Design - Engineering - Konstruktion

Die Idee wird greifbar!

 

Ich biete Ihnen:

  • Simulationsunterstützes Produktdesign von A-Z

  • Konstruktion von Spritzgusswerkzeugen

  • Konstruktion von Stanzwerkzeugen

  • Konstruktion von Automationsanwendungen

  • Konsruktion von Betriebs- und Hilfsmitteln

  • Revers Engineering von bestehenden Anwendungen, Baugruppen und Einzelteilen

Produktdesign von A bis Z

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Konzept, Produktanforderungen und Produktionsziele setzen die Rahmenbedingungen für die Design-Entwürfe, denn die Basis für ein optimales Ergebnis wird früh gelegt. Die Bauteil-Konstruktion und der Formenbau entscheiden über die spätere Fertigungsqualität – und somit über den Projekterfolg. Im Dialog mit Ihnen, möglichen Anwendern und der Produktion konkretisieren wir zusammen schrittweise bis zum fertigen Produkt. Dabei bleiben wir nachvollziehbar und legen hohen Wert auf eine lösungsorientierte Arbeitsweise. Mein Ziel ist es, das Beste aus den Möglichkeiten herauszuholen.

 

 

 

Der Weg zum korrekten Spritzgussteil!

Der nächste Schritt - Die Konstruktion.

Das Konzept steht und die ersten Designphasen sind bereits gelaufen. Nun gilt es die Ideen in einem herstellbaren Kunststoffteil umzusetzten. Mit der Wahl des richtigen Werkstoffes, wurde bereits ein wichtiger Punkt in der Konzept- und Designphase definiert.

Kunststoffbauteile welche im Spritzgussverfahren hergestellt werden, unterscheiden sich wesentlich von Metallbauteilen. Nicht nur die mechanischen und chemischen Eigenschaften, sondern auch die fertigungsgerechte Auslegung unterscheidet sich von Metallbauteilen maßgeblich. Vielen Konstrukteuren ist der Einfluss Ihrer Konstruktion auf die Bauteilqualität nicht bewusst und durch das Einhalten einiger einfacher Konstruktionsregeln im Vorfeld, können teure und zeitaufwendige Werkzeugänderungen und Korrekturen vermieden werden Diese werden in folgenden Schritten dargelegt:

 

  1. Entscheidung über Optik und Funktion

  2. Wandstärken

  3. Bauteilentformung

  4. Toleranzanforderungen

  5. Prototypen - Funktionsübrprüfung

 

1. Entscheidung über Optik und Funktion

An die Konstruktion von technischen Bauteilen werden ganz andere Anforderungen gestellt wie an optische Bauteile. Bei technischen Bauteilen steht die Funktion im Vordergrund, wohingegen bei optischen Bauteilen das Aussehen entscheidend ist. Dementsprechend muss die spritzgussgerechte Artikelkonstruktion danach ausgerichtet werden.

 

2. Wandstärken: So groß wie nötig - so gering wie möglich

Die richtige Wandstärke ist wohl einer der wesentlichsten Schritte auf dem Weg zum spritzgussgerechten Bauteil. Hier kann es durch eine falsche Dimensionierung zu erheblichen Einflüssen auf die Materialeigenschaften kommen. So gibt es zum Beispiel für bestimmte Materialien eine gewisse Mindestwandstärke welche nicht unterschritten werden sollte, da dies die gewünschten Materialeigenschaften beeinflusst. Hierzu gibt es von vielen Materialherstellern Richtwerte, welche zur Orientierung bei der Auslegung dienen. In der Regel sollten diese zwischen 1,5 und 4 mm liegen.

Bei zu hoher Wandstärke kann es zu Lunkerbildung und Einfallstellen kommen, welche einen negativen Einfluss auf die Bauteilqualität haben. Des Weiteren führt eine hohe Wandstärke zur Erhöhung der Zykluszeit im Spritzgussprozess und wird somit zum Preistreiber. Durch Auskernung der betroffenen Bereiche kann dieses Problem vermieden werden. Auch eine zu geringe Wandstärke kann negative Auswirkungen auf das Bauteil haben, denn wird diese in Verbindung mit einem hochviskosen Material gebracht, führt dies zu Problemen bei der Verarbeitung. Bei der Bauteilfüllung wir dies durch nicht ausgespritzte Bereiche ersichtlich.

