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Fertigungsverfahren – ZusammenfassungEinordnung der Fertigungstechnik in die industrielle Produktionstechnik: Industrielle Produktionstechnik: - Energietechnik ( Umwandlung der Energieformen, Kraftmaschinen) - Verfahrenstechnik ( Erzeugung und Umwandlung von Stoffen) - Fertigungsverfahren ( Herstell...

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Fertigungsverfahren – Zusammenfassung Einordnung der Fertigungstechnik in die industrielle Produktionstechnik: Industrielle Produktionstechnik: - Energietechnik ( Umwandlung der Energieformen, Kraftmaschinen) - Verfahrenstechnik ( Erzeugung und Umwandlung von Stoffen) - Fertigungsverfahren ( Herstellung ( Konstruktion + Fertigung) geformter Werkstücke sowie deren Montage und Prüfung ( QS)) Hilfstechniken: - IT-Techniken, Informationsfluss - Fördertechnik, Materialfluss Fertigungsgenauigkeit/Kosten: so genau wie nötig für die Funktion! Werkzeugmaschine: - Führen von Werkzeug und Werkstück zueinander, Zufuhr von Energie Fertigungsverfahren/Konstruktion: - Fertigungsaufwand muss deutlich unter dem erzielbaren Marktwert liegen - Die Wahl des Fertigungsverfahren, der Montage und Prüfung beeinflussen die Konstruktion Fertigungsverfahren/Wirtschaftlichkeit/Entwicklung: - Es gibt nie das optimale Fertigungsverfahren! - Durch die Entwicklung der Produktionstechnik und der Fertigungsverfahren ebenso durch die Änderung der Randbedingungen ( verfügbare Ressourcen und deren Kosten) ändert sich die optimale Fertigung und Konstruktion – sonst kein wirtschaftlicher Erfolg - Beispiele für Änderung der Randbedingungen: o Entwicklung der Fertigungstechnik o Neue Verfahren, höhere Präzision o Nachfrage ändert sich sprunghaft kurzfristig o Gesetze ändern sich o Umweltverständnis ändert sich o Rohstoffe werden knapper Systematik der Einteilung der Fertigungsverfahren nach DIN 8580: Urformen: Zusammenhalt schaffen, Form geben Umformen: Zusammenhalt behalten, Form ändern Trennen: Zusammenhalt aufgeben, Form ändern Fügen: Zusammenhalt zwischen verschiedenen Teilen schaffen Beschichten: Oberflächeneigenschaften anpassen/verbessern Stoffeigenschaften: z.b. für Bearbeitung oder Anwendung optimieren (Härte)

Urformen: Werkstoffe (alle): Ton, Keramik, Glas, Metalle, Kunststoffe, … Ausgangskonsistenz: fest, flüssig, gasförmig Endzustand: fest, als Halbzeug oder als fertiges Werkstück ALLE künstlich durch Menschen geschaffenen Werkstücke werden IMMER zuerst einmal urgeformt! Gießen von Metallen: - Allgemeine Problematik sind Gussfehler - Schwindung: ( 3 Arten) o Flüssige Schwindung der Schmelze o Erstarrungsschwindung beim Übergang des Aggregatszustandes flüssig/fest o Feste Schwindung des gegossenen Werkstückes beim Erkalten Gesamtschwindung beträgt bei Stahlguss 13% Bei der Erstarrungsschwindung tritt die größte Schwindung auf o Methoden um die Schwindung zu berücksichtigen:  Massenanhäufung  Temperaturführung ( gezielte Heizung, Kühlung) Zu Berücksichtigende Dinge beim Gießen: - Die Temperatur des Schmelzpunktes muss überschritten sein überall in der Gussform, sonst unvollständige Formfüllung ( besonders bei kleinen Wandstärken) - Wenn die Temperatur zu hoch ist, können sich Gase lösen, die bei zu schneller Abkühlung als Lunker im Festkörper bleiben - Schmelze erzeugt großen Auftrieb in der Form ( Deckel muss fest verschraubt sein) - Die Luft in der Form muss während des füllen entweichen können und nach dem füllen müssen die Gase aus der Schmelze entweichen können - Schmelze kann chemische Reaktionen mit der Form eingehen ( zerstören) - Schmelze kann sich entmischen (Seigerung) wenn in einem Mehrstoffsystem bestimmte Temperaturen lange Zeit gehalten werden ( z.b. langsames Abkühlen) - Schmelze erstarrt dort zuerst wo die kleinste Temperatur ist und die höchste Abkühlgeschwindigkeit - Kristallwachstum beginnt an Keimen z.b. an der Wand - Kristallwachstum hört auf, wenn Nachbarkeime im Weg sind oder keine Schmelze mehr da ist - Je höher die Abkühlgeschwindigkeit, desto höher der Kristallwachstum - Das Gefüge und die Struktur hängen stark von der Abkühlgeschwindigkeit ab - Es kommt immer ein nicht homogenes Gefüge heraus, d.h. unterschiedliche Härte und Festigkeit an verschiedenen Stellen und Richtungen (Anisotropie) - Der unterschiedliche Zeitpunkt der Abkühlung innerhalb des Werkstückes führt zu erheblichen Verspannungen

