Glat­te Schnitt­flä­chen: Stanz­pro­zes­se wer­den optimiert

Das jun­ge Unter­neh­men Sta­no­va Stanz­tech­nik ist dem idea­len Schneid­spalt zum Stan­zen von Kunst­stof­fen auf der Spur. Eine Hoch­ge­schwin­dig­keits­ka­me­ra lie­fert eine neue Sicht auf den Stanzprozess.
Das Unter­neh­men unter­sucht seit Län­ge­rem die Bedin­gun­gen für rück­stands­frei­es Stan­zen von Kunst­stof­fen. Grat und Flu­sen ver­ur­sa­chen nicht nur Kos­ten, da sie in einem zusätz­li­chen Pro­zess­schritt ent­fernt wer­den müs­sen. Sie stel­len auch eine Gefahr für Werker*innen dar und gefähr­den die Betriebs­si­cher­heit. Dabei hat sich vor allem der Kunst­stoff PC-ABS als diven­haft erwie­sen. Wäh­rend PVC durch eine hohe Stanz­ge­schwin­dig­keit und einen rela­tiv klei­nen Schneid­spalt qua­li­ta­tiv sau­ber und rück­stands­frei getrennt wer­den kann, hel­fen die­se Para­me­ter bei der Bear­bei­tung von PC-ABS nicht. Doch genau die­ser ist der attrak­ti­ve­re Werk­stoff: PC-ABS ersetzt zuneh­mend PVC als Stan­dard­kunst­stoff, der bei Tem­pe­ra­tu­ren ab ca. 210 °C Chlor frei­setzt, das sich mit Was­ser­stoff zu Salz­säu­re ver­bin­den kann. Außer­dem muss bei eini­gen Anwen­dun­gen wie im Schie­nen­fahr­zeug­bau die inter­na­tio­na­le Norm UL94 für die Ent­flamm­bar­keit von Kunst­stof­fen ein­ge­hal­ten wer­den. PC-ABS kann die­se Anfor­de­rung ohne den Zusatz von umwelt­ge­fähr­li­chen und gesund­heits­schäd­li­chen Halo­ge­nen erfüllen.

„Es lohnt sich, die Fak­to­ren für glat­te Schnitt­flä­chen bei Kunst­stof­fen her­aus­zu­ar­bei­ten. Davon kön­nen die Unter­neh­men pro­fi­tie­ren, die bis­her auf eige­ne, kost­spie­li­ge Art Rück­stän­de an ihren Werk­stof­fen ent­fer­nen mussten”

Sta­no­va Geschäfts­füh­re­rin Kat­rin Lechler

Um die ther­mo­plas­ti­schen Kunst­stof­fe PC-ABS und PVC sys­te­ma­tisch und wis­sen­schaft­lich zu unter­su­chen, hat Sta­no­va die Hoch­schu­le für Tech­nik und Wirt­schaft (HTW) Ber­lin mit ins Boot geholt. Die­se hat Grund­la­gen­for­schung betrie­ben, um sich dem Ziel, die Qua­li­tät der Stanz­pro­duk­te aus PC-ABS zu heben, zu nähern.
In bis­he­ri­gen Stu­di­en wur­de meist ver­sucht, das Mate­ri­al­ver­hal­ten durch die Varia­ti­on des Mischungs­ver­hält­nis­ses von PC zu ABS, des Buta­di­en-Gehalts im ABS, der Pro­zess­pa­ra­me­ter beim Extru­die­ren und Mischen und der optio­nal ver­wen­de­ten Addi­ti­ve zu beherr­schen. Sta­no­va und die HTW haben einen neu­en Ansatz gefun­den, um das Stan­z­er­geb­nis an PC-ABS Werk­stof­fen zu opti­mie­ren: Es wur­de eine glä­ser­ne Schneid­buch­se gefer­tigt, die Ein­blick in den Stanz­pro­zess gewährt. Die­ser wird mit Hil­fe einer Hoch­leis­tungs­ka­me­ra gefilmt. Es ent­stan­den 73 Auf­nah­men mit Mate­ri­al­stär­ken zwi­schen 1,4 mm und 1,2 mm.

Mit die­ser unkon­ven­tio­nel­len Unter­su­chungs­me­tho­de kann das Mate­ri­al­ver­hal­ten von PVC und PC-ABS wäh­rend des Stanz­pro­zes­ses dar­ge­stellt und anschlie­ßend ver­gli­chen wer­den. Das jun­ge Unter­neh­men Sta­no­va wird damit sei­nem Anspruch gerecht, Neu­es zu wagen, um ein­ge­fah­re­ne Abläu­fe in der Kunst­stoff­bran­che dyna­mi­scher und ener­gie­ef­fi­zi­en­ter zu gestal­ten. Das sind die vor­läu­fi­gen Ergebnisse:
PVC weist eine gerin­ge Bruch­deh­nung auf. Nach leich­ter Defor­ma­ti­on zeigt das Mate­ri­al schon ers­te Anzei­chen des für PVC typi­schen Weiß­bruchs, also eine Weiß­fär­bung auf­grund der Ver­stre­ckung von Mate­ri­al­strän­gen. Zum Ende des Vor­gangs erfolgt ein Scher­bruch mit gering­fü­gi­ger duk­ti­ler Defor­ma­ti­on. Der Ver­sa­gens­me­cha­nis­mus des Mate­ri­als gleicht einem spon­ta­nen, sprö­den Gewaltbruch.
PC-ABS hin­ge­gen scheint sich wie Kau­gum­mi zu deh­nen und sich mit jeder Faser dem Trenn­vor­gang zu wider­set­zen. Oder anders aus­ge­drückt: PC-ABS wird so lan­ge plas­tisch ver­formt, bis die Scher­fes­tig­keit des Mate­ri­als lokal über­schrit­ten wird. Wahr­schein­lich fin­det bei der Bear­bei­tung von PC-ABS kein klas­si­scher Stanz­pro­zess inklu­si­ve Rest­bruch statt, das Mate­ri­al muss statt­des­sen über sei­ne gesam­te Mate­ri­al­stär­ke geschnit­ten werden.

