Christian Hopmann
Walter Michaeli

Einführung in die Kunststoffverarbeitung

8., aktualisierte Auflage

Die vorherige 7. Auflage hat sich erfreulicherweise sehr gut verkauft, so dass wir nur zwei Jahre später eine 8. Auflage dieses Buches herausbringen können.

Nach den umfangreicheren Überarbeitungen für die 7. Auflage umfasst die hier vorliegende 8. Auflage einige Verbesserungen und Aktualisierungen. Im Detail: Einzelne Darstellungen wurden inhaltlich erweitert und Bilder erneuert, so dass die Grundlagen der Kunststoffverarbeitung in Forschung und Praxis in weiterhin aktueller, umfassender und anschaulicher Weise abgebildet sind.

Auch dieses Mal gilt mein Dank meinen Mitarbeitern am Institut für Kunststoffverarbeitung, den Mitarbeitern beim Carl Hanser Verlag sowie den aufmerksamen Lesern, die uns auf Verbesserungsmöglichkeiten hingewiesen und so zum Gelingen dieser Überarbeitung beigetragen haben.

Vorwort zur siebten Auflage

Seit genau 40 Jahren begleitet das Buch „Einführung in die Kunststoffverarbeitung“ Studierende des Instituts für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen durch ihr Studium. Mit seinem erstmaligen Erscheinen im Hanser Verlag im Jahr 1975 ist es darüber hinaus für Praktiker aus Industrie und Handwerk sowie für Studierende anderer Hochschulen zu einem verbreiteten Nachschlagewerk und Lehrbuch geworden, das die vielfältigen Möglichkeiten bei der Verarbeitung von Kunststoffen grundlegend und umfassend erläutert.

Die vorliegende siebte Auflage behält das bewährte Konzept des Buches bei. Es verzichtet weitgehend auf eine tiefe und allzu komplexe wissenschaftliche Darstellung von Werkstoffverhalten und Fertigungsverfahren, sondern versucht, mit zahlreichen Beispielen und Bildern ein grundlegendes Verständnis zu erzeugen und eine Faszination für die Möglichkeiten der Kunststofftechnik zu wecken. Mit der Neuauflage werden jüngere Entwicklungen berücksichtigt und einige Themen neu geordnet. Ein eigenes Kapitel zur Elastomerverarbeitung stellt dieses wichtige Thema nun kompakt und umfassend dar, auch der Verarbeitung von Polyurethanen wird in der vorliegenden Auflage erstmalig ein eigenes Kapitel gewidmet. Wir hoffen, dass diese Ergänzungen und Umstrukturierungen weiter zur Verständlichkeit und Zugänglichkeit der in diesem Buch beschriebenen Inhalte beitragen.

Die „Einführung in die Kunststoffverarbeitung“, die in den Lehrveranstaltungen von Prof. Dr.-Ing Georg Menges ihren Ursprung nahm, erscheint mit der vorliegenden überarbeiteten Auflage erstmalig in doppelter Autorenschaft: Im April 2011 trat Prof. Dr.-Ing. Christian Hopmann die Nachfolge von Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Walter Michaeli als Lehrstuhlinhaber und Institutsleiter des IKV an. Wir freuen uns beide sehr, dass uns dieses Buch mit seiner langen Geschichte im Hanser Verlag in die dritte IKV-Generation begleitet. Es ist weiterhin grundlegend für die Lehre am IKV und der RWTH Aachen, insbesondere für die einführende Vorlesung „Kunststoffverarbeitung I“. Auch in Zukunft soll es ‒ vielleicht heute, in Zeiten so vielfältiger anderer Informationsmöglichkeiten, mehr denn je ‒ als fundiertes und in sich geschlossenes Lehrbuch sowie als verlässliches und übersichtliches Nachschlagewerk für die Praxis dienen.

