Bearbeitung von POM und Acetal-Kunststoffen: Praktische Hinweise für die CNC-Bearbeitung

Was dieses Material ist: Eigenschaften, die für die Bearbeitung relevant sind

POM (Polyoxymethylen) und Acetal-Kunststoffe sind eng verwandte thermoplastische Kunststoffe, die sich durch hohe Steifigkeit, geringe Reibung und gute Maßhaltigkeit auszeichnen. Im Unterschied zu weicheren Kunststoffen wie PVC oder PE weisen sie eine kristalline Struktur auf – das bedeutet, dass ihre Moleküle in geordneten Bereichen angeordnet sind, was ihnen Festigkeit und Härte verleiht.

Für die CNC-Bearbeitung sind folgende Eigenschaften besonders wichtig:

• Hohe Schmelztemperatur: POM schmilzt bei ca. 160–180 °C, Acetal-Copolymere (eine gängige Variante) sogar bei bis zu 190 °C. Im Vergleich zu anderen Kunststoffen ist die Schmelztemperatur relativ hoch, aber niedriger als bei Metallen.
• Niedrige Wärmeleitfähigkeit: POM leitet Wärme nur sehr schlecht – etwa 100-mal schlechter als Stahl. Das bedeutet, dass bei der Bearbeitung erzeugte Wärme nicht schnell abgeführt wird, sondern sich im Werkzeug und Werkstück anstaut.
• Eigenspannungen: Bei der Herstellung von POM-Rohlingen (z. B. durch Spritzguss oder Extrusion) entstehen innere Spannungen, die durch Abkühlungsunterschiede verursacht werden. Diese Spannungen können bei der Bearbeitung zu Verformungen führen.
• Geringe Elastizität: Im Vergleich zu Metallen ist POM weich und neigt dazu, unter Druck nachzugeben. Das kann bei der Spannung des Werkstücks zu Verzerrungen führen.

Wie es sich unter dem Werkzeug verhält

Die Bearbeitung von POM unterscheidet sich deutlich von der Bearbeitung von Metallen oder weicheren Kunststoffen. Die wichtigsten Verhaltensweisen sind:

• Schnittkräfte: POM erzeugt relativ geringe Schnittkräfte, da es weicher als Stahl ist. Allerdings kann die niedrige Elastizität dazu führen, dass das Werkstück unter dem Werkzeug nachgibt, was zu ungenauen Maßen führen kann.
• Wärmeentwicklung: Obwohl die Schnittkräfte gering sind, entsteht bei der Bearbeitung aufgrund der niedrigen Wärmeleitfähigkeit viel Wärme an der Schneidkante. Diese Wärme kann die Schmelztemperatur von POM erreichen, was zu Schmelzrückständen am Werkzeug und Werkstück führt.
• Spanbildung: POM bildet in der Regel kurze, gebrochene Späne, die leicht abgeführt werden können. Bei zu hohen Vorschüben oder zu niedrigen Drehzahlen können jedoch lange, fadenförmige Späne entstehen, die sich um das Werkzeug wickeln.
• Werkzeugverschleiß: Der Verschleiß bei der Bearbeitung von POM ist im Vergleich zu Metallen gering. Allerdings können Schmelzrückstände und abrasive Zusätze (z. B. Glasfasern in verstärktem POM) zu einem schnelleren Verschleiß führen.

Praktische Parameter: Drehzahlen, Vorschübe und Werkzeuggeometrie

Die Wahl der richtigen Bearbeitungsparameter hängt von der Art des POM (unverstärkt oder verstärkt) und der verwendeten Maschine ab. Im Folgenden finden Sie praxistaugliche Bereiche und die dahinterliegenden Abwägungen:

Drehzahlen

Drehzahlen werden in Umdrehungen pro Minute (U/min) angegeben und bestimmen die Schnittgeschwindigkeit (die Geschwindigkeit, mit der die Schneidkante über das Werkstück gleitet). Für POM gelten folgende Bereiche:

• Unverstärktes POM: 10.000–30.000 U/min
• Verstärktes POM (z. B. mit Glasfasern): 5.000–15.000 U/min

Abwägungen: Höhere Drehzahlen führen zu einer geringeren Wärmeentwicklung pro Umdrehung, da die Kontaktzeit zwischen Werkzeug und Werkstück kürzer ist. Das reduziert das Risiko von Schmelzrückständen. Allerdings können sehr hohe Drehzahlen (über 20.000 U/min) bei Maschinen mit geringer Spindelsteifigkeit zu Vibrationen führen. Für die Bearbeitung von POM eignen sich daher Maschinen mit hohen Drehzahlen, wie das vertikale Bearbeitungszentrum GA-DV750 (max. 30.000 U/min) oder das Bohr- und Gewindeschneidzentrum GA-VT540 (max. 20.000 U/min).

