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DuPont™ Technische Kunststoffe Allgemeine ...

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3 – Kriterien für das Spritzgießen<br />

Einheitliche Wanddicke<br />

Bei der Konstruktion von Kunststoffteilen ist eine einheitliche<br />

Wanddicke von ausschlaggebender Bedeutung. Ungleichförmige<br />

Wanddicken können zu großen Verzugs- und Maßhaltigkeitsproblemen<br />

führen. Wird höhere Festigkeit oder Steifigkeit<br />

gefordert, ist es wirtschaftlicher, Rippen vorzusehen, als<br />

die Wanddicke zu vergrößern. Kommt es bei einem Teil auf<br />

eine einwandfreie Oberflächenbeschaffenheit an, sollten Rippen<br />

weitgehend vermieden werden, da Einfallstellen auf der<br />

Außenfläche unvermeidlich sind. Kann bei einem solchen Teil<br />

auf Rippen nicht verzichtet werden, lassen sich Einfallstellen<br />

häufig durch konstruktive Details verbergen, zum Beispiel<br />

durch eine Gegenrippe, eine strukturierte Oberfläche usw.<br />

Selbst wenn einheitliche Wandstärken angestrebt werden,<br />

können unbeabsichtigte größere Querschnitte auftreten, die<br />

nicht nur Einfallstellen, sondern auch Lunker und ungleichmäßige<br />

Schwindung zur Folge haben. So kann zum Beispiel<br />

ein einfaches L-Profil (Abb. 3.01) mit einer scharfen Außenkante<br />

und einer ordnungsgemäß ausgerundeten Innenkante<br />

wegen der größeren Wandstärke im Kantenbereich zu Problemen<br />

führen. Um eine einheitliche Wanddicke zu erzielen, sollte<br />

eine Außenrundung wie in Abb. 3.02 verwendet werden.<br />

Durch Verarbeitung<br />

Moulded in stresses<br />

eingebrachte Eigenspannungen<br />

Warpage<br />

VerzugSinks<br />

Einfallstellen Voids<br />

LunkerWider<br />

tolerances<br />

grössere Toleranzen<br />

Einfallstelle Sink Mark<br />

unterschiedliche<br />

Schwindung<br />

Differencial<br />

Shrinkage<br />

Einfallstelle<br />

Sink Mark<br />

ungünstig günstig ungünstig<br />

Einzug Draw-In<br />

Abb. 3.01 Auswirkungen ungleicher Wanddicken auf Spritzgußteil<br />

Abb. 3.02 Wandstärke im Kantenberreich<br />

Konstruktionshinweise<br />

Andere Methoden, gleichförmige Wanddicken zu konstruieren,<br />

werden in den Abbildungen 3.03 und 3.04 gezeigt.<br />

Natürlich stehen dem Konstrukteur mehrere Möglichkeiten<br />

offen, auftretenden Problemen aus dem Wege zu gehen.<br />

Auch durch Auskernen lassen sich einheitliche Wanddicken<br />

erzielen. Abb. 3.04 zeigt, wie eine Konstruktion durch Auskernen<br />

verbessert werden kann. Wenn sich unterschiedliche<br />

Wanddicken nicht vermeiden lassen, sollte der Konstrukteur<br />

einen allmählichen Übergang von einer Wanddicke zur<br />

anderen vorsehen.<br />

Abrupte Änderungen der Wanddicken führen immer zu<br />

erhöhten Spannungen. Darüberhinaus sollte das Werkzeug<br />

nach Möglichkeit im Bereich des größten Querschnitts<br />

angebunden sein, um eine einwandfreie Füllung zu gewährleisten<br />

(Abb. 3.05).<br />

Als allgemeine Regel sollte die geringste Wanddicke<br />

verwendet werden, bei der das Teil sich noch einwandfrei<br />

verhält. Dünne Wandungen erstarren schneller als dicke.<br />

Abb. 3.06 zeigt den Einfluß der Wanddicke auf die Produktionsgeschwindigkeit.<br />

