Über das Rotationsformen

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von Roy J. Crawford, Waikato University, Neuseeland und Susan Gibson, JSJ Productions, Inc.

Das Rotationsformen ist ein Verfahren zur Herstellung von hohlen Kunststoffprodukten. Am besten ist das Verfahren für die Herstellung von Behältern bekannt, aber viele Designer auf der ganzen Welt nutzen die Technologie auch für viele verschiedene Arten von Kunststoff-Formteilen. Medizinische Produkte, Verbraucher-Produkte, Landwirtschafts-und Gartengeräte, Komponenten für die Automobil-und Transportindustrie, Spielzeug, Sportboote, Sportgeräte, Möbel, Lager- und Transport Artikel oder hoch ästhetische Verkaufsstand Produkte sind nur einige der typischen Marktbereiche.

Die Rotationsindustrie bietet spannende Möglichkeiten für Designer und Endnutzer. In den letzten Jahrzehnten wurden eine Reihe von bedeutenden technischen Fortschritte gemacht und neue Arten von Maschinen, Formen, Materialien sind erhältlich. Wichtige neue Marktsegmente entstehen, da Rotierer in der Lage sind, qualitativ hochwertige, technisch komplexe Teile zu wettbewerbsfähigen Preisen liefern können. Im Portfolio der den Designern zur Verfügung stehenden Herstellungsverfahren, kann das Rotationsformen nun seinen rechtmäßigen Platz neben anderen wichtigen Prozessen wie Blasformen, Twin-Sheet-Thermoformen und Spritzgießen einnehmen.

Dieser Artikel bietet einen Überblick über die wichtigsten Eigenschaften des Rotationsformens. Er beschreibt die grundlegende Natur des Prozesses und gibt dem Leser eine Einführung in einige der Merkmale, die bei der Konstruktion von späteren rotierten Kunststoffteilen berücksichtigt werden müssen. Detaillierte Design-Richtlinien für das Rotationsformen werden am Ende des Artikels zitiert.

Der Prozess

Das Prinzip des Rotationsformen von Kunststoffen ist relativ einfach. Tatsächlich ist die Einfachheit des Verfahrens ein Schlüssel zum Erfolg, weil es den Rotierern erlaubt, eine genaue Kontrolle über die Teileabmessungen und Eigenschaften ausüben zu können. Im Prinzip besteht das Rotationsformen in der Einbringung einer bestimmten Menge an Kunststoff in Pulver, Granulat oder in flüssiger Form in eine hohle, schalenartige Form. Die Form wird erhitzt und gleichzeitig um zwei Hauptachsen rotiert, so dass der Kunststoff an der Form anhaftet und sich an der inneren Oberfläche der Form eine Schicht bildet. Während der Abkühlphase wird die Rotation fortgesetzt, so dass der Kunststoff die gewünschte Form behält wen er erstarrt. Wenn der Kunststoff ausreichend fest ist, wird die Rotation gestoppt, um das Kunststoffprodukt aus der Form zu entnehmen.

Der Prozess unterscheidet sich von Spin-Casting oder Schleuderguss durch seinen relativ niedrigen Drehzahlen, typischerweise zwischen 4 und 20 Umdrehungen/min.

Die grundlegenden Schritte (a) Befüllung der Form, (b) Form erwärmen, (c) Formkühlung, und (d) Teile Entformung sind in Abbildung 1 dargestellt. Dieses Diagramm ist nur zur Veranschaulichung. In Wirklichkeit gibt es viele Arten von kommerziellen und maßgeschneiderte Maschinen zur Herstellung von Kunststoffteilen mit dem Rotationsformen Prinzip. Die meisten großen kommerziellen Maschinen sind in einem “Karussell”-Design.

Bei diesen Maschinen wird die Form bzw. Formen an einem Arm montiert, der die Formen in eine zweiachsige Drehung versetzt und sie nacheinander in die Heizzone, die Kühlzone, und schließlich in den Entformungs / Befüllbereich führt. Oft werden drei Arme verwendet, so dass Heizung, Kühlung und Entformung bzw. Befüllung gleichzeitig an drei verschiedenen Sets von Formen durchgeführt werden können. In einigen Fällen sind die Arme mit 120 ˚ Abstand befestigt. In den jüngeren Designs, können die Arme unabhängig voneinander bewegt werden, so dass zum Beispiel die Form aus dem Ofen bewegt werden kann, wenn die homogene Schmelze eine Beschichtung der Formwand gebildet hat, bevor die Kühlung des vorlaufenden Arms abgeschlossen ist. In der anderen wichtigen Art von Maschinen Design, erfahren die Formen eine “Rock and Roll” Bewegung – das heißt, 360˚ Rotation um eine Achse und eine Schaukelbewegung um eine senkrechte Achse. Bei beiden Maschinen Arten gibt es viele Permutationen der Sequenzierung von Heizung, Kühlung und Befüllen/Entformen. Leitfähige, induktive und dielektrische Werkzeugheizung Methoden werden auch verwendet.

