Acrylglas Thermische Verformung

Die Verarbeitungsbedingungen von Acrylglas ähneln denen von Weichmessing oder Hartaluminium, mit zwei wesentlichen Unterschieden:

Acrylglas erweicht, wenn es auf über 80°C erhitzt wird. Bei der spanenden Bearbeitung kann große Hitze entstehen, die Spannungen verursacht. Es ist sehr wichtig, die Hitzeentwicklung auf ein Minimum zu reduzieren. Deshalb empfiehlt sich während der Verarbeitung der Einsatz von Kühlmitteln, die gleichzeitig als Schneidflüssigkeit dienen und Späne aus dem Schneidbereich entfernen.

Acrylglas ist ein sprödes Material. Deshalb darf es nur mit geringem Andruck und niedriger Vorschubgeschwindigkeit zugeschnitten werden. Dabei können verschiedene Kühlmittel wie beispielsweise Wasser und Wasser-/ Luftnebel, lösliche Öle und Druckluft eingesetzt werden. Lösliche Öle müssen als Öl-in-WasserEmulsion verwendet werden und dürfen keine Lösungsmittel enthalten, da diese Haarrisse verursachen könnten.

Beim spanenden Bearbeiten, Bohren oder Schneiden von Acrylglas kann die Wärmeentwicklung zu Haarrissbildungen führen, ein Phänomen, das bei vielen Kunststoffmaterialien unter Spannungseinwirkung auftritt. Diese Gefahr kann durch einfaches Tempern reduziert oder eliminiert werden. Ein Vorgang, der für alle spaned bearbeiteten Komponenten aus Acrylglas angewendet werden sollte. Alle Informationen zum Tempern finden Sie im Artikel Acrylglas – Thermische Verformung.

Im Normalfall müssen gegossene Acrylglasplatten vor der thermischen Verformung nicht vorgetrocknet werden. Dies gilt allerdings nicht für Acrylglas, das im Spritzgussverfahren hergestellt wurde oder extrudierte Platten, für die das Vortrocknen allgemein empfohlen wird.

Gegossene Acrylglasplatten werden durch das Erwärmen auf 140 –170°C elastisch und gummiartig und lassen sich in durch Kraftaufwendung, z.B. durch Druckluft oder mechanische Klemmen, in komplexe Formen bringen. Wenn sie in dieser Form verbleiben und auf unter 90°C herunter gekühlt werden, behalten sie diese Form bei. Bei erneuter Erwärmung nehmen sie ihre ursprüngliche flache Plattenform wieder an.

Extrudierte Acrylglasplatten verhalten sich bei Erhitzen auf diese Temperatur ähnlich wie gegossene Platten. Nur lassen sie sich leichter verformen, benötigen dafür weniger Kraftaufwand und fließen eher, als dass sie sich dehnen. Folglich bilden sich Formteile aus extrudierten Platten bei Wiedererwärmung nicht in den ursprünglichen flachen Zustand zurück. Abbildung 4 veranschaulicht die Wirkung der Erwärmung auf gegossene und extrudierte Platten. Generell sollte die Temperatur für die thermische Verformung bei gegossenen Platten 170°C und bei extrudierten Platten 155°C betragen.

Beim Erwärmen schlagzäh modifizierter AcrylglasTypen wird die Platte bei Formtemperatur opak. Dies ist völlig normal, und die Klarheit kehrt zurück, wenn die Formteile wieder Raumtemperatur erreicht haben.

Die gesamte Acrylglas Platte sollte gleichmäßig erwärmt werden, außer es sollen nur Teilbereiche der Platte verformt werden.

Für gegossene Platten eignet sich dafür am besten ein Umluftofen mit genauer Temperaturregelung. Sowohl klare als auch farbige Platten können auf sauberen, horizontalen Hordenblechen in den Ofen gelegt werden. Wenn jedoch das optische Erscheinungsbild besonders im Vordergrund steht, sollten die Platten vertikal in den Ofen gehängt werden, um Oberflächenbeschädigungen oder Kontamination während des Erwärmens zu vermeiden. Geeignete Klemmen können so konstruiert werden, dass die Platten entlang ihrer größten Abmessungen aufgehängt werden. Auch für das Erwärmen extrudierter Platten in einem Umluftofen empfiehlt sich das vertikale Aufhängen.

Alternativ zu Umluftöfen können bestimmte Infrarot-Heizgeräte für die Erwärmung von Acrylglas Platten verwendet werden, zum Beispiel mit Quarz- oder Keramikelementen. Da diese das Acrylglas sehr schnell erhitzen können, müssen Heizelemente und Heizplatten so konstruiert sein, dass sie eine gleichmäßige Erwärmung unter sorgfältig kontrollierten Bedingungen gewährleisten. Dadurch wird eine Überhitzung und Schwächung der Platte vermieden.