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Es können dadurch große Verformungen bei unsymmetrischen Werkstücken und bei unterschiedlichen Wandstärken sehr leicht Risse entstehen Beim Gussputzen kann das Werkstück durch schlechte Zugänglichkeit zerstört werden

Begriffe: - Dauermodell: Größer als Werkstück ( Schwund, Toleranzzugabe, Aushebeschrägen) Werkstoff: Holz, Gips, Metall - Naturmodell: Kernlos. Modelle werden ein geformt in Formstoff - Kern: Wird in die Form eingelegt, wo das Gussstück einen Hohlraum haben soll - Verlorene Form: Schmelze in Form füllen Werkstoff: Quarzsand mit Binder Ton - Dauerform: Höherer Schmelzpunkt als die Schmelze des Gussstücks oder gekühlt Werkstoff: meist aus Metall - Verlorenes Modell: Werkstoff: Wachs oder Styropor - Gussputzen: Trennen des Gussstücks u.a. vom Anguss - Kreislaufschrott: Angüsse, Steiger, Luftpfeifen, zurück in den Ofen - Qualitätssicherung: Geometrie, Risse ( Farbeindring-/Magnetverfahren, Röntgen) - Warmbehandlung: typisch Spannungsarmglühen, oder Menge oder Ausbildung des Kohlenstoffs verändern - Spanlose Nachbearbeitung: Umformen, Richten - Spanende Nachbearbeitung: Drehen, Fräsen, Bohren, Hobeln, Schleifen, … Verlorene Formen: - Dauermodelle: o Handformgießen  Untere Modellhälfte im Unterkasten auf Grundplatte legen  Formsand ( feiner Sand, damit die Oberfläche gut wird) auf Modell aufsieben und von Hand gut andrücken  Kasten mit Füllsand (grober Sand (billig)) auffüllen und verdichten  Unterkasten wenden und obere Modellhälfte auflegen  Teilflächen glätten und feinen Sand als Trennmittel auf Teilfläche und Modell aufbringen  Oberkasten füllen genauso wie vorher Unterkasten  Oberkasten abnehmen, Modell herausnehmen

In Ober- und Unterkasten Anschnitte (Stangen) für Zulauf der Schmelze anbringen  Kern in Unterkasten einlegen  Oberkasten aufsetzen, Zentrieren der Lage der Kästen zueinander  Oberkasten durch Gewichte beschweren oder Klammern mit Unterkasten o Maschinenformgießen  Selbe wie beim Handformen o Formmaskengießen  Binder der Formmasse Sand ist nicht Ton sondern Phenolharz  Kein Stampfen, Rütteln, Pressen oder Schleudern mehr nötig  Form verfestigt sich durch die chemische Reaktion  Das Dauermodell muss für die chemische Reaktion und für das Aushärten der Form erwärmt werden und muss deshalb aus Metall sein ( mehr Aufwand → größere Stückzahl)  Das geteilte Metallmodell wird auf einer Modellplatte erwärmt (250°C)  Die Formmasse wird aufgeschüttet, Harzanteil schmilzt (90°C), es bildet sich eine Maskenform (4 – 8 mm), restliche Formmasse wird ausgekippt  Aushärten bei 400 – 500 °C  Identische Fertigung der anderen hälfte  Zusammenkleben der Maskenhälften, Abstützen in einem Sandgießbett ( Gewicht der Schmelze)  Gießen und nach Abkühlung entformen  Anwendungen, Vorteile:  Zylinderköpfe, Kurbelwellen, Nockenwellen, Getriebegehäuse  Toleranz ca. 0.1 mm o Keramikformgießen Verlorene Modelle o Vollformgießen  Modell (meist aus Polystyrolschaum) bleibt nach Einformen in der Form ( Formteilung und Kerne sind meist nicht erforderlich)  Wird durch den Abguss vergast  Modell ist leicht zu bearbeiten ( Schneiden mit Hitzdraht und Spanen mit hohen Schnittgeschwindigkeiten)  Da keine Aushebeschrägen erforderlich → Gewichtseinsparung  Anwendungen, Vorteile:  Große Einzelstücke, kleine Serien, gratfreie Werkstücke  Geeignet für alle Gusswerkstoffe gerade mit hoher Schmelztemperatur 

