Autor: MarieKerpl

Rotation mit Höchstgeschwindigkeit

Innovative Metallsubstitution mit hochpräzisen Kunststoffteilen aus PBT/ASA

Bei der Neukon­struk­tion einer rotie­renden Sicht­scheibe für anspruchs­volle Anwen­dungen im Maschi­nenbau war eine intel­li­gente Materi­al­wahl und Werkzeug­aus­le­gung gefragt. Ein Werkzeug­kon­zept mit Tunnel­an­bin­dung und symme­tri­schem Anguss­ver­teiler sowie ausge­klü­gelter Tempe­rie­rung wurde konzi­piert und umgesetzt.

Tipps für Praktiker*innen

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Die Werkstoffmatrix soll Entwicklern, die nicht in der Kunststoffbranche heimisch sind, helfen den richtigen Werkstoff einzugrenzen. Die Matrix ist bewusst einfach gehalten, soll aber helfen grobe Fehlentscheidungen zu vermeiden.

Die Praxis hat gezeigt, dass bei Neuent­wick­lungen im Bezug auf die Werkstoff­aus­wahl oftmals falsche Wege beschritten werden, die später nur schwer zu korri­gieren sind. Wird ein neues Produkt kreiert, so müssen in einem frühen Stadium der Konstruk­tion bereits die Werkstoffe weitge­hend einge­grenzt werden, auf die dann zum Beispiel Festig­keits­be­rech­nungen oder Schwin­dung aufbauen. Einige Eigen­schaften sind mit gemit­telten echten Werten versehen, andere nur mit Schul­noten um verglei­chen zu können (1: hoher Wert / 6: niedrigster Wert)

Wird der Rohstoff­preis zu spät betrachtet, weil die Werkstoff­aus­wahl unter rein tech-nischen Aspekten erfolgte, kann dies ein ganzes Projekt gefährden oder zumin­dest enorm verzö­gern. Die Preise unter­liegen jedoch, vor allem bei Standard­kunst­stoffen, einer großen Schwan­kungs­breite. Hier darge­stellt ist eine Moment­auf­nahme im mittleren Quali­täts­ni­veau, bei Abnah­me­mengen von etwa 1000 kg (Stand: 9/2001).

Die Dichte des Werkstoffes gebt, außer bei der Berech­nung des Eigen­ge­wichtes, auch bei der Kalku­la­tion ein, da das Volumen eines Kunst­stoff­teils vorge­geben ist und sich das Gewicht erst durch das spezi­fi­sche Gewicht errechnet. Hier ist die Betrach­tung des Volumen­preises eine inter­es­sante Aussage.

Mit Festig­keit ist hier die Zugfes­tig­keit gemeint, wissent­lich der Tatsache, dass Bauteile aus Kunst­stoff vorwie­gend nach der maximalen Dehnung berechnet werden. Das heißt, man definiert die Umgebungs­ein­flüsse, und dann sucht man in den Tabellen die Festig­keiten, die man dem Bauteil zumuten kann um die maximale Grenz­deh­nung nicht zu überschreiten.

Die Höhe der Belas­tung, der ein Bauteil ausge­setzt ist, ist entschei­dend für die Tempe­ra­tur­be­stän­dig­keit. Weiterhin ist auch wichtig, wie lange ein Bauteil der hohen Tempe­ratur ausge­setzt wird. Die hier angege­benen Werte sind Mittel­werte der Ge-brauchs­tem­pe­ratur bei mittlerer Einwir­kungs­zeit und dienen nur als Anhalts­punkte.

Für den Konstruk­teur ist es wichtig zu wissen, wieweit der Werkstoff in der Form fließt. Hier sind mittlere Fließ­längen bei 2 mm Bauteil­di­cken genannt. Wichtig ist zu wissen, dass die Fließ­wege bei dickeren Wandstärken überpro­por­tional ansteigen. Weiterhin gibt es in jeder Werkstoff­gruppe auch Typen mit besseren und schlech­teren Fließ­ei­gen­schaften. Und zuletzt muss erwähnt werden, dass man durch die Heißka­nal­technik mit Mehrfach­an­bin­dungen die Möglich­keit hat Teile mit hohem Wanddi­cken-Fliess­weg­ver­hältnis herzu­stellen.