Die Erstellung und Überarbeitung eines solchen Buches ist ohne engagierte Unterstützung zahlreicher Helferinnen und Helfer nicht möglich. Daher danken wir unseren wissenschaftlichen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern, die Vorhandenes kritisch gesichtet, überarbeitet und ergänzt haben. Ein ganz besonderer Dank geht an Frau Dr. Scheller-Brüninghaus, die für die Redaktion, Koordination und permanente Abstimmung mit dem Carl Hanser Verlag verantwortlich zeichnete und mit ihrem hohen Engagement einen erheblichen Beitrag zum Gelingen dieses Buches geleistet hat. Herzlich danken möchten wir zudem dem Carl Hanser Verlag für die Bereitschaft, dieses Werk erneut aufzulegen, sowie namentlich Frau Wittmann, die mit Rat und Tat geduldig die Entstehung des Werkes begleitet und maßgeblich unterstützt hat.

Vorwort zur sechsten Auflage

Ich freue mich, dass dieses Buch auch weiterhin eine so gute Resonanz erfährt. Vielleicht ist dies ja ein Zeichen, dass die Wissensvermittlung der Kunststofftechnik bundesweit vermehrt in den Lehrplänen der Schulen und Hochschulen Berücksichtigung findet. Ich würde dies sehr begrüßen. Eine Welt ohne Kunststoffe ist nicht mehr vorstellbar, und die Entwicklung der Kunststoffe und deren Be- und Verarbeitung schreitet unaufhaltsam voran. Dies war auch wiederum der Anlass für die Überarbeitung dieses Buches. So finden Sie in dieser Auflage neue Kapitel zur Thematik „Biopolymere“ und „Spaltimprägnierung“, ein neu entwickeltes Verfahren zur Herstellung von Leichtbauteilen, welches zukünftig vielleicht die industrielle Herstellung revolutionieren wird.

Ganz herzlich möchte ich mich bedanken bei meinen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern sowie Herrn Dipl.-Ing. Lennart Ederleh, Abteilungsleiter Extrusion und Weiterverarbeitung, Herrn Dipl.-Ing. Jörg Strohhäcker, Abteilungsleiter Faserverstärkte Kunststoffe, Herrn Dipl.-Ing. Oliver Grönlund, Abteilungsleiter Spritzgießen/PUR-Technologie, Frau Dipl.-Ing. Ina Michaelis, Herrn Dipl.-Ing. Henning Seidel und Herrn Dipl.-Ing Mathias Weber für die tatkräftige Hilfe bei der Überarbeitung dieses Buches. Dank gilt besonders auch Herrn Dipl.-Ing. Leo Wolters, Abteilungsleiter Ausbildung für die redaktionelle Überarbeitung.

Dem Carl Hanser Verlag sei auch an dieser Stelle für die stets vorzügliche Kooperation bei diesem und vielen gemeinsamen Projekten gedankt.

Vorwort zur fünften Auflage

Dieses Buch findet weiterhin vorzügliche Resonanz bei seinen Lesern. Ihnen allen sei hierfür herzlich gedankt. Gedankt sei auch für die Anregungen zur weiteren Verbesserung dieses Buches, welche gerne aufgegriffen und in diese überarbeitete Auflage eingearbeitet wurden.

Seit dem Erscheinen der letzten Auflage im Jahre 1999 haben sich einige neue und innovative Kunststoffverarbeitungsverfahren in der Praxis durchsetzen können, so dass über diese nun als „Stand der Technik“ berichtet werden kann und sie daher auch zu Recht Aufnahme in dieses einführende Buch finden. Dies sind einige Spritzgießverfahren und Verfahren aus dem Bereich der Herstellung von langfaserverstärkten Kunststoffbauteilen.

Herzlich bedanke ich mich bei meinen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern sowie Herrn Dr.-Ing. Torsten Schmitz, Leiter der Abteilung Extrusion und Weiterverarbeitung, Herrn Dipl.-Ing. Michael Schlumm, Leiter der Abteilung Faserverbundwerkstoffe und Herrn Dipl.-Ing. Christoph Lettowsky, Leiter der Abteilung Spritzgießen am IKV für ihre tatkräftige Hilfe bei der Überarbeitung dieses Buches. Dank gilt auch Frau Ingrid Zekorn und Frau Georgette Nelissen für die redaktionelle Überarbeitung.

Dem Carl Hanser Verlag sei besonders gedankt für die vorzügliche Kooperation bei diesem und vielen gemeinsamen Projekten.