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o Feingießen  Wachsmodelle werden in Matrizen ( Dauerformen) hergestellt  Mehrere Wachsmodelle werden zu einer Traube zusammengeklebt  Die Traube wird wiederholt eingetaucht in Schlicker aus feuerfesten Spezialsand und Binder und anschließend besandet und getrocknet  Wiederholen so lange bis eine genügend dicke keramische Schale vorhanden ist  Wachsausschmelzen  Form wird gebrannt (1000°C)  Sofort nach brennen wird die Form mit der Schmelze gefüllt um auch kleinste Konturen vollständig zu füllen  Entformung durch Drucklufthämmern/Druckwasser ( Teile mit komplizierter Gestalt müssen in Keramiklösenden Bädern)  Gussstücke vom Eingusssystem trennen durch Trennscheibe etc.  Anwendungen, Vorteil: 

Gratfrei, Hinterschneidungen, komplizierte Formen, sehr gute Oberflächengüte und großer Präzision

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Stückgewichte: einige Gramm – 10kg Toleranz von 0,07 – 0,7 mm

Dauerformen: - Ohne Modelle o Kokillengießen ( Schwerkraft)  Dauerform aus Metall, zwei oder mehrteilig  Schmelze kühlt aufgrund der guten Wärmeableitung schneller ab  Gussstück erhält durch schnelles Abkühlen ein relativ feinkörniges Gefüge mit besseren Festigkeitseigenschaften  Maßgenauigkeit, Oberflächengüte und Konturenwiedergabe deutlich besser als bei Sandform  Anwendung, Vorteile:  Gas- und flüssigkeitsdichte Armaturen, rationell durch schnelle Gießfolge und wenig Nacharbeit bzw. nur geringe Toleranzzugabe  Werkstoffe: Kupfer-, Zink-, Aluminiumlegierungen (ca. 100.000 Abgüsse) und Gusseisen mit Lamellen- oder Kugelgraphit ( ca. 1000 Abgüsse)  Toleranzen: 0,3% - 0,6%  Gussgewicht bis ca. 100 kg o Niederdruck – Kokillenguss  Dauerform wird mit geringem Druck ( 0,3 bar) über ein Steigrohr gefüllt

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Erstarrung erfolgt von oben nach unten, und der Ofen wirkt als unendlicher Steiger ( nachfüllen der Schmelze bei der Schwindung) ist sehr hoch ( wenig Kreislaufschrott) Anwendung, Vorteile:  Werkstoffe: Häufig Leichtmetalle bis ca. 70 kg

