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Neue Erkenntnisse beim Stanzen von PVC und PC-ABS

Neue Erkenntnisse beim Stanzen von PVC und PC-ABS

Letzte Änderung: Autor: Stanova

Eine Hochleistungskamera liefert neue Einblicke in den Prozess des Stanzens von Kunststoffen: eine entscheidende Rolle für grat- und flusenfreies Stanzen spielt der Schneidspalt.

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Klappe auf für einen unbekannten Filmstar – der Stanzprozess

 

Das junge Unternehmen Stanova Stanztechnik ist dem idealen Schneidspalt für das Stanzen von Kunststoffen auf der Spur. Eine Hochleistungskamera liefert neue Einblicke in den Stanzprozess.

Von Sebastian Noller und Katrin Lechler

 

Stanova untersucht seit Längerem die Bedingungen für rückstandsfreies Stanzen von Kunststoffen. Grat und Flusen verursachen nicht nur Kosten, da sie in einem zusätzlichen Prozessschritt entfernt werden müssen. Sie stellen auch eine Gefahr für Werker*innen dar und gefährden die Betriebssicherheit. Dabei hat sich vor allem der Kunststoff PC-ABS als divenhaft erwiesen. Während PVC durch eine hohe Stanzgeschwindigkeit und einen relativ kleinen Schneidspalt qualitativ hochwertig getrennt werden kann, helfen diese Parameter bei der Bearbeitung von PC-ABS nicht. Doch genau dieser ist der attraktivere Werkstoff: PC-ABS ersetzt zunehmend PVC als Standardkunststoff, der bei Temperaturen über 210 °C Salzsäureverbindungen entwickelt und freisetzt. Außerdem muss bei einigen Anwendungen wie im Schienenfahrzeugbau die internationale Norm UL94 für die Entflammbarkeit von Kunststoffen eingehalten werden. PC-ABS kann diese Anforderung ohne den Zusatz von umweltgefährlichen und gesundheitsschädlichen Halogenen erfüllen.

In bisherigen Studien wurde meist versucht, das Materialverhalten durch die Variation des Mischungsverhältnisses von PC zu ABS, des Butadien-Gehalts im ABS, der Prozessparameter beim Extrudieren und Mischen und der optional verwendeten Additive zu beherrschen.

Stanova hat zusammen mit ihrer Kooperationspartnerin Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) einen neuen Ansatz gefunden, um das Stanzergebnisse bei PC-ABS zu optimieren: Es wurde eine gläserne Matrize gefertigt, die Einblick in den Stanzprozess gewährt. Dieser wird mit Hilfe einer Hochleistungskamera gefilmt (s. Abbildung 1). Es entstanden 73 Aufnahmen, dabei hatte PC-ABS eine Materialstärke von 1,4 mm, PVC 1,2 mm.

Mit dieser unkonventionellen Untersuchungsmethode kann das Materialverhalten von PVC und PC-ABS mikroskopisch genau beobachtet und verglichen werden. Das junge Unternehmen Stanova wird damit seinem Anspruch gerecht, Neues zu wagen, um eingefahrene Abläufe in der Kunststoffbranche dynamischer und energieeffizienter zu gestalten. Das sind die vorläufigen Ergebnisse:

PVC weist eine geringe Bruchdehnung auf. Nach leichter Deformation zeigt das Material schon Anzeichen eines Weißbruchs, also eine Weißfärbung während der Verstreckung. Zum Ende des Vorgangs erfolgt ein Scherbruch mit geringfügiger duktiler Deformation. Der Versagensmechanismus des Materials gleicht einem spontanen, spröden Bruch.

PC-ABS hingegen scheint sich wie Kaugummi zu dehnen und sich mit jeder Faser dem Trennvorgang zu widersetzen. Oder anders ausgedrückt: PC-ABS wird so lange plastisch verformt, bis die Scherfestigkeit des Materials lokal überschritten wird. Wahrscheinlich findet bei der Bearbeitung von PC-ABS kein klassischer Stanzprozess statt, sondern das Material muss über seine gesamte Materialstärke geschnitten werden.