Vorwort zur vierten Auflage

Viele Resonanzen haben mich zu diesem Einführungsbuch in die Welt der Kunststoffverarbeitung in der Vergangenheit erreicht. Hierbei war besonders erfreulich, dass sie vornehmlich positiv waren. Aber sie waren auch hilfreich und anregend, denn sie enthielten konstruktive Hinweise zur punktuellen Verbesserung. Alle diese Anmerkungen wurden in dieser vierten Auflage aufgenommen und eingearbeitet. So möchte ich mich herzlich bei allen Kritikern für ihren der Sache dienenden konstruktiv-kritischen Beitrag bedanken.

Diese vierte Auflage wurde um ein Kapitel zum Recycling von Kunststoffen ergänzt. Dies ist heute und auch in Zukunft eine Aufgabe unserer Industrie sowie unserer Gesellschaft. Daher gehört dies auch in ein solches Einführungsbuch. Auch haben Sonderverfahren des Spritzgießens an Bedeutung zugenommen, so dass dieser Teil im Buch erweitert wurde.

Ganz herzlich bedanke ich mich bei meinem Mitarbeiter und Leiter der Abteilung Spritzgießen im IKV, Herrn Dr.-Ing. Frank Ehrig, für die tatkräftige Unterstützung bei der Überarbeitung des Buches. Danken möchte ich allen Mitarbeitern, die einen Beitrag zu diesem Buch beigesteuert haben sowie Frau Ingrid Zekorn und Frau Georgette Nelissen für die redaktionelle Überarbeitung.

Dank gilt auch dem Carl Hanser Verlag für die traditionell gute Kooperation in dieser Sache und in vielen weiteren Buchprojekten.

Vorwort zur dritten Auflage

Viele Jahre lang hat mein Vorgänger in der Leitung des Instituts für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen, Professor Dr.-Ing. G. Menges, seinen Studenten und Studentinnen mit seinem Buch „Einführung in die Kunststoffverarbeitung“ einen ersten, umfassenden Einblick in die Faszination der Kunststoffe und ihre Verarbeitungstechniken vermittelt. Er nutzte dieses Buch als Basis für seine Vorlesungsreihe „Kunststoffverarbeitung I“. Sein Buch hat sich dabei vielfach bewährt.

So wundert es auch nicht, dass Professor Menges eines Tages vom Verband Kunststofferzeugender Industrie (VKE), Frankfurt, angesprochen wurde, auf seinem Fachwissen und seinen Lehrerfahrungen aufbauend ein Buch zu schaffen, welches weiterhin die Kunststoffverarbeitung in ihrer Breite darstellt, zum Eigenstudium geeignet und auch für Nicht-Techniker und Menschen ohne wissenschaftliche Vor- und Ausbildung gut verständlich ist.

Zur Umsetzung dieser Idee lag es nahe, dies zusammen mit dem Süddeutschen Kunststoffzentrum (SKZ) in Würzburg zu machen, mit dem unser Institut eng fachlich und freundschaftlich verbunden ist.

Mit meiner Rückkehr an die RWTH Aachen zum Wintersemester 1987/1988 lagen schon erhebliche Vorarbeiten zu diesem Projekt vor, die nun in den Folgejahren mit meinen eigenen Erfahrungen in der Fortsetzung der ehemaligen Vorlesungen von Professor Menges verknüpft und abgerundet wurden.

So liegt vor dem Leser nun ein Buch, welches versucht, in gut verständlicher Form und Sprache Lernenden und Studierenden sowie Praktikern aus Industrie und Handwerk eine Einführung und einen umfassenden Überblick über die wesentlichen Kunststoffverarbeitungsprozesse, ihre Funktionsweise und verfahrenstechnischen Hintergründe zu vermitteln. Hierbei werden nach einer Einführung in die Herstellung der Kunststoffe und ihrer Eigenschaften die wesentlichen, ihr Verarbeitungsverhalten beeinflussenden Größen aufgezeigt und die Grundprinzipien der wichtigsten Kunststoffverarbeitungs- und Weiterverarbeitungsverfahren dargestellt. Ein Stichwortverzeichnis dient der schnelleren Orientierung bei seiner Nutzung als Nachschlagewerk; auch wurde wesentlicher Wert auf die umfassende Darstellung weiterführender Literatur gelegt.