 Felgen, Saugkrümmer, Kurbelgehäuse, Armaturen  Alle Vorteile wie beim Schwerkraftkokillenguss o Druckguss – Warmkammerverfahren  Gießaggregat in der Schmelze  Druckgussmaschine und Warmhalteofen bilden eine Einheit  Formen können mit Schnellwechseleinrichtungen versehen werden um Produktivität zu steigern  Anwendungen, Vorteile:  Werkstoffe: Blei, Magnesium, Zink, Zinn  Werkstoffe mit niedrigen Schmelzpunkten o Druckguss – Kaltkammerverfahren  Druckgussmaschine und Warmhalteofen sind getrennt  Schmelze wird dosiert, in Druckkammer gefüllt und sofort in die Form gepresst  Druckkammer ist direkt an die eingussseitige Formhälfte angebaut  Anguss dient als Toleranzausgleich, Gießkolben wird kraftbegrenzt  Anwendung, Vorteile:  Nicht so leistungsfähig wie Warmkammerverfahren, aber da die Schmelze nicht so lang in Kontakt mit der Gießeinrichtung ist, können jetzt auch Legierungen auf Aluminium und Kupferbasis verarbeitet werden, da solche Legierungen auf Dauer die Gießeinrichtung zerstören würden wären sie die ganze Zeit darin  Toleranzen: 0,1 – 0,4%  Zn-Legierung: ca. 500.000 Abgüsse o Schleudergießen  Dauerform als Gusseisen- oder Stahlkokille mit Wasserkühlung zur Herstellung von Hohlkörpern  Kokillenform bestimmt die Außenkontur, die Fliehkraft die Innenkontur  Wanddicke wird bestimmt durch die Menge der Schmelze!  Verunreinigungen sammeln sich an der inneren Oberfläche an  Durch höhere Drehfrequenz kann man Gussdrücke bis zu 50 bar erzeugen und wesentlich dichtere, Lunker- und einschlussfreie Gussgefüge erzeugen  Anwendung, Vorteile:

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Werkstücke: Muffenrohre, Zylinderlaufbüchsen, Kolbenringe, Felgen Werkstoffe: Gusseisen, Stahlguss, Schwer- und Leichtmetallguss Wanddicken: ca. 5 – 50 mm Durchmesser: 65 – 600 mm Toleranz: ca. 1%

   o Stranggießen  Dauerform ist eine wassergekühlte Graphitkokille ( ein- oder mehrteilig) eingebaut in einem Kühlmantel und festverbunden mit dem Warmhalteofen  Innenkontur der Kokille entspricht dem Strangprofil  Der Strang wird kontinuierlich aus der Kokille entformt ( flüssige Schmelze läuft ständig nach) → endloser Strang  Absenkrollen dürfen nicht zu schnell sein ( Strang reißt ab) aber auch nicht zu langsam ( Strang verbiegt sich in eine Richtung)  Wird in Waagrechte umgelenkt mit Rollen und direkt umgeformt  Mit der Umformung durch Warmwalzen mit Profilwalzen ist jedes Profil in Längsrichtung möglich  Mit wachsender Umformung ( wegen der Volumenkonstanz) wird die Stranggeschwindigkeit immer höher  Zunderschicht wird mit einem Hochdruckwasserstrahl entfernt  Dünne Profile werden Aufgewickelt, dicke mit Stranggeschwindigkeit mitlaufenden Trenneinrichtungen auf Lieferlänge abgeschnitten  Trenneinrichtungen meist doppelt ( 2 Kreissägen z.b.) falls etwas gewartet werden muss  Anwendung, Vorteile: 

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Abmessungen: ca. 19 – 500 mm Durchmesser, Länge unendlich!!, Platten bis ca. 800 mm Breite, Profile wie Schienen, Werkzeugmaschinentische,… Toleranzen: kleiner 0,5%

Eigenschaften von Dauermodellen und Problematik bei Gießkonstruktionen: - Dauermodell muss leicht ein- und ausformbar sein - Aushebeschrägen nötig und keine Hinterschneidungen - Gusslage und Formtrennung bei der Konstruktion beachten - Klammern oder beschweren der Gießform wegen des Auftriebs - Wegen Auftrieb sind fliegende und lange Kerne problematisch ( Kernstütze) - Gusslage so das die Schmelze schnellstmöglich überall hinkommt und die Luft in der Form und der Schmelze schnell entweichen kann

