9 Strategien für das Design mehrteiliger Baugruppen

Zwei Designgrundsätze für eine optimale Fertigung und Montage lauten: Vermeiden Sie so viele Einzelteile wie möglich und entwickeln Sie leicht montierbare Produkte. Wenn Sie denken, dass dies leichter gesagt als getan ist, lesen Sie weiter. Dieser Design-Tipp zeigt Ihnen verschiedene Wege auf, damit das nächste Mal, wenn Sie eine mehrteilige Baugruppe entwerfen, eher einem Tag am Strand als einer Wurzelbehandlung gleicht. Viele dieser Tipps drehen sich um Spritzgussteile. Manche beziehen sich jedoch auch auf bearbeitete und 3D-gedruckte Teile. Dazu gehören:

• Symmetrische Teile
• Identische Passteile
• Familienwerkzeuge
• Verbindungselemente
• Teile, die ganze Baugruppen ersetzen
• Überlegungen zu Baugruppen
• 2K-Spritzguss und Umspritzen von Einlegeteilen
• Teile aus Flüssigsilikon
• Alternative Verfahren

Auf der Suche nach Symmetrie

Auch wenn es zunächst schwer nachzuvollziehen ist, lassen sich viele traditionell aus zwei verschiedenen Komponenten zusammengesetzte Baugruppen oft aus einem Paar identischer Teile herstellen. Denken Sie an die beiden Hälften des Prototypen einer Getriebegehäusebaugruppe. Der gängigen Meinung zufolge müsste man in eine Hälfte Bolzenlöcher bohren, die andere Hälfte mit Gewindebuchsen versehen und dann mit einem halben Dutzend Schrauben und Unterlegscheiben alles zusammenschrauben. Hierzu müssen jedoch zwei separate Spritzgussformen gefertigt werden (oder zwei Einzelteile, wenn ein Metallprototyp benötigt wird). Wenn die beiden Hälften symmetrisch gestaltet und die Löcher und Gewinde in den beiden Teilen gleich und jeweils gegenüberliegend verteilt werden, kann eine einzige Form verwendet werden, wodurch sich die Werkzeugkosten halbieren.

Identische Passteile

Doch warum nicht ganz auf Schrauben verzichten? Das Getriebegehäuse in unserem Beispiel ist jetzt zwar symmetrisch, doch die Gewindeeinsätze müssen immer noch manuell installiert werden. Noch dazu gilt es, den Überblick über die ganzen lästigen Schrauben und Unterlegscheiben zu behalten. Mit einem einfachen System aus ineinandergreifenden Clips und Haken lassen sich die beiden Hälften zusammenfügen. Dadurch werden nicht nur zusätzliche Verbindungselemente überflüssig, sondern der Montageprozess wird dadurch zu einem Kinderspiel. Gehen Sie noch einen logischen Schritt weiter und ersetzen Sie die Clip-Mechanismen mit einem aktiven Scharniergelenk entlang einer Kante des Bohrmaschinengehäuses: Schon haben Sie ein einteiliges Design. Die Materialliste wurde verkleinert, die Montagezeit auf Null reduziert und es muss nur noch eine Form gekauft werden. Und das ist Ihnen zu verdanken! Aktive Scharniergelenke lassen sich im 3D-Druckverfahren übrigens auch mit SLS-Nylon herstellen.

Familienwerkzeuge

Eine andere Methode, um Heldenstatus zu erlangen ist die Verwendung von Familienwerkzeugen, das sich ideal für die Herstellung einer Serie von Teilen mit ähnlichen Formen und Größen eignet. Die beiden oben erwähnten Passteile sind hierfür prädestiniert, ebenso wie jede Gruppe von Teilen, die eine komplette Baugruppe bilden. Natürlich muss für sie alle derselbe Werkstoff verwendet werden, und die Maße des zusammengesetzten Teils müssen etwa mit dem 1.129 cm² großen Volumen des Formhohlraums übereinstimmen.

Passende Verbindungselemente

„Das Rad neu erfinden“ ist eine geläufige Redewendung. Sie sollten es um jeden Preis vermeiden, Ihre eigenen Muttern, Schrauben, Schäfte, Stifte, Passfedern und Dutzende weitere Standardkomponenten zu entwickeln und herzustellen. Überarbeiten Sie Ihr Produkt lieber so, dass es mit Standard-Verbindungselementen kompatibel ist, besonders dann, wenn die Produktionsmengen voraussichtlich irgendwann steigen werden.

Alles in einem Teil

Die Eigenschaften, die Kunststoffe wie Polypropylen (PP) und Styrol-Butadien (SB) zu hervorragenden Kandidaten für aktive Scharniergelenke machen, sorgen auch dafür, dass sie sich für andere flexible Komponenten eignen. Clevere Teilekonstrukteure erhalten so die Möglichkeit, Baugruppen zu vereinfachen und die Materialliste zu verkleinern. In manchen Fällen lässt sich eine einstmals komplexe Baugruppe auf ein einteiliges Stück reduzieren. So kann zum Beispiel eine Reihe von Metall-Stoßdämpfern in einem Sportartikel möglicherweise durch ein Kunststoffteil ersetzt und zusammen mit dem gegenüberliegenden Bauteil spritzgegossen werden. Verwenden Sie bei ferngesteuerten Autos statt angeschraubter Blattfedern aus Metall eine Spritzgusskonstruktion aus Nylon als Teil der Karosserie. Konstrukteure brauchen auch nicht an traditionellen Formen festzuhalten – eine Schraubenfeder kann problemlos eine Zickzackform oder die eines S, C oder eines seitlichen 3 haben. Sie sollten lediglich darauf achten, dass sich die mechanischen, chemischen und elektrischen Eigenschaften des gewählten Kunststoffs für die vorhergesehene Umgebung eignen.

