Überlegungen zum Design von Kunststoffteilen und Formen, Teil 1

Michael Paloian

Spritzgegossene Kunststoffe haben im 20. Jahrhundert Design, Innovation und Fertigung revolutioniert. Vor 1950 wurden die meisten Produkte aus geprägtem Stahl, Aluminiumdruckguss, Zink und Holz hergestellt. Kunststoffprodukte beschränkten sich hauptsächlich auf Phenolharze, Polystyrol und andere Duroplaste. Die boomende Nachkriegswirtschaft führte jedoch zu einer Renaissance der Forschung und Entwicklung neuer Kunststoffmaterialien und Verarbeitungsinnovationen, was zu den Hunderttausenden von Kunststoffen führte, die wir heute haben. In den letzten 70 Jahren hat sich das Spritzgießen ausgereift und ist anspruchsvoller, vielseitiger und komplizierter geworden, so dass es heute die Herstellung der meisten Massenprodukte dominiert. Leider sind die meisten Produktdesigner unerfahren in der Konstruktion von Spritzgussteilen, da die lange Lernkurve erforderlich ist, um ein Teil gekonnt zu entwickeln, das sich leicht spritzgießen lässt und gleichzeitig Hunderte anderer Anforderungen erfüllt. Das grundlegendste Wissen, das jeder Konstrukteur benötigt, der ein Spritzgussteil entwerfen muss, ist das Verständnis der Grundlagen des Formenbaus (auch als Werkzeug bezeichnet). Im weiteren Verlauf dieses Artikels werden die Zusammenhänge zwischen der Konstruktion von Spritzgusswerkzeugen und der Teilekonstruktion erörtert.

Obwohl das Spritzgießen eine der kostengünstigsten Herstellungsmöglichkeiten ist, hat es doch einen Nachteil. Die Bearbeitung der Werkzeuge erfordert eine erhebliche Kapitalinvestition und eine relativ lange Vorlaufzeit. Nach der Bearbeitung der Formen können Konstruktionsänderungen sehr kostspielig oder manchmal unmöglich sein, ohne die Form vollständig auszutauschen. Aus diesem Grund muss das Design nahezu perfekt sein, bevor die CAD-Dateien zur Bearbeitung freigegeben werden. Ein umfassendes Verständnis der Grundprinzipien des Werkzeugdesigns ist daher sehr hilfreich, um kostspielige Probleme und Projektverzögerungen zu vermeiden. Lassen Sie uns nun die Grundlagen einer Spritzgussform untersuchen.

Der Grund dafür, mit der Spritzgussform selbst zu beginnen, liegt darin, dass sie das Teiledesign beeinflussen kann. Geschmolzenes Kunststoffharz wird von der rechten Seite (feste Aufspannplatte) in die geschlossene Form eingespritzt, wo es unter Druck gehalten wird, bis es zu einem festen Zustand abgekühlt ist. Nach dem Abkühlen wird die Form geöffnet, während sich die linke Aufspannplatte zurückbewegt. Während dieses Öffnungszyklus trifft die Ausbrechplatte auf einen stationären Pfosten, der die Ausbrechstifte bewegt und das Teil auswirft. Ausbrechstifte hinterlassen immer einen unerwünschten Eindruck auf dem Teil (normalerweise kreisförmig), weshalb sie sich normalerweise auf der nicht kosmetischen Rückseite oder im Inneren des Teils befinden. Darüber hinaus schrumpfen Kunststoffe während des Abkühlzyklus immer. Sie schrumpfen vom Hohlraum oder den Außenflächen weg und um den Kern oder die Innenseite des Teils herum. Zum Auswerfen des Teils aus dem Kern ist Kraft erforderlich, die von den Auswerferstiften aufgebracht wird. Warum ist es für Designer wichtig, dies zu verstehen? Denn es erfordert Überlegungen darüber, wo und wie das Teil eingegrenzt wird. Der Anguss ist als Eintrittspunkt in eine Form definiert. Es gibt viele verschiedene Arten von Anschnitten, aber alle hinterlassen Spuren auf der Oberfläche eines Teils. Da die äußere kosmetische Oberfläche normalerweise der festen Platte zugewandt ist, auf der das Harz eingespritzt wird, müssen Designer entscheiden, wo und wie sie mit diesem Problem umgehen. Schauen wir uns einige Beispiele an.