Nicht nur die Wahl der richtigen Wandstärke ist von großer Bedeutung sondern auch, dass diese einheitlich ist. Durch ungleichmäßige Wandstärken wird die Bauteilqualität hinsichtlich Maßhaltigkeit und Bauteilverzug stark beeinflusst, da der Bauteil unterschiedlich schwindet. Zur Verringerung des Bauteilverzugs sollten Wandstärkenabstufungen vermieden werden, da diese zu unterschiedlicher Bauteilschwindung führen.

Das Thema Wandstärken beinhaltet einen weiteren wichtigen Punkt bei der spritzgussgerechten Konstruktion - die Rippenkonstruktion. Um eine Erhöhung der Bauteilsteifigkeit zu erreichen wird in der Regel das Einbringen von Versteifungsrippen empfohlen. Je nach Belastungsart gibt es verschiedene Varianten von Verrippungen. Je mehr Rippen desto steifer wird ein Bauteil, jedoch bedeutet jede Rippe eine gewisse Materialanhäufung. Durch die richtige Dimensionierung der Rippen und der Kreuzungspunkte kann dies im Vorfeld größtenteils vermieden werden.

Bei optischen Bauteilen kommt es bei falsch dimensionierter Verrippung immer wieder zum sogenannten Durchscheinen der Rippen an der gegenüberliegenden Oberfläche, was als optischer Mangel wahrgenommen wird. Hierbei wird von Einfallstellen gesprochen. Daher sollte immer auf das Verhältnis von Grundwandstärke zu Rippenstärke geachtet werden. Für eine optimale Auslegung sollte das Verhältnis 3:1 betragen. Je nach Anwendung und Belastung kann diese entsprechend angepasst werden. Auch die Auslegung von Schraubdomen und deren Anbindung an Rippen sollte nach denselben Regeln vorgenommen werden.

Ich empfehle Ihnen, dass Sie sich im Vorfeld Gedanken darüber machen ob eine Verrippung überhaupt notwendig ist und diese im Zweifelsfall wegzulassen, da das nachträgliche einbringen einen realtiv geringen Aufwand darstellt. Sollte jedoch eine Verrippung zwingend notwendig sein, so empfehlen wir diese geringer zu dimensionieren und die Stärke bei Bedarf in einer Änderungsschleife zu erhöhen, da das Erhöhen der Wandstärke im Spritzgusswerkzeug in der Regel einen geringeren Aufwand bedeutet, als diese zu verringern.  

Bei der Konstruktion von Verrippungen stellt sich die Frage der Verrundungen am Rippenfuß. Im Gegensatz zu Metallgussteilen sollten diese beim Spritzguss geringer dimensioniert werden. Grundsätzlich ist ein Radius bei Verrippungen und Ecken von Vorteil, da bei scharfkantigen Übergängen diese Bereiche wie eine Sollbruchstelle wirken und es im Belastungsfall zu einer Rissbildung kommen kann. Jedoch gilt im Allgemeinen für die Dimensionierung der Verrundungen ein maximaler Radius von „0,5 x a“ wobei „a“ für die Grundwandstärke steht.

Bei Verrundungen empfehlen wir wie auch bei den Verrippungen, diese zu Beginn geringer zu halten und bei Bedarf zu erhöhen, um die Gefahr von Materialanhäufungen zu vermeiden. Materialanhäufungen sind im Spritzguss die häufigste Fehlerquelle und diese sollten so gut es geht vermieden werden. Sollte aufgrund der hohen Bauteilbelastung eine stärker dimensionierte Rippe benötigt werden und diese zu unerwünschten Materialanhäufungen führen, können die Einfallstellen durch ein optisches Designelement kaschiert werden.

