Fertigungstechnik

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Verarbeitung von Polyurethan

Hast Du dich morgens schon einmal gefragt welches Material in deiner Matratze dich nachts eigentlich so weich bettet? Wir zeigen es dir in diesem Beitrag!

Entstehung von Schaumstoffen

Wenn dich jemand fragt, aus was deine Matratze besteht, antwortest Du sicher direkt mit dem Begriff Schaumstoff. Dass Schaumstoff aber nicht gleich Schaumstoff ist, liegt an dem Kunststoff, den man für die Herstellung verwendet. Das ist Polyurethan.

Polyaddition von Isocyanaten

Je nachdem wie sich dieses chemisch zusammensetzt und welcher Aufbau vorliegt, verhält sich dieser Kunststoff unterschiedlich. Das Besondere ist, dass Polyurethan der einzige Kunststoff ist, der Thermoplast, Elastomer oder Duroplast sein kann. Polyurethane entstehen durch einen Reaktionsmechanismus, der Polyaddition heißt. Hierbei reagieren Isocyanate mit mehrwertigen Alkoholen und bilden sogenannte Polyaddukte. Anders als bei der Polykondensation entstehen keine Nebenprodukte.

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Polyaddition von Isocyanat

Schaumstoffe zeichnen sich dadurch aus, dass sie in ihrem Inneren kleine Einschlüsse besitzen. Um diese Struktur zu erzielen, muss der Ausgangsstoff Polyurethan einem Verfahren unterzogen werden, das man Schäumen nennt. Dabei unterscheidet man zwei Arten: das physikalische und das chemische Schäumen.

Physikalisches Schäumen

Bei der ersten Variante wird Stickstoff oder Kohlenstoffdioxid in die sogenannte Schmelze, hier unsere Polyurethanmasse, gegeben. Das erfolgt während des Plastifikationsprozesses. Dieser Prozess ist der Abschnitt, in dem ein Stoff vom festen in einen verformbaren Zustand übergeht. Im Video zu den Verfahren der Kunststofftechnik I hast du den Extruder kennengelernt, der genau diese Aufgabe durch Erwärmen und Bewegen der Masse übernimmt.

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Physikalisches Schäumen

Entweder wird das Gas direkt mit in diesen hineingegeben oder in die Düse am Ende eingespritzt. Das Gas dehnt sich unter Druck in der Schmelze aus, verdrängt sie an manchen Stellen und bildet die charakteristischen Hohlräume des Schaumstoffes. Da das Schäumen einen Druck in das Material einbringt, der von innen nach außen arbeitet, eignet es sich besonders gut für den Spritzguss. Das Gas arbeitet sich durch das Material und versucht zu entweichen. Im Werkzeug wird dadurch eine gute und gleichmäßige Verteilung erzielt, aus denen Bauteile entstehen, die kaum Schwindungsprozessen unterliegen. Unter Zugabe von Stickstoff und Kohlenstoffdioxid entstehen vergleichsweise weiche Schäume. Möchte man einen höheren Härtegrad erzielen, wird zum Beispiel Pentan zugeführt. Das ist technisch gesehen aber deutlich aufwändiger, da Explosionsgefahr besteht.  Alle Schaumstoffe haben jedoch eine Gemeinsamkeit: ihren Aufbau.

Das hergestellte Bauteil hat eine kompakte Außenschicht und ein Inneres, mit geringerer Dichte. Man spricht von einem Integralschaum. Wie groß die Schaumblasen und damit die Hohlräume werden, hängt von dem Zusammenspiel aus Druck, Temperatur und der Menge der Schmelze ab, die in das Werkzeug eingespritzt wird.

Chemisches Schäumen

Wenden wir uns der zweiten Variante, dem chemischen Schäumen zu. Hier ist der Prozess ähnlich. Auch hier wird dem Kunststoff während der Plastifikation etwas zugemischt. Diesmal sind es jedoch Treibmittel, die die Form von Pulver oder Granulat besitzen. Diese Treibmittel zersetzen sich in der Schmelze, je höher die Temperatur ist. Das Gas, das dadurch frei wird, ist meistens Kohlenstoffdioxid. Wenn die Druckeinstellung stimmt, löst es sich gleichmäßig in der Schmelze. Der restliche Ablauf der Verarbeitung ist dem des physikalischen Schäumens gleich. Es gibt allerdings einen Vorteil. Dadurch, dass das Treibmittel einfach durch Granulate oder Pulver beigemischt werden kann, muss man keine weiteren Einspritzvorrichtungen wie beim physikalischen Schäumen anbringen. Für den wirtschaftlich denkenden Fertigungstechniker bedeutet das, dass er Kosten einsparen kann!

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Chemisches Schäumen

Jetzt weißt du auch wie Schaumstoffe verarbeitet werden und kannst das Verfahren gleich deinem Matratzengefährten erklären!

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