Weitere Versuche ergaben, dass ein relativ zur Materialstärke kleiner Schneidspalt zu einer vermehrten Flusenbildung führt. Flusen sind unerwünscht, da sie zur Verstopfung der Matrize führen können, aber auch Mikroplastikpartikel darstellen, die in die Umgebung gelangen. Bei PVC dagegen ist es genau anders herum: ein kleiner Schneidspalt verringert Grat und Flusen am Werkstück. In dieser verwirrenden Situation liefern die Nahaufnahmen des Stanzprozesses wichtige Erkenntnisse: Offenbar entstehen Flusen beim Werkstoff PC-ABS, wenn der Stanzabfall, auch Butzen genannt, nicht komplett vom Werkstück getrennt wurde. Diese letzte Materialverbindung zwischen Butzen und Werkstück längt sich während des Stanzprozesses im Schneidspalt, während der Schneidstempel den Butzen nach unten abführt. Die Flusen gelangen also nicht in den Schneidspalt, sondern entstehen dort.

 

Die Aufnahmen mit dem unbekannten Filmstar „Stanzprozess“ haben sich gelohnt: Zum einen konnte das Materialverhalten von PC-ABS und PVC visualisiert werden. Zum anderen ist nun die ambivalente Rolle des Schneidspalts deutlich geworden. Außerdem ist sich ein dritter, wichtiger Faktor hervorgetreten, der für die Stanzqualität von Bedeutung ist: Der Niederhalter ist beim Stanzen von PC-ABS teilweise ohne Funktion, da er nach dem Aufsetzen auf das Material schwingt. Dies scheint keinen oder nur geringfügig negativen Effekt auf das Stanzen von PVC zu haben. Bei PC-ABS hingegen ist der Niederhalter unverzichtbar für grat- und flusenfreie Ergebnisse. Möglicherweise liegt das an der höheren Bruchdehnung von PC-ABS gegenüber Werkstoffen aus PVC. Diese Situation kann leicht behoben werden, in dem die Niederhalterkraft bzw. die Federsteifigkeit erhöht und die Masse des Niederhalters minimiert wird. Beide Maßnahmen erhöhen die Eigenfrequenz des Niederhaltersystems bzw. der bewegten Teile wodurch die Schwingung mit einer höheren Frequenz und einer kleineren Amplitude abläuft.

Stanova und die HTW werden Folge-Versuche durchführen, bei denen weitere Kunststoffe in verschiedenen Materialstärken betrachtet werden. Ziel ist es, eine je nach Material und Stärke ideale Schneidspaltgröße zu finden, die glatte Schneidkanten garantiert.

Thermoplastische Kunststoffe endlich gratfrei stanzen

Thermoplastische Kunststoffe endlich gratfrei stanzen

Letzte Änderung: Autor: Stanova

Grat und Flitter, auch Engelshaar genannt, entstehen beim Stanzen von thermoplastischen Kunststoffen. Stanova hat Stanzverfahren entwickelt, die dieses Problem deutlich verringern.

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Gratfreies Stanzen von Kunststoffen ist bisher nicht in einem Hub möglich. An den Schnittkanten bilden sich Grat und Flitter, die Monteur(innen) im Schaltschrankbau verletzen können. Außerdem können sie die Funktionsfähigkeit von Bauteilen beeinträchtigen. Wer jemals verzweifelt den Grund für eine Fehlermeldung suchte und schließlich im Schaltschrank ein Kabel fand, das durch die scharfen Kanten eines Verdrahtungskanals beschädigt wurde, weiß um das destruktive Potenzial von Engelshaar.

