Werkstoffe Die Kosten im Blick

Die Auslegung von Kunststoff-Spritzgießteilen beeinflusst die Wirtschaftlichkeit der Fertigung.

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Dörken Coatings GmbH & Co. KG

Klinkhammer Intralogistics GmbH

Mikron Switzerland AG, Division Tool

Einen wesentlichen Einfluss auf die Art der Entformung und die Angusspositionierung hat die Auswahl des Spritzgießverfahrens. Bei der Angussauslegung sind es zum Beispiel die Strömungseffekte, die wichtige Vorgaben für die Gestaltungskriterien geben. Die Angussposition spielt daher aus fertigungstechnischen Gründen, aber auch aus Sicht der Formteilqualität eine große Rolle. Ein wichtiges Kriterium zur Festlegung der Angussposition ist die Realisierung möglichst kurzer Fließwege im Formteil. Von den Fließweglängen hängt die Höhe des Druckverlusts und somit die notwendige Schließkraft der Maschine ab. Kürzere Fließwege bei mittiger Anspritzung bedeuten weniger Schließkraftbedarf und damit geringere Investitionskosten für eine kleinere Maschine.

Eine mittige Anspritzung bedeutet in der Regel auch eine geringere Gefahr von Bindenähten. Darüber hinaus hat eine zentrale Anspritzung hinsichtlich der Nachdruckwirkung Vorteile.Aufgrund des Nachdrucks sollte neben der mittigen Anspritzung – sie führt auch zu einer gleichmäßigen Druckwirkung – die Angussposition im Bereich der größten Wanddicke liegen. Die dicksten Formteilbereiche haben den höchsten und zeitlich längsten „Nachdruckbedarf“, weil das Kontraktionspotenzial am größten ist und die Kunststoffseele in der Mitte der Wanddicke am längsten fließfähig bleibt.

Glasfaserorientierung beeinflusst Verzugsverhalten

Von der Angussposition werden wesentlich die Molekül- und Glasfaserorientierung bestimmt. Beides beeinflusst sehr das Schwindungs- und Verzugsverhalten des Bauteils. Dabei ergeben sich in Orientierungsrichtung kleinere und quer zur Ausrichtung größere Schwindungswerte. Besonders bei glasfaserverstärkten Materialien wird das Verzugsverhalten nur über die Glasfaserorientierung definiert, alle sonstigen Einflussparameter (Nachdruckhöhe und -dauer, Massetemperatur) sind bei glasfaserverstärkten Produkten von untergeordneter Bedeutung. Vielfach lässt sich das Verzugsverhalten nur durch Verlegung des Anspritzpunkts beeinflussen.

Außer dem Verzugsverhalten sollten die Molekül- und Faserorientierung aus mechanischer Sicht in Richtung der größten Spannungen ausgerichtet sein. Bei glasfaserverstärkten Materialien ist die Reißfestigkeit in Faserrichtung mehr als doppelt so hoch wie die quer dazu. Im Sinne einer optimalen Materialausnutzung sollte der Angusspunkt so positioniert sein, dass die Orientierung der Moleküle und Fasern gezielt zur Belastbarkeitserhöhung des Formteils genutzt werden kann.Besonders bei Formteildurchbrüchen ist das Füllverhalten der Kavität zu beachten. Hinter Formteildurchbrüchen entsteht unvermeidlich eine Bindenaht (durch Zusammentreffen des vorher geteilten Schmelzestroms), was eine mechanische Schwachstelle sowie eine Minderung der optischen Qualität bedeuten kann.

Zu beachten ist, dass es zu einer solchen Bindenaht auch beim Umfließen eines Bereichs mit reduzierter Wanddicke kommen kann. Beim Umströmen von Hindernissen sind Bindenähte nie ganz zu vermeiden. Durch geschickte Angusspositionierung kann jedoch die Herabsetzung der optischen Teilequalität gemindert (Angusspunkt näher an das Hindernis) oder die Bindenaht in nicht sichtbare Formteilbereiche verlegt werden. Die Angussposition wird außer von den Bindenähten auch von möglichen Lufteinschlüssen bestimmt. Rippen sind nach Möglichkeit in Längsrichtung zu füllen, um die Gefahr von Lufteinschlüssen zu minimieren.

