Spritzgussdesign: 10 wichtige Überlegungen zum Qualitätsdesign

Michael Paloian | 04. August 2019

Es gibt Tausende von Designern, die Spritzgussteile entwerfen, aber innerhalb dieser großen Gemeinschaft gibt es eine Elitegruppe, die tatsächlich Teile für Spritzgießer entwerfen kann. Das Design von Spritzgussprodukten durchläuft viele Entwicklungsphasen, bevor alle Teile schließlich dokumentiert und an einen Spritzgießer zur Produktion freigegeben werden. Dieser letzte Schritt im Entwicklungsprozess ist der kritischste, da Konstruktionsänderungen oder -korrekturen nicht mehr ohne erhebliche Mehrkosten oder Projektverzögerungen vorgenommen werden können. Leider werden Konstruktionsfehler bei Kunststoffteilen erst aufgedeckt, nachdem die ersten Artikelteile vom Unternehmen geprüft und bewertet wurden Projektteam. Selbst mit der heutigen hochentwickelten Formflusssimulation, 3D-CAD-Interferenzprüfungen, Rapid Prototyping und zahlreichen anderen Entwicklungstools ist es für niemanden möglich, jedes potenzielle Problem für ein Spritzgussteil vorherzusagen. Es gibt jedoch eine sehr einfache und kostengünstige Methode, potenzielle Probleme zu minimieren und nahezu perfekte Teile zu gewährleisten. Es nennt sich „Partnerschaft mit Ihrem Spritzgießer“ und steht im Mittelpunkt dieses Artikels.

Es spielt keine Rolle, wie gut Sie zu wissen glauben, wie man Teile für das Spritzgießen richtig konstruiert – Sie sollten immer so früh wie möglich im Designprozess eine enge Partnerschaft mit Ihrem bevorzugten Spritzgießer eingehen. Jeder Spritzgießer hat seine eigenen Werkzeugvorlieben und Techniken zum Formen von Teilen, die einen erheblichen Einfluss auf die Teilekonstruktion haben können. Diese subjektiven Präferenzen können jeden der folgenden wichtigen designbezogenen Parameter beeinflussen, die sich auf ein Spritzgussteil auswirken:

Für Designer/Ingenieure ist es oft schwierig, diese Beziehung zu Beginn des Designprozesses aufzubauen, da die Auswahl eines Formers häufig verschoben wird, bis der Entwurf fertiggestellt und zur formellen Angebotserstellung durch die Einkaufsabteilung freigegeben ist. Darüber hinaus werden viele Formenbauer erst dann einen Beitrag leisten, wenn ihnen der Zuschlag für das Projekt zugesichert ist. Diese Pattsituation hindert Konstrukteure daran, diese Empfehlungen zu befolgen, was häufig zu unakzeptablen Verzögerungen oder Kostenüberschreitungen aufgrund der Komplexität der Werkzeuge oder langer Zykluszeiten führt. Diese Richtlinien sind auf lange Sicht nicht kosteneffektiv, da sie die Effizienz der Produktentwicklung erheblich verringern. Es gibt jedoch einige einfache Lösungen zur Lösung dieses Paradoxons.

Die erste Lösung, die normalerweise von größeren Unternehmen verwendet wird, besteht darin, auf der Grundlage einer umfassenden Analyse der Experten ihrer Mitarbeiter eine kurze Liste bevorzugter Anbieter zu erstellen. Diese begrenzte Gruppe von drei bis vier bevorzugten Formenbauern und Werkzeugbauern steht den Ingenieuren aufgrund ihrer für beide Seiten vorteilhaften Geschäftsvereinbarungen in der Regel während der gesamten Entwicklungszeit zur Verfügung. Kleinere Unternehmen können zu Beginn des Prozesses einen oder zwei geeignete Formenbauer auswählen, indem sie eine vertrauensvolle Geschäftsbeziehung aufbauen. Diese informelle Handschlagvereinbarung erfordert, dass beide Parteien gegenseitig ehrlich über die geschätzten Kosten und Bedingungen der letztendlichen Geschäftsabwicklung miteinander sprechen. Obwohl es keine Garantien gibt, könnte eine Allianz entstehen, wenn Formenbauer und Designer ihr Wissen während des gesamten Designentwicklungsprozesses austauschen.

Es ist zu beachten, dass die Gestaltung eines qualitativ hochwertigen Spritzgussteils von einem Designer Kenntnisse über alle grundlegenden Designparameter im Zusammenhang mit dem Spritzguss und eine hohe Fachkenntnis auf diesem Gebiet erfordert. Die Partnerschaft zwischen Former und Designer ist nicht als Praktikumsprogramm gedacht, sondern soll die Übergabe des endgültigen Entwurfs an die Produktion mit wenigen oder keinen Änderungen optimieren. Bei erfolgreichem Abschluss werden die endgültigen Produktionsteile aus den folgenden Gründen in der Regel kostengünstig und präzise nach Spezifikationen geformt.