Vorschübe

Vorschübe werden in Millimeter pro Umdrehung (mm/U) oder Millimeter pro Minute (mm/min) angegeben und bestimmen, wie viel Material pro Umdrehung abgetragen wird. Für POM gelten folgende Bereiche:

• Unverstärktes POM: 0,1–0,3 mm/U
• Verstärktes POM: 0,05–0,2 mm/U

Abwägungen: Höhere Vorschübe reduzieren die Bearbeitungszeit, können aber zu größeren Schnittkräften und mehr Wärme führen. Bei zu hohen Vorschüben kann das Werkstück unter dem Werkzeug nachgeben, was zu ungenauen Maßen führt. Bei zu niedrigen Vorschüben entsteht mehr Wärme pro abgetragenem Material, was das Risiko von Schmelzrückständen erhöht.

Werkzeuggeometrie

Für die Bearbeitung von POM sind scharfe Werkzeuge mit folgenden Eigenschaften erforderlich:

• Hohe Schneidkantenqualität: Die Schneidkante muss frei von Rauheiten und Beschädigungen sein, um Schmelzrückstände zu vermeiden.
• Positive Spanwinkel: Ein positiver Spanwinkel (der Winkel zwischen der Schneidkante und der Werkstückoberfläche) reduziert die Schnittkräfte und die Wärmeentwicklung. Für POM eignen sich Spanwinkel von 15–25 Grad.
• Geringe Schneidkantenabrundung: Eine kleine Abrundung der Schneidkante reduziert die Reibung und die Wärmeentwicklung.

Abwägungen: Scharfe Werkzeuge sind empfindlicher und können schneller beschädigt werden. Bei der Bearbeitung von verstärktem POM mit abrasiven Zusätzen kann es daher erforderlich sein, Werkzeuge mit einer etwas größeren Schneidkantenabrundung zu verwenden, um die Standzeit zu erhöhen.

Was schiefgeht: Fehlerarten, Erkennung und Behebung

Bei der Bearbeitung von POM treten häufig folgende Fehler auf:

1. Schmelzrückstände

Erkennung: Glänzende, klebrige Rückstände auf dem Werkstück oder Werkzeug, die wie geschmolzener Kunststoff aussehen. Ursache: Zu hohe Wärmeentwicklung an der Schneidkante. Behebung: Erhöhen Sie die Drehzahl, reduzieren Sie den Vorschub oder verwenden Sie ein schärferes Werkzeug. Bei Bedarf können Sie auch Kühlmittel verwenden, um die Wärme abzuführen.

2. Verformungen durch Spannung

Erkennung: Das Werkstück verformt sich nach dem Entspannen, sodass die Maße nicht mehr stimmen. Ursache: Ungleichmäßige Spannung des Werkstücks oder Eigenspannungen im Rohling. Behebung: Verwenden Sie eine gleichmäßige Spannung, z. B. mit Vakuumspannung oder weichen Spannbacken. Bei großen oder komplexen Werkstücken können Sie die Spannung nach der ersten Bearbeitungsphase leicht lösen, um Eigenspannungen abzubauen.

3. Maßungenauigkeiten

Erkennung: Die gemessenen Maße des Werkstücks weichen von den Sollmaßen ab. Ursache: Nachgeben des Werkstücks unter dem Werkzeug, Verformungen durch Wärme oder Eigenspannungen. Behebung: Reduzieren Sie den Vorschub, verwenden Sie ein schärferes Werkzeug oder spannen Sie das Werkstück stabiler. Bei Werkstücken mit hohen Genauigkeitsanforderungen können Sie eine Spannungsentlastung des Rohlings vor der Bearbeitung durchführen.

4. Risse im Werkstück

Erkennung: Kleine Risse an Kanten oder Ecken des Werkstücks. Ursache: Zu hohe Schnittkräfte, zu scharfe Kanten am Werkzeug oder Eigenspannungen. Behebung: Reduzieren Sie den Vorschub, verwenden Sie ein Werkzeug mit einer etwas größeren Schneidkantenabrundung oder führen Sie eine Spannungsentlastung des Rohlings durch.

Ehrliche Einschränkungen: Wo POM oder die Bearbeitung keine gute Wahl ist

POM und seine Bearbeitung haben einige Grenzen, die Sie berücksichtigen sollten:

• Hohe Genauigkeitsanforderungen über lange Zeit: Obwohl POM eine gute Maßhaltigkeit aufweist, kann es bei Temperaturschwankungen um bis zu 0,01 % pro °C schrumpfen oder expandieren. Für Anwendungen, bei denen über einen weiten Temperaturbereich Genauigkeiten unter 0,01 mm erforderlich sind, ist POM möglicherweise nicht geeignet.
• Große, dünnwandige Werkstücke: POM ist weich und neigt dazu, sich unter Spannung oder Wärme zu verformen. Für große, dünnwandige Werkstücke mit hohen Genauigkeitsanforderungen kann die Bearbeitung sehr schwierig sein.
• Hohe Temperaturen über 100 °C: POM verliert ab ca. 100 °C an Festigkeit und kann sich verformen. Für Anwendungen bei Temperaturen über 100 °C ist POM nicht geeignet.
• Geringe Verschleißfestigkeit bei abrasiven Materialien: Obwohl POM eine geringe Reibung aufweist, ist es nicht so verschleißfest wie gehärtete Metalle. Für Anwendungen mit hohem Verschleiß ist POM möglicherweise nicht geeignet.