Für die Verar­bei­tungs­schwin­dung beim Spritz­gießen sind nur Mittel­werte bei 2 – 3 mm Wandstärke und optimaler Teile­ver­ar­bei­tung angegeben, die auf jahre­langer Erfah­rung basieren. Durch von den Herstel­ler­an­gaben abwei­chende Werkzeug­tem­pe­ra­turen, sowie durch unzurei­chende Tempe­rie­rungs­ka­näle im Werkzeug und durch extreme Zyklus­zeiten können die echten Schwin­dungs­werte stark von den hier angege­benen Werten abwei­chen. Aus diesem Grunde sind die Angaben der Rohstoff­her­steller auch oft in einem weiten Bereich angegeben.

Die Entfor­mungs­schrägen sind wichtig zur ziehrie­fen­freien Entfor­mung der Bauteile. Durch die unter­schied­liche Schwin­dung der Materia­lien schwanken auch die nötigen Entform­winkel. Weiterhin benötigen dünne Wandstärken größere Entformschragen als dickere Wandstärken. Die VDI-Stufe 30 entspricht dabei einer mittleren Struktur mit der Raubtiefe von 3,5 ‚um, wobei das Werkzeug wegen der etwas reduzierten Abbil­dung mit der VDI-Stufe 33 ausge­führt werden sollte.

Der mittlere Werkzeug­in­nen­druck ist zum einen eine Kalku­la­ti­ons­größe für die Ausle­gung der Spritz­gieß­ma­schine, wobei hier je nach Geome­trie des Bauteils stärke Schwan­kungen auftreten können, zum anderen nehmen mit zuneh­mendem Werkzeug­in­nen­druck auch die Entform­kräfte zu. Die Anzahl und Ausfüh­rung der Auswerfer muss an diese Kräfte angepasst werden.

Die Schlag­zä­hig­keit ist ein wichtiger Aspekt für die Alltags­taug­lich­keit von Kunst­stoff­bau­teilen. Außerdem tragt die konstruk­tive Ausle­gung wesent­lich zur Haltbar­keit eines Bauteils nach Schlag­be­an­spru­chungen bei. Der Einfluss der Wasser­auf­nahme bei Polyamid und die generelle Möglich­keit der Schlag­zäh­mo­di­fi­ka­tion mit zum Beispiel Elasto­mer­mo­di­fi­ka­toren sollten hier erwähnt werden.

Die Chemi­ka­li­en­be­stän­dig­keit eines Kunst­stoffes ist ein sehr komplexes Thema, da neben der Vielzahl der chemi­schen Substanzen auch deren Konzen­tra­tion und die Umgebungs­tem­pe­ratur eine große Rolle spielen. Hinzu kommt, dass die meisten gebräuch­li­chen Chemi­ka­lien Mischungen aus einer Vielzahl von Einzel­sub­stanzen sind. Dies führt dazu, dass man sich bei der Beurtei­lung der Chemi­ka­li­en­be­stän­dig­keit durch lange Listen von Substanzen quälen muss und die Mittel mit denen das Bauteil später in Berüh­rung kommt oft nicht getestet wurden oder diese Substanzen schwer zu bestimmen sind. Generell und sehr verein­facht kann man sagen: Amorphe Kunst­stoffe (meist durch­sich­tige Kunst­stoffe, wenn nicht einge­färbt sind schlecht chemi­ka­li­en­be­ständig. Teilkris­tal­line Kunst­stoffe (meist undurch­sich­tige Kunst­stoffe, wenn nicht einge­färbt) sind gut chemi­ka­li­en­be­ständig.