Bei Verwendung von Infrarot-Heizelementen sollte die Acrylglasplatte gleichmäßig auf beiden Seiten erwärmt werden, d.h. unter Verwendung doppelseitiger Heizplatten.

SICHERHEITSHINWEIS Auf Vakuumformmaschinen verwendete Infrarot[1]Heizelemente können die Temperatur der Platte sehr schnell erhöhen und zu einer Überhitzung führen. Wenn die Oberflächentemperatur von Acrylglas 200°C übersteigt, kommt es zu einem Materialabbau, gefolgt von Zersetzung und der Entstehung entzündlicher Zersetzungsgase. Erste Anzeichen sind bei gegossenen Platten eine Blasenbildung auf der Oberfläche, gefolgt von einem knisternden Geräusch, wenn die Platte beginnt, sich zu zersetzen.

Wenn bei extrudierten Platten Blasen auftreten, ohne das es Anzeichen einer Zersetzung gibt, ist dies wahrscheinlich eher auf absorbierte Feuchtigkeit zurückzuführen. Dann ist ein nächtlicher Trocknungszyklus bei einer Temperatur von 75 bis 85°C erforderlich.

Die Verarbeitungsverfahren von gegossenen und extrudierten Acrylglas Platten entscheiden sich wesentlich voneinander, und beide Materialien schrumpfen etwas bei Erwärmung auf die Warmformtemperatur. Eine gegossene Platte ist nach Erwärmung und anschließender Abkühlung 2 Prozent kürzer und schmaler als vorher und die Plattenstärke nimmt sichtbar zu. Bei erneutem Erwärmen schrumpft die Platte nicht noch einmal. Dieses einmalige Schrumpfen sollte jedoch berücksichtigt werden, wenn die Platte vor der thermischen Verformung zugeschnitten wird.

Eine extrudierte Platte weist bei Erwärmung eine höhere Schrumpfung in Extrusionsrichtung auf und nur sehr wenig in der anderen Richtung. Es fällt schwer, genaue Schrumpfungswerte für extrudierte Platten anzugeben, da diese von der Stärke der Platte und der Heizzeit abhängen. Generell schrumpfen 2 mm starke Platten etwas ausgeprägter als 5 mm starke Platten, im Normalfall etwa fünf Prozent.

Wird die Platte vor der Erwärmung kalt in einen Rahmen gespannt, wird die Schrumpfung unterbunden und normalerweise sind keine Schrumpfungstoleranzen erforderlich.

Nach der thermischen Verformung sollten gegossene Platten in der Form verbleiben, bis sie sich auf eine Temperatur von ca. 60°C abgekühlt haben. Wichtig ist die gleichmäßige Abkühlung, um ein Verziehen des Formteils und Spannungen zu verhindern. Die Formteile sollten aber nicht zu lange in der Form verbleiben, weil sie sich sonst auf der Form zusammenziehen und beim Herausnehmen beschädigt werden könnten.

Bestimmte Acrylglas Farben können sich während des Erwärmens verändern, besonders, wenn die Platte überhitzt wird. Deshalb sollte die erste Oberfläche immer die „Vorzeigeseite” sein, da die Gegenseite nach der Erwärmung unter Umständen etwas matter ist. Außerdem kann es beim Dehnen farbiger Platten zu einer unvermeidlichen Verdünnung der Platte im Dehnbereich kommen. Dies führt gegebenenfalls zu geringerer Opazität.

Bei gegossenen Acrylglas Platten ist die „Vorzeigeseite” immer die Seite, auf der sich die bedruckte Schutzfolie befindet.

Acrylglas lässt sich mit verschiedenen einfachen Techniken thermisch verformen. Dabei bestimmt der gewünschte Dehnungsgrad, welche Technik eingesetzt werden sollte. Für Blaskuppeln und ähnliche Formen ist eine Formstation mit Kniehebelspannern und Stahlringen zur Befestigung der heißen Platte notwendig. Die Abbildungen 7 und 8 zeigen typische Grundkonstruktionen.

Das Formen einfacher Krümmungen erfordert wenig Kraft, weil dabei kaum Dehnung erforderlich ist. Abbildung 10 zeigt eine Form zur Herstellung von Windschutzscheiben für Motorräder. Das heiße Acrylglas wird auf die Form gelegt, die mit mehreren Schichten Tuch ausgelegt ist, um die Oberfläche nicht zu beschädigen. Die Platte nimmt dann die Form der Krümmung an.

Das Streckformen ist eine weitere Technik für die einfache Krümmung von Acrylglas. Dafür ist etwas mehr Kraft erforderlich, um die heiße Platte über einen Formkern zu ziehen und sie mit mehreren weichen Tüchern in dieser Position zu halten, bis sie sich abgekühlt hat. Siehe Abbildung 11.