Wie eingangs dargelegt, ist dieses Buch ein Gemeinschaftswerk. Besonderer Dank gilt zunächst Herrn Professor Menges für die Vorarbeiten und die Tatsache, dass wir hierauf aufbauen durften. Weiterhin sei allen Mitarbeitern des SKZ und des IKV für ihren Beitrag zum Gelingen dieses Buches ganz herzlich gedankt.

Der VKE unterstützte uns großzügig ‒ fachlich und finanziell ‒ bei der Realisierung dieser Buchidee. Ihm, seinen Mitarbeitern und hierbei besonders Herrn Abele, sei besonders herzlich gedankt.

Dank gilt auch dem Carl Hanser Verlag, der unseren Text letztlich erst zu einem Buch werden ließ, von dem ich hoffe, dass seine Leser viel aus ihm lernen mögen und dabei auch Spaß haben.

Univ.-Prof. Christian Hopmann

Seit April 2011 ist Prof. Christian Hopmann Leiter des Instituts für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen. Er studierte Maschinenbau mit der Vertiefungsrichtung Kunststofftechnik an der RWTH Aachen und promovierte 2000 bei Prof. Walter Michaeli. 2005 wechselte Hopmann in die Industrie und trat bei der RKW AG Rheinische Kunststoffwerke (heute: RKW SE) ein. Von Januar 2010 bis zu seinem Wechsel an das IKV war er Managing Director der RKW Sweden AB in Helsingborg/Schweden. 2014 wurde er für die Entwicklung der Spaltimprägniertechnologie für faserverstärkte Kunststoffe mit dem NRW-Innovationspreis ausgezeichnet.

Prof. Walter Michaeli

Prof. Walter Michaeli verabschiedete sich 2011 nach 23 überaus erfolgreichen Jahren als Institutsleiter am IKV und nach Erreichen der Altersgrenze in den Ruhestand. Michaeli studierte Fertigungstechnik an der RWTH Aachen, nach über acht Jahren Industrietätigkeit übernahm er 1988 als Direktor die Leitung des IKV. Er war Mitglied in mehreren bedeutenden wissenschaftlichen Akademien und in der Jury des Deutschen Zukunftspreises. Für seine Entwicklung einer innovativen Wasserinjektionstechnik beim Spritzgießen von Kunststoffen erhielt Professor Michaeli im Jahr 2002 den Otto von Guericke-Preis der AiF.

In Anlehnung an DIN EN ISO 1043-1, DIN 1629

Die Beschäftigung des Menschen mit organischen, hochmolekularen Werkstoffen, wie Holz, Textilien oder Leder, ist seit alters her dokumentiert. Dabei beschränkte er sich lange auf die Verarbeitung vorhandener Materialien. Die gezielte Umwandlung von Naturstoffen in die heute unter dem Begriff „Kunststoffe“ bekannten Materialien begann erst im 19. Jahrhundert. Erst seit den 1930er Jahren jedoch kamen die Kunststoffe zu größerer wirtschaftlicher Bedeutung, nachdem Hermann Staudinger Anfang der 1920er Jahre das Modellbild vom Aufbau der Kunststoffe und den daraus resultierenden Synthesemöglichkeiten entwickelt hatte. 

Der weltweite Aufschwung der Kunststoffindustrie begann nach dem Zweiten Weltkrieg. Als Ausgangsbasis diente zuerst die Kohle, bis Mitte der fünfziger Jahre die Umstellung auf das billigere Erdöl erfolgte. Der Vorteil dieser Umstellung lag darin, dass bis dato wertlose Raffinationsanteile, die beim Cracken von Rohöl als Spaltprodukte anfielen, sinnvoll verwendet werden konnten. Damit begann parallel zum steigenden Benzin- und Heizölverbrauch ein schnelles Wachstum der Kunststoffproduktion, das erst mit der Erdölkrise 1973 eine gewisse Dämpfung erhielt. Zwar hat sich seither die Wachstumsrate verlangsamt, dennoch verzeichnen diese Werkstoffe weiterhin eine überdurchschnittlich dynamische Entwicklung.