Konstruktive Aspekte beim Gießen: - Alles sollte einfach funktionieren wenn es keinen künstlerischen Anspruch hat - Fertigungsaufwand muss deutlich niedriger sein als Marktwert ( sonst Verlust) - Alles was konstruiert wird muss nur der Funktion dienen, oder das es besser gefertigt werden kann oder zur Qualitätssicherung - Konstruktive Aspekte: o Wandstärke, Aushebeschrägen, Symmetrie/Unsymmetrie, Bearbeitungsflächen, Bearbeitungsvolumen, Werkzeugfreilauf, Form- und Lagetoleranzen, Oberflächeneigenschaften, Passungen, usw. … Qualitätssicherung: Vor dem Abguss: - Chemische Zusammensetzung, Temperatur der Schmelze,… Ausgeformtes Gussstück: - Messung der Geometrie - Rissprüfung: o Farbeindringverfahren:  Rote Farbe wird auf aufgesprüht ( dünnflüssig, gut haftend) und zieht in die Risse  Restliche Farbe wird abgewischt und der Entwickler wird aufgesprüht ( weiße Farbe)  Entwickler zieht die rote Farbe aus den Rissen, durch den Farbverlauf werden die Risse nun sichtbar und mit einem Stift aufgemalt o Ultraschall:  Mit dem Impuls-Echo Verfahren  Senkrecht zum Messkopf liegende Risse kaum zu erkennen  Erfahrung und Übung notwendig o Röntgen:  Strahlenschutz, sehr hoher Aufwand, nur wenn notwendig o Magnetpulververfahren:  Werkstück wird von starkem elektrischen Strom durchströmt  Es bildet sich an der Oberfläche ein Magnetfeld  Magnetfeld wird gestört wenn Risse senkrecht zum Magnetfeld sind  Die Störung wird durch feine Eisenteilchen ( Flüssigkeit, Staub) sichtbar gemacht  Risse werden dann viel breiter und deutlich sichtbarer dargestellt - Härte:  POLDI-Verfahren  Ein Stift mit einer Kugel an der Spitze wird mit einem Hammer auf das Werkstück geschlagen und eine Delle hinterlässt

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In der Vorrichtung über der Kugel ist ein Stahlstreifen mit bekannter Härte der ebenfalls vom Hammerschlag eine Delle abbekommt Nun vergleicht man die beiden Dellen und weiß nun welche Härte das Werkstück hat

Kunststoffwerkstoffe: Bezeichnungen: Kunststoffe, Plaste, Polymerwerkstoffe Einteilung auch in: - Thermoplaste Aufbau: linear/verzweigt/teilkristalin - Elastomere Aufbau: weitmaschig vernetzt - Duroplaste Aufbau: engmaschig vernetzt Einteilung nach physikalischem Verhalten: - Thermoplaste: wird weich bei Temperaturerhöhung ( wiederverwendbar) - Elastomere: gummiartig ( nicht wiederverwendbar) - Duroplaste: spröde ( nicht wiederverwendbar) Vergleich zwischen Metall und Kunststoffe: Vergleich Metall Bindungsart Atomar BindungsMetallische Bindung = Heteropolare Ionenbindung mechanismus Elektronen schwirren im Werkstoff herum Struktur

Bestimmter fester Platz, typisch für Atomarten

Verformung

Verschiebungen und Versetzungen im Gitter, aber keine Änderung der Gitterstruktur

Federeigenschaft

Energie – Elastizität ( Hooke) E-Modul: 10³ < E < 105 N/mm²

Reversible Deformation

0,1% < εelast < 1%

Kunststoff Chemische Verbindung 2 Bindungsarten: Primärbindung: innerhalb Molekühlketten Sekundärbindung: zwischen Ketten ( ca. 10x schwächer als Primärb.) Amorphe Struktur ( gestaltlos) Teilkristallin ( Nahordnung) Vernetzt ( z.b. Schwefelbrücken) Mehrere Möglichkeiten: Dehnung durch Entknäulen der Fadenketten eines Molekühls Abgleiten benachbarter Molekühlketten Entropieelastizität ( van der Waal) Rückstellkräfte: statistischer Charakter 100% < ε < 1000% Stark abhängig von Temperatur und Dehnungsgeschwindigkeit

Unterscheidungsmerkmale: 1. Art und Anordnung der Grundbausteine im Makromolekül o Daraus resultieren die chemische Struktur und das chemische Verhalten 2. Gestalt der Makromoleküle, Symmetrie 3. Größe der Makromoleküle, Molekulargewicht 4. Ordnung der Makromoleküle untereinander

5. Räumliche Ordnung ( sterische Anordnung der Grundbausteine) Aus 2. – 5. resultiert das physikalische Verhalten der Makromoleküle Räumliche Ordnung: - Isotaktisch: R H R H R H R |―――|―――|―――|―――|―――|―――| H H H H H H H -