Rippen Gewindeaugen<br />

Gute Auslegungen Nein<br />

Weniger gute Auslegungen Ja<br />

Abb. 3.03 Abmessungen von Rippen<br />

A<br />

A A–A<br />

Abb. 3.04 Auslegung auf einheitliche Wanddicke<br />

11


Anschnitt<br />

1,5 t<br />

Relative Fertigungskosten<br />

Cycle Cost Factor<br />

8<br />

4<br />

1<br />

schlecht<br />

Auskernung<br />

scharfe Ecke<br />

DELRIN® 100,500,900<br />

besser<br />

Abb. 3.05 Übergang zwischen unterschiedlichen Wanddicken<br />

1 6<br />

Wanddicke Part Thickness des Teils (mm) in mm<br />

Konizität und Auswerferstifte<br />

3 t<br />

gut<br />

Toleranzbereich<br />

Fine Tolerance<br />

«Präzision»<br />

Toleranzbereich<br />

«Standard»<br />

Normal Tolerance<br />

Anschnitt<br />

Abb. 3.06 Relative Fertigungskosten als Funktion der Teiledicke<br />

Die Konizität ist entscheidend für das Entformen der Teile<br />

aus dem Werkzeug. Wird eine minimale Konizität erwünscht,<br />

kann ein Polieren der Entformungsschräge dazu beitragen,<br />

das Ausdrücken der Teile aus dem Werkzeug zu erleichtern.<br />

Die nachstehende Tabelle kann als Richtlinie verwendet<br />

werden.<br />

Tabelle 3.01 Winkel der Konizität*<br />

Flache Konizität Tiefe Konizität<br />

(weniger als (mehr als<br />

25 mm tief) 25 mm tief)<br />

CRASTIN ® PBT 0 – 1 ⁄4° 1 ⁄2°<br />

DELRIN ® 0 – 1 ⁄4° 1 ⁄2°<br />

ZYTEL ® 0 – 1 ⁄8° 1 ⁄4° – 1 ⁄2°<br />

Verstärkte Polyamide 1 ⁄4° – 1 ⁄2° 1 ⁄2° – 1°<br />

Verstärktes PBT<br />

1 ⁄2°<br />

1 ⁄2° – 1°<br />

RYNITE ® PET<br />

1 ⁄2°<br />

1 ⁄2° – 1°<br />

* Für hochglänzende strukturierte Oberflächen Konizität um 1° pro 0,025 mm Strukturtiefe<br />

erhöhen.<br />

12<br />

Werden zur Zwangsentformung Auswerferstifte verwendet,<br />

ist deren richtige Anordnung wichtig, da sie die Teile beim<br />

Ausdrücken beschädigen können. Auch muß die Stiftfläche<br />

groß genug sein, um ein Durchstoßen, Beschädigen oder<br />

Markieren der Teile zu verhindern. In einigen Fällen kann es<br />

erforderlich sein, die Auswerferstifte durch Abstreifplatten<br />

oder -ringe zu ergänzen oder zu ersetzen.<br />

Ausrundungen und Rundungshalbmesser<br />

Scharfe Ecken und Einkerbungen sind wohl die häufigsten<br />

Ursachen für das Versagen von Kunststoffteilen. Dies ist auf<br />

eine abrupte Spannungszunahme in den scharfen Ecken<br />

zurückzuführen und hängt von der spezifischen Geometrie<br />

des Teils und der Schärfe der Ecke oder der Einkerbung ab.<br />

Die meisten <strong>Kunststoffe</strong> sind kerbempfindlich, und die<br />

höhere Spannung im Bereich der Einkerbung, auch «Kerbspannung»<br />

genannt, führt zur Rißbildung. Um sicherzustellen,<br />

daß eine bestimmte Zone einer Konstruktion innerhalb<br />

sicherer Spannungsgrenzen liegt, können die Spannungskonzentrationsfaktoren<br />

für alle Eckbereiche berechnet werden.<br />

Formeln für spezifische Profile finden sich in den Nachschlagewerken<br />

zur Spannungsanalyse. Abb. 3.07 zeigt ein<br />

Beispiel für die Spannungsfaktoren, die an der Ecke eines<br />

Kragträgers wirksam werden.<br />

Aus dieser Kurve läßt sich die Faustregel für das Maß der<br />

Ausrundung ableiten: der Rundungshalbmesser sollte der<br />

halben Wanddicke des Teils entsprechen. Wie die Kurve<br />

zeigt, läßt sich die Spannung durch Verwendung eines<br />

größeren Halbmessers nur noch unwesentlich senken.<br />

In spritzgießtechnischer Hinsicht ermöglichen glatte Ausrundungen<br />

im Gegensatz zu scharfen Ecken strömungsgünstige<br />

Fließwege im Werkzeug und erleichtern das Ausdrücken<br />

der Teile. Ausrundungen verlängern auch die Lebensdauer<br />

des Werkzeugs, weil sie Auswaschungen im Werkzeug verringern.<br />

Der empfohlene Mindesthalbmesser für Ecken ist<br />

0,5 mm und läßt sich in aller Regel auch dort verwirklichen,<br />

wo eine scharfe Kante erforderlich ist (Abb. 3.08).<br />

Spannungskonzentrationsfaktor<br />

Stress-Concentration Factor<br />

3,0<br />

2,5<br />

2,0<br />

1,5<br />

1,0<br />

0<br />

P = Beaufschlagte Last<br />

P = Applied Load<br />

R = Ausrundungshalbmesser<br />

Fillet Radius<br />

T = Teildicke Thickness<br />

Üblicher Usual Wert<br />

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4<br />

R/T<br />

Abb. 3.07 Spannungskonzentrierende Faktoren bei einer<br />

freitragenden Struktur<br />

R<br />

P<br />

T


Rundung Radii der on Exterior Außenecken Rundung Radii der on Interior Innenecken<br />

