CNC-Bearbeitung von Acryl | Material, Prozess, Anwendung

Acryl oder Polymethylmethacrylat (PMMA) ist ein vielseitiger thermoplastischer Kunststoff, der aufgrund seiner hohen optischen Klarheit, Oberflächenhärte und Witterungsbeständigkeit in der industriellen Fertigung weit verbreitet ist und häufig als leichte, bruchfeste Alternative zu Glas eingesetzt wird. Um bei Acrylbauteilen Präzision zu erzielen, ist ein genaues Verständnis seiner Eigenschaften und deren Wechselwirkung mit verschiedenen Bearbeitungs- und Umformverfahren erforderlich. Dieser Artikel bietet einen Überblick über Acrylkunststoff und die in der Produktion verwendeten Verarbeitungsmethoden.

Was ist Acryl?

Polymethylmethacrylat, allgemein bekannt als Acryl, entsteht durch die Additions-Polymerisation von sich wiederholenden Methylmethacrylat-Monomeren unter Öffnung der C=C-Doppelbindungen. Seine Summenformel lautet (C₆₀).₅H₈O₂)_n, wobei n den Polymerisationsgrad angibt, der typischerweise zu einem Molekulargewicht zwischen 10,000 und 12,000 führt. Es hat eine Dichte von 1.18–1.19 g/cm³.³Es weist einen niedrigen Brechungsindex von etwa 1.49, eine Lichtdurchlässigkeit von 92 % und eine Trübung von maximal 2 % auf. Es handelt sich um ein organisches, transparentes Material.

Arten von Acryl

Acrylglasplatten lassen sich je nach Herstellungsverfahren in gegossene und extrudierte Platten unterteilen.

Gegossenes Acryl

Diese Platten weisen ein hohes Molekulargewicht auf und bieten dadurch ausgezeichnete Steifigkeit, Festigkeit und hervorragende chemische Beständigkeit. Daher eignen sie sich besonders für die Verarbeitung großflächiger Schilder und Plaketten, benötigen jedoch etwas mehr Zeit zum Erweichen. Die Platten zeichnen sich durch die Verarbeitung in kleinen Chargen, eine beispiellose Flexibilität bei Farbsystemen und Oberflächenstrukturen sowie ein umfassendes Sortiment an Produktspezifikationen für diverse Spezialanwendungen aus.

Extrudiertes Acryl

Extrudierte Acrylglasplatten weisen im Vergleich zu gegossenen Acrylglasplatten ein geringeres Molekulargewicht, etwas schwächere mechanische Eigenschaften und eine höhere Flexibilität auf. Diese Eigenschaft ist jedoch vorteilhaft für Biege- und Thermoformverfahren, da sie kürzere Erweichungszeiten ermöglicht. Bei der Verarbeitung großer Platten erleichtert sie verschiedene schnelle Vakuum-Saugformverfahren. Gleichzeitig ist die Dickentoleranz extrudierter Acrylglasplatten geringer als die von gegossenen. Da extrudierte Acrylglasplatten in der automatisierten Massenproduktion hergestellt werden, ist die Anpassung von Farben und Spezifikationen aufwendig, was die Produktvielfalt einschränkt.

Eigenschaften von Acryl

1. Physikalische Eigenschaften: PMMA weist hervorragende optische Eigenschaften auf, mit einer Lichtdurchlässigkeit von bis zu 92 %, die 10 % höher ist als die von anorganischem Glas. Es ist farblos, absorbiert nahezu kein sichtbares Licht, ist ultraviolett bei 270 nm durchlässig und lässt sich gut einfärben. Unter Hitzeeinwirkung zeigt es kaum Verfärbungen oder Ausbleichen. Es hat einen Brechungsindex von 1.49, eine Oberflächenreflexion von maximal 4 % und einen hohen Oberflächenglanz. Die relative Dichte von PMMA ist gering (1.17–1.20) und beträgt nur etwa die Hälfte der Dichte von anorganischem Glas.
2. Mechanische Eigenschaften: PMMA weist bei Raumtemperatur eine hohe mechanische Festigkeit auf und ist nur geringfügig temperaturabhängig. Die Festigkeit nimmt jedoch beim Annähern an den Erweichungspunkt und die Glasübergangstemperatur stark ab. PMMA besitzt eine geringe Oberflächenhärte und Kratzfestigkeit sowie eine niedrige Schlagzähigkeit, weshalb häufig eine Modifizierung mit Gummi erforderlich ist. Es weist eine hohe Wasseraufnahme und eine signifikante Dimensionsschrumpfung auf.
3. Thermische Eigenschaften: PMMA besitzt einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten, was zu erheblichen Dimensionsänderungen durch Temperaturänderungen führt.
4. Elektrische Eigenschaften: Über einen weiten Frequenzbereich sinkt der Leistungsfaktor von PMMA mit steigender Frequenz, wodurch es sich für den langfristigen Einsatz im Außenbereich eignet. Es weist eine gute Lichtbogen- und Kriechstromfestigkeit, einen hohen Oberflächenwiderstand und eine hohe elektrische Isolationsfähigkeit auf.
5. Chemische Resistenz: PMMA ist beständig gegen starke Säuren, starke Basen, anorganische Salze, Öle und aliphatische Kohlenwasserstoffe.
6. Alterungsbeständigkeit: PMMA besitzt eine ausgezeichnete Witterungsbeständigkeit. Selbst nach langjähriger Bewitterung verändern sich seine Transparenz und sein Glanz nur geringfügig.

