Konstruktionsrichtlinien für das Spritzgießen: Der vollständige Leitfaden

Das Spritzgießen ist eines der vielseitigsten und kostengünstigsten Verfahren zur Herstellung von Kunststoffteilen in großem Maßstab. Von Legos bis hin zu iPhone-Hüllen - unzählige Produkte, die wir täglich benutzen, entstanden aus geschmolzenem Kunststoff, der in präzisionsgefertigte Stahlformen gespritzt wurde.

Das Spritzgießen kann sein Potenzial jedoch nur dann voll ausschöpfen, wenn Sie Teile speziell für dieses Verfahren konstruieren. Im Gegensatz zum 3D-Druck oder CNC-BearbeitungDie Anforderungen an die Konstruktion von Spritzgussteilen sind sehr hoch, damit sie die Formen richtig ausfüllen, Fehler vermeiden und nach dem Abkühlen sauber aus dem Werkzeug entweichen.

Die Nichtbeachtung der Konstruktionsprinzipien des Spritzgießens kann in praktisch jeder Phase vom Prototyping bis zur Produktion zu erheblichen Verzögerungen und unnötigen Kosten führen. Und da das Verfahren teure Stahlwerkzeuge erfordert, können Konstruktionsänderungen nach der Herstellung der Form extrem zeit- und kostenaufwändig sein.

In diesem umfassenden Leitfaden werden Sie als Fachmann Spritzgießherstellerverrate ich Ihnen meine besten Tipps und Strategien für die erfolgreiche Gestaltung von Kunststoffteilen für das Spritzgießen. Sie erfahren etwas über kritische Designüberlegungen wie einheitliche Wandstärke, Entformungswinkel, Rippen- und Nabendesign, Materialschrumpfung, Oberflächenbehandlung und vieles mehr.

Beginnen wir mit den Grundlagen des Spritzgießverfahrens selbst. Wenn man genau versteht, wie geschmolzener Kunststoff in die Kavitäten fließt, machen viele Konstruktionsrichtlinien Sinn.

Was ist Spritzgießen und wie funktioniert es?

Spritzgießmaschinen erhitzen Kunststoffgranulat, um es zu einer Flüssigkeit zu schmelzen, die die Maschinen unter starkem hydraulischem Druck in Stahlformen pressen. Nachdem der Kunststoff abgekühlt und erstarrt ist, öffnet sich die Form und wirft die fertigen Teile per Roboter aus.

Die Gussformen enthalten zwei Hauptbestandteile aus Stahl:

• Hohlraum: Die vordere Hälfte des Werkzeugs bildet die äußeren optischen Merkmale der Teile. Man bezeichnet sie üblicherweise als die "A-Seite" des Werkzeugs.
• Kern: Die hintere Hälfte des Werkzeugs formt die innere und weitgehend verborgene Geometrie wie Rippen, Vorsprünge, Einsätze und andere funktionale Merkmale. Spritzgießer nennen dies oft die "B-Seite".

An der Stelle, an der die beiden Formhälften zusammentreffen, bildet sich die Trennlinie, die nach der Herstellung als kleine Zeugenlinie auf den Bauteilen sichtbar ist.

Das Verständnis der Grundlagen von Spritzgießmaschinen und -werkzeugen ist entscheidend für die erfolgreiche Konstruktion von Teilen mit diesem Verfahren. Lassen Sie uns in die wichtigsten Konstruktionsüberlegungen eintauchen, die jeder Ingenieur im Hinterkopf behalten muss.

Wichtige Konstruktionsrichtlinien für das Spritzgießen

Während erfahrene Spritzgießer unglaublich präzise und komplexe Kunststoffteile herstellen können, konzentriert sich ein Großteil ihrer Prozesssteuerung auf die Perfektionierung von Parametern wie Temperatur, Druck, Schließkraft und Zykluszeiten.

Als Komponentenkonstrukteur ist es Ihre Aufgabe, Produkte zu entwickeln, die für das Fließen von geschmolzenen Kunststoffen in Stahlwerkzeuge geeignet sind, die mehr als $100.000 kosten.