Als Hinterschnitte werden Formteilbereiche bezeichnet, die nicht in Hauptentformungsrichtung liegen. Sie bewirken eine Erhöhung der Werkzeugkosten, weil zusätzliche Schieber zum Entformen dieser Hinterschnitte notwendig sind. Zudem führt die zusätzliche Öffnungsbewegung der Schieber in vielen Fällen zu einer verlängerten Zykluszeit und zu erhöhten Produktionskosten. Ziel sollte es daher unbedingt sein, Hinterschnitte zu vermeiden. Dies ist durch Umgestaltung der Bauteilgeometrie in vielen Fällen möglich. Die Vorgehensweise dabei erfordert zunächst die Definition einer Hauptentformungsrichtung. Dann sollte man versuchen, die Hinterschnitte zu eliminieren. Sollte das nicht komplett gelingen, kann der Konstrukteur versuchen, Hinterschnitte in einem Schieber zusammenzufassen.

Konischer Wandverlauf zur Auswerferrichtung

Ein weiterer Punkt ist die Konizität der Bauteile. Das bedeutet, dass Bauteilbereiche in Entformungsrichtung nicht exakt parallel zu der Auswerferrichtung verlaufen sollen, weil das die Entformung erschwert und zu Riefen auf der Kernseite des Bauteils führen kann. Bei einem konischen Verlauf dieser Bereiche wird nach der ersten Auswerferbewegung das Bauteil freigestellt und kann mühelos weiterbewegt werden.Ursache für die Notwendigkeit einer Konizität ist wiederum die Kontraktion des Materials durch den Abkühlprozess. Das Bauteil schwindet auf die Kernseite des Werkzeugs auf und „klemmt sich fest“.

Dieser Festsitz auf dem Kern wird vom Kontraktionspotenzial der Materialien bestimmt und ist daher bei teilkristallinen Werkstoffen ausgeprägter.Auch beeinflussen Verarbeitungsparameter die Entformung. So reduzieren ein erhöhter Nachdruck und eine geringe Massetemperatur die Schwindung und damit die Klemmkraft. Eine weitere Einflussgröße ist die Länge des Kerns. Als Faustformel gilt: Je länger der Kern, umso größer ist die Konizität. Hier spielt die Oberflächenrauheit eine wichtige Rolle, weil größere Rauigkeitswerte in der Oberflächenstruktur als Mikro-Hinterschnitte wirken und somit auch eine größere Konizität erfordern.

Die Entformungswinkel liegen bei 0,5 bis 3°. In diesem Bereich liegen auch die Winkel für Rippen oder ähnliche Formteilbereiche. Jedoch spricht man hier von Entformungsschrägen, die je nach Rippentiefe und Material einen Winkel von 0,5 bis 1° haben sollten. Auch bei Rippen und ähnlichen Formteilkonturen gilt: Je größer die Rippenmaße in Entformungsrichtung, umso größer ist der Winkel zu wählen.Ist ein Hinterschnitt nicht zu vermeiden, lässt sich auch eine Zwangsentformung vornehmen. Darunter wird das „gewaltsame“ Entformen eines Hinterschnitts verstanden. Das ist beim Elastomer-Spritzgießen - etwa bei der Fertigung von Faltenbälgen - durchaus üblich, beim Verarbeiten von Thermoplasten aufgrund der geringeren Reißdehnung jedoch nur beschränkt möglich.

In vielen Fällen - etwa in der Automobilindustrie - ist die Funktionsintegration durch den Kostendruck geradezu ein „Muss“. Möglichst viele Funktionen müssen in das Kunststoffteil integriert werden. Die Geometrieflexibilität des Spritzgießens gibt dabei dem Konstrukteur Freiheiten, die bei Anwendung anderer Verfahren kaum erreichbar sind. Das kann im einfachsten Fall die Integration einzelner Funktionselemente sein, aber auch komplette Anbauteile oder Teilbereiche davon lassen sich anspritzen. Die Integrationsmöglichkeiten führen nicht nur zu einer Kostenreduktion, sondern auch zur Verringerung des Gewichts und Platzbedarfs.

Eine generelle Vorgehensweise bei der Konstruktion von Spritzgießteilen kann nicht gegeben werden. Wichtig ist, dass der Konstrukteur nicht nur bauteilbezogen denkt, sondern den Systemgedanken pflegt. Das heißt: Er sollte benachbarte Bauteile kennen und sich immer wieder die Frage nach einer möglichen Zusammenfassung von Bauteilen stellen. Kenntnisse über Spritzgießverfahren wie die Mehrkomponententechnik sind dabei mit Sicherheit von Vorteil.