Charakteristische Merkmale des Rotationsformens

Rotationsformen ist ein Prozess, bei atmosphärischem Druck, der fast stressfrei Teile produziert. Die Tatsache, dass die Schmelze, während des Formungsprozesses keine Spannungen erfährt, ist ein großer Vorteil, den Rotationsformen gegenüber allen anderen Herstellungsverfahren für Kunststoffteile hat. Auch weil keine Kräfte auf die Kunststoffschmelze beim formen einwirken, können Rotations-Formen dünne Wände haben und sind relativ preiswert herzustellen. Für einfache Teile, kann die Form Lieferzeit ein paar Tage oder Wochen betragen. Moderne, mehr-armige Maschinen ermöglichen, dass mehrere Formen von verschiedenen Größen und Formen, zur gleichen Zeit benutzt werden können. Mit dem richtigen Formenbau, können komplexe Teile, wie zum Beispiel doppelwandige Behälter, die schwer oder gar nicht durch eine andere Methode zu formen sind, rotationsgeformt werden. Bei richtiger Prozessführung, ist die Wandstärke des rotationsgeformten Teile recht einheitlich, im Gegensatz zu strukturellen Blasformen oder Twin-Sheet-Thermoformen. Und im Gegensatz zu diesen konkurrierenden Prozessen, hat das Rotationsteil keine Quetsch- oder Schweißnähte, die nachbearbeitet werden müssen.

Die wichtigsten Vorzüge der Rotationsformens sind:

  • Ein Hohlkörper kann in einem Stück ohne Schweißnähte oder Verbindungen hergestellt werden
  • Das Formteil ist im Wesentlichen ohne Stress
  • Die Formen sind relativ preiswert
  • Die Vorlaufzeit für die Hersteller einer Form ist relativ kurz
  • Wandstärke kann ziemlich einheitlich sein (im Vergleich zu anderen freien Oberfläche Formverfahren wie Blasformen)
  • Wandstärke Verteilung kann ohne Änderung der Form verändert werden
  • kleine Serien können wirtschaftlich sein
  • kein Materialverlust, da nur das für das Produkt eingefüllte Material aufgeschmolzen wird
  • Es ist möglich, mehrlagige Formteile herzustellen, einschließlich geschäumterTeile
  • Verschiedene Arten von Produkte können zusammen auf einer Maschine geformt werden
  • Einsätze sind relativ leicht einzuformen
  • Hochwertige Grafiken können eingeformt werden

Die größten Einschränkungen des Rotationsformens sind:

  • Die Produktionszeiten (Zyklus) sind lange
  • Die Wahl der Kunststoffmaterialien ist derzeit begrenzt
  • Die Materialkosten sind relativ hoch, bedingt durch die Notwendigkeit für spezielle Additiv-Pakete und der Tatsache, dass das Material zu einem feinen Pulver gemahlen werden muss
  • Einige geometrische Eigenschaften (wie z. B. Rippen) sind schwierig zu formen

Tabelle 1: Vergleich der Eigenschaften der verschiedenen Verfahren, mit derer hohle Kunststoffprodukten gemacht werden können.

Anwendungsgebiete

Heutzutage sind rotationsgeformten Teile in praktisch jedem Marktsegment zu finden, in dem Kunststoffteile verwendet werden. Dazu gehören High-Tech-Branchen wie die Flugzeugindustrie. Das Verfahren ist am besten für die Herstellung von einteiligen Hohlkörpern oder doppelwandigen offenen Behältern geeignet. Durch Sekundäre Bearbeitungen lassen sich Formkörper splitten oder Bereiche ausschneiden, so dass alle Arten von einwandigen offenen Behältern und Produkten erstellt werden kann. Beschnittbereiche können während des Rotationsprozesses von der Hitze abgeschirmt werden, so dass weniger Material Abfall entsteht. In Tabelle 2 sind Beispiele für typische rotationsgeformten Teile. Die Vielfalt der Produkte ist beeindruckend und obwohl in den meisten Fällen Polyethylen das primäre Material ist, können hohe Anforderungen an strukturelle Teile durch die strategische Nutzung spezieller Features wie zum Beispiel der internen “kiss-off”-Punkte zwischen den doppelten Wänden ermöglicht werden.

