Kunststofffertigung

Kunststoff ist die Bezeichnung für eine breite Palette von Materialien, die in immer neue Formen, Farben und Größen geformt werden können.

Produkte, die vollständig aus Kunststoff bestehen oder Kunststoffkomponenten enthalten, sind allgegenwärtig. Die Beispiele reichen von einfachen Gegenständen wie Büroklammern bis hin zu komplexen technischen Meisterleistungen wie Weltraumsatelliten.

Kunststoff hat diese Popularität erlangt, weil er relativ kostengünstig, vielseitig, leicht zu verarbeiten, haltbar, formbar und wasserbeständig ist.

Kunststoffe bestehen aus einer Vielzahl von synthetischen oder halbsynthetischen organischen Verbindungen, deren Hauptelement lange Molekülketten sind, die als Polymere bezeichnet werden. Diese Polymere verleihen Kunststoffen die Festigkeit und Flexibilität, um zu festen Gegenständen geformt zu werden.

Wissenschaftler und Chemieingenieure haben in den letzten 100 Jahren ein breites Spektrum an verschiedenen Kunststoffen entwickelt. Diese werden im Allgemeinen nach der chemischen Struktur ihres Primärpolymers in Gruppen zusammengefasst.

Einige der wichtigsten Gruppen sind:

• Acryle
• Polyester
• Silikone
• Polyurethane
• Halogenierte Kunststoffe

Die am häufigsten verwendeten Kunststoffe sind:

Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) - wird u. a. für Schutzgehäuse von Elektronik- und Elektrogeräten, Kfz-Verkleidungselemente, LEGO-Steine sowie Rohre und Rohrverbindungen verwendet. Es wird auch häufig als Material für den 3D-Druck verwendet (siehe Welche Kunststoffe werden im 3D-Druck verwendet?)
Polyamid (PA) - kommt sowohl in der Natur vor, zum Beispiel in Wolle und Seide, als auch synthetisch in Form von Nylons. Zu den Anwendungen gehören Textilfasern, Zahnbürstenborsten, Schläuche, Angelschnüre und Maschinenteile mit geringer Festigkeit.
Polycarbonate (PC) - ein widerstandsfähiges Material, das zur Herstellung von Compact Discs, Brillen, Schutzschilden, Sicherheitsfenstern, Verkehrsampeln und Brillengläsern verwendet wird.
Polyester (PES) - wird häufig in der Bekleidungs- und Textilindustrie verwendet.
Polyethylen (PE) - der gebräuchlichste Kunststoff, der vor allem in der Verpackungsbranche für Taschen, Folien und Behälter verwendet wird. Bei bestimmten Anwendungen wird er auch als Polyethylen bezeichnet.
Polyethylen hoher Dichte (HDPE) - wird häufig für geformte Flaschen, Kisten, Kunststoffholz und Rohrleitungen verwendet.
Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) - wird häufig für Möbel für den Außenbereich, Bodenfliesen, Duschvorhänge und Zweischalenverpackungen verwendet.
Polyethylenterephthalat (PET) - das gebräuchlichste thermoplastische Polyesterpolymer, das unter anderem für Bekleidungsfasern und Behälter für Flüssigkeiten und Lebensmittel verwendet wird.
Polypropylen (PP) - wird u. a. für Automobilteile, Verpackungen, Etiketten, Textilien, Schreibwaren, wiederverwendbare Behälter und Polymer-Banknoten verwendet.
Polystyrol (PS) - wird zur Herstellung von Schaumstoffverpackungen, Lebensmittelbehältern und Einweggeschirr verwendet.
Hochschlagfestes Polystyrol (HIPS) - wird häufig zur Herstellung von Spielzeug, Kühlschrankauskleidungen, Lebensmittelverpackungen und Automatenbechern verwendet.
Polyurethan (PUR und PU) - der am häufigsten verwendete Kunststoff in der Automobilindustrie. Weitere Verwendungszwecke sind Polsterschäume, Wärmedämmformen, Oberflächenbeschichtungen und Druckwalzen.
Polyvinylchlorid (PVC) - zu den üblichen Anwendungen für Hart-PVC (RPVC) gehören Sanitärrohre, Dachrinnen, Türen, Fenster und Bank- oder Mitgliedskarten. Weich-PVC (FPVC) wird für Duschvorhänge, Bodenbeläge, Kunstleder, aufblasbare Produkte und als Ersatz für Gummi verwendet.

