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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