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