1. Materielle Optionen und Konsequenzen

Materialien werden oft schon früh im Entwurfsprozess spezifiziert und sollten von beiden Parteien einvernehmlich vereinbart werden. Manchmal können Former große Mengen bestimmter Harze zu erheblichen Preisnachlässen kaufen. Diese Rabatte können an Kunden weitergegeben werden. Wenn ein Konstrukteur beispielsweise eine ABS-Sorte spezifizieren kann, die den Eigenschaften einer Sorte entspricht, die ein Spritzgießer in großen Mengen gekauft hat, können viele Zehntausende Dollar eingespart werden. Ein Designer stellt möglicherweise fest, dass bestimmte Hochleistungsharze aufgrund ihrer Viskosität, ihres hohen Glasgehalts oder ihrer Kristallinität möglicherweise nicht ideal für einen Former geeignet sind. Ein Harz kann aufgrund spezifischer physikalischer oder chemischer Beständigkeitseigenschaften ausgewählt werden, es kann jedoch sehr schwierig sein, es zu formen oder bestimmte Toleranzen einzuhalten. Die Spritzgießer sollten mit den spezifizierten Harzen und den Gesamtanforderungen an die Teile einverstanden sein, da sie die Teile tatsächlich formen müssen.

2. Kritische Toleranzen

Obwohl Designer nach Möglichkeit immer großzügige Toleranzen vorsehen sollten, müssen häufig enge Toleranzen für Passform, Funktion oder Aussehen eingehalten werden. Diese Bilder veranschaulichen Designdetails in einer Reihe von Spritzgussteilen, die angemessene, aber eng anliegende Toleranzen einhalten mussten, um kosmetische und funktionelle Anforderungen zu erfüllen. Der Former wurde in die Designprüfungen einbezogen, um seine Kommentare und sein Engagement für die Einhaltung der Spezifikationen einzubringen.

Eine der größten Herausforderungen für jeden Konstrukteur bei der Gestaltung eines Spritzgussteils besteht darin, bei der Konstruktion genügend Spielraum für Toleranzabweichungen zu schaffen. Toleranzschwankungen hängen von mehreren Variablen ab, darunter Materialien, Prozesskontrolle und Werkzeugdesign. Die akzeptablen Toleranzbereiche einer Konstruktion variieren stark von Spritzgießer zu Spritzgießer. Es ist unbedingt erforderlich, dass Konstrukteure vernünftige kritische Toleranzspezifikationen mit einem Spritzgießer besprechen und bei Bedarf Optionen für mögliche Formrevisionen in Betracht ziehen. Dies kann erfordern, dass bestimmte Konstruktionsmerkmale absichtlich mit zusätzlichem Spiel konstruiert werden, das später durch Entfernen des Stahls aus der Form verschärft wird. Niemand möchte Stahl beim Schweißen hinzufügen, um Interferenzprobleme zu beheben. Spritzgießer können eine Reihe von Vorschlägen zur Aufrechterhaltung einer engen Toleranzkontrolle machen, einschließlich Nachbearbeitung, Befestigung und Anschnittpositionen.

3. Einfallstellen

Erfahrene Konstrukteure stehen immer wieder vor der Herausforderung, Einfallstellen in Spritzgussteilen zu vermeiden. Obwohl die empfohlene maximale Wandstärke an der Basis einer Rippe oder eines Vorsprungs weniger als 60 % der senkrechten Stirnwand betragen sollte, bevorzugen einige Former 50 % oder weniger. Es ist zu beachten, dass dies eine Richtlinie und keine Garantie dafür ist, dass das Teil von der Qualitätskontrollabteilung akzeptiert wird.

Bei der Designentwicklung von Spritzgussteilen ist die Vermeidung von Einfallstellen auf kosmetischen Oberflächen stets eine Herausforderung. Formenbauer scheuen sich stets davor, zu garantieren, dass eine kosmetische Oberfläche frei von Einfallstellen ist, wenn auf der gegenüberliegenden Seite Rippen oder Vorsprünge angebracht werden. Die Herausforderung wird noch größer, wenn die Rippen und Vorsprünge Tiefgang aufweisen. Dieses Rippendetail ist ein gutes Beispiel, um diesen Punkt zu veranschaulichen. Eine enge Zusammenarbeit mit Ihrem Former kann zu einfachen Lösungen wie der Minimierung der Formschräge, der Rippenhöhe oder dem Hinzufügen anderer Funktionen zur Vermeidung von Einsenkungen führen.

