Design Tipp Februar 2016 - Designgrundlagen für den Spritzguss


Wie Formschräge, Radien, Wandstärke und andere Designfaktoren die Machbarkeit von Teilen verbessern

 

 

 

Teile gelangen auf unterschiedlichen Wegen zum Spritzgussverfahren. Manche werden zuerst im 3D-Druckverfahren, wo Formbarkeitsüberlegungen kaum eine Rolle spielen, als Prototypen hergestellt. Bei anderen wiederum werden traditionellere Bearbeitungsverfahren eingesetzt. Diese ermöglichen iterative Tests mit technischen Werkstoffen, die den beim Spritzgussverfahren verwendeten ähneln. Viele Teile werden direkt mit dem Spritzgussverfahren hergestellt.

 

Aus Erfahrung wissen wir, dass vor Beginn der Produktion wichtige Designkriterien berücksichtigt werden müssen. Diese können die Formbarkeit der Teile verbessern und schließlich die Wahrscheinlichkeit von Stolperfallen, kosmetischen Fehlern und sonstigen Problemen reduzieren.

 

Formschräge und Radien

 

Die Anwendung von Formschräge und Radien ist für die Herstellung eines richtig entworfenen Spritzgussteils unerlässlich. Mit einer Formschräge kann ein Teil mit weniger Reibung an der Teileoberfläche aus einer Form gelöst werden, da das Material auf den Formkern schrumpft. Eine geringe Formschräge macht einen übermäßigen Druck des Auswerfersystems notwendig, wodurch die Teile und unter Umständen auch die Form beschädigt werden können.

Als Faustregel gilt 1 Grad Formschräge pro 25 mm Hohlraumtiefe. Je nach dem gewählten Werkstoff und der Form kann dies jedoch unter Umständen noch nicht ausreichen. Proto Labs greift für die Herstellung der meisten Formmerkmale auf CNC-Fräsen zurück. Unser Herstellungsprozess verwendet individuelle Wandstärken und Formschrägen, je nachdem, welche Schaftfräse für das jeweilige Merkmal verwendet wird. Hierbei erweist sich unsere Design-Analyse als besonders hilfreich, da unsere Software jedes Teilemerkmal separat betrachtet und mit unserem Werkzeugsatz vergleicht. Die Design-Analyse hebt die Bereiche der Teilegeometrie hervor, in denen eine größere Formschräge und Wandstärke erforderlich sein kann.


Radien hingegen sind für das Spritzgussverfahren keine Notwendigkeit, sollten jedoch aus mehreren Gründen bei Ihrem Teil angewendet werden: Die Beseitigung scharfer Ecken an Ihrem Teil verbessert den Materialfluss sowie die Teilequalität.

Radien hingegen sind für das Spritzgussverfahren keine Notwendigkeit, sollten jedoch aus mehreren Gründen bei Ihrem Teil angewendet werden: Die Beseitigung scharfer Ecken an Ihrem Teil verbessert den Materialfluss sowie die Teilequalität.

 

Ähnlich wie bei einem Flusslauf fließt der den Formhohlraum füllende Kunststoff besser um weiche Ecken. Flussläufe haben keine 90-Grad-Winkel, da die Strömung die Innen- und Außenecken so formt, dass das Wasser leicht zu seinem Zielort fließen kann. Ebenso nimmt der Kunststoff den Weg des geringsten Widerstandes, um die auf das Material und die Form ausgeübte Spannung zu minimieren. Wie auch die Formschräge unterstützen Radien den Teileauswurf, da abgerundete Ecken die Wahrscheinlichkeit reduzieren, dass das Teil in der Form hängenbleibt und es so zu Verformungen oder sogar Brüchen kommt.


Steile Ecken haben eine hohe Spannungskonzentration und der Kunststofffluss wird beeinträchtigt. Abgerundete Ecken haben niedrigere Spannungskonzentrationen und der Kunststofffluss wird verbessert.

Steile Ecken haben eine hohe Spannungskonzentration und der Kunststofffluss wird beeinträchtigt. Abgerundete Ecken haben niedrigere Spannungskonzentrationen und der Kunststofffluss wird verbessert.

 

Wandstärke

 

Die Berücksichtigung der Wandstärke beim Teiledesign hilft, die Ästhetik, das Gewicht und die Festigkeit des Teils unter Kontrolle zu haben. Zu dicke Teile führen zu unansehnlichen Einfallstellen, Verformungen und Lunkern (Lufttaschen). Um dies zu vermeiden, haben Werkstoffe empfohlene Wandstärken — denken Sie daran, dass dies nur eine Faustregel ist, da nicht alle Teile die in der Tabelle angegebenen Wandstärken am oberen und unteren Ende besitzen.

Empfohlene Wandstärke

 

Empfohlene Wandstärke

 

Entkernungen und Verrippungen

Neben der richtigen Wandstärke sollten weitere Überlegungen angestellt werden, um die Designintegrität eines Teils sicherzustellen. Man könnte davon ausgehen, dass ein dickeres Teil gleichzeitig auch robuster ist. Diese Annahme ist jedoch falsch. Ein richtig entworfenes Teil mit struktureller Funktion sollte Rippen und stützende Versteifungen haben, welche die Festigkeit erhöhen und zu einer Vermeidung kosmetischer Fehler, wie Verformungen, Einfallstellen und Lunkern, beitragen können.