CNC-Acrylbearbeitung

PMMA-Kunststoff kann mechanisch bearbeitet werden, unter anderem durch Sägen, Fräsen, Bohren und Reiben.

CNC-Bearbeitung Acryl Beispiel

Die unten abgebildete Zeichnung zeigt ein Acrylbauteil mit hohler, dünnwandiger Struktur. Es erfordert hohe Maßgenauigkeit und muss nach der Bearbeitung die ursprüngliche Lichtdurchlässigkeit des Materials beibehalten, um die Anforderungen an den Messbereich zu erfüllen.

Dieses Bauteil kann mit CNC-Drehmaschinen bearbeitet werden. Bei falscher Wahl der Prozessparameter und der Bearbeitungsreihenfolge können jedoch leicht Risse entstehen, was zu Ausschuss führt. Wird die Oberflächenbehandlung falsch durchgeführt, wirkt die Oberfläche rissig, die ursprüngliche Transparenz des PMMA geht verloren und die Anforderungen an die Verwendung werden nicht erfüllt.

Auswirkungen der Schnittwärme auf die Acrylbearbeitung

Die Wärmeleitfähigkeit von PMMA ist sehr gering und beträgt nur 1/450 bis 1/175 derjenigen gängiger Metalle. Die beim Schneiden entstehende Wärme kann sich nicht schnell verteilen und sammelt sich am Kontaktpunkt zwischen Werkzeug und Werkstück, was zu beschleunigtem Werkzeugverschleiß führt. Gleichzeitig ist der Wärmeausdehnungskoeffizient von PMMA 1.5- bis 2-mal höher als der von Metallen, und die Glasübergangstemperatur liegt bei etwa 100 °C. Übermäßige Schneidwärme verursacht Volumenänderungen und Verglasung, wodurch die Bearbeitungsgenauigkeit sinkt. Die Volumenausdehnung verstärkt zudem die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück und erzeugt so einen Teufelskreis aus steigender Wärme.

Da PMMA einen niedrigen Schmelzpunkt (nur 160–200 °C) aufweist, handelt es sich um einen thermoplastischen Werkstoff. Hohe Schnitttemperaturen führen leicht zum Schmelzen der bearbeiteten Oberfläche. Insbesondere bei der Bearbeitung von Innenbohrungen kann eine unzureichende Wärmeableitung zu Oberflächenrauigkeiten mit feinen, rissartigen Rissen führen. Dies wird oft fälschlicherweise für Materialversprödung oder innere Defekte gehalten. Transparenz- und Wasserdichtheitsprüfungen zeigen jedoch keine Undichtigkeit; vielmehr erfüllt das Bauteil die technischen Anforderungen an die Transparenz nicht, da es trüb erscheint und die natürliche Textur des Materials vermissen lässt.

Einfluss der Bearbeitungsparameter

Bei Raumtemperatur ist PMMA ein hartes und sprödes Material. Bei dünnwandigen Bauteilen führt eine falsche Wahl der Schnittparameter zu instabilen Schnittkräften, wodurch das Bauteil reißen oder sogar zerbrechen kann.

Oberflächenrauheit

Aufgrund seiner geringen Härte Oberflächenrauheit Die Oberflächenbeschaffenheit von PMMA nach der Bearbeitung ist oft mangelhaft. Um die technischen Anforderungen zu erfüllen, müssen nach der Bearbeitung spezielle Poliermaterialien und -verfahren eingesetzt werden.