Hier sind meine besten Tipps, um das Beste aus dem Spritzgießprozess herauszuholen:

Wanddicke

Die wichtigste Richtlinie für die Konstruktion von Spritzgussteilen ist die Beibehaltung einer gleichmäßigen Wandstärke im gesamten Bauteil. Wenn Kunststoff abkühlt, schrumpft er. Ungleichmäßige Teile verursachen eine ungleichmäßige Abkühlung, was zu verzogenen oder rissigen Bauteilen führt.

Hier sind wichtige Regeln, wenn Sie die Wandstärke für Ihr Programm berücksichtigen:

• Zielstärken zwischen 2-4 mm für die meisten Anwendungen. Ultradünnwandige Teile unter 1 mm sind möglich, erfordern aber extrem hohe Präzision.
• Variieren Sie die Wandstärke eines einzelnen Teils nie um mehr als 15%, um eine ungleichmäßige Kühlung zu vermeiden.
• Wenn Sie einen Übergang zwischen dickeren und dünneren Wänden schaffen müssen, sorgen Sie mit graduellen Fasen oder Verrundungen für einen reibungslosen Ablauf.

Außerdem schrumpfen dicke Wände nicht nur stärker, sondern speichern auch die Wärme. Dünnere, gleichmäßige Wände produzieren weniger Ausschuss aufgrund von Kühlungsproblemen. Schnellere Zyklen senken auch die Produktionskosten.

Entwurfswinkel

Schrumpfende Kunststoffe, die an den Wänden von Stahlformen haften, halten Produktionslinien auf, beschädigen die Werkzeuge und erhöhen die Ausschussrate. Während strukturierte Oberflächen das Lösen der Teile aus dem Werkzeug erleichtern, ermöglichen Entformungswinkel den mühelosen Ausstoß von Teilen durch Roboter.

Beim Tiefziehen werden die vertikalen Wände leicht verjüngt - in der Regel zwischen 1 und 5 Grad -, um zu verhindern, dass die Formteile aneinander haften. Als Richtlinie:

• Fügen Sie an allen vertikalen Wänden mindestens 2 Grad Zugluft hinzu.
• Erhöhen Sie die Entformungswinkel bei höheren Kern-/Hohlraummerkmalen oder tief strukturierten Oberflächenausführungen.

Stahlformen müssen im Laufe der Produktion gewartet und regelmäßig ausgetauscht werden. Effektive Entformungswinkel verlängern jedoch die Gesamtlebensdauer des Werkzeugs.

Rippe und Boss Design

Rippen und Vorsprünge verstärken ansonsten dünnwandige Abschnitte, die sich unter Last verbiegen oder verziehen können. Wenn diese Merkmale richtig eingebaut werden, können Materialverbrauch und Kosten gesenkt und gleichzeitig Ausfälle verhindert werden.

Befolgen Sie diese Gestaltungsregeln für Rippen:

• Fügen Sie am unteren Ende aller Rippen Filets zur Verstärkung hinzu.
• Die Rippendicke sollte zwischen 50-60% der Nennwanddicke liegen, um ein Einsinken zu verhindern.
• Bei optisch ansprechenden Teilen sollte die Rippenhöhe unter dem 2,5-fachen der Dicke liegen, um sichtbare Schrumpfung zu vermeiden.

Zu den Leitlinien des Chefs gehören:

• Größe des Außendurchmessers der Nabe 2,5 x Durchmesser der Beschläge (Schrauben usw.).
• Begrenzen Sie die Dicke der Aufsätze auf <60% der Wände, um Einfallstellen auf den sichtbaren Außenflächen zu vermeiden.
• Fügen Sie Zwickel zwischen den Naben und den angrenzenden Wänden ein, um die Stabilität zu erhöhen.

Gut durchdachte Verstärkungsrippen und Beschlagsansätze sind Kennzeichen funktioneller, langlebiger Spritzgussteile.

Materialschwundraten

Jedes Kunststoffmaterial schrumpft bei der Abkühlung in den Spritzgusswerkzeugen unterschiedlich stark. Die meisten schrumpfen jedoch zwischen 2-4%, was Sie bei Ihren Entwürfen berücksichtigen müssen.

Die Vernachlässigung der Schrumpfung führt zu unterdimensionierten Teilen, die sich im fertigen Produkt nicht richtig mit den entsprechenden Komponenten zusammenfügen lassen. Der Trick besteht darin, die Teile absichtlich leicht überdimensioniert zu gestalten.