Parameter- und Fehlerbehebungstabelle

Praktische Checkliste für die Einrichtung des Arbeitsgangs

1. Rohling prüfen: Überprüfen Sie den Rohling auf sichtbare Defekte und Eigenspannungen. Bei Bedarf führen Sie eine Spannungsentlastung durch (Erwärmung auf 80–100 °C für 1–2 Stunden, anschließende langsame Abkühlung).
2. Maschine auswählen: Wählen Sie eine Maschine mit ausreichender Drehzahl und Steifigkeit. Für kleine bis mittlere Werkstücke eignet sich das GA-DV750 (max. 30.000 U/min), für größere Werkstücke das GA-MV856 (max. 12.000 U/min).
3. Werkzeug auswählen: Verwenden Sie ein scharfes Hartmetallwerkzeug mit positivem Spanwinkel. Überprüfen Sie die Schneidkante auf Beschädigungen.
4. Spannung einrichten: Spannen Sie das Werkstück gleichmäßig und stabil. Verwenden Sie bei empfindlichen Werkstücken weiche Spannbacken oder Vakuumspannung.
5. Parameter einstellen: Passen Sie die Drehzahl und den Vorschub an die Art des POM an. Beginnen Sie mit den unteren Bereichen der Empfehlungen und passen Sie sie an.
6. Probebearbeitung durchführen: Führen Sie eine Probebearbeitung an einem ungenutzten Teil des Rohlings durch, um die Parameter zu überprüfen. Überprüfen Sie das Werkstück auf Schmelzrückstände, Verformungen und Maßgenauigkeit.
7. Kühlmittel einstellen: Verwenden Sie bei Bedarf Kühlmittel, um die Wärme abzuführen. Achten Sie darauf, dass das Kühlmittel für Kunststoffe geeignet ist.

FAQ

1. Kann ich POM auch mit einer Maschine mit geringer Drehzahl bearbeiten? Ja, aber Sie müssen die Parameter anpassen. Bei einer Drehzahl von 5.000 U/min sollten Sie den Vorschub auf 0,05–0,1 mm/U reduzieren, um die Wärmeentwicklung zu minimieren. Allerdings kann die Bearbeitungszeit länger sein und das Risiko von Schmelzrückständen erhöht sich.

2. Welches Kühlmittel eignet sich für die Bearbeitung von POM? Wasserbasierte Kühlmittel mit einem hohen Anteil an Schmiermittel eignen sich gut. Vermeiden Sie ölbasierte Kühlmittel, da sie POM aufweichen können. Bei kleinen Werkstücken können Sie auch Druckluft verwenden, um die Wärme abzuführen.

3. Wie oft muss ich das Werkzeug bei der Bearbeitung von POM wechseln? Die Standzeit hängt von der Art des POM und der Bearbeitung ab. Bei unverstärktem POM können Sie ein Werkzeug für mehrere hundert Teile verwenden. Bei verstärktem POM mit abrasiven Zusätzen kann die Standzeit auf einige Dutzend Teile reduziert werden. Überprüfen Sie die Schneidkante regelmäßig auf Verschleiß und Schmelzrückstände.

4. Kann ich POM nach der Bearbeitung noch nachbearbeiten, um die Genauigkeit zu erhöhen? Ja, aber Sie müssen die Eigenspannungen berücksichtigen. Führen Sie vor der Nachbearbeitung eine Spannungsentlastung durch, um Verformungen zu vermeiden. Verwenden Sie für die Nachbearbeitung scharfe Werkzeuge und geringe Vorschübe, um die Wärmeentwicklung zu minimieren.

5. Welche Maschine eignet sich am besten für die Bearbeitung von großen POM-Werkstücken? Für große Werkstücke eignet sich das vertikale Bearbeitungszentrum GA-MV856 mit einem Tisch von 1000×550 mm und einer maximalen Tischlast von 500 kg. Es bietet ausreichende Steifigkeit und eine maximale Drehzahl von 12.000 U/min, die für die Bearbeitung von POM ausreichend ist. Für noch größere Werkstücke können Sie das GA-MVD2560 (Doppelspindel-Bearbeitungszentrum) mit einem Tisch von 3000×550 mm und einer maximalen Tischlast von 2000 kg verwenden.

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