 

3. Bauteilentformung: Lässt sich Ihr Bauteil entformen?

Das Thema Entformung hat großen Einfluss auf die Bauteilkonstruktion. Je komplizierter die Entformung der Bauteilbereiche, desto höher die Werkzeugkosten. Daher gilt es schon bei der Bauteilkonstruktion die Entformrichtungen und Werkzeugtrennungen zu definieren. Hierbei empfehle ich den Rat eines erfahrenen Partners im Bereich Werkzeugbau zu suchen.

Bitte vermeiden Sie Hinterschneidungen. Hinterschneidungen an Bauteilen können sehr schnell zu Preistreibern werden. Die Entformung hinterschnittener Bereiche lässt sich auf verschiedene Arten realisieren. Die gängigste Methode ist die Realisierung mittels Schiebern und Schrägauswerfern. Bei geringeren Hinterschneidungen gibt es noch die Möglichkeit der Zwangsentformung, welche aber abhängig vom Material nur bedingt zu empfehlen ist. Um Kosten zu sparen sollten hinterschnittene Bereiche so konstruiert werden, dass sich diese mit zwei Formhälften entformen lassen.

Durch die Optimierung der Teilekonstruktion im Vorfeld, kann der Einsatz von Schiebern und Schrägauswerfern vermieden werden. Die Verwendung von formschlüssigen Kernen kann die Werkzeugkosten erheblich reduzieren.

Im Spritzgussprozess kommt es beim Erstarren der Schmelze zu einem Aufschwinden auf die Werkzeugoberflächen, dadurch haftet das Teil im Werkzeug. Um das Bauteil entformen zu können, werden Entformschrägen benötigt. Die Wahl der Entformschräge hängt von dem verwendeten Material und der gewählten Oberflächenstruktur ab. Auch die Bauteilgeometrie hat Einfluss auf die Wahl des Entformungswinkels. Je rauer die Oberfläche, desto größer muss die Entformschräge sein. Ist der Winkel zu gering gewählt, kann dies zu Entformungsriefen an der Bauteiloberfläche führen.

Die Auswahl an Oberflächen im Bereich Spritzguss ist sehr groß und reicht von hochglanzpolierten Flächen bis hin zu den unterschiedlichsten optischen Strukturen. Durch die Wahl der richtigen Oberfläche, kann die Optik und Haptik des Bauteils positiv beeinflusst werden. In Bereichen mit Masseanhäufungen können durch die richtige Oberflächenstruktur, bis zu einem gewissen Grat, die Einfallstellen kaschiert werden. 

 

4. Toleranzanforderungen: Lässt sich Ihr Bauteil entformen?

Selbst bei optimal gestalteten Bauteilen kann bei der Zeichnungserstellung der Bauteilpreis maßgeblich beeinflusst werden. Vielen Konstrukteuren ist nicht bewusst wie sehr sich die Tolerierung eines im Spritzgussverfahren hergestellten Kunststoffbauteils von der eines im spanenden Verfahren hergestellten Teils unterscheidet.

Die wichtigsten Einflussfaktoren auf die Maßhaltigkeit im Spritzguss sind:

  • Fertigungstoleranzen bei der Verarbeitung und Werkzeugherstellung

  • Toleranzen des gewählten Materials

  • Einflüsse durch Feuchtigkeitsaufnahme und Temperaturschwankungen

  • Bauteilschwindung und Verzug

Durch eine falsche Tolerierung werden die Vorteile der Spritzgusstechnologie wie kurze Zykluszeiten, niedrige Ausschussraten und geringer Teilepreis verringert. Ich empfehle Ihnen, die Toleranzen nicht so eng wie möglich, sondern so groß wie erforderlich zu definieren. 

 

5. Prototypen: Eine sinnvolle Investition

Bei komplexen Bauteilen und Baugruppen empfehle ich vor der kostenintensiven Werkzeugfertigung die Herstellung von Prototypen. Hierbei gibt es mehrere Verfahren für die unterschiedlichen Bauteilanforderungen, welche sich im Internet leicht finden lassen.

Eine andere Möglichkeit zur Reduktion der Risiken bietet die Simulation von Spritzgussteilen. Hier können wesentliche Punkte wie beispielsweise die Bauteilfüllung und der Bauteilverzug simuliert werden, um die Ergebnisse dieser Simulation dann in die Konstruktion einfließen zu lassen.