Kosmetische Oberflächenfehler hängen von der Angussposition, der Werkzeugqualität, der Nennwandstärke, dem Material, den Zusatzstoffen, der Oberflächenbeschaffenheit, der Farbe und dem Betrachtungswinkel ab. Produktionsprobleme können vermieden werden, indem mit dem Spritzgießer eindeutig eine akzeptable Oberflächenqualität festgelegt wird, lange bevor eine dieser Entscheidungen getroffen wird. Seriöse Formenbauer werden lange vor Produktionsbeginn ehrliche Erwartungen und Backup-Pläne bereitstellen. Spritzgießer schlagen möglicherweise vor, alle Merkmale im Inneren eines Teils zu entfernen, während andere spezielle Entkernungstechniken vorschlagen.

4. Sichere Bereiche aus Stahl

Wenn wir Spritzgussteile konstruieren, sehen wir uns oft mit Details konfrontiert, die enge Toleranzen erfordern, wie z. B. Schnappverbindungen, Ausrichtungsmerkmale oder ineinandergreifende Teile. Es ist einfach, diese Merkmale im CAD perfekt auszurichten und anzupassen, aber es ist nicht so einfach, sie während der Produktion wiederholt zu produzieren. Details, die von einem Former nicht zuverlässig reproduziert werden können, werden oft „stahlsicher“ konstruiert. Für diejenigen, die mit dem Begriff nicht vertraut sind: „Stahlsicher“ bedeutet, dass das Konstruktionsmerkmal detailliert genug Spielraum aufweist, damit ein Werkzeughersteller den Stahl in der Form problemlos wegbearbeiten kann, um die Spielräume nach dem Formen der ersten Testschüsse zu verkleinern. Die meisten Spritzgießer bevorzugen diese Vorsichtsmaßnahmen, um zu vermeiden, dass Material in die Form zurückgeschweißt wird, das dann später bearbeitet wird.

Schweißen beeinträchtigt immer die Qualität der Werkzeuge, ist teuer und verzögert den Produktionsstart. Durch die enge Zusammenarbeit mit einem Form- oder Werkzeugbauer zu Beginn des Konstruktionsprozesses werden Überarbeitungen an Ihrer Konstruktion minimiert, sodass Sie sich beide auf kritische Abmessungen einigen können, die stahlsicher gemacht werden sollten, und auf den Spielraum, der in die Konstruktion einbezogen werden soll. Typischerweise erhöhen diese kooperativen, gut geplanten Entscheidungen das Werkzeugbudget kaum oder gar nicht und haben nur minimale Auswirkungen auf den Produktionsstart. Umgekehrt wünschen sich einige Spritzgießer, dass die Teile genau wie erwartet gestaltet sind und keinen zusätzlichen Spielraum haben. Deshalb ist eine enge Kommunikation mit dem von Ihnen ausgewählten Former wichtig.

5. Torstandort

Die Position des Angusses sollte idealerweise von einem Konstrukteur, Form- und Werkzeugbauer festgelegt werden. Die Angussposition ist für praktisch alle Eigenschaften eines Spritzgussteils von entscheidender Bedeutung. Es beeinflusst Aussehen, Verzug, Toleranzen, Oberflächenbeschaffenheit, Wandstärke, Formspannungen und physikalische Eigenschaften, um nur einige zu nennen.

Einige Konstrukteure verwenden Formflusssimulationen, um die Gestaltung und Position des Angusses vorzugeben. Ich finde es großartig, wenn der Former seinen Empfehlungen zustimmt. Ich stimme nicht mit Designern überein, die darauf bestehen, dass ihre Gate-Empfehlungen kompromisslos beibehalten werden müssen. In beiden Fällen stellt die enge Zusammenarbeit mit einem Spritzgießer während des gesamten Designzyklus sicher, dass der Anschnitt die Leistung, das Aussehen oder die Passform des Teils nicht beeinträchtigt. Spritzgießer sind auch bereit, Konstrukteure über die Art des Angusses und Merkmale zu beraten, die der Teilegeometrie basierend auf dem Anschnittdesign möglicherweise hinzugefügt werden müssen. Formenbauer bieten auch Kompromisse zwischen verschiedenen Anschnitttypen an, darunter Fächeranschnitte, Kantenanschnitte oder Angussanschnitte.

Lesen Sie hier den zweiten Teil dieses Artikels.

Über den Autor

Michael Paloian ist Präsident von Integrated Design Systems Inc. (IDS) mit Sitz in Oyster Bay, New York. Er hat einen Bachelor-Abschluss in Kunststofftechnik von der UMass Lowell und einen Master-Abschluss in Industriedesign von der Rhode Island School of Design. Paloian verfügt über umfassende Kenntnisse in der Konstruktion von Teilen in zahlreichen Prozessen und Materialien, darunter Kunststoffe, Metalle und Verbundwerkstoffe. Paloian hält mehr als 40 Patente und war ehemaliger Vorsitzender von SPE RMD und PD3. Er spricht häufig auf SPE-, SPI-, ARM-, MD&M- und IDSA-Konferenzen. Er hat außerdem Hunderte designbezogene Artikel für zahlreiche Publikationen geschrieben.

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