of Corner<br />

of Corner<br />

Abb. 3.08 Verwendung von Außen- und Innenrundungen<br />

Gewindeaugen<br />

Gewindeaugen werden als Montagehilfe oder zur Verstärkung<br />

von Löchern eingesetzt. Abb. 3.09 zeigt ein Konstruktionsbeispiel.<br />

In der Regel sollte der Außendurchmesser eines Gewindeauges<br />

2 bis 3mal so groß sein wie der Lochdurchmesser, um<br />

eine ausreichende Festigkeit zu gewährleisten. Für die Konstruktion<br />

von Gewindeaugen gelten die gleichen Grundsätze<br />

wie für Rippen, d.h. dicke Querschnitte sollten vermieden<br />

werden, um die Bildung von Lunkern und Einfallstellen<br />

sowie verlängerte Zykluszeiten zu vermeiden.<br />

Eine weniger gute Auslegung von Gewindeaugen kann zu<br />

Einfallstellen (oder sogar Lunkern) führen, siehe Abb. 3.10.<br />

Bindenähte in Gewindeaugen sollten vermieden werden.<br />

Abb. 3.09 Gute Auslegung eines Gewindeauges<br />

Rippen<br />

Einfallstellen<br />

Einfallstelle<br />

Verstärkungsrippen sind ein wirksames Hilfsmittel, um die<br />

Steifigkeit und Festigkeit von Spritzgußteilen zu erhöhen.<br />

Der richtige Einsatz von Rippen kann Material und Gewicht<br />

einsparen, die Spritzzyklen verkürzen und dicke Querschnittbereiche<br />

vermeiden helfen, die beim Spritzgießen zu Problemen<br />

führen könnten. Wenn Einfallstellen auf der einer Rippe<br />

gegenüberliegenden Seite nicht akzeptabel sind, können sie<br />

durch strukturierte Oberflächen oder andere geeignete Unterbrechungen<br />

im Bereich der Einfallstelle kaschiert werden.<br />

Rippen sollten nur verwendet werden, wenn der Konstrukteur<br />

überzeugt ist, daß die tragende Funktion des Teils dadurch<br />

wesentlich verbessert werden kann. Der Begriff «wesentlich»<br />

ist hier hervorzuheben, weil Rippen allzu häufig als zusätzlicher<br />

Sicherheitsfaktor vorgesehen werden, aber nur Verzug<br />

und Spannungskonzentration bewirken. Es ist besser, im<br />

Zweifelsfall beim Entwurf erst einmal auf Rippen zu verzichten;<br />

sie lassen sich nachträglich immer noch problemlos<br />

vorsehen, wenn Tests mit Prototypen dies aufzeigen.<br />

Konstruktion mit Rippen siehe Kap. 4.<br />

Löcher und Auskernungen<br />

Einfallstelle<br />

Abb. 3.10 Weniger gute Auslegung eines Gewindeauges<br />

Löcher in Spritzgußteilen lassen sich auf einfache Weise durch<br />

Lochstifte erzeugen, die in die Formhöhlung hineinragen.<br />

Durchgängige Löcher lassen sich leichter spritzen als Sacklöcher,<br />

weil der Lochstift an beiden Enden abgestützt werden<br />

kann. Sacklöcher, die durch an nur einem Ende befestigte<br />

Lochstifte erzeugt werden, können exzentrisch ausfallen, wenn<br />

der Lochstift durch den Druck der einströmenden Schmelze<br />

in die Formhöhlung bewegt wird. Deshalb ist die Tiefe eines<br />

Sacklochs im allgemeinen auf das Doppelte des Lochstiftdurchmessers<br />

begrenzt. Um eine größere Lochtiefe zu erzielen,<br />

kann ein stufenförmiger Lochstift verwendet werden, oder<br />

eine Wandung wird mit einer Gegenbohrung versehen, um die<br />

Länge des freitragenden Lochstiftes zu verringern (Abb. 3.11).<br />

Löcher, deren Achse senkrecht zur Öffnungsrichtung des<br />

Werkzeugs verläuft, erfordern einziehbare Lochstifte oder<br />

zweigeteilte Werkzeuge. Bei einigen Konstruktionen läßt<br />

sich dies umgehen, indem man Löcher in senkrecht zur<br />

Trennebene verlaufenden Wandungen plaziert und Stufen<br />

oder extreme Konizitäten in der Wandung vorsieht (Abb. 3.12).<br />

Lochstifte sollten poliert und mit einer Entformungsschräge<br />

versehen werden, um das Ausdrücken zu erleichtern.<br />

13


Werden Bindenähte, die durch das Fließen der Schmelze um<br />

Lochstifte herum verursacht werden, aus Gründen der Festigkeit<br />

oder des Aussehens nicht zugelassen, können die<br />

Löcher – wie in Abb. 3.13 dargestellt – angesenkt oder teilweise<br />

ausgekernt werden, um ein anschließendes Bohren zu<br />

erleichtern.<br />

Die nachstehende Anleitung, die sich auf Abb. 3.14 bezieht,<br />

kann dazu beitragen, Rißbildung oder ein Ausreißen des<br />