Einfache Montage

Wenn ein Produkt montiert wird, vereinfachen Sie diesen Arbeitsschritt, indem Sie die verschiedenen Schrauben und Verbindungselemente so ausrichten, dass sie alle von derselben Seite aus zugänglich sind, und minimieren Sie so ein Kippen und Drehen des Teils. Verwenden Sie möglichst Standard-Verbindungselemente, damit der Arbeiter keine unterschiedlichen Werkzeuge in die Hand nehmen muss. Machen Sie die Baugruppe verwechslungssicher und entwerfen Sie Zentrierstifte und Führungselemente, um nicht zueinander passende Teile zu vermeiden. Und verbringen Sie etwas Zeit in der Montagehalle: Wenn Sie die Probleme kennen, die in dieser Phase oft auftreten, können Sie große Verbesserungen beim Teiledesign erzielen.

Zwei Komponenten in einem

Häufig können zwei oder mehr Komponenten zusammen spritzgegossen werden. Statt einen Gummigriff an ein Kunststoff-Instrumentengehäuse zu schweißen, zu kleben oder zu schrauben, kann mithilfe von 2K-Spritzguss ein dauerhafter Verbund hergestellt werden, ohne dass sekundäre Montageprozesse notwendig wären. Die beiden Kunststoffe müssen zwar chemisch miteinander verträglich sein, es gibt jedoch eine Auswahl an Werkstoffkombinationen und Farben. Gleichermaßen können die oben genannten Gewindeeinsätze in die Form eingesetzt werden, bevor der Zyklus an der Spritzgießmaschine gestartet wird, wodurch die Metalleinsätze dauerhaft im Kunststoff befestigt werden. Eine große Auswahl an Buchsen, Stiften und Verschlüssen kann direkt in die Kunststoffteile geformt werden, wodurch Zeit gespart und das Design vereinfacht wird. 

Teile aus Flüssigsilikon

Aufgrund seiner „kalthärtenden“ Merkmale, seiner extrem erfreulichen Fließeigenschaften und dem Wegfall üblicher Sorgen bei Spritzgussteilen, wie Einsinken und Bindenähte, bricht Flüssigsilikon (LSR) mit vielen der Regeln des Spritzgießens. Auch wenn LSR-Teile wahrscheinlich nicht die Anzahl an Bauteilen reduzieren, beseitigen sie viele der Probleme, die beim Spritzgießen häufig auftreten, und bieten oft eine hervorragende Alternative zu anderen flexiblen Werkstoffen. Komplexe Dichtungen lassen sich präzise formen, und aufgrund seiner Biokompatibilität, Hitze- und Sterilisationsbeständigkeit ist LSR für viele Anwendungen im Medizin- und Lebensmittelbereich der Werkstoff der Wahl. Außerdem verzeiht LSR große Schwankungen bei der Wandstärke und lässt Hinterschneidungen problemlos zu. Für den geplanten Anwendungsbereich bietet es große Vorteile.

Ausschau nach Alternativen

Es sind großartige Zeiten, um in der Fertigung tätig zu sein. Technologien und Werkstoffe, von denen man vor ein paar Jahrzehnten nur träumen konnte, stellen jetzt die Welt des Designs und der Konstruktion auf den Kopf. Der industrielle 3D-Druck ist eine dieser Technologien.  Darüber hinaus fallen aufgrund der schier grenzenlosen Komplexität, die mit dem 3D-Druck machbar ist, mehrteilige Baugruppen weg, und die verwendbaren Werkstoffe eignen sich für den langfristigen Gebrauch. Protolabs bietet mehrere 3D-Druckverfahren an, mit denen Teile aus Kunststoff, Metall und Elastomer gebaut werden können. Natürlich lassen sich manche mehrteilige Baugruppen am besten auf die altmodische Weise durch Bearbeitung und Montage von Einzelteilen herstellen. Doch selbst hier gelten die Designregeln in Bezug auf Machbarkeit und Montage. Der Einfachheit halber sollten Sie nichts entwerfen, was Sie „von der Stange“ kaufen können, alle Ihnen zur Verfügung stehenden Fertigungsoptionen prüfen und die mit ihnen verbundenen Regeln verstehen. Wenn Sie sich strikt an die Richtlinien halten, können Sie in kürzester Zeit mehrteilige Baugruppen kostengünstig und effizient herstellen.

Unsere Anwendungstechniker stehen Ihnen bei Rückfragen wie immer unter der Rufnummer +49 (0)89 90 5002 0 oder per E-Mail an [email protected] zur Verfügung.