumen) wurde somit bei 36 cm³ erreicht und das Schmelzvolumen beträgt am Ende der Nachdruckzeit von der Schneckenspitze ca. 1,5 % des Einspritzvolumens.

2.3.2 Ermittlung der optimalen Nachdruckdauer

Die optimale Nachdruckdauer ist erreicht, wenn sich das Gewicht eines Teils nicht mehr ändert, also wenn Siegelpunkt erreicht ist. Bei diesem Versuch hat man mit einer Nachdruckdauer von fünf Sekunden angefangen und diese dann von Zyklus zu Zyklus in fünf Sekunden-Schritten erhöht. Mit einer Einstellung wurden jeweils drei Teile gespritzt und nacheinander gewogen. Aus diesen drei Gewichten wurde der Mittelwert ermittelt und dann in einem nachfolgenden Diagrammüber der Nachdruckdauer aufgetragen.

Abbildung 4: Optimale Nachdruckdauer - Spritzgießen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: eigene Darstellung

Die optimale Nachdruckdauer ist bei 25 s erreicht, da der Mittelwert von 26,3 g der drei Gewichte bei 30 s nicht mehr ändert.

2.3.3 Analyse der Merkmale spritzgegossener Bauteile

Im Labor lag eine Reihe von spritzgegossenen Bauteilen vor, die anhand der vorgegebenen Fragestellungen analysiert wurden.[3]

I. Beispiel Gehäusebestandteile einer Heckenschere

Der Anschnitt befindet sich am Griff und es handelt sich um einen Tunnelanguss. Er hat die Auswirkung, dass der Schmelzweg in Form eines Rings aussieht, womit dann die heiße Schmelze sich beim Spritzgießen relativ gut bewegen kann. Eine Veränderung der Lage des Anschnitts auf der gegenüberliegenden Seite hat dann die Auswirkung, dass die Schmelze einen langen Schmelzweg hat und schon am Griff erstarrt auftritt und sich somit nicht richtig mischen lässt. Dadurch entsteht eine Bindenaht, die dann die Festigkeit des Bauteils schwächt. Die Auswerferseite befindet sich in der Innenseite des Bauteils, da hier die Auswerferabdrücke zu sehen sind. Die Düsenseite ist die Außenseite des Bauteils, da die gewölbten Teile immer auf der Düsenseite angehängt werden. Das Bauteil weist einige Funktionselemente auf: Die Luftungsgitter, die Schraubenführung, die Kabelzuführung, sowie die Motorlagerung und –halterung. Die Rippen wurden im Bauteil so angeordnet, um die Fließrichtung der Schmelze zu unterstützen sowie die Stabilität gegen Torsionsbelastung zu gewährleisten. Für das Gehäuse wurde das Werkstoff PA6-GF30 angewandt, weil es von den äußeren Kräften nicht so beansprucht wird wie z.B. der Griff aus dem Werkstoff PA6-GB20-GF30, der im Betrieb auf den Druck und den Zug belastet wird.

II. Herstellungsfehler

Es lag ein Teil SG 9.12 (Rohrmuffe) vor, an dem einige fehlerhaften Merkmale festgestellt wurden:

- Die Einfallstelle ist umlaufend an der Formteiloberfläche, wodurch die Festigkeit des Bauteils geschwächt wird. Dieser Fehler kann mit den einzelnen Erhebungen beseitigt werden.
- Die Bindenaht die als eine kratzer- bzw. kerbenartige Linie sichtbar ist, lässt sich bei der Konstruktion nicht verhindern, aber kann durch das Aufheizen des Werkzeugs verbessert werden.

Es wurden zwei Gehäuse SG 9.7 und SG 9.8 miteinander verglichen. Bei dem Teil SG 9.7 hat man gesehen, dass die Außenwände nach innen verformt sind. Um diese Verformung zu vermeiden hat man bei dem Teil SG 9.8 die richtige Versteifung vorgesehen.

III. Anguss-System und Beispiel Spritzgießwerkzeug

Bei dem Bauteil SG 3.14 (Bohrmaschinengehäuse) geht es um einen Scheibenanguss bzw. einen Telleranguss, bei dem zur Entformung des Bauteils drei Schieber benötigt werden. Bei dem Spritzgießwerkzeug wurden die Bauelemente dem vorgegebenen Text bzw. dem Spulenkörperwerkzeug zugeordnet.

3. Extrudieren

3.1 Theoretische Grundlagen

Das Extrudieren ist ein kontinuierliches Verfahren zum Herstellen von Halbzeugen und Fertigteilen. Dabei werden Kunststoffe oder andere zähflüssigen härtbaren Materialien kontinuierlich durch eine Düse gepresst. Durch einen Extruder mittels Heizung und inneren Reibung wird der Kunststoff, auch das Extrudat genannt, aufgeschmolzen und homogenisiert. Dabei wird der Druck aufgebaut, der für das Durchfließen der Schmelze in der Düse notwendig ist. Nach dem Austreten aus der Düse erstarrt der Kunststoff in einer Kalibrierung. Durch die Extrusion können Platten, Rohre, Folien, Profile beliebigen Querschnitts hergestellt sowie die Vorprodukte beschichtet und ummantelt werden. Wie die Abbildung 5 zeigt, besteht eine Extrusionsanlage aus einigen Komponenten, die bestimmte Aufgaben für das Verfahren ausführen.