Kunststoffteils zu vermeiden.<br />

d = Durchmesser<br />

b ≥ d<br />

c ≥ d<br />

D ≥ d<br />

t = Wanddicke<br />

Für ein Sackloch sollte die Dicke des Bodens nicht weniger<br />

als 1 ⁄ 6 des Lochdurchmessers betragen, um ein Ausbauchen<br />

zu vermeiden (Abb. 3.15A). Abb. 3.15B zeigt eine bessere<br />

Konstruktion, bei der die Wanddicke überall gleich ist und<br />

scharfe Ecken, an denen sich eine Spannungskonzentration<br />

bilden könnte, vermieden werden.<br />

Fig. 3.11 Stufenförmiges Lochstift, Gegenbohrung<br />

14<br />

Stufenförmiges Loch<br />

Gegenbohrung<br />

Querschnitt A–A<br />

Fig. 3.12 Löcher senkrecht zur Trennebene<br />

Anschnitt<br />

A<br />

Fig. 3.13 Bohrlöcher<br />

Loch senkrecht zur<br />

Öffnungsrichtung<br />

Auskernung<br />

Formhöhlung<br />

Kunststoffteil<br />

Kunststoffteil<br />

Bindenähte<br />

A B<br />

Bohrlöcher<br />

gespritzte<br />

Ansenkung<br />

QuerschnittA-A<br />

Werkzeug<br />

Querschnitt<br />

A<br />

A<br />

Kunststoffteil<br />

parallel zur Konizität<br />

gespritzte Ansenkung<br />

Ansenkung<br />

Ansenkung<br />

Kunststoffteil<br />

Hinterschneidung<br />

senkrecht zur Konizität<br />

gespritzte<br />

Ansenkung<br />

2/3 D D


Lochkonstruktion<br />

Fig. 3.14 Lochkonstruktion<br />

D<br />

Fig. 3.15 Sacklöcher<br />

Gewinde<br />

1/6 D<br />

Min.<br />

d<br />

Soweit erforderlich, lassen sich beim Spritzgießen auch<br />

Außen- und Innengewinde automatisch in das Teil einbringen,<br />

so daß sich ein späteres Nachschneiden des Gewindes<br />

erübrigt.<br />

Außengewinde<br />

Teile mit Außengewinden lassen sich auf zweierlei Weise<br />

spritzgießen. Die preiswerteste Methode besteht darin, die<br />

Trennebene mitten durch das Gewinde verlaufen zu lassen,<br />

siehe Abb. 3.16. Dabei sollte jedoch beachtet werden, daß es<br />

im allgemeinen nicht möglich ist, eine Hinterschneidung in<br />

der Trennebene zu vermeiden. Dies führt beim Ausdrücken<br />

meist zu einer Verformung des Gewindes. Wenn dies nicht<br />

hingenommen werden kann oder die Gewindeachse in der<br />

Richtung der Werkzeugöffnung verläuft, besteht die Alternative<br />

darin, das Werkzeug mit einer externen, gewindelösenden<br />

Vorrichtung zu versehen.<br />

Innengewinde<br />

Teile mit Innengewinden werden gespritzt, indem man automatische<br />

gewindelösende Vorrichtungen oder zusammenfaltbare<br />

Backeneinsätze verwendet. Eine dritte Methode besteht<br />

darin, manuell eingelegte Gewindeeinsätze zu verwenden,<br />

die zusammen mit dem Teil aus dem Werkzeug ausgedrückt<br />

und später ausgeschraubt werden.<br />

c<br />

b<br />

A<br />

Querschnitt A–A<br />

A B<br />

D<br />

d<br />

t<br />

A<br />

C<br />

t<br />

Abstreifgewinde<br />

Werden mit Gewinde versehene Teile vom Werkzeug abgestreift,<br />

muß das Gewinde ein Walzen- oder Rundgewinde<br />

sein. Die normale Konfiguration ist in Abb. 3.17 dargestellt;<br />

dabei ist R = 0,33 Steigung. Die Erfordernisse für Abstreifgewinde<br />

entsprechen weitgehend denen für Hinterschneidungen.<br />

Mit Gewinden versehene Teile, bei denen das Verhältnis<br />

von Durchmesser zur Wanddicke größer als 20: 1 ist,<br />

lassen sich normalerweise aus einem Werkzeug abstreifen.<br />

Abb. 3.18 und 3.19 zeigen Methoden der Zwangsentformung.<br />

Negativ-Werkzeug<br />

Female tool<br />

Steigung Pitch<br />

geöffnetes<br />

Werkzeug<br />

Abstreifplatte<br />

Stripper<br />

oder -buchse plate or<br />

sleeve<br />

Auswerferrichtung<br />

R<br />

Clearance between stripper<br />

and apex of thread = 1 Abstand zwischen Abstreifer und<br />

Scheitelpunkt des Gewindes /2 R=<br />

1/2 R<br />

Auswerferstift<br />

gespritztes<br />

Außengewinde<br />

Abb. 3.16 Spritzgießen von Außengewinden ohne seitliche<br />

Auskernung<br />

feststehendes<br />

Positiv-Werkzeug<br />

Fixed threaded<br />

male core<br />

(Stempel) mit<br />

Gewinde<br />

Gangtiefe Depth of thread = R = R<br />

Quelle: Injection-Mould Design Fundamentals, A. B. Glanville and E. N. Denton<br />

