Werkstoffe Der leidige Verzug

Die Auslegung von Kunststoff-Spritzgießteilen erfordert die Beachtung fertigungsspezifischer Besonderheiten. Ein wesentlicher Vorteil des Spritzgießens liegt in der endbearbeitungsfreien...

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Ein wesentlicher Vorteil des Spritzgießens liegt in der endbearbeitungsfreien Herstellbarkeit von komplexen Bauteilgeometrien. Trotz dieser grundsätzlichen Geometrieflexibilität gibt es eine Reihe von Konstruktionsrichtlinien, die für eine material- und fertigungsgerechte und damit letztlich für eine kostengünstige Bauteilgestaltung zu beachten sind. Die konsequente Berücksichtigung dieser Gestaltungskriterien hat einen entscheidenden Einfluss auf die funktions- und preisgerechte Lösung der Konstruktionsaufgabe.Der Hintergrund dieser Kriterien muss in jedem Fall auf die Materialeigenschaften der Kunststoffe oder auf die Besonderheiten des angewandten Spritzgießverfahrens zurückgeführt werden. So sind die Vorgaben für Wanddicke, Geometriekontur und Rippengestaltung im Wesentlichen aus dem Kontraktionsverhalten der Kunststoffe beim Abkühlen der Schmelze abzuleiten. Dagegen hängen die Art der Entformung und die Angusspositionierung vom Spritzgießverfahren ab. Bei der Angussauslegung bestimmen zum Beispiel Strömungseffekte wesentliche Gestaltungskriterien. Hat der Konstrukteur all diese Zusammenhänge verinnerlicht, ist das Verständnis für die Kriterien schnell gegeben.Höhere Kontraktion in dickeren BereichenEin entscheidender Kostenaspekt bei der Produktion von Spritzgießteilen ist die Zykluszeit. Sie hängt im Wesentlichen von der Kühldauer und damit von der Wanddicke des Formteils ab. Zwischen der Wanddicke und der Kühlzeit besteht ein quadratischer Zusammenhang (Kühlzeitgleichung). Daraus folgt: Bei einer Verdoppelung der Wanddicke ergibt sich eine Vervierfachung der Zykluszeit. Dabei richtet sich die Kühldauer nach der dicksten Stelle im Bauteil. Aus diesem Grund sollte das Teil nicht nur so dünn wie möglich gestaltet werden, auch lokale dickere Bereiche (Masseanhäufungen) sind zu vermeiden. Ein weiterer Grund zur Vermeidung von Masseanhäufungen liegt in der veränderten thermischen Kontraktion dickerer Bereiche: Das geänderte Eigenspannungsprofil - bedingt durch andere Abkühlverhältnisse - führt in den Bereichen größerer Wanddicke zu höherer Kontraktion. Bauteilbereiche mit unterschiedlichem Kontraktionspotenzial sind allerdings zu vermeiden, weil dies zwangsläufig zu Bauteilverzug führt. Die Steifigkeits- und Festigkeitsprobleme am Bauteil begegnet man daher - aus Produktions- und Effektivitätsgründen - nicht mit einer Wanddickenerhöhung, sondern durch zusätzliche Verrippung. Ein schönes Beispiel für diese konstrutive Vorgehensweise stellen mechanisch hoch belastete Kupplungspedale dar.Scharfkantige Ecken an Spritzgießteilen müssen vermieden werden. Stattdessen sind sie mit Rundungen zu versehen. Aufgrund von scharfkantigen Ecken kann der bekannte „Eckenverzug“ entstehen (Bild 2). Ursachen dafür sind einerseits Masseanhäufungen im Eckenbereich. Andererseits wird dieser negative Effekt durch die geringer wirkende Kühlung auf der Innenseite der Ecke unterstützt (Kernkühlung). Das hat eine langsamere Abkühlung der Eckeninnenseite und eine stärkere Kontraktion dieser Bereiche zur Folge. Diese Auswirkungen lassen sich durch Ausrundung der Ecken und entsprechende Gestaltung der Kernkühlung vermeiden. Darüber hinaus können sowohl scharfe Kanten als auch scharfkantige Übergänge während der Füllphase zu Oberflächenmarkierungen und somit zu einer Beeinträchtigung der Bauteiloptik führen.Aus Verzugsgründen sollten ebene Bauteilflächen vermieden werden. Eine leichte Krümmung dieser Flächen führt über eine erhöhte Eigensteifigkeit des Bauteils zu einer geringeren Verzugsneigung des Teiles. Darüber hinaus sind Oberflächendefekte, zum Beispiel Einfallstellen, insbesondere auf glatten ebenen Bauteilflächen in Bereichen gegenüberliegend von Rippen sehr deutlich zu sehen.Rippen erhöhen Steifigkeit trotz geringer WanddickeZur Herstellung von Formteilen mit hoher Steifigkeit bei gleichzeitig geringen Wanddicken sollten - wie bereits erwähnt - Rippenstrukturen als Versteifungselemente vorgesehen werden. Dabei ist - neben der Ausrichtung der Rippen entsprechend der Belastung und Fließrichtung während des Füllvorgangs - vor allem deren geometrische Gestaltung zu beachten.Zur Vermeidung von Einfallstellen auf der Rückseite der Rippenanbindung an die Grundplatte darf die Rippendicke im Fußbereich bestimmte Werte im Verhältnis zur Plattendicke nicht übersteigen. Dieses Wanddickenverhältnis - als Richtwert wird in vielen Fällen 60% angegeben - ist ein typisch materialabhängiger Wert. Während bei gefüllten Werkstoffen dieses Verhältnis aufgrund der geringeren thermischen Kontraktion größer ausfallen kann, muss bei ungefüllten teilkristallinen Materialien eventuell ein geringerer Wert angenommen werden.Eine ungenügende Rundung der Rippenanbindung an die Grundplatte verhindert eine scharfkantige Sichtbarkeit der Einfallstellen auf der Sichtseite. Allerdings darf der Radius der Ausrundung nicht zu groß ausfallen, Ist er zu groß ge-wählt, würde er schnell zu einer Masseanhäufung führen. Lassen sich Einfallstellen nicht vermeiden, kann deren „Qualität“ durch ge-zielte Anordnung von Zierrippen oder entsprechende Veränderung der Oberflächenstruktur auf der Sichtfläche der Teile beeinflusst werden. Grundsätzlich wird bei einer gröberen Oberflächenrauigkeit die Sichtbarkeit von Einfallstellen gemindert.Ein weiterer konstruktiver Gesichtspunkt betrifft die seitliche Rippenanbindung, bei der ebenfalls die Gefahr von Masseanhäufungen gegeben ist. Dieser negative Effekt kann durch Zusammenführung vereinzelter Rippen, aber auch durch Verbindung mehrerer Rippen über ein Zylinderelement kompensiert werden. Zylinderwand und Rippen sind dabei halb so dick wie die Platte.