Ob aus petrochemischem oder biologischem Material gewonnen, der Prozess zur Herstellung von Kunststoff umfasst fünf Schritte:

• Extraktion 

Die Rohstoffe werden entweder aus Erdöl (Rohöl), Erdgas und Kohle oder aus erneuerbaren Rohstoffen wie Pflanzenstärke oder Zuckerrohr gewonnen. Das extrahierte Material enthält viele verschiedene Verbindungen, die aufgespalten und voneinander getrennt werden müssen.

• Raffinierung

Durch Erhitzen wird das Material in verschiedene Monomere (Moleküle) umgewandelt, so dass die verwertbaren Elemente leichter von Verunreinigungen und Schadstoffen getrennt werden können. Im Falle von Erdöl gehören zu diesen Monomeren flüssige Kraftstoffe, Schmiermittel, Petrochemikalien und Naphtha, ein wichtiger Bestandteil bei der Herstellung von Kunststoffen.

• Polymerisation 

Durch eine Kombination aus Hitze und Druck werden dann Ketten dieser Monomere chemisch miteinander verbunden, um Polymere zu erzeugen, die Bausteine aller modernen Kunststoffe.

• Compoundierung

Zusatzstoffe werden den Polymeren beigemischt, um Kunststoffe mit unterschiedlichen Stärken und Anwendungen zu erzeugen. So werden beispielsweise UV-Stabilisatoren hinzugefügt, um den Kunststoff ähnlich wie Sonnenschutzmittel die Haut zu schützen. Andere Zusatzstoffe sind Glasfasern, um die Festigkeit zu erhöhen, oder Chemikalien, die den Kunststoff zersetzen und biologisch abbaubar machen.

• Extrusion

Im letzten Schritt wird das geschmolzene Gemisch mechanisch extrudiert oder ausgepresst, in der Regel in langen Rohren oder Platten. Diese werden dann je nach Verwendungszweck in Platten oder Pellets unterschiedlicher Form, Größe und Farbe zerkleinert und an die Hersteller versandt, die sie zu unzähligen Produkten verarbeiten.

Bei der Herstellung von Kunststoffen kommen unterschiedliche Verfahren zum Einsatz, aber fast alle beginnen mit der Erhitzung der Kunststoffplatten oder -granulate. Zu den gängigsten Verfahren gehören:

• Extrusion - dieses Verfahren ähnelt sehr der Herstellung von Kunststoff selbst. Das Kunststoffgranulat wird in einem temperaturgeregelten Zylinder erhitzt und mit Hilfe einer mechanischen Schnecke durch eine Metalldüse gepresst. Durch das Abkühlen des austretenden Kunststoffs wird die Form fixiert und kann auf die gewünschte Länge zugeschnitten werden.   
• Spritzgießen: Erhitztes Granulat wird geschmolzen und über eine Schnecke in einen temperaturgeregelten Formhohlraum gespritzt. Die Form wird dann geschlossen und abgekühlt, damit der Kunststoff in seiner endgültigen Form aushärten kann. Dieses Verfahren ist ideal für die Großserienfertigung, da es viele Teile in kurzer Zeit herstellen kann. Es kann zur Herstellung kleiner Teile wie Flaschenverschlüsse oder großer Gegenstände wie Stoßstangen und Mülltonnen verwendet werden.
• Spritzblasen - dieses Verfahren ähnelt dem Spritzgießen, verwendet jedoch Druckluft, um den geschmolzenen Kunststoff in den Formhohlraum zu drücken. Bei dieser Technik ist das hergestellte Objekt nicht massiv, sondern hohl.
• Rotationsgießen - ähnelt dem Spritzblasformen, bei dem ein hohler Gegenstand hergestellt wird. Der Unterschied besteht darin, dass die Form nach dem Befüllen gedreht wird, wobei der Kunststoff durch den Zentrifugaldruck in den Hohlraum gepresst wird und nicht durch Luft. Objekte, die mit dieser Technik hergestellt werden, können nicht so raffiniert sein wie solche, die im Spritzblasverfahren hergestellt werden.
• Thermoformen - hierbei wird eine Kunststoffplatte erhitzt, bis sie geschmeidig ist, und das erweichte Material dann über eine Form gestreckt, so dass es sich der Form anpasst. Bei komplexeren Formen kann ein Vakuum im Inneren der Form verwendet werden, um das Material fest an die Form zu saugen. Dies wird als Vakuumformung bezeichnet. Sowohl beim Thermoformen als auch beim Vakuumformen können viele Objekte sehr schnell hergestellt werden.