Das obige Beispiel zeigt eine Torposition, die für einen gleichmäßigen Materialfluss zentral angeordnet und durch eine abnehmbare Batterieabdeckung verdeckt ist. Hierbei handelt es sich um eine Methode zum Anbringen von Anschnitten auf kosmetischen Oberflächen, die zwei Probleme löst: Optimierung des Materialflusses und Bereitstellung einer Anschnittposition, die das Erscheinungsbild des Teils nicht beeinträchtigt.

Randanschnitte sind, wie oben gezeigt, ein weiteres Mittel, um auf herkömmliche Weise einen Eintrittspunkt für das Kunststoffharz zu schaffen, damit es in den Formhohlraum fließen kann. Diese Option ist geeignet, wenn die Wandstärke ein leichtes Fließen durch das Teil ohne unerwünschte Fließspuren, Verwerfungen, Spreizungen oder unerwünschte Schrumpfungen ermöglicht. Zu berücksichtigen ist auch die unregelmäßige Oberfläche im Bereich des Angusses, die typischerweise mit Schermaschinen entfernt wird. Manchmal müssen Oberflächen entlang der Kante des Teils genau zu einem Gegenstück passen. In solchen Fällen muss der Anschnittbereich nachbearbeitet werden, damit er richtig passt.

Tore befinden sich häufig in offenen Bereichen wie Fenstern oder Hohlräumen, in die andere Teile eingefügt werden. Wenn die Kanten des Teils für die Passung mit einem anderen Teil entscheidend oder kosmetisch wichtig sind, muss der Konstrukteur festlegen, dass das Angussreststück gemäß seinen Spezifikationen bearbeitet wird. Andernfalls könnte das verbleibende Material die zusammenpassenden Teile beeinträchtigen oder kosmetisch inakzeptabel sein.

Torreste werden oft, wie oben dargestellt, durch ein anderes Teil oder durch Etiketten verdeckt. Wenn ein Etikett angebracht wird, möchten Sie sicherstellen, dass der Anschnitt unter der Oberfläche des Teils liegt, damit das Etikett problemlos angebracht werden kann.

Wenn es keine guten Möglichkeiten für die Platzierung eines Angusses auf der äußeren kosmetischen Oberfläche gibt, kann ein umgekehrter Auswurf in Betracht gezogen werden – dies sollte die letzte Option sein, kann aber auch die einzige sein. Beim umgekehrten Auswerfen wird die Form so ausgerichtet, dass die Hohlraumseite des Teils (Außenfläche) auf der beweglichen Aufspannplatte platziert und der Kern auf der festen Aufspannplatte montiert wird. Das Material wird direkt in die Kernseite (Innenwand) des Teils eingespritzt. Auf dieser Werkzeughälfte befinden sich auch Auswerferstifte. Der Auswurf des Teils erfolgt durch Anbringen von Stangen an beiden Seiten der beweglichen Aufspannplatte. Wenn die bewegliche Platte zurückgezogen wird, greift die Stange in die Auswerferplatte ein, bewegt die Auswerferstifte nach vorne und wirft das Teil aus. Das Bild in Abbildung 7 veranschaulicht diese Methode.

Einige Konstrukteure von Kunststoffteilen legen die spezifische Angussposition und das Anschnittdesign auf der Grundlage einer Formflussanalyse fest. Da die Konstrukteure nicht für die Formung der Teile verantwortlich sind, bin ich der Meinung, dass diese Details von Formern und Werkzeugbauern berücksichtigt werden sollten. Planer sollten sich jedoch anhand der zuvor genannten Gründe über die Art des Tors und seinen allgemeinen Standort im Klaren sein. Die spezifischen Details sollten zwischen Formern und Teilekonstrukteuren gemeinsam festgelegt werden.

Damit ist dieser erste Teil einer mehrteiligen Serie abgeschlossen, die sich der Konstruktion von Teilen für den Spritzguss widmet.

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. Er ist telefonisch unter 516/482-2181 oder per E-Mail unter [email protected] erreichbar.

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