Wenn man von beson­deren Verar­bei­tungs­ver­fahren (mit sehr schnellen Abkühlge-schwin­dig­keiten) absieht, so sind alle amorphen Kunst­stoffe mehr oder weniger trans­pa­rent und alle teilkris­tal­linen Kunst­stoffe opak und bei geringer Wandstärke trans­lu­zent. Eine Ausnahme bildet hier jedoch das ABS, das opak ist obwohl amorph, da es aus verschie­denen Rohstoffen copoly­me­ri­siert wurde, was die Licht­bre­chung beein­flusst. Grund­sätz­lich ist anzumerken, dass an Kunst­stoff­teile häufig zu hohe Maßan­for­de­rungen gestellt werden. Oft kann man jedoch durch eine kunst­stoff­ge­rechte Konstruk­tion größere Toleranzen verkraften.

Eigenschaftsmatrix der gebräuchlichsten Thermoplaste

Auf den Punkt gebracht

Optimale Angusslage und Anschnittform für Kunststoffteile

Langjäh­rige, oft sehr kostspie­lige Praxis­er­fah­rungen zeigen, daß die meisten Fehler bei der Werkzeug­aus­le­gung im Bereich der Ansprit­zung gemacht werden. Kosten­in­ten­sive Korrek­turen können vermieden werden, wenn eine Konstruk­tions-Check­liste im Vorfeld der Werkzeug­kon­zep­tion syste­ma­tisch durch­ge­ar­beitet wird. Der Praktiker mit entsprech-ender Berufs­er­fah­rung kennt und beachtet sicher alle hier erwähnten konstruk­tiven Gesichts­punkte. Dennoch kommt es im Tages­ge­schäft immer wieder zu banalen Fehlern, deren Anzahl durch konse­quentes Arbeiten mit den hier zusam­men­ge­stellten Fragen (Tabelle 1) reduziert werden kann. Wird nur eine dieser Fragen mit “nein” beant­wortet, so kann dies bereits zu nachträg­li­chen, teuren Änderungen am Werkzeug führen. Die Check-liste kann auch in eine Fehler-Möglich­keits-und-Einfluß­ana­lyse (FMEA) für die Werkzeug-konstruk­tion einge­ar­beitet werden. Die einzelnen Problem­stel­lungen werden im folgenden erläu­tert.

Wirtschaftlichkeit

Falls zum Entfernen des Angusses Nachar­beit erfor­der­lich ist, muß dies in der Kalku­la­tion des Teile­preises berück­sich­tigt werden. Das gebräuch­lichste selbst­ab­tren­nende Anguss-system mit nur einer Trenn­ebene, das vollau­to­ma­tisch betrieben werden kann, ist der Tunnel­an­guss. Die optimale Anschnitt­form in Hinblick auf die schonende Materi­al­ver­arbei-tung ist der Stangen­anguß, der jedoch material- und nachbe­ar­bei­tungs­in­tensiv ist und durch die Verlän­ge­rung der Kühlzeit die Herstel­lungs­kosten erhöht.

Optische Gesichtspunkte

Oft kann die aus techni­scher Hinsicht optimale Anguß­stelle nicht reali­siert werden, weil das Teil an dieser Stelle anspruchs­volle optische Anfor­de­rungen erfüllen muß. Unter Umständen kann die Verwen­dung einer Nadel­ver­schluß­düse erwogen werden.

Formfüllung

Das Verhältnis von Fließweg und Wanddi­cken muß eine komplette Formfül­lung ermög­li­chen. Hier haben sich neben komplexer Simula­ti­ons­soft­ware die von den Rohstoff­her­stel­lern angebo­tenen Fließ­kurven bewährt. Diese lassen – unter Umständen ergänzt mit der graphi­schen Füllbild­me­thode – eine erste zuver­läs­sige Überprü­fung der Formfül­lung zu, solange es sich um relativ einfache Geome­trien mit gleich­mä­ßigen Wanddi­cken handelt.