Stanova Stanztechnik GmbH hat zwei Verfahren entwickelt, mit dem die gängigen Kunststoffe Polyvinylchlorid (PVC) und Polycarbonat-Acrylnitril-Butadien-Styrol (PC-ABS) gratfrei gestanzt werden können. „Wir haben viele Trial-and-Error-Schleifen hinter uns, bis wir substanzielle Verbesserungen erreicht haben“, sagt Manuel Schulz, Automatisierungstechniker bei Stanova. Stempelbeschichtungen und thermische Bearbeitungen von Werkzeug und Werkstoff brachten nicht die erhofften Verbesserungen.

Vor allem setzte sich nach zahlreichen Versuchen die Erkenntnis durch, dass es nicht ein erfolgreiches Verfahren für alle thermoplastischen Kunststoffe geben kann, sondern dass sich jeder Werkstoff beim Scherschneiden durch Stanzen anders verhält. Jeder Kunststoff ist eine regelrechte Diva. Deshalb hat Stanova in einem ersten Schritt ein Verfahren für das Stanzen von PVC patentieren lassen: „PVC ist ein Werkstoff, bei dem wir durch hohe Stanzgeschwindigkeiten in Kombination mit einem kleinen Schneidspalt gute Ergebnisse erzielt haben“, sagt Uwe Heidler, Versuchsingenieur bei Stanova. Die hohen Stanzgeschwindigkeiten von bis zu 1000 Hüben pro Minute erreicht Stanova durch den Einsatz von Exzenterstanzen, die von Servomotoren angetrieben werden. Eine hohe Produktionsgeschwindigkeit ist besonders da sinnvoll, wo Endlosmaterial gestanzt wird oder wo ein Vorschub die Werkstücke auf den Takt der Stanzeinheit beschleunigt.

Die Verfahrensinnovation ist einfach und komplex zugleich: Das Werkzeug fährt nicht mehr mit dem Werkstück mit, sondern ist stationär, während das Material vorgeschoben wird. Das ist insofern eine Herausforderung, weil die Vorschubbewegung und das Stanzen exakt synchronisiert werden müssen. Die Synchronisation betrifft alle Antriebe, die beiden Exzenter, die für das Stanzen zuständig sind, die beiden Antriebe, die das Material vorschieben. Beim Stanzen von Verdrahtungskanälen muss noch eine dritte Exzenterpresse synchronisiert werden. Sie stanzt die Befestigungslöcher in den Boden, die andere Abstände als die Seitenstanzen haben. Ein höchst komplexes Zusammenspiel und das alles über 16 Hüben pro Sekunde.

Ein weiterer Vorteil: Einfachwerkzeuge lassen sich schnell und günstig umrüsten. Durch die stationäre Anordnung der Werkzeuge wird deutlich weniger Energie benötigt als mit Mehrfachwerkzeugen, die während des Stanzvorgangs mit dem Werkstück mitfahren und danach wieder zum Ausgangspunkt zurückkehren. Die Exzenterstanze von Stanova hat bei maximaler Stanzleistung (1000 Hübe pro Minute) eine Leistungsaufnahme von 7 bis 10 kW/h. Dagegen verbraucht eine hydraulisch angetriebene Stanzmaschine mit circa 30 bis 40 kW/h mehr Strom bei weniger Hüben pro Minute.

Die Energieeinsparung setzt sich fort bis zum Extruder, der die zu stanzenden Halbzeuge und Profile erzeugt. Der Extruder kann aber häufig nicht bei maximaler Auslastung fahren, weil die herkömmlichen Stanzen zu langsam sind. Nach Aussagen des Extruderherstellers Battenfeld-Cincinnati sinkt der Wirkungsgrad moderner Extruder im Teillastbereich auf 50 bis 60 % ihrer maximal möglichen Leistung.

Läuft der Extruder nun nicht mehr im Teillastbetrieb, sondern leistet die maximale Ausbringung, wird die Wärmeleistung besser ausgeschöpft. Hier besteht gerade in der Kunststoffindustrie, deren Energiebedarf zu 60 % aus elektrischer Energie besteht, ein enormes Einsparpotenzial.

