März 2012



Bis auf den Kern reduzieren

Wir alle kennen die Zeichentrickfilme vom Höhlenmenschen mit seinem hüfthohen Steinrad. Es wiegt buchstäblich eine Tonne und scheint nie an etwas befestigt zu sein. Wir kennen auch die Bilder von brusthohen Rädern aus Massivholz am rumpelnden Karren eines Bauern; besser als nichts, doch noch immerlängst nicht rennsporttauglich. Der wirkliche Durchbruch beim Raddesign gelang, als irgendein Genie bemerkte, dass ein Rad eine Nabe und eine Felge braucht und fast alles dazwischen überflüssig ist. Voll zur Geltung kam das Rad erst mit der Erfindung der Speiche - es war plötzlich leichter, ökonomischer und benötigte weniger Drehmoment zum Beschleunigen und Abbremsen.


Das gleiche Prinzip gilt für Kunststoffteile. Kunststoff ist grundsätzlich leicht, generell wirtschaftlich und relativ einfach zu formen. Das heißt jedoch nicht, dass es nicht bei durchdachtem Design noch leichter und sogar wirtschaftlicher sein kann, ohne an Leistung einzubüßen oder die Herstellung zu verkomplizieren. Um dies zu erreichen, muss unnötiges Material entfernt werden, was zwei Fragen aufwirft: warum und wie?


Auf die Frage "warum?" gibt es mehrere Antworten: zuallererst um Kosten zu sparen. In einem kürzlich erschienenen Artikel auf der Website von TPE (The Plastics Exchange) wurde aufgezeigt, dass Käufer Ende Januar 2012 Kunststoffvorräte aufkauften, um für Februar erwarteten Preissteigerungen zuvorzukommen. Die erwarteten Preisanstiege reichten von 0,01 bis 0,04 GBP (0,02 bis 0,05 ?) pro Pfund (lb) beiden relativ günstigen Kunststoffen Polyethylen und Polypropylen. Wenn Einsparungen im Centbereich derart motivierend sind, kann sich jede deutliche Reduzierung des Kunststoffvolumens pro Teil als noch lohnenswerter erweisen. Solche Einsparungen wären außerdem bei teureren Kunststoffen proportional größer.


Der zweite Grund für eine Verschlankung ist das Gewicht. Von Fahrrädern und Autos bis hin zu Militärausrüstung und Luft- und Raumfahrzeugen - die Gewichtsreduzierung ist zu einer Art "Heiliger Gral" geworden. Kunststoff ist natürlich leichter als Metall, noch leichter ist jedoch weniger Kunststoff. "Man kann nie zu dünn oder zu reich sein", heißt es so schön. Mit weniger Gewicht kann man auf dem heutigen Markt reicher werden, indem man Kosten reduziert und die Funktionalität erhöht.


Ein weiteres Argument für eine Verschlankung ist das Aussehen. Die Skelettierung hat ein gewisses Prestige entwickelt, da sie mit High-Tech, Sport und Ähnlichem in Zusammenhang gebracht wird. Ein minimalistischer Stil verkauft sich gut, was uns zur Frage nach dem "Wie?" bringt.


Eine der einfachsten Methoden, um ein Kunststoffteil leichter zu machen ist es, dicke Bereiche zu entkernen. Auf diese Weise lassen sich nicht nur Geld und Gewicht einsparen, sondern auch Probleme, wie Einfallstellen, Hohlräume und Verformungen vermeiden (siehe früheren Design-Tipp zum Entkernen). Ein weiterer Ansatz ist die Skelettierung. Das Konzept wird seit Jahren eingesetzt und auf alle Sorten von Werkstoffen angewendet. Holzbalken und Metallträger haben eine stabilisierende Funktion und minimieren dabei die Materialanforderungen. Das gleiche gilt für eine Bienenwabe. In vielen Fällen können Hohlzylinder massive Pfosten ersetzen, während korrekt positionierte Bögen Kräfte ableiten und wuchtige massive Träger ersetzen können. All diese Techniken können auf Kunststoffteile angewendet werden. Die Herausforderung liegt darin, Material zu entfernen, ohne die Funktion des Teils zu beeinträchtigen. Abbildung 1 zeigt ein Beispiel des Prozesses.

Abbildung 1: Dieses Teil entwickelt sich von einer Vollscheibe über eine Scheibe mit entkernten Bereichen bis hin zu einem vollständig skelettierten Speichenrad ohne Funktionsverlust.

Abbildung 1: Dieses Teil entwickelt sich von einer Vollscheibe über eine Scheibe mit entkernten Bereichen bis hin zu einem vollständig skelettierten Speichenrad ohne Funktionsverlust.


Da Kunststoffe sehr unterschiedliche Eigenschaften haben können, hängt die Menge des eingesparten Materials vom Werkstoff selbst ab. Die Wahl des Werkstoffes und der Form beeinflusst darüber hinaus die Suche des Designers nach einem optimalen Design. Software für die Finite-Element-Analyse (FEA) eignet sich zwar hervorragend für die frühe virtuelle Entwicklungsphase, doch Prototypen aus echten Materialien sind im weiteren Prozessverlauf notwendig, um das Design zu testen und zu verfeinern.


Eine durchdachte Prototypenherstellung im Schnellspritzgussverfahren kann umfassende Informationen zu minimalen Kosten liefern. Sie können mehrere Kunststoffe in derselben Form testen (solange Sie berücksichtigen, dass Kunststoffe mit unterschiedlichen Schrumpfraten Teile mit leicht unterschiedlichen Abmessungen hervorbringen). Je nachdem, was Sie testen möchten, z. B. die Leistung eines Einzelteils statt einer fertigen Baugruppe, kann dies unter Umständen kein Problem darstellen. Wenn Sie unterschiedliche Skelettierungsgrade testen möchten, sollten Sie außerdem daran denken, dass Metall leicht von einer Form zu entfernen, jedoch schwer hinzuzufügen ist, und dass weniger Metall gleichzeitig mehr Kunststoff bedeutet. In anderen Worten, beginnen Sie mit der abgespecktesten Version Ihres Teils. Wenn es dem Test nicht standhält, können Sie für den nächsten Durchlauf Kunststoff hinzufügen, indem Sie mehr Metall von der Form abfräsen, statt wieder ganz von vorne anzufangen. Wie bei der Skelettierung eines Teils können Sie so Ihren Entwicklungsprozess verschlanken, dabei die Effektivität beibehalten und Kosten und Aufwand reduzieren.