Wei­te­re Ver­su­che erga­ben, dass ein rela­tiv zur Mate­ri­al­stär­ke klei­ner Schneid­spalt zu einer ver­mehr­ten Flu­sen­bil­dung führt. Flu­sen sind uner­wünscht, da sie zur Ver­stop­fung der Schneid­buch­se und wei­te­rer Bau­tei­le in der Umge­bung füh­ren kön­nen, aber auch Mikro­plas­tik­par­ti­kel dar­stel­len, die in die Umge­bung gelan­gen. Bei Medi­zin­pro­duk­ten kön­nen sie zum Bei­spiel in den Kör­per gelan­gen. Bei PVC dage­gen ist es genau anders her­um: ein klei­ner Schneid­spalt ver­rin­gert Grat und Flu­sen am Werk­stück. In die­ser ver­wir­ren­den Situa­ti­on lie­fern die Nah­auf­nah­men des Stanz­pro­zes­ses wich­ti­ge Erkennt­nis­se: Offen­bar ent­ste­hen Flu­sen beim Werk­stoff PC-ABS, wenn der Stanz­ab­fall, auch But­zen genannt, nicht kom­plett vom Werk­stück getrennt wur­de. Die­se letz­te Mate­ri­al­ver­bin­dung zwi­schen But­zen und Werk­stück längt sich wäh­rend des Stanz­pro­zes­ses im Schneid­spalt, wäh­rend der Schneids­tem­pel den But­zen nach unten abführt. Die Flu­sen gelan­gen also nicht in den Schneid­spalt, son­dern ent­ste­hen dort.
 

Die Auf­nah­men mit dem unbe­kann­ten Film­star „Stanz­pro­zess“ haben sich gelohnt: Zum einen konn­te das Mate­ri­al­ver­hal­ten von PC-ABS und PVC visua­li­siert wer­den. Zum ande­ren ist nun die ambi­va­len­te Rol­le des Schneid­spalts deut­lich gewor­den. Außer­dem ist ein drit­ter, wich­ti­ger Fak­tor her­vor­ge­tre­ten, der für die Stanz­qua­li­tät von Bedeu­tung ist: Der Nie­der­hal­ter beginnt nach dem Auf­set­zen auf das Mate­ri­al zu schwin­gen. Er kann also sei­ne Funk­ti­on, die im Fest­hal­ten des Mate­ri­als wäh­rend des Stanz­vor­gangs besteht, nicht erfül­len. Die­ses Schwin­gen scheint sich jedoch nur auf die Stanz­qua­li­tät von PC-ABS nega­tiv aus­zu­wir­ken, beim PVC scheint es kei­nen oder nur gering­fü­gig nega­ti­ven Effekt zu haben. Wird die Funk­ti­on des Nie­der­hal­ters opti­miert, wer­den bei PC-ABS bes­se­re Ergeb­nis­se mit Blick auf Grat- und Flu­sen­frei­heit erzielt. Mög­li­cher­wei­se liegt das an der höhe­ren Bruch­deh­nung von PC-ABS gegen­über PVC. Eine Opti­mie­rung des Nie­der­hal­ters wur­de erreicht, in dem sei­ne Mas­se ver­rin­gert bzw. die Feder­kraft erhöht wur­de. Hier­durch wird die Eigen­fre­quenz des Nie­der­hal­ter­sys­tems bzw. der beweg­ten Tei­le erhöht, wodurch die Schwin­gung zu einem frü­he­ren Zeit­punkt abklingt. Wei­ter­hin könn­ten die Schwin­gun­gen ver­rin­gert wer­den, indem schwin­gungs­dämp­fen­den Ele­men­ten ein­ge­baut werden.
Sta­no­va und die HTW wer­den Fol­ge-Ver­su­che durch­füh­ren, bei denen wei­te­re Kunst­stof­fe in ver­schie­de­nen Mate­ri­al­stär­ken betrach­tet wer­den. Ziel ist es, eine je nach Mate­ri­al und Stär­ke idea­le Schneid­spalt­grö­ße zu fin­den, die glat­te Schnitt­flä­chen garantiert.
Autoren:
Prof. Dr.-Ing. Roland Heiler
Kat­rin Lechler
Sebas­ti­an F. Noller
Prof. Dr.-Ing. Anja Pfennig