Zu den von erfahrenen Formenbauern verwendeten Techniken gehören:

• Erhöhung der Gesamtwandstärke.
• Hinzufügen von Presspassungen wie Quetschrippen an Einsätzen.
• Entwurf von großen Einpresspfosten anstelle von Löchern.

Überprüfen Sie bei der Materialauswahl die Schrumpfungsdaten des Herstellers. Erstellen Sie außerdem Prototypen für neue Werkzeuge, um die richtigen Strategien zur Schwindungskompensation zu bestätigen.

Die richtige Schrumpfung in der Entwurfsphase vermeidet Probleme bei der Nachbearbeitung nach dem Gießen.

Abschiedszeilen

Wir haben uns bereits mit den Grundlagen von mehrteiligen Spritzgießwerkzeugen befasst und damit, wie sie Bauteile dort formen, wo sich die Hälften entlang der Trennlinie treffen.

Als Konstruktionsrichtlinie erfordert die Festlegung von Trennlinien ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Ästhetik und Funktion sowie die Berücksichtigung ihrer Auswirkungen auf die Herstellbarkeit.

Um das Erscheinungsbild zu verbessern, verstecken wir die Trennlinien oft entlang scharfer, nicht kosmetischer Kanten oder platzieren sie auf der Rückseite der Bauteile. Seitliche Aktionen und andere komplexe Mechanismen treiben die Werkzeugkosten in die Höhe, wenn auf gekrümmten Oberflächen versiegelt wird.

Eine gute Platzierung der Trennebene verbessert auch die Formfestigkeit und die Lebensdauer der Form. Achten Sie nur auf die Füllpunkte, Hinterschneidungen und den Auswurf, um ein Abplatzen zu verhindern.

Tor Standort/Typ

Das Design der Anschnitte ist direkt mit dem Erfolg des Spritzgießens verbunden, da sie geschmolzenen Kunststoff in die Kavitäten einführen. Die Position des Anschnitts hat einen großen Einfluss auf die Zykluszeit, den erforderlichen Einspritzdruck und das Aussehen des Bauteils.

Übliche Gattertypen sind:

• Randtore: Der beliebteste Ansatz mit einem rechteckigen Profil entlang der Trennungslinie.
• Heiße Tipps für Tore: Ein runder Anschnitt, der durch das Hohlraumdach gespritzt wird, sorgt am besten für Konzentrizität.
• Direkte Tore: Große Anschnitte für schnelles Füllen der Form, erfordert jedoch die Entfernung eines zweiten Anschnitts.

Abgesehen von der Bauart sollten Sie sich an die folgenden Grundregeln für die Platzierung der Tore halten:

• Positionieren Sie die Anschnitte so, dass die tiefsten Formabschnitte zuerst gefüllt werden.
• Halten Sie sich von kosmetischen Oberflächen oder stark beanspruchten Stellen fern.
• Verwenden Sie mehrere Anschnitte, um komplexe Geometrien leichter zu füllen.

Anschnitte fungieren im Wesentlichen als "Angüsse", die den Kunststofffluss in die Formhohlräume leiten, genau wie beim Gießen. Die sorgfältige Planung von Anzahl, Form, Platzierung und Größe der Anschnitte ist entscheidend für fehlerfreies Spritzgießen mit hoher Ausbeute.

Die Quintessenz

Wir hoffen, dass dieser Leitfaden als Einführung einige hilfreiche Richtlinien für die Konstruktion von Spritzgussteilen auf hohem Niveau enthält. Jetzt, da Sie die wichtigsten Richtlinien verstanden haben und Zugang zu zusätzlichen Ressourcen haben, sind Sie bereit, unglaubliche Kunststoffteile zu entwerfen, die für die Präzisionsspritzgussfertigung optimiert sind.

Durch die Umsetzung dieser Konzepte wird die Vorproduktion rationalisiert, Fehler werden vermieden, und es werden robuste Produktionslinien eingerichtet, die fehlerfreie Produkte produzieren.

Welche Konstruktionsfragen stellen sich Ihnen bei Ihrem nächsten Spritzgussteilprojekt? Sprechen Sie mich an, wenn Sie mehr darüber erfahren möchten. Ich freue mich immer, wenn ich Kollegen helfen kann, ihre technischen Fähigkeiten zu verbessern und bewährte Verfahren auszutauschen.