Einige Beispiele für rotationsgeformten Teile sind in den Abbildungen (ai) gezeigt. In den meisten Fällen wird eine hochwertige Endverarbeitung und enge Toleranzen dieser Teilen erreicht. Ein wesentlicher Punkt ist, dass sie alle komplexen 3-dimensionalen Formen sind, und sie sind alle in einem Stück gefertigt. Ausschäumen wird ebenfalls sehr häufig bei rotationsgeformten Teile eingesetzt um für eine gute Wärmedämmung oder eine sehr hohe Steifigkeit bei minimalem Gewicht zu sorgen.

Materialien

Fast alle kommerziellen Produkten die durch Rotationsformen hergestellt sind, werden aus thermoplastischen Kunststoffen geformt, obwohl ebenfalls Duroplaste verwendet werden können. Die Polyolefine (hauptsächlich Polyethylene) dominieren den Markt für rotationsgeformten Teile. Es gibt mehrere Gründe, warum diese Situation aufgetreten ist. Einer ist, dass dieses Material leicht aus Granulat in die für das Rotationsformen notwendig Pulverform umgewandelt werden kann. Ein weiterer Grund ist, dass Polyethylen während der relativ langen Heizperiode stabiler bleibt als die meisten anderen Kunststoffe. Derzeit repräsentiert Polyethylen, in seinen vielen Formen, etwa 85% bis 95% aller Polymere, die rotationsgeformten werden. PVC-Plastisole sind recht weit verbreitet und Polycarbonat, Nylon, Polypropylen, ungesättigte Polyester, ABS, Acryl, Cellulose-, Epoxidharze, Fluorkohlenwasserstoffe, Phenole, Polybutylene, Polystyrole, Polyurethane und Silicone bilden den Rest.

Die relativen Anteile der Verwendung dieser verschiedenen Materialien sind in Bild 3 gezeigt. High-Performance-Materialien wie faserverstärktes Nylon und PEEK zeigen Potenzial in dieser Technologie verwendet zu werden, sind aber nur ein sehr kleinen Bruchteil der Industrie.

Formwerkzeuge

Die Formwerkzeuge die im Rotationsverfahren eingesetzt werden sind schalenförmigen Konstruktionen. Sie bestehen normalerweise aus zwei Hälften, wobei komplexere Produkte verlangen, die Formwerkzeuge drei oder mehr Teile zu trennen. Die Formen werden an der Trennlinie geschlossen und durch Verschlüsse zusammengehalten. Das Formwerkzeug hat fast immer ein Entlüftungsrohr (“Vent”), um einen Druckausgleich zwischen dem Inneren des Formteils und der äußeren Umgebung zu gewährleisten. Die Positionierung des Entlüftungsrohr hängt von der Art des Kunststoffteils ab – zum Beispiel, ist die Füllöffnung eines Tanks ein geeigneter Ort, um die Entlüftungsöffnung zu platzieren.

Am häufigsten werden die Formwerkzeuge aus Aluminiumguss oder Stahlblech gefertigt. Letzteres ist für große Gegenstände wie z. B. Tanks vorteilhaft, während Aluminiumformen eher für kleinere Teile, komplexe Details, oder wenn mehrere identische Formen erforderlich sind, verwendet werden. Galvanisch oder aufgedampfte-Nickel Werkzeuge werden auch verwendet, insbesondere für PVC-Teile. In den letzten Jahren ist der Einsatz von CNC-gefrästen Formen immer gebräuchlicher, und dies führt zu aufregenden Verbesserungen der Form Qualität, vor allem an der Trennlinie. Rotationsformwerkzeuge werden hohen thermischen Belastungen ausgesetzt, da sie regelmäßig zyklisch von Raumtemperatur auf über 300 ˚ C (über 600 ˚ F) aufgeheizt werden. Finite-Elemente-Analyse von CNC-gefräste Formen stellen sicher, dass über einen längeren Zeitraum die hohen Leistungen aufrechterhalten werden kann. Die Zweckmäßigkeit einen kleinen Überdruck im Inneren der Form zu haben, kann auch einfacher in Computer entworfene Formen realisiert werden. Die Automatisierung von Werkzeugöffnung und Befüllung trägt auch dazu bei, Zykluszeiten zu reduzieren und die Konsistenz im Formteil zu verbessern.