 

Beginnen wir mit dem Entkernen Ihres dicken Teils, mit dem das Teil seine Gesamthöhe und seinen Durchmesser beibehält, ohne zwangsläufig an Leistung einzubüßen. Außerdem ist es recht wahrscheinlich, dass sich die Leistungsfähigkeit und das optische Erscheinungsbild des Teils verbessert.

 

Als Nächstes konzentrieren wir uns auf das Design der Stützrippen. Bei der Gestaltung von Rippen sollte idealerweise ein Rippen/Wandstärke-Verhältnis von 40 zu 60 Prozent der Dicke angrenzender Flächen beachtet werden. Der Hauptkörper des Bauteils sollte dick genug konzipiert werden, damit alle angrenzenden, daraus extrudierten Rippen etwa halb so dick sind. So lassen sich dicke Bereiche vermeiden, die im Vergleich zu dünnen Bereichen unterschiedlich schnell abkühlen. Außerdem lassen sich so Einfallstellen und Spannungen reduzieren, die das Teil verformen können.


Rippen/Wandstärke-Verhältnisse beachten – Um Einfallstelle zu verhindern, sollte die Rippenstärke etwa die Hälfte der Wandstärke betragen.

Rippen/Wandstärke-Verhältnisse beachten – Um Einfallstelle zu verhindern, sollte die Rippenstärke etwa die Hälfte der Wandstärke betragen.

 

Anbindungen und Versteifungen sind ein weiteres Designelement, um das Teil zu stärken und sein Aussehen zu verbessern. Der flüssige Kunststoff bevorzugt sanfte Übergänge zwischen den Geometrien, und kleine Anbindungen unterstützen den Materialfluss zwischen verschiedenen Niveaus. Versteifungen unterstützen Wände oder Merkmale und reduzieren dabei Spannungen beim Spritzguss.

 

Formkern/Hohlraum

Kern und Hohlraum werden oft als A- und B-Seite oder obere und untere Hälfte der Form bezeichnet. Eine Kern-Hohlraum-Methode beim Teiledesign kann Herstellungszeit und Geld sparen und das ästhetische Erscheinungsbild des Teils insgesamt verbessern.

 

Angenommen, Sie entwerfen eine einfache Box. Wenn die Außen- und Innenflächen derselben Formhälfte mit Formschräge versehen werden, entsteht eine sehr tiefe Rippe, die schwer herzustellen ist und die Werkzeugkosten erhöht. Durch das erschwerte Auswerfen und die kurzen Einspritzungen aufgrund fehlender Entlüftungen in der tiefen Rippe steigt außerdem die Gefahr der Beschädigung der Form.


Tiefrippenmethode: Kastendesign mit Wänden als Rippen. Höhere Kosten für die Herausarbeitung und die Bearbeitung des Hohlraums. Kern-Hohlraum-Methode: Kastendesign durch Kern/Hohlraum-Methode. Merkmale können mit größeren, schnelleren Fräsen fertiggestellt werden. Einfacher und schneller bearbeitbar.

Tiefrippenmethode: Kastendesign mit Wänden als Rippen. Höhere Kosten für die Herausarbeitung und die Bearbeitung des Hohlraums. Kern-Hohlraum-Methode: Kastendesign durch Kern/Hohlraum-Methode. Merkmale können mit größeren, schnelleren Fräsen fertiggestellt werden. Einfacher und schneller bearbeitbar.

 

All diese Risiken können Sie mit der Kern-Hohlraum-Methode minimieren. Bei dieser Designtechnik müssen die Außen- und Innenwände so mit Formschrägen versehen werden, dass sie parallel zueinander verlaufen. Durch diese Methode werden eine einheitliche Wandstärke eingehalten, die Teilequalität beibehalten, die Stärke und Formbarkeit verbessert und die gesamten Herstellungskosten gesenkt.

 

Hinterschneidungen

 

Der Schnellspritzguss erfordert ein möglichst einfaches Teiledesign, richtig? Diese Annahme ist ebenfalls falsch, da wir komplexe Teiledesigns unterstützen, die Hinterschneidungen, Durchgangslöcher und andere Merkmale unterstützen.

 

Äußere Hinterschneidungen sind am einfachsten und kostengünstigsten, da wir diese mithilfe von durch Stifte betätigte Seitenschieber herstellen. Diese Seitenschieber bewegen sich zusammen mit der Form, wenn diese geöffnet und geschlossen wird, während die Nocke entlang eines gewinkelten Stifts verläuft. Beim Öffnen wird die Nocke vollständig zurückgezogen, sodass das Teil einfach und ohne Beschädigung der Form ausgeworfen werden kann, und erneut geschlossen, bis die Nocke wieder in Position ist, um das nächste Teil herzustellen.