Abbildung 5: Extrusionsanlage

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Frey G., Eckhardt D. (o. J.), S. 20

1) Extruder: Aufschmelzen und Homogenisieren des Werkstoffs, Druckaufbau.
2) Werkzeug: Formen der Schmelze.
3) Kalibrierung: Fixierung der Geometrie, Abkühlen der Randschicht des Profils.
4) Kühlwasserbad: weiteres Abkühlen des Profils.
5) Raupenabzug: Profilvorschub durch Zug, Ziehen des Profils durch Kalibrierung und Kühlstrecke.
6) Konfektionierung: wie Säge und Stapelvorrichtung, Wickler oder Ähnliches.[4]

3.2 Versuchsaufbau

Die Laborversuche wurden mit einem Nutbuchsenextruder der Firma Extrudex, Typ ED-N45-25D, durchgeführt. Die Anlage besteht aus einer Scheibenkalibrierung, einem Wasserbad und einem Bandabzug. Das extrudierte Rohr wird in einem Vakuumkalibriertank kalibriert, indem es durch die Lochblenden, die im Wassertank angebracht sind, gezogen wird. Hierbei wird das Rohr auch effektiv gekühlt, da es mit dem Kühlwasser direkt in Berührung kommt. Dadurch wird die werdende erstarrte Randschicht zunehmend dicker. Die Kalibrierung für Laborversuche wurde mithilfe eines Feinregulierungsventils mit Rohrinnendruck betrieben. Sobald ein ca. 10 cm langes Schmelzestück aus einem Dornhalterwerkzeug austritt, wird dieses mit einem gezogenen Drahtstück durch das Andrücken verbunden. Hierfür wird der Extruder ausgeschaltet und fährt dann wieder an, wenn eine kurze Abkühlung stattgefunden hat. Das Feinregulierventil bringt die Stützluft auf und dient dazu, dass der Schmelzeschlauch durch die Lochblende der Kalibrierung gedrückt wird. Das Schmelzestück mit dem angedrückten Draht wird der Schlauch langsam durch die Lochblenden gezogen. Dabei muss man immer darauf achten, dass im Kühlbad genügend Kühlwasser vorhanden bleibt, sodass das Profil vollständig unter dem Wasser bleibt. Der stationäre Betrieb erfolgt, wenn das extrudierte Rohr am Bandabzug auftritt. Hierbei wird die erforderliche Geschwindigkeit je nach der Sollwanddicken eingestellt.[5]

3.3 Versuchsdurchführung

Mit der vorgestellten Extrusionsanlage werden die Rohre aus dem Werkstoff Polystyrol hergestellt. In gemeinsamer Abstimmung wurden, in Abhängigkeit von der Schneckendrehzahl, die Stützluft und die Abzugsgeschwindigkeit so gewählt, dass ein stationärer Betrieb der Anlage erfolgt. Auf die richtige Füllhöhe des Kühlwasserbades wurde regelmäßig geachtet. Die Anlage wurde am Anfang mit dem Druck von 60 bar und mit der Drehzahl von 5 U/min sowie mit den folgenden Temperaturparametern eingestellt:

- Flanschheizung: 220 °C
- Werkzeugheizung: 220 °C
- Zylinderheizung 1: 200 °C
- Zylinderheizung 2: 210 °C
- Zylinderheizung 3: 210 °C
- Zylinderheizung 4: 220 °C

In nachfolgenden Versuchen geht es um die Ermittlung von dem Durchsatz des Extruders (Masse pro Zeiteinheit) sowie um das Messen der Geschwindigkeit des Bandabzuges.

3.3.1 Durchsatz des Extruders

In diesem Versuch wurde der Durchsatz des Extruders (Masse pro Zeiteinheit) in Abhängigkeit von der Drehzahl ermittelt. Der Versuch wurde mit drei verschiedenen Drehzahlen 10 U/min, 20 U/min und 30 U/min durchgeführt. Hierzu wurden jeweils drei Stücke in dem Takt von 30 Sekunden von der Masse abgestochen und gewogen. Die Ergebnisse dieses Versuchs sind in dem unten stehenden Diagramm dargestellt.

Abbildung 6: Ermittlung des Durchsatzes des Extruders

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: eigene Darstellung

Danach bei jeder Probe wurde das Mittelgewicht aus den einzelnen Gewichten berechnet:

3.3.2 Abzugsgeschwindigkeit

In diesem Versuch wurde die Geschwindigkeit des Bandabzuges, die als Weg schrittweise von 10 cm am Zählwerk abgelesen wurde, bei drei verschiedenen Geschwindigkeitseinstellungen gemessen. Die Messergebnisse sind in der Tabelle 2 zusammengefasst.

