Oktober 2013



Ein Krater hat mein Teil verschluckt!

In den Nachrichten wurde in der letzten Zeit immer wieder von Kratern berichtet: natürliche Erosion, Untertagearbeiten, Grundwasserübernutzung oder ähnliche Vorgänge entfernen Untergrundmaterial und lassen eine ungestützte Oberfläche zurück, die schließlich einstürzt. In kleinerem Maßstab kann diese Kraterbildung auch bei Kunststoffteilen vorkommen. Das Ergebnis ist ein Krater, Einfallstelle genannt, der bestenfalls unästhetisch ist und schlimmstenfalls die Funktion des Teils beeinträchtigen kann (siehe Abb. 1). Bei Einfallstellen kühlt in den meisten Fällen zunächst die Außenseite des Teils ab. Der abkühlende Kunststoff bildet eine Haut, während der Kunststoff im Inneren des Teils noch flüssig ist. Das Innere kühlt dann auch ab und schrumpft, so dass die Oberfläche einwärts gezogen wird. In den schlimmsten Fällen kann es zu einem richtigen Bruch der Oberfläche kommen, der ein Loch hinterlässt.

Abbildung 1: CAD-Rendern zeigt ein Beispiel für eine Einfallstelle im dicken Bereich eines Teils.

Abbildung 1: CAD-Rendern zeigt ein Beispiel für eine Einfallstelle im dicken Bereich eines Teils.


Wie die meisten Werkstoffe dehnt sich Kunststoff (Kunstharz) beim Erwärmen aus und schrumpft beim Abkühlen. In seiner flüssigen Form kann er auch unter Druck verdichtet werden. Wenn der Druck nicht mehr anliegt, entspannt er sich wieder zu seinem normalen Volumen. Beim Spritzgießverfahren kommen sowohl Wärme als auch Druck zur Anwendung. Die Gießformen sind daher für dieses Phänomen ausgelegt, damit das fertige Teil nach seiner Ausdehnung und Schrumpfung den Entwurfsabmessungen so genau wie möglich entspricht. Die Werkzeugkonstruktion hat aber ihre Beschränkungen. Der Designer des Teils spielt daher eine wesentliche Rolle bei der Vermeidung von Problemen.


Alle Kunststoffe schrumpfen beim Abkühlen, wenn auch unterschiedlich stark. Kunststoffe wie ABS, Polycarbonat und Gemische aus diesen beiden haben kleine Schrumpfungskoeffizienten. Nylon, HDPE und Acetal haben größere Schrumpfungskoeffizienten und neigen eher zu Einfallstellen. Vom Koeffizienten einmal abgesehen, ist der Schrumpfwert insgesamt für einen bestimmten Kunststoff zu den Abmessungen des betreffenden Teils proportional. Die Schrumpfung lässt sich deshalb relativ einfach berücksichtigen, wenn Designregeln befolgt werden und die Wandstärken einheitlich sind. Man beachte: die Schrumpfung kann auch im Verhältnis zur Fließrichtung des Kunststoffs in der Form variieren, was sich im typischen Fall aber durch die Angusspositionierung regulieren lässt.


Den ersten Hinweis auf ein mögliches Problem mit Einfallstellen erhalten Sie möglicherweise von ProtoQuote®, das zu dicke Bereiche anzeigt, indem es blau blinkt und eine „Dicker Bereich”-Warnung anzeigt. In schweren Fällen erhalten Sie eine Benachrichtigung, dass der Entwurf geändert werden muss. In weniger schweren Fällen liegt die Entscheidung bei Ihnen. Einige Faktoren können Ihnen dabei die Richtung weisen:


  1. Die Schrumpfanalyse findet statt, bevor Sie sich in ProtoQuote auf einen Kunststoff festlegen. Beachten Sie, dass ProtoQuote eher vorsichtig kalkuliert. Wenn Sie vorhaben, einen Kunststoff mit kleinem Schrumpfungskoeffizienten, z.B. 0,004 bis 0,006 mm Schrumpfung pro mm, zu verwenden, stellt das möglicherweise kein bedeutendes Problem dar.
  2. In Ihrem Entwurf können Sie Einfallstellen reduzieren oder ausschließen, indem sie dicke Bereiche verdünnen oder abflachen oder sie aussparen, so dass sie ihre gewünschte Form behalten, dicke Bereiche aber beseitigt werden (siehe Abb. 2).
  3. Abbildung 2: Verringern der Wandstärke an der Rückseite mit einem ausgesparten Design, das Einfallstellen an der Vorderseite verhindern hilft.

    Abbildung 2: Verringern der Wandstärke an der Rückseite mit einem ausgesparten Design, das Einfallstellen an der Vorderseite verhindern hilft.


  4. In einigen Fällen liegt die Ursache von Einfallstellen nicht bei dicken Wänden, sondern bei der Überschneidung von Merkmalen. Zum Beispiel kann durch eine Rippe, die eine Wand überschneidet, ein dicker Bereich entstehen, selbst wenn beide Merkmale an sich jeweils eine „akzeptable” Stärke haben. Die Grundregel ist, dass die Rippe höchstens 40 – 60 % der Dicke der Wand haben sollte, die sie überschneidet.
  5. Desgleichen kann ein Dom, der sich von einer Wand erstreckt, ein dicker Bereich sein und eine Einfallstelle verursachen. Die übliche Lösung besteht darin, den Dom von der Wand weg zu verlegen und ihn durch eine Rippe der geeigneten Größe mit der Wand zu verbinden. Die Einfallstelle in der Wand, auf der der Dom sitzt, kann reduziert werden, indem die Wände des Doms wie Rippen behandelt werden und ihre Dicke ebenfalls auf 40 – 60 % der Wandstärke gehalten wird.
  6. Andere Merkmale, die an Wänden angebracht sind, wie z.B. ein Clip, können Einfallstellen verursachen. Manchmal lässt sich dieses Problem dadurch lösen, dass ein großer Clip durch mehrere kleine ersetzt wird.
  7. Der natürliche Schrumpfungskoeffizient eines Kunststoffs kann durch Zugabe weniger schrumpfungsanfälliger Füllstoffe wie Glas oder Minerale reduziert werden. Man muss dabei selbstverständlich sicherstellen, dass dadurch keine kritischen Eigenschaften des Kunststoffs beeinträchtigt werden oder Verwölbungsprobleme entstehen.

ProtoQuote, Ihre eigenen Design-Kenntnisse und die Hilfe vom technischen Kundendienst bei Proto Labs können viele mögliche Probleme abwenden. Trotzdem kann es gelegentlich zu Einfallstellen kommen. Bei der Prototypen-Herstellung geht es ja aber um die Feststellung und Korrektur derartiger Probleme. Solange Sie das Problem erkennen, bevor Sie mit der Produktion beginnen, haben Sie die Situation noch im Griff. Lassen Sie sich bei Bedarf von unseren Mitarbeitern im technischen Kundendienst beraten: +49(0) 6261 6436 947.