Machinery Publishing Co., London 1965<br />

Abb. 3.17 Abstreifen walzenförmiger Gewinde<br />

Fall 2: Spritzgußteil mit Außengewinde; Werkzeug<br />

geöffnet, Teil in der Negativ-Formhöhlung<br />

negative Formhöhlung<br />

Spritzgußteil<br />

feststehender Lochstift<br />

Abb. 3.18 Auswerfen gerundeter Hinterschneidungen in Form eines<br />

Außengewindes<br />

15


Einfluß des Kriechens<br />

Werden durch Gewinde miteinander verbundene Teile aus<br />

Metall und Kunststoff konstruiert, empfiehlt es sich, das<br />

Metallteil außen und das Kunststoffteil innen anzuordnen, das<br />

heißt, das Außengewinde sollte sich am Kunststoffteil befinden.<br />

Bei einer aus Metall und Kunststoff zusammengefügten<br />

Konstruktion müssen jedoch die sehr unterschiedlichen linearen<br />

Wärmeausdehnungs-koeffizienten von Metall und Kunststoff<br />

sorgfältig beachtet werden. Temperaturspannungen, die<br />

sich aus diesem Unterschied ergeben, führen nach einer längeren<br />

Zeitspanne zum Kriechen oder zur Spannungsrelaxation<br />

des Kunststoffteils, besonders wenn die Konstruktion schwankenden<br />

oder hohen Einsatztemperaturen ausgesetzt ist. Muß<br />

das Kunststoffteil außen liegen, wird oft eine Verstärkungsmuffe<br />

aus Metall erforderlich sein, vgl. Abb. 3.22.<br />

Hinterschneidungen<br />

Hinterschneidungen werden unter Verwendung mehrteiliger<br />

Werkzeuge oder zusammenfaltbarer Kerne gebildet.<br />

16<br />

Fall 1: Spritzgußteil mit Innengewinde; Werkzeug geöffnet,<br />

Teil auf dem Lochstift<br />

Negativwerkzeug<br />

Spritzteil gleitender Auswurfring<br />

Lochstift<br />

Auswerfrichtung<br />

Abb. 3.19 Auswerfen gerundeter Hinterschneidungen in Form<br />

eines Innengewindes<br />

gut<br />

1 mm<br />

Abb. 3.20 Korrekte Gewindeenden<br />

1 mm<br />

schlecht<br />

1 mm<br />

1 mm<br />

Abb. 3.21 Empfohlener Endabstand von Gewinden<br />

1 mm<br />

Metallverstärkung<br />

Nein Ja<br />

Abb. 3.22 Metall-Kunststfoff Verbindungen<br />

Innere Hinterschneidungen lassen sich spritzen, indem man<br />

zwei getrennte Lochstifte wie in Abb. 3.23 A verwendet.<br />

Dies ist eine sehr praktische Methode, bei der aber darauf<br />

geachtet werden muß, daß sich an der Berührungsstelle der<br />

beiden Stifte kein Grat bildet.<br />

Abb. 3.23B zeigt eine andere Methode, bei der die Hinterschneidung<br />

durch eine benachbarte Wandung erfolgt.<br />

Exzentrisch geformte Ausdrückstifte können für Hinterschneidungen<br />

oder Löcher in Innenwänden eingesetzt<br />

werden (Abb. 3.23C).<br />

Hinterschneidung<br />

A B<br />

Lochstifte-<br />

Trennebene<br />

Formhöhlung<br />

Spritzgußteil<br />

exzentrischer<br />

Auswerferstift<br />

Auswerferplatte<br />

Stempel<br />

Kunststoffteil<br />

Kunststoffteil<br />

Abb. 3.23 Methoden für Hinterschneidungen<br />

Die vorstehenden Methoden machen eine Zwangsentformung<br />

überflüssig und umgehen so die damit verbundene<br />

Begrenzung der Hinterschneidungstiefe.<br />

Hinterschneidungen lassen sich auch herstellen, indem das<br />

Formteil im Werkzeug über den Hinterschnitt zwangsentformt<br />

wird. Dabei muß das Werkzeug so konstruiert sein,<br />

daß beim Abziehvorgang die erforderliche Auslenkung für<br />

die Hinterschneidung vorhanden ist.<br />

Für zwangsentformte Hinterschneidungen gelten für spezifische<br />

<strong>Kunststoffe</strong> ganz bestimmte Richtlinien:<br />

C<br />

– DELRIN ® Polyacetale – Die Teile lassen sich aus der Formhöhlung<br />

abstreifen, wenn die Hinterschneidungen weniger<br />

als 5% des Durchmessers betragen und abgeschrägt sind.<br />

Im allgemeinen eignet sich für hinterschnittene Bohrungen<br />

nur die Kreisform. Andere Formen wie Rechtecke beinhalten<br />

hohe Spannungskonzentrationen in den Ecken, die<br />

ein erfolgreiches Abstreifen verhindern.<br />

Ja<br />

Formhöhlung<br />

Auswerferteil<br />

Spritzgußteil,<br />

entformt<br />

Bewegung<br />

des Auswerferstiftes


Ein zusammenfaltbarer Kern oder andere vorstehend<br />

beschriebene Methoden sollten verwendet werden, um<br />

einwandfreie Teile mit Hinterschneidungen von mehr als<br />

5% zu erzielen.<br />

– ZYTEL ® Polyamide – Teile aus ZYTEL ® mit Hinterschneidungen<br />

von 6% bis 10% lassen sich im allgemeinen noch<br />