Tabelle 2: Messergebnisse der Abzugsgeschwindigkeit

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: eigene Darstellung

Die Abzugsgeschwindigkeit für eine Drehzahl von 30 U/min, bei der ein Rohr mit einer Wanddicke von drei Millimeter entsteht, betrug 3 m/min.

3.3.3 Analyse von extrudierten Beispielteilen

Das Wellrohr EX 41 wird mit dem Kalanderwalzen hergestellt. Das Verfahren ist ein System, das mehrere beheizte und polierte Walzen aus Schalenhartguss oder Stahl besitzt, die aufeinander angeordnet sind und durch deren Spalten die Schmelze oder andere Materialien hitdurchgeführt werden.[6]

Man hat sichüber die Folien Ex 39 und Ex 40 unterhalten. Es ging darum, mit welchem Extrusionsverfahren die beiden Folien hergestellt werden sowie welche Vor- und Nachteile deren Herstellungsverfahren haben (siehe Tabelle 3).

Tabelle 3: Analyse von extrudierten Beispielteilen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: eigene Darstellung

3.3.4 Berechnung der Abzugsgeschwindigkeit

Bei dieser Aufgabe ist die Einstellung der Abzugsgeschwindigkeit in Skalenteilen der Geschwindigkeitseinstellung gesucht. Hierfür ist die erforderliche Geschwindigkeit des Abzuges in m/s aus bekannten Daten zu berechnen sowie die Skaleneinstellungüber die versuchstechnisch ermittelte Skalatabelle zu ermitteln.

Gegeben:

- Außendurchmesser des Rohres:
- Wanddicke des Rohres:
- Länge des Rohres:
- Dichte des Werkstoffs:
- Drehzahl:
- In 30 s beträgt der Masseausstoß 61,65 g

Berechnung:

Ergebnis: Es wird in 100 Sekunden 205,84 g der Masse ausgestoßen.

4. Thermoformen von Kunststoffen

4.1 Theoretische Grundlagen

Das Thermoformen, auch als Vakuumformen, Warmformen oder Vakuumtiefziehen genannt, ist ein Verfahren zur Umformung thermoplastischer Kunststoffe. Dabei wird ein Halbzeug (Folie oder Platte) mithilfe von Infrarotstrahlen erwärmt und anschließend zu einem Formteil geformt, indem es von Vakuum auf ein Werkzeug gezogen wird. Durch einen Luftstrom mithilfe von Kühlgebläsen wird das Halbzeug abgekühlt. Nach der Abkühlung kann es entformt und anschließend ausgestanzt, ausgeschnitten oder besäumt werden. Wie die Abbildung 7 zeigt, läuft der Thermoformenprozess in vier Schritten ab.

Abbildung 7: Thermoformenprozess

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: eigene Darstellung

Das erwärmte Halbzeug wird entweder durch das Positiv-Formen oder durch das Negativ-Formen geformt. Beim Positiv-Formen wird die Platte auf ein erhabenes Werkzeug gezogen. Beim Negativ-Formen wird im Gegensatz zum Positiv-Formen die erwärmte Platte in einen Werkzeugholraum hineingezogen.[7]

4.2 Versuchsaufbau

Die Versuche wurden mit einer Einstationenmaschine Illig UA 60 E durchgeführt, für deren Betrieb die Automatik-Funktionen aktiviert werden mussten. Die Tastenbelegung findet man auf dem Hauptfeld, mit dessen Hilfe die Maschine eingestellt und in Betrieb genommen werden kann.

[...]


[1] Vgl. Frey G., Eckhardt D. (o. J.), S. 5

[2] Vgl. Frey G., Eckhardt D. (o. J.), S. 18

[3] Frey G., Eckhardt D. (o. J.), S. 18

[4] Frey G., Eckhardt D. (o. J.), S. 20

[5] Vgl. Frey G., Eckhardt D. (o. J.), S. 21 ff.

[6] Vgl. de.wikipedia.org/wiki/Kalander

[7] Vgl. Frey G., Eckhardt D. (o. J.), S. 32 ff.

Details

Seiten
34
Jahr
2016
ISBN (eBook)
9783668390393
ISBN (Buch)
9783668390409
Dateigröße
727 KB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v351900
Institution / Hochschule
AKAD University, ehem. AKAD Fachhochschule Stuttgart
Note
2,3
Schlagworte
FTE03 Spritgießen Extrudieren Thermoformen von Kunststoffen Programmieren nach DIN 66025 Rüsten und Programmieren eines NC-Bearbeitungszentrums NC-Programm NC-Programm im DIN 66025 Code

Autor

Zurück

Titel: Laborbericht der Fertigungstechnik. Spritgießen, Extrudieren und Programmieren