Acryl-CNC-Bearbeitungslösung

Um Maßgenauigkeit, Oberflächenrauheit und die Einhaltung der technischen Anforderungen bei gleichzeitiger Steigerung der Ausbeute zu gewährleisten, wird die Innenbohrung nach der Bearbeitung der Stirnfläche und der Stirnflächenanschlagnut durchgeführt. Um ein Zurückfedern des Materials zu vermeiden, wird der Bohrvorschub auf 0.05–0.08 mm/min eingestellt. Gleichzeitig werden Fördermenge und Zufuhr des Kühlschmierstoffs kontrolliert, um eine gleichmäßige Temperatur während des Bohrvorgangs sicherzustellen. Nach Fertigstellung der Innenbohrung wird eine Anschlagvorrichtung eingesetzt. Ein Reitstockspitzenbohrer wird an der Hilfsbohrung der Vorrichtung angesetzt, um die axiale Begrenzung während der Außendurchmesserbearbeitung zu gewährleisten. Zuerst wird der Außendurchmesser von 50 mm unter Verwendung des Freiraums des Exzenterwerkzeugs bearbeitet, anschließend erfolgt ein einziger Durchgang zur Herstellung des Außendurchmessers von 20 mm, wodurch der Bearbeitungsprozess abgeschlossen wird.

Andere Acrylverarbeitungstechnologien

Zu den weiteren Technologien für die Acrylverarbeitung gehören Gießen, Spritzgießen, Extrudieren und Thermoformen.

Casting

Das Gießverfahren dient zur Herstellung von PMMA-Platten, -Stäben und anderen Profilen mittels Polymerisation in der Masse. Die gegossenen Produkte müssen nachbehandelt werden; typische Bedingungen sind 60 °C für 2 Stunden und 120 °C für 2 Stunden.

Spritzguss

Beim Spritzgießen werden körnige Materialien verwendet, die durch Suspensionspolymerisation hergestellt werden. Der Prozess wird auf Standard-Kolben- oder Schneckenspritzgießmaschinen durchgeführt.

Extrusion

Polymethylmethacrylat lässt sich auch extrusionsformen. Granulate aus Suspensionspolymerisation werden zur Herstellung von Platten, Stäben, Rohren und Bändern verwendet. Allerdings weisen so hergestellte Profile, insbesondere Platten, aufgrund des niedrigeren Molekulargewichts des Polymers im Vergleich zu gegossenen Profilen schlechtere mechanische Eigenschaften, eine geringere Hitzebeständigkeit und eine geringere Beständigkeit gegenüber Lösungsmitteln auf. Der Vorteil liegt in der hohen Produktionseffizienz, insbesondere bei Rohren und anderen Profilen, die sich mit Gießformen nur schwer herstellen lassen. Für die Extrusionsformung können ein- oder zweistufige belüftete Extruder mit einem Schneckenlängen-zu-Durchmesser-Verhältnis von üblicherweise 20 bis 25 eingesetzt werden.

Thermoformen

Thermoformen ist ein Verfahren zur Herstellung von Produkten unterschiedlicher Größe und Form aus PMMA-Platten oder -Streifen. Der Rohling wird auf die gewünschten Abmessungen zugeschnitten, in einen Formrahmen eingespannt, erhitzt, um ihn zu erweichen, und anschließend unter Druck gepresst, um die Formoberfläche optimal zu nutzen. Nach dem Abkühlen und Erstarren werden die Kanten beschnitten, um das fertige Produkt zu erhalten. Der Druck kann durch Vakuumziehen oder direkt durch eine Form aufgebracht werden. Bei der schnellen Vakuum-Niedrigzieh-Formgebung empfiehlt sich eine Temperatur nahe der unteren Grenze, für komplexe, tiefgezogene Produkte sollte hingegen eine Temperatur nahe der oberen Grenze verwendet werden. Üblicherweise werden normale Temperaturen angewendet.

Wärmebehandlung und Oberflächenbehandlung

Acrylprodukte neigen dazu, bei Nachbearbeitungsschritten wie der maschinellen Bearbeitung oder dem Thermoformen innere Spannungen zu entwickeln. Werden diese Spannungen nicht behandelt, können sie bei Einwirkung von Hitze, Lösungsmitteln oder Umwelteinflüssen zu Mikrorissen oder sogar zum Strukturversagen führen. Um dem entgegenzuwirken, ist bei Acrylprodukten eine Wärmebehandlung nach der Fertigung erforderlich, die als … bekannt ist. Glühen.