Aus erwärmten Acrylglas Platten können Rohre hergestellt werden, indem das Acrylglas in ein mehrteiliges zylindrisches Werkzeug gelegt und das Werkzeug in einer Einspannvorrichtung fixiert wird. Dabei muss die Wärmeschrumpfung berücksichtigt werden. Unter Umständen sind einige Versuche erforderlich, um die genaue Größe des Rohlings zu erzielen. Die Verbindungskante im Formteil kann verklebt werden.

Das Abkanten ist eine sehr wichtige Technik für die Herstellung von Ausstellungsobjekten, POS-Objekten und vielen anderen Komponenten aus Acrylglas, wie zum Beispiel Kästen, Regalen, Leuchtkörpern, Tabletts etc.

Die Acrylglas Platte wird mit Hilfe eines Heizelementes, gewöhnlich einem Heizdraht, entlang einer schmalen Linie erwärmt. Wenn die Formtemperatur erreicht ist, wird die Platte abgekantet und so lange in einer Abkühlvorrichtung festgehalten oder festgeklemmt, bis sie abgekühlt ist. Zu den für das Abkanten geeigneten Heizelementen gehören Nickelchromdraht und elektrische Heizbänder, die je nach Radius der erforderlichen Krümmung und Stärke der verwendeten Platte eingesetzt werden. Für Platten mit einer Stärke größer als 5mm empfiehlt sich eine doppelseitige Erwärmung. Entsprechende Ausrüstungen lassen sich selbst herstellen, bestens geeignete Maschinen sind jedoch auch im Handel erhältlich. Abbildung 13 zeigt eine Vorrichtung zum Abkühlen von abgekantetem Acrylglas.

Um eine scharfe Abkantung an einer gegossenen Acrylglasplatte herzustellen, kann eine „V”-förmige Einkerbung entlang der Innenseite auf ungefähr der halben Plattentiefe vorgenommen werden. Durch das Entfernen des Materials lässt sich die Platte besser abkanten, die so entstandene Kante ist jedoch auch wesentlich schwächer.

Für eine scharfe Abkantung sollte die Breite der zu beheizenden Zone das Vier- bis Sechsfache der Plattenstärke betragen. Beim Abkanten langer, flacher Teile kann es entlang der Krümmungslinie zu einem gewissen Verzug kommen. Dies ist beim Abkanten immer möglich und sehr schwer zu verhindern. Wenn dies absolute inakzeptabel ist, muss entweder mit thermischer Verformung oder mit Verkleben gearbeitet werden.

Um den Verzug zu reduzieren, sollte eine beinahe rechtwinklige Krümmung hergestellt werden, da diese dem Paneel zusätzliche Steifheit verleiht. Je flacher der Krümmungswinkel, desto größer ist gewöhnlich die Materialverwerfung.

HINWEIS: 1) Erhitzen bestimmter Bereiche einer Acrylglas Platte, speziell beim Abkanten, verursacht Spannungen in der Dehnungskante, da die Platte entlang der erwärmten Stelle schrumpft. Insbesondere bei extrudierten Platten kann es durch Klebstoffe, Farbe oder Spraylacke zu Spannungsrissen kommen. Um diese Gefahr zu vermeiden, sollten die Formteile nach dem Abkanten getempert werden.

Das Vakuumverformen ist eine gebräuchliche Methode, um Formteile aus Polymerplatten herzustellen. Es sind sehr viele kommerzielle, computergesteuerte Vakuumformmaschinen erhältlich, die mit Infrarot-Heizplatten ausgestattet sind und hohe Produktionsgeschwindigkeiten erzielen. Extrudierte Acrylglas Platten eignen sich aufgrund ihrer niedrigeren Schmelzfestigkeit hervorragend für die Vakuumverformung. Die Platten lassen sich mit relativ geringen Vakuumkräften tiefziehen, sind sehr dehnbar und passen sich dadurch der Form des Werkzeugs besonders gut an.

Gegossene Acrylglas Platten erfordern stärkere Kräfte bei der Verformung und eignen sich deshalb weniger für die Vakuumverformung – es sei denn, es handelt sich um größere, einfache Formen wie z.B. Badewannen.

Für längere Produktionszyklen und hochwertige Konturenwiedergabe sollten Formwerkzeuge aus Aluminiumguss mit Wasserkühlung verwendet werden. Wir empfehlen eine völlig staubfreie, matte Oberfläche des Formwerkzeugs, vor allem wenn klare Platten verformt werden. Die Werkzeugtemperaturen sollten bei 80 bis 95°C gehalten werden.