aus der Formhöhlung abstreifen. Abb. 3.24 zeigt, wie die<br />

zulässige Hinterschneidung zu berechnen ist. Sie ist von<br />

der Wanddicke und dem Durchmesser abhängig. Die Hinterschneidung<br />

sollte abgeschrägt sein, um das Ausdrücken<br />

aus dem Werkzeug zu erleichtern und eine Überbeanspruchung<br />

des Teils zu vermeiden.<br />

% Hinterschneidung<br />

=<br />

(A – B) · 100<br />

B<br />

% Hinterschneidung<br />

=<br />

(A – B) · 100<br />

C<br />

B<br />

A<br />

C<br />

B<br />

A<br />

– Verstärkte <strong>Kunststoffe</strong> – Obwohl für Hinterschneidungen<br />

bei glasfaserverstärkten <strong>Kunststoffe</strong>n faltbare Kerne oder<br />

mehrteilige Werkzeuge empfohlen werden, um beim Entformen<br />

hohe Spannungen weitgehend zu vermeiden, lassen<br />

sich sorgfältig konstruierte Hinterschneidungen auch<br />

zwangsentformen. Die Hinterschneidung sollte gerundet<br />

sein und beim Entformen aus einem 40° C heißen Werkzeug<br />

nicht mehr als 1% betragen. Erfolgt dagegen die<br />

Zwangsentformung aus einem 90° C heißen Werkzeug,<br />

darf die Hinterschneidung auf 2% vergrößert werden.<br />

Umspritzte Einlegeteile<br />

Innenseite<br />

des<br />

Spritzgußteils<br />

Außenseite<br />

des<br />

Spritzgußteils<br />

Abb. 3.24 Zulässige Hinterschneidungen für ZYTEL ®<br />

Bei einer Reihe von Konstruktionen lassen sich durch zusätzliche<br />

Rippen, Gewindeaugen oder Einlegeteile manche Probleme<br />

lösen; zugleich können dadurch aber auch neue Probleme<br />

entstehen. Rippen können die erforderliche Steifigkeit<br />

bewirken, aber Verzug zur Folge haben. Gewindeaugen dienen<br />

zwar als geeignete Befestigung für selbstschneidende<br />

Schrauben, rufen aber in vielen Fällen Einfallstellen an der<br />

Oberfläche hervor. Gewindeenthaltende Einlegeteile hingegen<br />

bewirken, daß das Teil viele Male montiert und wieder demontiert<br />

werden kann, ohne das Gewinde zu beeinträchtigen.<br />

Angesichts dieser möglichen Probleme ist zu fragen, wann<br />

Einlegeteile verwendet werden sollten. Die Antwort ist die<br />

gleiche wie für Rippen und Gewindeaugen: Einlegeteile sollten<br />

verwendet werden, wenn eine funktionelle Notwendigkeit<br />

dafür besteht und das verbesserte Verhalten des Produktes<br />

die zusätzlichen Kosten rechtfertigt.<br />

B<br />

A<br />

C<br />

B<br />

A<br />

Es gibt vier Hauptgründe für die Verwendung von Einlegeteilen<br />

aus Metall:<br />

– um Gewinde zu erhalten, die unter Dauerlast einsetzbar<br />

sind oder eine häufige Demontage des Teils ermöglichen;<br />

– um enge Toleranzen bei Innengewinden einzuhalten;<br />

– um eine dauerhafte Verbindung zweier hochbelasteter tragender<br />

Teile zu ermöglichen, z.B. eines Zahnrades mit<br />

einer Welle;<br />

– um ein elektrisch leitendes Teil herzustellen.<br />

Sobald feststeht, daß Einlegeteile erforderlich sind, sollten<br />

alternative Methoden zu ihrer Befestigung erwogen werden.<br />

Statt Einlegeteile zu umspritzen, sollte man prüfen, ob sie<br />

mit Preßpassungen, Schnappsitzen oder Ultraschall-Schweißverfahren<br />

befestigt werden können. Ausschlaggebend sind die<br />

Gesamtherstellungskosten.<br />

In jedem Falle sollten aber – über die bereits erwähnten Nachteile<br />

hinaus – weitere mögliche Nachteile von Einlegeteilen<br />

berücksichtigt werden:<br />

– Einlegeteile können «schwimmen», sich verlagern und das<br />

Werkzeug beschädigen.<br />

– Die Beschickung mit Einlegeteilen ist oft schwierig und<br />

kann den Spritzzyklus verlängern.<br />

– Einlegeteile können eine Vorheizung erforderlich machen.<br />

– Einlegeteile in Ausschußware lassen sich nur schwer<br />

wiedergewinnen.<br />

Der am häufigsten beklagte Nachteil von Einlegeteilen sind<br />

spannungsbedingte Risse im umgebenden Kunststoff. Das<br />

Ausmaß der Spannung läßt sich anhand eines Spannungs/<br />

Dehnungsdiagramms für das jeweilige Material ermitteln.<br />

Um die Umfangsspannung abzuschätzen, geht man davon<br />

aus, daß die Spannung in dem Material, in dem sich das Einlegeteil<br />

befindet, gleich der Formschwindung ist. Multiplizieren<br />

Sie nun die Formschwindung mit dem entsprechenden<br />

Biege-E-Modul des Materials (Schwindung mal E-Modul<br />

