Besonderheiten von Kunststoffen
Thermoplastische Kunststoffe finden aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften wie geringes Gewicht, Korrosionsbeständigkeit und kostengünstige Verarbeitbarkeit zunehmend Anwendung im Maschinen- und Anlagenbau. Ihr spezifisches Materialverhalten unterscheidet sich jedoch grundlegend von dem metallischer Werkstoffe.
Daher müssen bei der Auslegung, Konstruktion und insbesondere der spanenden Fertigung von Präzisionsteilen aus technischen Kunststoffen und Hochleistungskunststoffen einige Besonderheiten beachtet werden. Andernfalls können unerwünschte Maß- und Formabweichungen oder eine ungenügende Reproduzierbarkeit der Teilequalität die Folge sein.
Unterschiedliches Materialverhalten von Kunststoffen und Metallen
Thermoplaste zeigen als viskoelastische Materialien eine temperaturabhängige Steifigkeit und Festigkeit. Ab der Glasübergangstemperatur gehen sie in einen gummi- oder zähflüssigen Zustand über, während Metalle bis zur Rekristallisationstemperatur ihre Festigkeit weitgehend beibehalten. Diese fundamentalen Unterschiede führen zu besonderen Herausforderungen bei der spanenden Bearbeitung:
- unststoffe neigen aufgrund geringerer Warmformbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit eher zu thermisch bedingten Maß- und Formabweichungen
- Die höhere Elastizität führt zu stärkerer Rückfederung nach der Bearbeitung
- Kunststoffbauteile zeigen unter Belastung stärkere Durchbiegungen und Kriechneigung
- Die thermische Längenausdehnung ist 4–20 mal höher als bei Metallen
Zentrale Einflussfaktoren auf die Bauteilqualität
Die Form- und Maßhaltigkeit von Kunststoffbauteilen wird maßgeblich durch folgende Faktoren beeinflusst:
Feuchtigkeitsaufnahme: Einige Kunststoffe, besonders Polyamide, nehmen bis zu 3% Wasser auf, was zu erheblichen Volumenänderungen führt. Die lineare Quellung beträgt etwa 1/3 bis 1/4 der prozentualen Feuchtigkeitsaufnahme.
Thermische Längenausdehnung: Jeder Kunststoff ändert unter dem Einfluss von sich ändernden Temperatur auch sein Volumen. Diese Volumenänderung ist eine Folge der Molekülbewegungen und der damit verbundenen Änderung des mittleren Abstandes der Moleküle untereinander. Das Maß der thermischen Ausdehnung von Kunststoffen ist in den meisten Fällen um den Faktor 4 bis 5 höher als bei Stahl und liegt bei einzelnen Kunststoffen sogar um den Faktor 10 bis 20 darüber.
Eine Temperaturerhöhung um 10K führt bei den meisten technischen Thermoplasten zu einer Längenausdehnung von etwa 0,1%.
Eigenspannungen: Besonders bei stranggepressten oder extrudierten Halbzeugen können Eigenspannungen bei der Bearbeitung zu Verzug führen. Durch geeignete Wärmebehandlung (Tempern) lassen sich diese teilweise kontrolliert abbauen.
Diese materialspezifischen Eigenschaften müssen sowohl bei der Konstruktion als auch bei der Fertigung berücksichtigt werden. Nur durch ein tiefgreifendes Verständnis dieser Zusammenhänge lassen sich Präzisionsbauteile aus Kunststoff prozesssicher und wirtschaftlich herstellen.
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