In den in Italien entwickelten Arten von “Leonardo”-Maschinen, ist die Form und die Maschine eine Einheit. Dies ermöglicht eine sehr genaue Kontrolle über Formrotation, sowie Temperatur und Druck innerhalb der Form.

Design-Richtlinien

Die Natur des Rotationsformens erzeugt einige spezielle Effekte die nicht in anderen Herstellungsverfahren für Kunststoffteile vorkommen. Die Außenecke der rotationsgeformten Teile sind in der Regel dicker als die allgemeine Wanddicke, da sich das Kunststoff-Pulver in den Ecken der Form sammelt. Umgekehrt sind Innenecken in der Regel dünner, weil das Kunststoff Pulver von diesen Bereichen in der Form weg fällt. Die allgemein empfohlenen Radien für die Innen- und Außenecken sind in Abbildung 4 dargestellt. Die allgemeine Faustregel für die Innen-und Außenecken ist, dass größere Radien eine gleichmäßigere allgemeine Wandstärke ergeben.

Rotationsformen, wie Blasformen und Thermoformen, ist ein Freiflächen Formverfahren. Wandstärke Variationen beim Rotationsformen können auftreten, aber die Rotierer können genaue Kontrolle über Wanddicke durch Veränderung der Geschwindigkeit und Drehzahlverhältnissen zu den Haupt und Nebenachsen auszuüben. Darüber hinaus können einige Bereiche der Form abgeschirmt werden um den Materialaufbau zu reduzieren werden, oder zusätzliche Wärme kann auf Bereiche gebracht werden, in denen mehr Wanddicke erforderlich ist. Die Schrumpfung von Polyethylen ist groß, typischerweise 3-4%, aber dies kann berücksichtigt werden und Toleranzen von 1-2% sind normal. Eine Unebenheit von 2-5% ist in der Regel das Beste, was aufgrund der einseitigen Kühlung beim Rotationsformen erreicht werden kann. Wenn möglich, sollten große, flache Bereiche in einem Formteil vermieden werden, und die Verwendung von gekrümmten Oberflächen wird dringend empfohlen, um Verzug Effekte zu verbergen. Eine interne Kühlung von Formen wird gebräuchlicher und in der Industrie eingesetzt um die Verzug Effekte zu überwinden – auch um Fertigungszeiten zu reduzieren.

Gewinde, Innen- als auch Aussengewinde, können geformt werden, wobei gröbere Gewindeprofile bevorzugt werden. Erhältliche “Fließverbesserer” können auf Bereichen der Form, wie zum Beispiel Gewindeprofile aufgesprüht werden um eine Verbesserung der Reproduktion der Formdetails erheblich zu verbessern. Metall-Einsätze sind ebenfalls sehr häufig in rotationsgeformten Teilen. Die relativ große Schrumpfung des Polyethylen sorgt dafür, dass Einsätze während des Formens eng eingeschmolzen werden, aber es ist zu beachten, dass die resultierende Schrumpfbehinderung zu einer Restspannung des Bauteils führen kann. Wenn das Formteil einer Spannungsriss Umgebung ausgesetzt wird, wie es oft der Fall ist mit Polyethylen, muss bei der Verwendung von Einsätzen besondere Sorgfalt angewendet werden.

Herkömmliche Rippen sind schwer beim Rotationsformen darzustellen, weil das Kunststoff-Pulver nicht leicht in die tiefe Aussparung fließen kann, die benötigt wird, um die Rippe zu formen. Stattdessen kann die gleiche Art von Versteifung mit Wellen erstellt werden, wie in Bild 5 gezeigt. Die empfohlene Tiefe der Rillen ist ungefähr vier Mal Materialdicke und die Breite sollte etwa das Fünffache der Materialstärke sein. Um eine gute Balance der axiale und transversale Steifigkeit zu gewährleisten. Besondere Versteifungselemente namens “Kiss-offs” sind sehr effektiv in Rotationsformen (siehe Abbildung 6). Diese werden in doppelwandigen Teile von konischen Bereichen in der Form erzeugt, die bewirken, dass die beiden Wände zusammen “verbunden” werden. Das resultierende Formteil ist sehr steif und in einigen Fällen, wie zum Beispiel bei Paletten, wird zusätzlich ausgeschäumt, um ein exzellentes Steifigkeit zu Gewicht-Verhältnis zu erreichen.