Syndiotaktisch: R H H H R H H |―――|―――|―――|―――|―――|―――| H H R H H H R

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Ataktisch: Völlig regellos, willkürlich angeordnet

Konsequenzen: - Veränderung der mechanischen + thermischen Eigenschaften bei gleicher chemischen Zusammensetzung aber unterschiedlicher räumlicher Aufbau TE PP PB (PIB) PS Isotaktisch +165 °C +126 °C +230 °C Ataktisch -35 °C -45 °C +85 °C Bei zu schneller Abkühlung kann bei Raumtemperatur nachträglich Kristallisation ablaufen, dann Bildung von Einfallsstellen am Werkstück durch starke Schwindung. Durch Kristallisation erhöht sich die Dichte; Dichte und Volumen sind umgekehrt proportional Zusatzstoffe für Polymere: Zur Abwandlung oder Verbesserung der Werkstoffeigenschaften - Weichmacher: o Äußere Weichmachung: o Eine ölige Flüssigkeit mit möglichst hohem Siedepunkt wird im Polymer ( PVCPulver) gelöst o Einige Weichmacher müssen in großen Mengen beigemischt werden o Dioctylphalat ist billig, kann aber verdampfen und durch Diffusion in benachbarte Polymere wandern o Innere Weichmachung: o Wesentlich teurer als äußere und weniger flexibel durch Copolymerisation o Vorteil: keine Weichmacherwanderung

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Füllstoffe: o Inaktive Füllstoffe: zur Verbilligung ( Streckung), ohne großen Einfluss auf die Eigenschaften o Aktive Füllstoffe: zur Verfestigung, entgegengesetzte Wirkung wie Weichmacher  z.b. mit Verbundwerkstoffen wie Glasfasern, umso größer die Schnippsel der Glasfasern im Kunststoff umso fester wird er aber er wird auch schwerer zu bearbeiten Farbstoffe Antistatika ( gegen elektrisches Aufladen/entladen) Alterungs- und Lichtschutzmittel Flammschutzmittel Vulkanisationsmittel Treibmittel

Hilfsstoffe in Kunststoffen: Stabilisatoren: - Verhindern der vorzeitigen Polymerisation - Gegen thermische Zersetzung und Abbau durch Sauerstoff in der Schmelze ( Thermoplast) - Verbesserung Licht-, Wärme- und Sauerstoffbeständigkeit der Fertigerzeugnisse Gleitmittel: - Zur Verbesserung der Durchmischung, bessere Oberflächen, geringere Klebrigkeit und Zähigkeit Trennmittel: - Leichtere Entformung ( Silikonöle, PTFE-Pulver) Emulgatoren: - Emulsionen, leichtere Einarbeitung von Zusatzstoffen Härter ( Reaktionsharze) Beschleuniger ( Reaktionsharze) Wie bringt man einen Kunststoff um? Abbau: - Zu hohe Temperaturen bei der Verarbeitung - Zu lange ( häufige) Verweilzeiten bei hohen Temperaturen - Zu wenig Stabilisatoren - Zu hoher Anteil Mehrfachverarbeitung o Das begrenzt das Recycling der Thermoplasten Oxydation: - Stabilisatoren in der Schmelze mit höherer Affinität zu Sauerstoff wie das Polymer - Kein Sauerstoff in der Schmelze

Mechanischer Abbau: - Abbau durch hohe mechanische Energie durch Zerkleinern der Ketten etwa beim Ultraschallscheißen → Festigkeitsverlust Strahlung: - PE-Tüte im UV-Licht wird spröde durch Zerfall des Werkstoffs in Grundbausteine - Verlust von Festigkeit, Zähigkeit und Isolationseigenschaften Spritzgießen: Thermoplasten: - Spritzgießen ist ein gutes Massenfertigungsverfahren zum Urformen - Kalte Formmasse wird durch den beheizten Zylindermantel und das Scheren durch die Schnecke beheizt - Durch Axialhub der Schnecke kann ein Druck > 1000 bar aufgebaut werden und wird durch enge Düse in die Form gespritzt - Durch die enge Düse wird die Schmelze nochmals erhitzt - Durch hohen Spritzdruck müssen die...