Design Tipp Oktober 2015



5 Designanforderungen für eine bessere Erfolgsrate bei Mehrfachformen


Der Übergang von einer Einfachform zu einer Form, die zwei, vier oder acht Teile auf einmal produziert, ist scheinbar eine einfache Art, um das Produktionsvolumen zu erhöhen und die Kosten pro Teil zu reduzieren. Das mag in vielen Fällen zutreffen, aber nur, wenn dieser Schritt vorab gut durchdacht und gründlich vorbereitet wurde. Denn für die Gestaltung eines Teils für ein Mehrkavitätenwerkzeug genügt es nicht, die CAD-Datei für eine Einfachform so oft wie gewünscht zu kopieren.


Wenn die Formen größer und komplexer werden, tritt die Physik verstärkt in Kraft und kann aufgrund der veränderten Anspritzsituation, durch angepasste Angüsse und Angusskanäle, Auswirkungen auf die Formleistung und Teilequalität haben. Die Temperaturschwankungen innerhalb eines Mehrkavitätenwerkzeugs sowie die längere Distanz, die der Kunststoff bis zum Ziel zurücklegen muss, sind beides Faktoren, die das Risiko von Füllproblemen und Einfallstellen, sowie die Verformung der Teile nach dem Auswerfen erhöhen


Beim Übergang von Einkavitäten- zu Mehrkavitätenwerkzeugen muss berücksichtigt werden, dass Teile, die sich in einer Einfachform perfekt verhalten, sich in einer Mehrfachform anders verhalten können, zumindest dann, wenn es vorher keine Anpassungen am Teil, am Prozess oder sogar am Werkstoff gab.


Im ersten Bild wird ein 3D-CAD-Modell einer einzelner Linse gezeigt, im zweiten Bild ist sie in einem Mehrkavitätenwerkzeug.
Im ersten Bild wird ein 3D-CAD-Modell einer einzelner Linse gezeigt, im zweiten Bild ist sie in einem Mehrkavitätenwerkzeug.

Im ersten Bild wird ein 3D-CAD-Modell einer einzelner Linse gezeigt, im zweiten Bild ist sie in einem Mehrkavitätenwerkzeug.


Angusskanal


Optimierungen sind unter anderem am Angusskanal erforderlich. Viehgatter, Treppenschutzgitter für Kinder, Boarding Gates am Flughafen - sie alle kontrollieren Verkehrsflüsse. Die Angusskanäle im Kunststoffspritzguss erfüllen die gleiche Funktion. Zu Beginn des Spritzzyklus ermöglichen sie den Fluss des geschmolzenen Kunststoffs in die Form hinein und halten dort den Druck, bis die Form abgekühlt ist, der Kunststoff sich verfestigt hat und das Teil anschließend ausgeworfen wird.


In der Herstellung von Spritzgusswerkzeugen gibt es mehr Arten von Angusskanälen als es Spieler in einem Fußball-Team gibt. Proto Labs verwendet drei. Stangenangüsse und Heißkanal-Anspritzungen werden oft bei Einkavitätenwerkzeugen verwendet, um Herausforderungen bei komplexen Teilegeometrien zu lösen und Angussreste (der kleine Überrest des Werkstoffes, der vom fertigen Werkstück abgeschnitten werden muss) zu reduzieren, jedoch werden diese selten oder so gut wie nie bei Mehrkavitätenwerkzeugen verwendet. Bei Mehrfachformen werden in der Regel seitliche Angüsse (auch Kantenangüsse genannt) verwendet. Dadurch ist die Angussanordnung flexibler gestaltbar, was sehr wichtig ist, wenn man versucht, mehrere Teile in einem Werkzeug unterzubringen. Zum anderen ist der größere Angussrest bei Kantenangüssen sinnvoll, um in diesem Formabschnitt die Restfließspannung zu absorbieren.


Die Angussanordnung ist ein weiteres Beispiel für die Vermeidung der zeit- und kostenaufwendigen Neugestaltung von Teilen beim Wechsel zu Mehrkavitätenwerkzeugen. Stellen wir uns eine Form für Deckel von Plastikwasserflaschen vor. Basierend auf den anfänglich begrenzten Produktionserwartungen wird der Angusskanal an einer bestimmten Stelle der Einfachform positioniert. Wenn dann jedoch die Produktion anläuft und der Bereichsleiter „Supply Chain“ entscheidet, dass die Zeit reif ist, um in Mehrfachformen zu investieren, dann ist es unter Umständen nicht mehr möglich, die ursprüngliche Angussposition aufgrund der für Mehrfachformen erforderlichen Veränderungen der Teileausrichtung beizubehalten. Stolpersteine wie diese können jedoch vermieden werden, indem Sie Ihre Erwartungen an das Produkt schon in den frühen Phasen des Entwicklungszyklus mit dem technischen Kundendienst von Proto Labs besprechen.


Wir raten zudem davon ab, dass Sie Ihr Angusskanal- und Angusssystem für Ihre Mehrfachform selbst entwerfen. Proto Labs unterstützt Sie gerne, Ihre Mehrfachform zu entwerfen.


Seitenschieber und lose Formeinsätze


Ähnliche Situationen können mit einem Seitenschieber auftreten. Nehmen wir an, dass Sie eine leichtgewichtige Spule entworfen haben, mit jeder Menge Löcher wie Schweizer Käse, um das Gewicht zu reduzieren. Hierfür eignen sich Seitenschieber, die automatisch in Position geschoben werden bevor der Kunststoff in die Form fließt, um den Materialfluss zu begrenzen. Vor dem Auswurf des Teils wird der Seitenschieber wieder zurückgezogen. Während sich Seitenschieber hervorragend für Einfachformen eignen können, sind Mehrfachformen für diese Zusatzfunktion aufgrund dieser besonderen Anforderung wahrscheinlich nicht gut geeignet.