Glühen für CNC-bearbeitete Teile

Acrylteile, die mittels CNC-Bearbeitung hergestellt wurden, werden bei Raumtemperatur in einen Ofen gelegt und die Temperatur mit einer Rate von etwa 15 °C pro Stunde erhöht. Sobald die Zieltemperatur von 90 °C erreicht ist, sollte die Haltezeit proportional zur Materialdicke sein.

• 3 mm Blech: 1 Stunde
• 6 mm Blech: 2 Stunden
• 12 mm Blech: 4 Stunden
• 20 mm Blech: 6 Stunden

Nach Abschluss der Einweichzeit müssen die Teile auf Raumtemperatur abgekühlt werden. Die Abkühlrate sollte streng auf etwa 10 °C pro Stunde begrenzt werden, um die Entstehung neuer Spannungen durch schnelle thermische Kontraktion zu vermeiden.

Glühen für thermogeformte Teile

Bei Acrylprodukten, die warmgebogen oder vakuumgeformt wurden, ist die Glühtemperatur etwas niedriger als die für CNC-bearbeitete TeileDie Temperaturen liegen typischerweise zwischen 70 °C und 85 °C. Die Einweichzeiten entsprechen denen, die oben für bearbeitete Bleche aufgeführt sind.

Glühen von Spritzgussteilen

Die Parameter für spritzgegossene Bauteile hängen maßgeblich von der jeweiligen Bauteilkonstruktion und der Wandstärke ab. Die Haltezeit liegt üblicherweise zwischen 60 °C und 80 °C und beträgt 2 bis 4 Stunden.

Oberflächenbearbeitung

Zur Verbesserung bestimmter Leistungseigenschaften, wie z. B. der Verschleißfestigkeit oder des Oberflächenglanzes, können PMMA-Produkte verschiedenen Nachbearbeitungen unterzogen werden. Diese Behandlungen, darunter Polieren, Lackieren oder Laserätzen, dienen der Erfüllung der spezifischen Anforderungen unterschiedlicher Arbeitsumgebungen.

Schutzbeschichtungen können auf Acrylbauteile mittels Fließbeschichtung (für große, nicht perforierte Platten), Sprühbeschichtung (für komplexe oder unregelmäßige Formen) oder Tauchbeschichtung (für Kleinteile) aufgebracht werden. Diese chemischen Behandlungen erzeugen einen dichten Schutzfilm auf der Acryloberfläche, der hohe Anforderungen an Härte und Verschleißfestigkeit erfüllt.

Das Fließbeschichtungsverfahren ist die kostengünstigste Methode; die Bleche können zuerst gehärtet und anschließend sekundären Prozessen wie dem Schneiden unterzogen werden.

Die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) ermöglicht die Abscheidung einer extrem harten Schicht auf Oberflächen. Dieses Verfahren minimiert Störungen durch Verunreinigungen während der Produktion und führt so zu einer überlegenen Schichtdichte und -gleichmäßigkeit. Obwohl PVD die Oberflächenhärte und Abriebfestigkeit deutlich erhöht, ist es ein kostenintensives Verfahren. Zudem stellt es spezifische Anforderungen an die Materialdicke und eignet sich im Allgemeinen besser für dünne Bleche.

Anwendungen von Acryl

Dank seiner hervorragenden optischen Eigenschaften findet PMMA in verschiedenen Branchen Anwendung. Standard-PMMA wird hauptsächlich für Leuchtkästen, Schilder, Leuchten, Badewannen, Instrumente, Konsumgüter und Möbel verwendet. Hochwertiges PMMA ist unerlässlich für Anwendungen wie LCD-Bildschirme, strahlungsgeschütztes PMMA, Glasfasern, Solarzellen, Objektivabdeckungen für Automobile, kugelsicheres Glas, Cockpithauben für Flugzeuge und biomedizinische Polymermaterialien.