gleich Spannung). Ein kurzer Vergleich der Schwindungswerte<br />

von Polyamiden und Acetalhomopolymer kann die<br />

Dinge jedoch besser verdeutlichen.<br />

Polyamid, das einen Schwindungsnennwert von 0,015 mm/mm*<br />

aufweist, ist Acetalhomopolymer mit einem Schwindungsnennwert<br />

von 0,020 mm/mm* deutlich überlegen. Daher stellen mit<br />

ZYTEL ® Polyamid umspritzte Einlegeteile keine so großen<br />

Probleme in bezug auf Rißbildung dar.<br />

Der höhere Schwindungswert für Acetalhomopolymer ergibt<br />

eine Spannung von etwa 52 MPa, die etwa 75 Prozent der<br />

Bruchfestigkeit des Materials entspricht. Die Dicke des<br />

Wulstmaterials, das ein Einlegeteil umgibt, muß ausreichend<br />

bemessen sein, um dieser Spannung standzuhalten. Mit<br />

zunehmender Dicke nimmt auch die Formschwindung zu.<br />

Wenn die Lebensdauer des Teils 100000 Stunden beträgt, wird<br />

die Spannung von 52 MPa auf ungefähr 15 MPa sinken.<br />

* 3,2 mm Wanddicke = empfohlene Spritzparameter<br />

17


Dies würde normalerweise als unkritisch gelten können,<br />

wenn nicht (aus Daten über Kunststoffrohre gewonnene)<br />

Langzeit-Meßdaten für das Kriechverhalten darauf hindeuteten,<br />

daß eine konstante Spannung von 18 MPa über einen<br />

Zeitraum von 100000 Stunden zum Versagen des Acetalhomopolymerteils<br />

führt. Wird das Teil höheren Temperaturen,<br />

höherer Beanspruchung, spannungserhöhenden Faktoren oder<br />

einer belastenden Umgebung ausgesetzt, könnte es leicht zu<br />

Bruch gehen.<br />

Wegen der Möglichkeit eines solchen Langzeitversagens<br />

sollte der Konstruktor schlagzähe Acetaltypen in Betracht<br />

ziehen, wenn Kriterien wie Steifigkeit, geringe Reibung und<br />

federnde Eigenschaften Acetal als das beste Material für diese<br />

bestimmte Anwendung erscheinen lassen. Diese schlagzähen<br />

Typen weisen eine bessere Dehnung, geringere Formschwindung<br />

und eine bessere Beständigkeit gegen Spannungskonzentrationen<br />

auf, wie sie durch die scharfen Kanten von<br />

Einlegeteilen aus Metall hervorgerufen werden.<br />

Da glasfaser- und mineralverstärkte <strong>Kunststoffe</strong> eine geringere<br />

Formschwindung als ihre unverstärkten Grundmaterialien<br />

aufweisen, lassen sie sich in geeigneten Anwendungen<br />

mit Erfolg bei Einsatz von Einlegeteilen ersetzen. Ihre geringere<br />

Dehnung wird durch eine typische geringere Formschwindung<br />

im Bereich von 0,3 bis 1,0% aufgewogen.<br />

Obwohl Bindenähte von <strong>Kunststoffe</strong>n mit hohem Glasfaseroder<br />

Mineralanteil unter Umständen nur 60% der Festigkeit<br />

eines unverstärkten Materials aufweisen, kann eine zusätzliche<br />

Verrippung die Festigkeit der Bindenaht erheblich verbessern<br />

(siehe Abb. 3.25).<br />

Ein weiterer Aspekt, den der Konstrukteur bedenken sollte,<br />

ist die Verwendung nichtmetallischer Materialien ür das<br />

Einlegeteil. So sind bereits Filter aus Polyestergewebe als<br />

Einlegeteile in einem Rahmen aus glasfaserverstärktem<br />

Polyamid verwendet worden.<br />

18<br />

Der Durchmesser des Domes sollte dem<br />

Eineinhalbfachen des Durchmessers des<br />

Einlegeteils entsprechen.<br />

Eine Rippe an der Schweißlinie kann die<br />

Stützwirkung erhöhen.<br />

Ungenügende Tiefe<br />

unter dem Einlegeteil<br />

kann zu schwachen<br />

Bindenähten und<br />

Einfallstellen führen.<br />

Abb. 3.25 Einlegeleteil und Dom<br />

D<br />

t<br />

t<br />

1 ⁄6 D<br />

1,5 D<br />

D<br />

t<br />

Einzelteilkonstruktionen mit Einlegeteilen<br />

Bei der Konstruktion mit Einlegeteilen sind einige Besonderheiten<br />

zu beachten:<br />

– Einlegeteile sollten keine scharfen Ecken aufweisen.<br />

Sie sollten rund sein und gerundete Rändel haben. Eine<br />

Hinterschneidung sollte vorgesehen werden, um ein<br />

Ausreißen zu verhindern (siehe Abb. 3.25).<br />

– Das Einlegeteil sollte mindestens 0,4 mm in die Formhöhlung<br />

des Werkzeuges hineinragen.<br />

– Die Dicke des Materials unterhalb des Einlegeteils sollte<br />

mindestens ein Sechstel des Durchmessers des Einlegeteils<br />

betragen, um Einfallstellen weitgehend zu vermeiden.<br />

– Schlagzäh modifizierte Typen der verschiedenen <strong>Kunststoffe</strong><br />