Schnelles Stanzen mit innovativer Technologie

Schnelles Stanzen mit innovativer Technologie

Letzte Änderung: Autor: Stanova

Stanova Stanztechnik GmbH bietet eine hochproduktive Maschine zum Stanzen von Kunststoffprofilen an. Durch die hohe Schnittgeschwindigkeit wird ein nahezu gratfreier Stanzschnitt erreicht, zusätzliches Entgraten wird überflüssig.

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Schnelles Stanzen mit innovativer Technologie

Komplette Gratfreiheit – ein alter Stanzer-Traum. Die Firma Stanova ist diesem Ziel  näher gekommen. Drei Einheiten sorgen in ihrer intelligenten Verknüpfung für einen Takt von 960 Hüben pro Minute. Erstens treibt eine besonders schnelle Exzenterpresse das Stanzwerkzeug an. Sie bietet eine gleichmäßige Bewegung und hat einen höheren Wirkungsgrad als hydraulische oder pneumatische Antriebe. Zweitens kommt ein hochbeschleunigender Walzenvorschub zum Einsatz, der von einem Sensor überwacht wird. Das dritte beschleunigende Element in der Konstruktion ist das Werkzeug. Stanzmaschinen für Kabelkanäle sind nach dem Stand der Technik mit Mehrfachwerkzeugen ausgestattet – optisch vergleichbar mit einem Kamm: So werden mehrere Stanzvorgänge gleichzeitig ausgeführt. Dies erscheint zwar effektiv, hat aber Nachteile: Die Werkzeugeinheit hat eine relativ große Masse, so dass der Stanztakt aufgrund der Trägheit und hoher Beschleunigungskräfte kaum zu steigern ist. Zudem sind die Anschaffungskosten relativ hoch, schließlich müssen Stempel und Schneidplatten mehrfach ausgeführt werden. Durch die starre Anordnung der Mehrfachwerkzeuge sind die Stanzabstände nicht flexibel einstellbar.

Einfachwerkzeuge contra Mehrfachwerkzeuge

Schneller und flexibler sind dagegen die von Stanova eingesetzten Einfachwerkzeuge. Sie führen eine Stanzung pro Hub aus, - es wird also quasi nur mit einem Zinken des Kamms gestanzt – die Stanzleistung ist aber wegen des Hochleistungsantriebs der Exzenterpresse um knapp das Doppelte höher als die der Stanzmaschine mit Mehrfachwerkzeugen.

Justieren auf verschiedene Kabelkanalgrößen

Die Stanzmaschine PowerSpee kann variabel auf verschiedene Materialeigenschaften eingestellt werden: So können Kabelkanäle zwischen 25-150mm Breite, einer Höhe von 37-125 mm und einer Länge von 500 und den herkömmlichen 2000 mm gestanzt werden. Die Exzentrizität ist zwischen 6,9,12  und 15 mm wählbar. Durch die Modulbauweise des Werkzeugs ist es je nach gewünschter Profilabmessung möglich, nur die Schneideinheit zu wechseln. Durch dieses Kassettensystem kann der Bediener  innerhalb weniger Minuten die Stanze auf ein neues Kabelkanal-Format umstellen.

Feststehendes Werkzeug garantiert zuverlässige Positionierung

Es ist weiterhin vorteilhaft, dass der Steuerungs- bzw. Synchronisierungsprozess des Kabelkanalvorschubs beim Stanzen mit den Einfachwerkzeugen einfacher und prozesssicherer als mit Mehrfachwerkzeugen ist. Bei der Stanzmaschine von Stanova wird nur der relativ leichte Kabelkanal im Abstand einer Fingerbreite des Verdrahtungskanals vorgeschoben und zum fest stehenden Werkzeug positioniert. Bei der herkömmlichen Technologie dagegen bewegt sich ein Mehrfachwerkzeug und wird immer von neuem zum gestanzten Kabelkanalende ausgerichtet. Das kann zu Positionierungsfehlern führen und somit zu fehlerhaften Fingerabständen im Stanzergebnis. Der hergestellte Verdrahtungskanal ist dann Ausschuss.