Biomedizinische

Aufgrund ihrer Biokompatibilität und geringen Toxizität eignen sich PMMA-Mikrosphären besonders für Wirkstoffträger, Gerüste im Tissue Engineering und die Zellmarkierung. Durch Oberflächenmodifizierung können Mikrosphären Wirkstoffmoleküle gezielt freisetzen und so deren Halbwertszeit verlängern. Als Knochenreparaturmaterialien fördern ihre mechanische Festigkeit und Plastizität die Frakturheilung. In Zellkulturen bieten Mikrosphären eine dreidimensionale Stützstruktur und fördern so die Zellproliferation. Mikrosphären mit einer Partikelgröße von 100 nm werden leicht von Zellen aufgenommen und eignen sich daher für die Tumortherapie und die Impfstoffverabreichung.

Lichtleiterplatten für die Anzeige

Das Hintergrundbeleuchtungsmodul einer LCD-Lichtleiterplatte besteht im Wesentlichen aus einer Lichtquelle, einer Lichtleiterplatte und optischen Folien. Die Lichtleiterplatte dient dazu, das von der Lichtquelle emittierte Licht gleichmäßig auf die Displayoberfläche zu lenken; das primär verwendete Material ist PMMA.

LED-Beleuchtung

Im Bereich der Beleuchtung stellt die LED-Beleuchtung eine neue Art umweltfreundlicher Lichtquelle dar. Verglichen mit herkömmlichen Lichtquellen ist sie energiesparend, umweltfreundlich, langlebig und kompakt. Sie findet breite Anwendung in Anzeigen, Displays, Dekorationen, Hintergrundbeleuchtungen, Allgemeinbeleuchtung und der Gestaltung urbaner Nachtlandschaften.

LED-Panelleuchten nutzen Lichtleiterplatten, um LED-Punkt- oder Linienlichtquellen in Flächenlichtquellen umzuwandeln und so eine gleichmäßige Lichtabstrahlung nach vorne zu ermöglichen. Als Rohmaterial für LED-Panelleuchten werden hauptsächlich PMMA-Lichtleiterplatten verwendet, da diese eine höhere Lichtdurchlässigkeit aufweisen.

PMMA-Faseroptikmaterialien

Optische Kunststofffasern aus PMMA eignen sich hervorragend für die Datenübertragung über kurze Distanzen und gelten als beste Lösung für die „letzte Meile“ des Glasfaseranschlusses (FTTH). Neben der Kommunikation werden PMMA-Fasern auch in der Landschaftsbeleuchtung eingesetzt, beispielsweise bei den Beleuchtungsprojekten für die Eröffnungs- und Abschlussfeier der Olympischen Spiele 2012 in London.

Leichtbauwerkstoffe für die Automobilindustrie

Mit der Einführung von Subventionen für Fahrzeuge mit alternativen Antrieben stellt die Erhöhung der Reichweite eine große Herausforderung dar. Leichtbautechnologie ist ein effektiver Weg zur Reichweitensteigerung; jede Gewichtsreduzierung des Fahrzeugs um 10 % kann den Energieverbrauch um 6–8 % senken.

PMMA wird aufgrund seiner hervorragenden optischen Eigenschaften, seines geringen Gewichts und seiner Witterungsbeständigkeit in verschiedenen Fahrzeugbereichen häufig eingesetzt:

• Beleuchtung: Es werden Materialien mit guter Lichtdurchlässigkeit, Schlagfestigkeit und Alterungsbeständigkeit benötigt. PMMA wird häufig für Rücklichtabdeckungen in Elektrofahrzeugen verwendet.
• Fensterglas: Die Verwendung von leichten, niedrigdichten Materialien für Fenster ist eine wichtige Strategie zur Gewichtsreduzierung. PMMA erfüllt die Anforderungen an Lichtdurchlässigkeit, Schlagfestigkeit und geringe Splitterbildung und bietet gleichzeitig UV-Schutz. Es wird von vielen europäischen Herstellern für Seiten- und Heckscheiben eingesetzt und reduziert das Gewicht im Vergleich zu herkömmlichem Glas um 40–50 %.
• Dashboards: PMMA zeichnet sich durch hervorragende Zähigkeit und hohe Schlagfestigkeit aus. Es reißt weder bei Vibrations- noch bei Drucktests und bietet eine hohe optische Klarheit.
• Stoßstangen: PMMA- und ABS-Verbundwerkstoffe können für Stoßfänger verwendet werden, da sie die Kratzfestigkeit und Umweltfreundlichkeit von PMMA mit der Schlagfestigkeit und Hitzebeständigkeit von ABS kombinieren – und das alles zu geringeren Kosten als Magnesium-Aluminium-Legierungen.

Wie Getzshape helfen kann

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