Bindenähte

Binde­nähte sollten in den Berei­chen des Spritz­guß­teils liegen, an denen sie nicht zu Festig­keits­pro­blemen führen können. Bei komplexen Formteilen kann sich eine Formfüll-studie zum Auffinden der Binde­naht­be­reiche lohnen. Durch ein Anguß­system mit Kaska­den­schal­tung können Binde­nähte vermieden werden, dies erhöht jedoch die Werkzeug­kosten erheb­lich.

Lufteinschlüsse

Es muß sicher­ge­stellt sein, daß die in der Kavität befind­liche Luft entwei­chen kann. Es empfehlen sich Luftnuten an allen Auswer­fern sowie eine umlau­fende Entlüf­tungsnut um die ganze Werkzeug­ka­vität, die nach außen angebunden ist. Auswerfer sind die beste Entlüf­tungs­form, weil sie sich durch ihre Bewegung selbst reinigen. Demge­gen­über haben Sinter­ein­sätze oder Kapil­lar­ein­sätze den Nachteil, daß sie durch Ausga­sungen des Werkstoffs schnell verstopfen und dadurch die Produk­ti­ons­si­cher­heit leidet.

Freistrahlbindung

Zur Vermei­dung eines Freistrahls muß die Ansprit­zung gegen eine Werkzeug­wan­dung und nicht in die freie Kavität erfolgen. Es handelt sich hierbei um einen eigent­lich banalen Fehler, der dennoch häufig beobachtet wird (Bild 1). Die Freistrahl­bil­dung kann zwar durch das Einspritzen mit Profil abgemil­dert werden, diese Modifi­ka­tion des Einsprit­zens sollte jedoch der Optimie­rung des Prozesses vorbe­halten sein und nicht dazu dienen, Werkzeug­fehler zu kaschieren. Das Werkzeug muß notfalls durch einen Hilfs­kern in der Form ergänzt werden. Eventuell kann dieser in der Nachdruck­phase zurück­ge­zogen werden.

Schererwärmung

Die Scherung des thermo­plas­ti­schen Materials beim Einspritzen darf nicht zu extremer Erhit­zung einzelner Werkzeug­par­tien führen. Zur Vermei­dung hoher Tempe­ra­turen sollten in Anschnitt­nähe Tempe­rier­ka­näle vorge­sehen werden. Wenn es mit der Werkzeug­kontur und ‑funktion vertretbar ist, sollte gegen­über dem Anspritz­punkt eine Tempe­rier­boh­rung möglichst mit einem separaten Anschluss vorge­sehen werden, damit man hier gezielt die Scher­wärme abführen kann. Im Anspritz­be­reich von Heißka­nal­düsen muß grund­sätz­lich eine Tempe­rier­boh­rung liegen, um den zwangs­läu­figen Wärme­über­schuß der elektrisch beheizten Düse abführen zu können.

Scherbelastung

Die Anschnitt­geo­me­trie (z.B. Tunnel­anguß) darf nicht zu einer so hohen Scher­be­an­spruch-ung führen, daß das verar­bei­tete Material geschä­digt wird. Grund­sätz­lich sollte der Anschnitt daher so groß wie möglich ausge­führt werden. Eventuell kann ein Anschnitt auch in zwei oder mehr Anschnitte geteilt werden, um die Scherung zu reduzieren. Dabei muss die Bildung einer Binde­naht zwischen den Anschnitten berück­sich­tigt werden. Die Entwick­lungen im Heißka­nal­be­reich, vor allem von außen­be­heizten Systemen, lassen inzwi­schen auch die Verar­bei­tung von relativ tempe­ra­tur­emp­find­li­chen Werkstoffen zu. Eine weitere, noch selten einge­setzte Möglich­keit sind flüssig­keits­tem­pe­rierte Heißka­nal­sys­teme.