Zusätzliche Entgratung entfällt

Auch erhöhter Grat kann ein Reklamationsgrund beim Kunden sein. Bisher wird der Grat bei vielen Herstellern in einem zusätzlichen Schritt entfernt. Das verteuert die Produktion und verlängert die Fertigungslinie. Stanova tritt mit einem anderen Ansatz an: Durch eine optimale Abstimmung von Werkzeuggeometrie, Schneidspalt,  Stanzgeschwindigkeit und Materialzusammensetzung wird schon beim Stanzen fast komplette Gratfreiheit erzielt. Grat ist unerwünscht, weil scharfe Kanten zu Verletzungen von Monteur und Monteurin führen können. Auch kann er Kabelisolierungen beschädigen, kleine Flusen können bei höheren Spannungen sogar zu Kurzschlüssen führen.

Gegenwärtig bereitet den Verdrahtungskanalherstellern das gratarme Stanzen von halogenfreiem Kunststoff PC-ABS noch Schwierigkeiten. Hier bedeutet der Einsatz der PowerSpee einen technologischen Fortschritt, da auf eine Nacharbeit des Verdrahtungskanals verzichtet werden kann.

Höhere Produktivität beim Stanzen von PVC

PVC dagegen lässt sich schon jetzt relativ gratfrei stanzen. Hier ist aus Sicht der Verdrahtungskanalhersteller eine höhere Produktivität attraktiv. Sie sollte mindestens mit der Produktivität der Extruder Schritt halten. Das schaffen die auf bisherigen Stanzmaschinen nicht. Die Stanzmaschine ist bisher also ein Nadelöhr – oder musikalisch gesprochen: es besteht eine Disharmonie zwischen dem schnellen Extruder und der langsameren Stanze, die die Firma Stanova Stanztechnik wieder miteinander „versöhnen“ will. Die Harmonisierung verspricht eine deutlich höhere Energieeffizienz: Der Extruder kann besser ausgelastet werden, weniger Energie verpufft.

Zudem hat der elektromechanische Exzenterantrieb mit 90% einen besseren Wirkungsgrad gegenüber 82% bei der herkömmlichen Hydraulik-Technik.

Klein aber oho

Schnell und  individuell – die Kombination dieser beiden Eigenschaften macht die Sondermaschine PowerSpee so interessant: Stanova will sich nicht mit Branchengrößen messen, sondern eine Maschineneinheit mit den erforderlichen Parametern zur Verfügung stellen und zugleich auf die besonderen Bedürfnisse der Kunden eingehen: So kann die PowerSpee offline oder online eingesetzt  werden: damit ist eine schnelle Produktion gängiger Verdrahtungskanal-Größen möglich oder auch die Herstellung bestimmter Losgrößen auf Vorrat. Bei einer Maschinenstörung kann der Extruder weiterlaufen, die extrudierten Profile werden in einer Pufferzone gelagert.

Ausgründung des etablierten Servopressen-Herstellers Promess

Die Firma Stanova Stanztechnik GmbH wurde im Juli 2015 gegründet. Das Unternehmen entwickelt und vertreibt eine hochproduktive Stanztechnologie. Damit soll es den Herstellern deutschland-, europa-, und weltweit ermöglicht werden, Verdrahtungskanäle wirtschaftlich und gleichzeitig mit hoher Qualität herstellen zu können und sich somit einen Wettbewerbsvorteil auf dem Anbietermarkt zu verschaffen.

Stanova Stanztechnik ist eine Ausgründung der Berliner Promess Montage- und Prüfsysteme GmbH, einer der bekanntesten Servopressenhersteller der Welt. Das patentrechtlich angemeldete Verfahren wurde aus der Mutterfirma ausgegliedert, um eine eigenständige und schwerpunktmäßige Weiterentwicklung des Produkts zu ermöglichen.