Verbesserungen im Formenbau und bei der Pulver Qualität, ermöglichen es einige Arten von Versteifungsrippen in rotationsgeformten Tanks zu erzeugen, wie in 2 (i) dargestellt. Diese massiven Rippen sind etwa 70mm tief und 10mm dick.

Entformungsschrägen sind in der Regel bei weiblichen Teile der Form nicht erforderlich, da der Kunststoff frei von der Form weg schrumpfen kann. In männlichen Teilen einer Form, wo es eine Tendenz für den Kunststoff gibt auf die Formkontur zu schrumpfen, sind Entformungsschrägen von 1-2° üblicherweise ausreichend. Diese sind in Bild 7 dargestellt. Wenn die Form strukturiert ist, sollte zusätzlich 1° Schräge berücksichtigt werden.

Diese Werte des Entformschrägen sind für Polyethylen. Ein zusätzliches 1° sollte für härtere Materialien wie Polypropylen und Nylon angerechnet werden. Amorphe Materialien wie Polycarbonat erfordert weitere 2° in allen Fällen.

Einige Hinterschneidungen sind beim Rotationsformen zulässig, wo die Material Schrumpfung oder Flexibilität es dem Material ermöglicht sich aus der Form zu ziehen. Der Designer muss festlegen was möglich ist, basierend auf der Kenntnis der Schrumpfung. Großzügige Entformungsschrägen auf externen Hinterschneidungen sind nicht zulässig, da die Schrumpfung des Materials ein Entformen des Teiles verhindern. Diese Effekte werden in Bild 8 gezeigt.

Beachten Sie, dass die hier gezeichneten Hinterschneidungen nur zur Illustration gedacht sind.
Löcher können im Rotationsformen nicht angeformt werden, sie müssen mit den normalen Arten von Schneidwerkzeugen bearbeitet werden. Beim Rotationsformen ist es üblich, spätere Beschnittbereiche abzuschirmen um Materialverlust zu vermeiden. Obwohl Polyethylen schwer zu lackieren ist, sind ausgefeilte Methoden zur Dekoration rotationsgeformten Teile entwickelt worden. Verschiedene Techniken stehen zur Verfügung. In einem Fall, werden spezielle Übertragungsfolien vom Polyethylen während Aufschmelzprozesses aufgenommen. In anderen Fällen kann die Übertragung nach dem Formen angewendet werden. Beide Methoden sind äußerst effektiv bei der Bereitstellung von exzellenten Grafiken auf rotierten Teilen wie in den Abbildungen 2 (a) und (e) gezeigt.

Abschließende Bemerkungen

Rotationsformen ist schon immer als vielseitiges Herstellungsverfahren für Kunststoff-Teile bekannt. Durch die Notwendigkeit, auch Hochleistungsprodukte in anspruchsvolle Marktsegmenten liefern zu können ist das Verfahren im vergangenen Jahrzehnt erwachsen geworden. Dabei hat der Prozess seine Vorteile, bei kurzen Lieferzeiten und attraktiver Wirtschaftlichkeit, stets stressfrei Teile zu produzieren, beibehalten. Die Rotationsindustrie ist ein dynamischer Sektor mit Rotierern und Branchen Zulieferern, die immer bereit sind auf neue Herausforderungen zu reagieren.

Bibliographie

Diejenigen, die detailliertere Informationen über das Rotationsformen von Kunststoffen erhalten möchten, werden zu den folgenden Informationsquellen [1-8] genannt:

1. Crawford, R.J and Kearns, M. P., Practical Guide to Rotational Moulding, 2nd edition, RAPRA Technology, Shawbury, Shrewsbury, UK (2012)
2. Nugent, P., Rotational Molding: A Practical Guide., www.paulnugent.com (2001)
3. Carvani, M., Mondini, F and Romboli, E., Rotational Moulding: Theory & Practice., Association of Rotational Moulders Australasia (2006)
4. Beall, G.L., Rotational Molding – Design, Materials, Tooling and Processing, 1998, Munich: Hanser. 245.
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7. Crawford, R.J. and Throne, J.L., Rotational Molding Technology, William Andrew Publishing (now Elsevier) 2002
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