Die heutige Anwendung der Kunststoffe erstreckt sich auf nahezu alle Lebensbereiche. Sowohl bei Massenartikeln, wie sie in den Bereichen Bauwesen, Verpackung, Landwirtschaft, Haushaltsgeräten und Freizeit Anwendung finden, als auch bei höherwertigen Artikeln, wie in der Elektrotechnik, im Fahrzeug- und Feingerätebau bis hin zu High-Tech-Anwendungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie, hat sich der Einsatz von Kunststoff in hohem Maße bewährt. 

Bei der Eroberung neuer Einsatzgebiete tritt immer mehr die Substitution von klassischen (metallischen) Werkstoffen durch Kunststoffe in den Vordergrund. Die vielfältigen Möglichkeiten der Einflussnahme auf die Materialeigenschaften lassen den Kunststoff zum „Werkstoff nach Maß“ avancieren. Ein weiterer Vorteil ist, dass Kunststoffe typische „Großserienwerkstoffe“ sind. Die Gründe hierzu liegen in der leichten Verarbeitbarkeit zu auch komplizierter gestalteten Formkörpern in sehr wenigen Arbeitsgängen ‒ beim Spritzgießen z. B. ist es nur ein Arbeitsgang ‒ und dies bei einem vergleichsweise niedrigen Temperaturniveau, was niedrige Energiekosten bedeutet. Trotz einer leichten manuellen Bearbeitbarkeit findet man in der Kunststoffverarbeitung nur in geringem Umfang handwerkliche Einzelfertigung oder eine den Metallen entsprechende spanende Fertigung aus Halbzeugen.

Es ist durchaus nicht unbegründet, dass Kunststoffe eine so rasante Entwicklung durchlaufen haben. Denn Kunststoffe sind Werkstoffe mit einem außergewöhnlichen Leistungsspektrum. Ihre Eigenschaften lassen sich knapp zusammenfassen:

• Kunststoffe sind leicht. Ihre Dichte liegt zwischen 0,8 und 2,2 g/cm³. Damit sind sie leichter als Metalle und auch Keramiken.

• Kunststoffe zeigen ein breites, einstellbares Spektrum an mechanischen Eigenschaften. Sie können weich und dehnbar wie auch hart und steif sein.

• Kunststoffe lassen sich einfach und wirtschaftlich bei niedrigen Verarbeitungstemperaturen zu oft nachbearbeitungsfreien, komplexen Teilen verarbeiten. Kunststoffe lassen sich mit relativ geringem Energieeinsatz erzeugen und verarbeiten. Kunststoffe sind jedoch thermisch begrenzt beständig.

• Kunststoffe sind gute thermische und elektrische Isolatoren (wobei in einigen Anwendungsfällen auch genau das Entgegengesetzte gefordert wird und auch in Grenzen erzielbar ist).

• Kunststoffe sind häufig transparent und lassen sich beliebig einfärben.

• Kunststoffe haben eine hohe chemische Beständigkeit.

• Kunststoffe sind durchlässig (Permeation und Diffusion). Dies ist nicht immer gewünscht, jedoch werkstoffspezifisch unterschiedlich. So gibt es Anwendungen, bei welchen gerade dies notwendig ist, z. B. bei Membranen zur Meerwasserentsalzung.

• Kunststoffe lassen sich nach unterschiedlichen Verfahren wiederverwenden bzw. -verwerten.

• Kunststoffe ermöglichen die Integration zahlreicher Funktionen in einem Bauteil und die Fertigung komplexer Produkte in integrierten Prozessen. 

Der Einsatz von Kunststoffen ist nur dann erfolgreich, wenn auf die besonderen Merkmale dieser Materialien Rücksicht genommen wird. Gerade bei der Substitution von klassischen Werkstoffen ist die Umstellung von der bisher üblichen Strategie, z. B. bezüglich Werkstoffauswahl und Bauteilkonstruktion, auf eine „kunststoffgerechte“ Vorgehensweise von essentieller Bedeutung. Dies erfordert die eingehende Beschäftigung mit dem Werkstoff, und zwar sowohl mit der Synthese und den Syntheseverfahren als auch mit den Materialkennwerten und dem Werkstoffverhalten sowie auch mit der Vielfalt der Urform- und Weiterverarbeitungsverfahren.

Hierzu eine einfache und übersichtliche Einführung zu geben, ist Zielsetzung dieses Buches.