In Fällen, die nicht für Seitenschieber anpassbar sind, können wir manuell entfernbare Einsätze verwenden. Dabei handelt es sich um Formkomponenten, die größer als ein Würfel mit einer Seitenlänge von 1,27 cm sind und von einer Bedienperson in die Presse geladen werden, bevor diese geschlossen wird. Nachdem das Teil spritzgegossen wurde, wird es zusammen mit dem Einsatz ausgeworfen. Die Bedienperson nimmt anschließend das Teil zur Hand, entfernt den Einsatz und setzt ihn für das nächste Teil erneut in die Form ein.

 

Angüsse und Auswerfen

 

Angüsse und Auswerferstifte sind notwendig, damit der Kunststoff strategisch in die Form gelangt und die Kunststoffteile effektiv aus der Form ausgeworfen werden können. Aus Erfahrung wissen wir, dass es mehrere Möglichkeiten gibt, ein Teil mit Angüssen oder Auswerferstiften zu versehen. Die Stellen sollten bedacht werden, bevor mit der Werkzeugherstellung begonnen wird.

 

Filmangüsse kommen am häufigsten zum Einsatz, da sie einem Spritzgusstechniker optimale Verarbeitungsmöglichkeiten bieten und vergrößert werden können, wenn der Prozess dies erfordert. Ein Filmanguss ist vom Angusskanal aus verjüngt, sodass sich der kleinste Punkt an der Teileoberfläche befindet. Dadurch liegt der Erstarrungspunkt zwischen dem Teil und dem Angusskanal, sodass an der Oberfläche des Teils keine Hitze entsteht. Die Hitze sollte von dieser Oberfläche ferngehalten werden, um das Risiko von Einfallstellen im Teil zu minimieren. Nach dem Spritzguss muss der Filmanguss manuell entfernt werden, wobei ein Angussrest von bis zu 0,13 mm zurückbleibt.

 

Beim Tunnelanguss wird ein Anguss seitlich in das Teil oder in einen Auswerferstift (Stabanguss) platziert. Beide Angusstypen können im Allgemeinen die Größe der auf der Außenseite des Teils zurückbleibenden Spuren verringern. Bei Tunnelangüssen erfolgt der Zugang zum Teil zwar von außen, doch sie befinden sich auf halber Strecke unter der Teileoberfläche, sodass die Angussreste in der Regel geringer ausfallen. Stabangüsse hinterlassen keine sichtbaren Spuren auf der Außenseite des Teils, da das Teil über einen der Auswerferstifte um den Umfang des Teils gefüllt wird. Es besteht jedoch die Gefahr, dass infolge von Hitze oder Teiledicke ein unschöner Schattens an der gegenüberliegenden Seite des Teils zurückbleibt. Verwenden Sie diesen Angusstyp daher mit Vorsicht bei Teilen mit hohem ästhetischen Anspruch, die eine Strukturierung oder eine Hochglanzpolitur erhalten.

 

Hot-Tip-Gates eignen sich gut, da die Angüsse und Angusskanäle minimale Abfallmengen verursachen. Ein Hot-Tip-Gate eignet sich am besten für Teile, die von der Mitte zu den Außenkanten gleichmäßig gefüllt werden müssen. Dadurch wird eine Verschiebung der Form minimiert, da bei Filmangüssen ein unausgewogener Druck in einer Form entstehen kann. Hot-Tip-Gates sind häufig die ästhetisch am ansprechendsten Angüsse (Durchmesser etwa 1,3 mm) und können oft in einer Mulde oder an einem Logo oder einer Beschriftung versteckt werden.

 

Direkte Kegelangüsse sind optisch am wenigsten ansprechend und werden bei bestimmten Werkstoffen verwendet, die einen hohen Glasgehalt besitzen oder bei Teilen, deren Mitte eine Nachbearbeitung erfordert. Direkte Kegelangüsse haben einen großen Durchmesser, der manuell schwer zu entfernen ist und benötigen oft eine Vorrichtung, die durch Fräsen entfernt wird.

 

Technische Hilfe

 

Mit soliden Kenntnissen über die Techniken zur Verbesserung der Formbarkeit von Teilen ist es deutlich einfacher, zum Spritzgießen von Kleinserien und schließlich Großserien überzugehen. Laden Sie als Nächstes Ihr 3D-CAD-Modell online hoch. Sie erhalten daraufhin innerhalb weniger Stunden ein interaktives Angebot mit kostenloser Design-Analyse. Wie bereits erwähnt, weist die Design-Analyse Sie auf Formbarkeitsprobleme hin und unterbreitet Ihnen sogar Lösungsansätze. Wir empfehlen Ihnen, dieses Feedback zum Design durch ein Gespräch mit einem unserer erfahrenen Kundendienstmitarbeiter zu ergänzen. Dieser wird Ihnen vor Beginn der Produktion weitere Hilfestellung anbieten. Sie sind erreichbar unter +49 (0) 6261 6436 947 oder customerservice@protolabs.de.

 

Lesen Sie weitere wertvolle Tipps in unserem Abschnitt Grundlagen des Spritzgießens online und laden Sie Ausgabe 1 und Ausgabe 2 unserer Infobroschüren zum Spritzgießen herunter.