Ebenso sollte die Verwendung von manuell eingesetzten oder losen Formeinsätzen sorgfältig abgewogen werden. Das Platzieren eines kleinen Metallblocks in einen Formhohlraum, um eine Aussparung an einer inneren Funktion zu erzeugen, ist zum Beispiel mit Einfachformen relativ einfach. Verfolgt man jedoch den gleichen Ansatz bei einer Achtfachform ist der Zeitaufwand sehr groß. Deswegen sollte diese Vorgehensweise vermieden werden, wenn Sie für Ihr Produkt große Produktionsmengen planen. Wenn dies der Fall ist, lassen Sie dies uns wissen und wir werden Ihnen helfen, von Anfang an eine effiziente Form für alle Phasen zu entwerfen.


Familienwerkzeuge


Gelegentlich verwenden die Kunden von Proto Labs für Kleinserien sogenannte Familienwerkzeuge. Diese Art von Form wird verwendet, um verschiedene Komponenten einer mehrteiligen Baugruppe oder mehrere Variationen einer einzigen Komponente in einem einzigen Durchgang herzustellen. Wenn Sie als Kind ein Airfix-Modell aus Kunststoff (oder eine „Star Wars“-TIE-Fighter Replik als Erwachsener) zusammengebaut haben, dann kennen Sie Teile aus Familienwerkzeugen. Wenn Sie diesen Ansatz für Ihr Projekt nutzen möchten, dann sollten Sie mit zusätzlicher Arbeit und höheren Werkzeuginvestitionen rechnen.


Zwei Hälften eines medizinischen Handgeräts werden für eine Familienform konzipiert.


Zwei Hälften eines medizinischen Handgeräts werden für eine Familienform konzipiert.


Aufgrund der unterschiedlichen Größe und Geometrie der Teile sorgen Familienwerkzeuge für zusätzliche Design-Herausforderungen, und es könnte sinnvoll sein, alternative Form-Optionen (z. B. mehrere Einfachformen) in Betracht zu ziehen, bis höhere Werkzeugkosten durch größere Produktionsmengen gerechtfertigt sind. Dennoch hat Proto Labs viele Projekte unter Verwendung von Familienwerkzeugen erfolgreich umgesetzt, wenn Teilegeometrie und Teilegröße diesen Ansatz erlaubt haben. Sprechen Sie also zuerst mit uns, bevor Sie diesen Ansatz verwerfen.


Materialfluss


Werkstoffe, die gut fließen, wie beispielsweise Silikon (LSR), sind in der Regel für Mehrfachformen gut geeignet. Da Silikon leichter fließt als Kaffee an einem Montagmorgen, sind die meisten Herausforderungen bei Mehrfach- und Familienformen damit deutlich verringert. Wenn Ihr Projekt einen flexiblen Werkstoff mit ausgezeichneter Stärke und Maßhaltigkeit, mit guter Leistung bei extremen Temperaturen, Chemikalienbeständigkeit und Biokompatibilität erfordert, dann ist LSR eine solide Option.


Weitere zu berücksichtigende Variablen


Zusätzlich der für Mehrkavitätenwerkzeuge spezifischen Designelemente sollten natürlich auch die allgemeinen Designrichtlinien für das Spritzgießen beachtet werden, wie z. B. Formschräge, Wandstärke, Werkstoffauswahl und Oberflächenqualität. Wenn diese und andere Variablen berücksichtigt werden, erhöht sich die Erfolgswahrscheinlichkeit - insbesondere, wenn die Anzahl von Kavitäten zunimmt. Bei Ihren Designüberlegungen für den Kunststoff-Spritzguss unterstützt Sie zudem unser letzter Design-Tipp Optimale Nutzung des Spritzgussverfahrens für Kleinserien in aller Ausführlichkeit.


Zusammenfassend lässt sich sagen: Sämtliche Designüberlegungen für die effiziente Gestaltung von Spritzgussteilen führen zur Reduzierung der Kosten pro Teil. Egal ob Sie 5.000 oder 5.000.000 Teile produzieren. Einige Designer und Hersteller beabsichtigen den Entwicklungsprozess der Form zu verkürzen, indem sie die wesentliche Prototypen-Phase überspringen und sich direkt auf Mehrfachformen stürzen. Proto Labs rät von diesem Ansatz ab - nicht, weil wir Ihnen möglichst viele Formen verkaufen möchten, sondern weil das Testen von Teilen unter Verwendung von Einfachformen eine hervorragende Möglichkeit ist, um das Design zu überprüfen, die Qualität zu verbessern und langfristig Geld zu sparen. Viele Kunden testen parallel mehrere Iterationen des gleichen Spritzgussteils mit mehreren Einfachformen, wählen dann einen Gewinner aus und machen erst dann den Übergang zu einer Mehrfachform. Diese Vorgehensweise kann letztendlich die Markteinführungszeit Ihres Produkts verkürzen und dafür sorgen, dass etwaige Stolpersteine als Konsequenz einer zu schnellen Entwicklungsgeschwindigkeit vermieden werden


Alle genannten Designüberlegungen für Mehrkavitätenwerkzeuge können Sie gerne mit dem technischen Kundendienst von Proto Labs besprechen, um die für Sie passende Form zu finden.