Für die Vakuumverformung von Acrylglas Platten über 2mm Stärke empfehlen wir beidseitiges Erwärmen. Es ist schwierig, genaue Empfehlungen bezüglich der Heizzeiten und Heizbedingungen auszusprechen, da diese von der verwendeten Maschine abhängen. Der Maschinenhersteller sollte jedoch in der Lage sein, diese Angaben zu liefern. Generell sind die oberen Heizelemente normalerweise auf eine Leistung von 20kW/m2 und die unteren Heizelemente auf 8kW/m2 eingestellt. Davon ausgehend, sollte die Platte vorsichtig erwärmt und der Vorgang sorgfältig überwacht werden, bevor die Platte zum Formen bereit ist. Dies erfordert einiges Experimentieren. Es ist jedoch wichtig, dass die Platte nicht überhitzt wird und auf die untere Heizfläche absackt, da dies zu Beschädigungen der Maschine führen kann und sogar Brandgefahr besteht. Durch das Einführen von Luft in den Ofenhohlraum sollte ein Temperaturausgleich geschaffen werden, um so die erwärmte Platte am Ende des Heizvorgangs zu unterstützen.

Extrudierte Platten können Feuchtigkeit absorbieren, die beim Vakuumformen zu Blasenbildung führen kann. In diesem Fall sollte die Platte – am besten ohne Schutzfolie – erst einmal getrocknet werden. Dafür ist ein Zeitraum von mindestens 24 Stunden bei 75-85°C erforderlich.

Für das Tempern von gegossenen Acrylglas Platten empfehlen wir folgendes Verfahren:

1. Formteile bei Raumtemperatur in einen Umluftofen legen.
2. Die Ofentemperatur kontinuierlich, aber nicht um mehr als 18°C pro Stunde, steigern.
3. Wenn die Tempertemperatur von 90°C erreicht ist, wird sie wie folgt aufrechterhalten:
4. a) 1 Stunde für eine Plattenstärke bis 3mm
5. b) 2 Stunden für eine Plattenstärke bis 6mm
6. c) 4 Stunden für eine Plattenstärke bis 12mm
7. d) 6 Stunden für eine Plattenstärke bis 20mm
8. Abkühlen auf Raumtemperatur, aber nicht schneller als um 12°C pro Stunde.

Für thermisch verformte Komponenten sollte die Tempertemperatur auf 70° bis 85°C verringert werden.

Wir empfehlen, alle Formteile aus extrudierten Acrylglasplatten vor dem Verkleben, Lackieren oder Siebdrucken zu tempern.

Für einen schnellen Temperzyklus, der sich insbesondere für dünne Platten anbietet, wird der Ofen zuerst auf 80°C vorgeheizt, anschließend wird für eine Stunde getempert, dann werden die Teile aus dem Ofen genommen und bei Raumtemperatur abgekühlt.

Die während des Gießvorgangs entstandenen Spannungen in Acrylglas Acrylglasplatten wirken sich im Normalfall nicht auf das fertige Produkt aus. Wenn jedoch während der Verarbeitung die Toleranzen des Materials sehr stark ausgereizt werden, empfiehlt es sich, die Spannungen des Gießvorgangs durch einen Normalisieren genannten Prozess zu beseitigen. Erhitzt man Acrylglas oberhalb der Glasübergangstemperatur, bilden sich die Spannungen zurück und die Platte schrumpft um ca. 2 Prozent.

Normalisiertes Acrylglas gilt deshalb als spannungsfrei und vollständig geschrumpft. Während des Normalisierungsprozesses muss die Temperatur sorgfältig überwacht und ein genauer Zeitplan eingehalten werden, abhängig von der Stärke der Platte. Die zu normalisierende Platte wird in einem Umluftofen auf 140°C erhitzt und die Temperatur gehalten, bis sich die Platte gleichmäßig erwärmt hat. Dann lässt man die Platte langsam abkühlen, damit nicht erneut Spannungen entstehen.

Abkühlung von 105° bis 110°C auf Raumtemperatur: nicht schneller als 4°C/Stunde. Minimale Abkühlzeit: 21 Stunden. Maximal zulässige Differenz zwischen Material- und Umgebungstemperatur bei der Entnahme aus dem Ofen: 7°C.

Sachgemäße Anwendung ist vor allem für starke Platten und Blöcke sehr wichtig. Tabelle 3 nennt die üblichen Zyklen für die Normalisierung von gegossenem Acrylglas.

HINWEISE 1) Vorausgesetzte Raumtemperatur: 20°C. 2) Tatsächliche Plattenstärke in mm. 3) Für Plattenstärken, die sich wesentlich von den oben genannten unterscheiden, ist entweder der entsprechende Zyklus zu berechnen oder es sollten die Werte für die nächst größere Stärke herangezogen werden.