sollten in Erwägung gezogen werden. Diese Typen<br />

bieten eine höhere Dehnung als die Standardtypen und<br />

sind beständiger gegen Rißbildung.<br />

– Einlegeteile sollten vor dem Spritzgießen vorgeheizt werden:<br />

95° C für Acetal, 120° C für Polyamid. Dieses Verfahren<br />

reduziert die Nachschwindung, dehnt das Einlegeteil<br />

vor und verbessert die Festigkeit der Fließnähte.<br />

– Ausgedehnte Testreihen unter Betriebsbedingungen sollten<br />

durchgeführt werden, um Probleme schon in der Prototyp-Phase<br />

der Produktentwicklung zu erkennen. Die<br />

Tests sollten auch Temperaturzyklen im Bereich der zu<br />

erwartenden Betriebstemperaturen umfassen.<br />

Vom Kostenstandpunkt aus gesehen – insbesondere bei vollautomatisch<br />

und in hohen Stückzahlen hergestellten Anwendungen<br />

– sind die Kosten für den Einsatz von Einlegeteilen<br />

mit denen anderer angewandter Montageverfahren vergleichbar.<br />

Um mit Einlegeteilen das beste Kosten/Leistungsverhältnis<br />

zu erzielen, kommt es entscheidend darauf an, daß<br />

der Konstrukteur weiß, mit welchen Problemen er möglicherweise<br />

zu rechnen hat. Einlegeteile sollten generell<br />

nur dort vorgeschrieben werden, wo sie eine notwendige<br />

Funktion erfüllen.<br />

Für die Berechnung der Ausreißkräfte von Metalleinsätzen<br />

siehe Kapitel 9, «Montagetechniken».<br />

Toleranzen<br />

Die bei der Verarbeitung erreichbare Toleranz entspricht:<br />

∆a = ± (0,1 + 0,0015 a) mm,<br />

mit a = Abmessung (mm)<br />

In dieser Gleichung bleiben Nachschwindung, Wärmedehnung<br />

und/oder Kriechen unberücksichtigt und der Einsatz<br />

von guten Verarbeitungstechniken wird vorausgesetzt. Wird<br />

eine hohe Genauigkeit gefordert, können 70% der obigen<br />

Toleranz erreicht werden. Bei einer etwas gröberen Verarbeitung<br />

sollten 140% gewählt werden.<br />

Bei hochpräziser Verarbeitung sind 40-50% von ∆a<br />

verwendbar.


Schwindung und Verzug<br />

Wird Kunststoffmaterial in eine Formhöhlung gespritzt,<br />

beginnt es abzukühlen und sein Volumen zu reduzieren. Ein<br />

Maß für diese Volumenabnahme ergibt sich durch die Differenz<br />

zwischen dem Volumen im aufgeschmolzenen und im<br />

festen Zustand. Da die Kühlraten im Formnest sehr hoch und<br />

ungleichmäßig sind, weist das erstarrte Material überdies<br />

Eigenspannungen auf. Diese Spannungen können nach dem<br />

Auswerfen des Teils aus dem Formnest nachlassen. Beschleunigt<br />

werden kann dieser Prozeß, indem das Teil temperiert<br />

wird.<br />

Die Schwindung kann mit folgender Gleichung definiert<br />

werden:<br />

S = (D – d) / D (× 100%)<br />

D = Abmessungen des Formnestes<br />

d = Abmessungen des Formteils<br />

Schwindung ist in der Regel nicht isotrop, sondern richtungsabhängig,<br />

vor allem bei glasfaserverstärkten Materialien. Zu<br />

unterscheiden ist:<br />

– Schwindung in Fließrichtung;<br />

– Schwindung quer zur Fließrichtung;<br />

– Schwindung in Abhängigkeit der Dicke.<br />

Die Summe dieser Schwindungen muß der Volumenminderung<br />

eines Materials entsprechen, die sich aus der Differenz<br />

zwischen Schmelze- und Festkörpervolumen oder aus pVT-<br />

Diagrammen ermitteln läßt.<br />

Abgesehen vom Material hängt die Schwindung zudem von<br />

den Verarbeitungsbedingungen (Spritzgeschwindigkeit, Nachdruck,<br />

Nachdruckzeit, Verteiler-/Anschnittabmessungen<br />

und Werkzeugtemperatur), von der Teilegeometrie (während<br />

des Einspritzens kann sich die Fließrichtung ändern) und<br />

der Wandstärke ab (dickwandigere Teile weisen in der Regel<br />

eine dickere mittlere Schicht mit geringerer Orientierung auf).<br />

Die durch Spannungsabbau nach dem Auswerfen erzeugte<br />

Schwindung nennt man Nachschwindung.<br />

Schwindung wird durch Eigenspannungen verursacht, die<br />

wiederum auf anisotrope Schwindungseigenschaften und<br />

ungleichmäßige Schwindungen zurückzuführen sind.<br />

Ein anisotropes Schwindungsverhalten wird hauptsächlich<br />

durch Verstärkungsmaterialien mit hohen Reckverhältnissen<br />

definiert (kurze Glasfasern: Verhältnis = 20), jedoch auch<br />

durch ein unterschiedliches elastisches Verhalten gestreckter<br />

Kristalle während des Füllvorgangs (Restspannungen).<br />

Gründe für ungleichmäßige Schwindungen:<br />

– anisotrope Schwindung;<br />

– ungleichmäßige Wandstärken;<br />

– ungleichmäßige Orientierung;<br />

– ungleichmäßige Werkzeugtemperaturen;<br />

– ungleichmäßiger Nachdruck (Nachdruckzeit).<br />

Computersimulationen wurden entwickelt, um Schwindung<br />

und Verzug vorauszusagen. Die Ergebnisse dieser Voraussagen<br />

werden immer zuverlässiger, vor allem für Teile aus<br />

glasfaserverstärkten Materialien, da heute ebenfalls Methoden<br />

verfügbar sind, die Schwindung in Abhängigkeit der<br />

Dicke mit einschließen. Hier spielt DuPont eine wichtige<br />

Rolle.<br />

Dennoch sollte man sich bewußt bleiben, daß es sehr schwierig<br />

ist, in allen Fällen gute Ergebnisse zu garantieren, da das<br />

anisotrope Schwindungsverhalten eines glasfaserverstärkten<br />

Materials beispielsweise durch die Schnecke und Düse einer<br />

Spritzgießmaschine sowie durch schmale Anschnitte leicht<br />

beeinflußt werden kann. An diesen Stellen sind beträchtliche<br />

Faserbrüche möglich, die anisotrope Eigenschaften beeinflussen.<br />

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