Kunststoff ist so weit verbreitet, weil er mehrere entscheidende Vorteile bietet: 

• Vielseitigkeit - Es gibt zahlreiche Arten von Kunststoffen, jeder mit seinen eigenen einzigartigen Eigenschaften.
• Verarbeitbarkeit - Kunststoff ist leicht zu verarbeiten und kann schnell in Formen unterschiedlicher Größe, Farbe und Transparenz geformt werden.
• Langlebigkeit - Je nach Herstellungsart sind Kunststoffe sehr zäh, widerstandsfähig und resistent gegen Wasser und Chemikalien. Ihre Festigkeit kann durch die Beimischung von Zusatzstoffen wie Glas- oder Kohlenstofffasern noch erhöht werden. 
• Hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis: Wenn schwerere Metall- oder Glasgegenstände durch Kunststoff ersetzt werden, können die Vertriebskosten für Lebensmittel- und Getränkebehälter erheblich gesenkt oder der Kraftstoffverbrauch eines Fahrzeugs erhöht werden.  
• Niedrige Kosten - Trotz des relativ komplizierten Herstellungsprozesses lässt sich Kunststoff leicht in Massenproduktion herstellen, was ihn erschwinglich und praktisch macht. 
• Recycelbarkeit - Die Liste der Kunststoffe, aus denen neue Produkte hergestellt werden können, wird immer länger, auch wenn einige der damit verbundenen Verfahren noch nicht weit verbreitet sind. 

Kunststoffe haben jedoch eine Reihe von Nachteilen, die es zu beachten gilt:

• Nicht erneuerbare Quellen - die große Mehrheit der heute hergestellten Kunststoffe wird aus endlichen Ressourcen wie Erdöl, Erdgas oder Kohle gewonnen.  
• Einmaliger Gebrauch - ein Großteil der heute verwendeten Kunststoffe ist für den einmaligen Gebrauch und die Entsorgung bestimmt. Wird das Material nicht ordnungsgemäß entsorgt, z. B. durch Sammeln für das Recycling, verbleibt es wahrscheinlich für Hunderte von Jahren in der Umwelt.
• Wiederaufbereitungskosten: Die Kosten für das Recycling einiger Kunststoffarten sind sehr hoch, und der Prozess kann komplizierte Sortier- und Reinigungssysteme erfordern. Außerdem können Kunststoffe in der Regel nur eine Handvoll Mal recycelt werden, bevor die Qualität für die Verwendung zu schlecht wird. Ein Material wie Glas oder Aluminium hingegen verschlechtert sich während des Prozesses nicht, so dass es unendlich oft recycelt werden kann.
• Niedriger Schmelzpunkt - Viele Kunststoffe haben einen relativ niedrigen Schmelzpunkt, was sie für die Verwendung bei hohen Temperaturen ungeeignet macht. 
• Entflammbarkeit - Kunststoffe, die Kohlenstoff und Wasserstoff in ihren Polymermolekülen enthalten, sind oft sehr flüchtig. Sie brennen schnell und setzen giftige Gase frei, die explosiv sein können und als Brandbeschleuniger dienen.