Ausbalanciertes Angusssystem

Bei Mehrfach­werk­zeugen oder Teilen mit mehrfa­chen Anschnitten muß das Anguss­system natür­lich ausba­lan­ciert werden. Falls dies nicht möglich ist, muß eine Formfüll­studie zur Ermitt­lung abgestufter Vertei­ler­quer­schnitte durch­ge­führt werden (Bild 2). Generell sollte ein natür­lich ausba­lan­ciertes Anguß­system – egal ob heiß oder kalt – Verwen­dung finden und nur in Ausnah­me­fällen eine Balan­cie­rung über diffe­ren­zierte Vertei­ler­quer­schnitte erfolgen, da die Visko­sität der Kunst­stoff­schmelze von der auftre­tenden Scherung und der Tempe­ratur abhängt. Damit ist die Balan­cie­rung nur in einem, nämlich dem berech­neten Punkt, exakt. Wenn die Verar­bei­tungs­pa­ra­meter nachkor­ri­giert werden, so ist in aller Regel auch eine Korrektur der Querschnitte unumgäng­lich.

Ausbalanciertes Angusssystem

Hesitation-Effekt

Zur Vermei­dung des Einfrie­rens der Fließ­front durch den Verzö­ge­rungs­ef­fekt (Hesita­tion- Effekt) muß die Formfül­lung von großen Wanddi­cken in Richtung kleine Wanddi­cken erfolgen. Dünnwan­dige Partien in Anguß­nähe (z.B. Filmschar­nier) sollten vermieden werden. Die alte Regel der Kunst­stoff-Bauteil­kon­struk­tion gleich­mä­ßige Wanddi­cken zu bevor­zugen, hat hier Ihre Berech­ti­gung. Bei unter­schied­li­chen Wanddi­cken fließt die Schmelze erst den Weg des geringsten Wider­stands, das heißt in Richtung der größeren Wanddicke. Die Schmelze verharrt jedoch dann an den Partien der kleineren Wanddi­cken, bis sich genügend Druck aufge­baut hat. Die Scher­ge­schwin­dig­keit geht durch den Masse­still­stand gegen Null und die Schmel­ze­front friert aufgrund ihrer Struk­tur­vis­ko­sität ein (Bild 3).

Nachdruck

Zur Vermei­dung von Lunkern, Einfall­stellen etc. muß ein ausrei­chender Nachdruck gewähr­leistet sein. Die Anguß­lage sollte deswegen so gewählt werden, daß man an einer dicken, zu Einfall­stellen neigenden Wand anspritzt. Eine andere Möglich­keit ist es, Fließ­hilfen zwischen Anguss und Masse­an­häu­fungen einzu­bringen, um die Nachdruck­ver­sor­gung sicher­zu­stellen.

Verzug

Durch optimale Wahl der Anguss­lage (z.B. Ansprit­zung eines Lineals an der schmalen Seite) kann Verzug weitge­hend vermieden werden. Vor allem bei faser­ver­stärkten Materia­lien, aber auch bei teilkris­tal­linen Thermo­plasten ohne Verstär­kung, ist es wichtig, die Frage des poten­ti­ellen Verzugs mit in die Auswahl der richtigen Anspritz­stelle einfließen zu lassen. Oft wirken auch mehrere Anschnitte oder ein Filman­guss verzugs­ver­min­dernd.

Bilder: Europlast Ep-Kunst­stoff­technik GmbH

Autor

Dipl.-Ing. Elmar Nachts­heim, geb. 1959, war nach der Ausbil­dung zum Werkzeug­ma­cher als Konstruk­teur bei Zeller Plastik KG, Zell/Mosel, tätig. Nach dem Studium der Kunst­stoff-technik an der FH-Darmstadt war er für den Geschäfts­be­reich Spritz­gieß­technik bei Formplast-Reichel GmbH, Besig­heim, verant­wort­lich. Seit 1998 ist er Geschäfts­führer der Europlast Ep-Kunst­stoff­technik GmbH, Ilsfeld.