Das Geheimnis von flach faltbaren aktiven Scharniergelenken

Wir haben bereits in der Vergangenheit Tipps über aktive Scharniergelenke geschrieben, jene dünnen Bereiche in einem Kunststoffteil, in denen das Teil gefaltet werden kann. Sie werden häufig verwendet, um einen Behälter mit Deckel als einteiliges Spritzgussteil herzustellen. Mit dem richtigen Entwurf lässt dieser sich tausende Male öffnen und schließen, ohne an Stabilität oder Flexibilität einzubüßen. Das Konzept ist einfach, doch dieser kleine Bereich des Kunststoffteils wird stark beansprucht. Bei einer typischen Anwendung kann ein Gelenk über einen Bogen von 90 oder 180 Grad gebogen werden, doch selbst Bögen von 270 oder annähernd 360 Grad sind nicht unüblich. Egal wie groß der Bogen ausfällt, wir erwarten von dem Gelenk, dass es immer und immer wieder funktioniert, ohne an Stabilität einzubüßen. Schlecht konzipierte aktive Scharniergelenke funktionieren – sehr zum Frust des Produktentwicklers oder Endnutzers – oft nur ein paar Mal, bevor sie beginnen abzubrechen. Häufig lassen sich auch die beiden mit dem Gelenk verbundenen Teile nicht so zusammenführen wie erwartet. Gut konzipierte aktive Gelenke können genauso präzise und reibungslos funktionieren wie Metallscharniere, und sie können über die gesamte Lebensdauer des Produkts halten.

Mehrere Faktoren beeinflussen die Leistungsfähigkeit eines aktiven Scharniergelenks. Der erste Faktor betrifft den Werkstoff. Brüchige Kunststoffe wie Polycarbonat sind für Gelenke schlicht ungeeignet. Andererseits lassen sich mit sehr flexiblen Kunststoffen wie TPE zwar hervorragende Gelenke herstellen, sie besitzen jedoch nicht die nötige Steifigkeit, um den Rest des Teils zu formen. Die beliebtesten Kunststoffe für Teile mit aktiven Scharniergelenken sind Polypropylen und Polyethylen, die Steifigkeit in dickeren Bereichen und Flexibilität in dünnen Bereichen vereinen. Weitere Faktoren, welche die Leistungsfähigkeit eines aktiven Gelenks beeinflussen, sind die Dicke des Gelenks selbst (dick genug für ausreichende Stärke, dünn genug für ausreichende Flexibilität) und der Radius der Biegung (ein dünneres Gelenk kann über einen engeren Radius gebogen werden, ohne beschädigt zu werden).

In manchen Fällen stellt dieser Balanceakt eine große Herausforderung dar. Nehmen Sie zum Beispiel den Plastikstreifen, mit dem der Ausgießer einer Quetschflasche an deren Kappe befestigt ist, damit die Kappe nicht verloren geht. Dieses Halteband ist zwar technisch gesehen kein aktives Gelenk, es erfüllt jedoch eine ähnliche Funktion. Ein typisches Halteband ist dicker als die meisten aktiven Gelenke und daher robust und lässt sich über einen sehr großen Radius biegen. Somit besteht nicht die Gefahr, dass der Kunststoff beim Biegen des Bandes beschädigt wird. Das aktive Gelenk an einem Werkzeugkoffer aus Kunststoff hingegen ist dünn, und die beiden damit verbundenen Flächen liegen im Grunde flach aneinander, wenn der Koffer geschlossen ist, wodurch ein sehr enger Biegeradius im Gelenk entsteht. Dadurch wird das Scharnierdesign deutlich erschwert.

Anhand eines Stück Papiers lässt sich einfach demonstrieren, wie aktive Gelenke funktionieren bzw. versagen. Klappen Sie einen Papierbogen lose in zwei Hälften, drücken Sie ihn jedoch nicht herunter, um ihn an seiner Biegung zu falzen. Der Bogen gleicht einem aktiven Gelenk mit einem akzeptablen Biegeradius. Solange der Bruch im Papier rund bleibt, können Sie es beliebig oft umbiegen und geradebiegen, ohne es zu schwächen. Wenn Sie jedoch möchten, dass das gefaltete Papier flach liegt, um es z.B. in einen Umschlag zu stecken, drücken Sie es flach, um einen Falz herzustellen. Sie haben jetzt die Struktur des Papiers dauerhaft verändert. Unter dem Mikroskop könnten Sie am Falzbruch gebrochene Fasern erkennen, und wenn Sie versuchen wollten, das Blatt zu zerreißen, würden Sie es wahrscheinlich entlang des geschwächten Falzes durchreißen.

Stellen Sie sich wieder das lose gefaltete Papier vor: Sie verspüren einen Widerstand, wenn Sie vorsichtig auf einen Falz drücken. Vielleicht spüren Sie sogar, wie weit Sie drücken könnten, bis der Falz dauerhaft wird. Wenn Sie dünneres Papier verwenden, können Sie es weiter nach unten drücken, bevor seine Struktur geschwächt wird. Wenn Sie dickeres Papier oder leichten Karton verwenden, ist der Widerstand größer, ebenso wie der Radius, bei dem die dauerhafte Verformung stattfindet. Dasselbe passiert bei einem aktiven Gelenk aus Kunststoff. Doch sowohl bei Papier als auch bei Kunststoff bleibt eine Frage offen: Wie können die Flächen gefaltet werden, dass sie flach anliegen, ohne dass das Gelenk beschädigt wird?

Bei Papier könnten Sie dies erreichen, indem Sie die Berührungsflächen über das Niveau des Falzes anheben, d.h. Kartonbögen hinzufügen (siehe Abbildung 1). Dadurch wird gewährleistet, dass die Kartonflächen beim Falten des Papiers flach aufeinanderliegen, während das Papier am Falz einen Radius behält, der eine dauerhafte Verformung des Materials verhindert. Bei Kunststoff erhalten Sie das gleiche Resultat, indem Sie das aktive Gelenk leicht unter das Niveau der damit verbundenen Berührungsflächen versenken (siehe Abbildung 2). Ohne diese Vertiefung kommt es beim Falten des aktiven Gelenks zu einer von zwei Folgen:

Der Kunststoff im Gelenk lässt sich nicht in dem zu kleinen Radius falten, sodass die anliegenden Flächen nicht flach aufeinanderliegen. Dies ist zwar gut für das Gelenk und bewahrt dessen Integrität, für die Gesamtleistung des Designs ist es jedoch schlecht.
Damit die Oberflächen aufeinanderliegen, kann entweder das Gelenk verkürzt oder Kraft angewendet werden, um die Verschlussteile zusammenzudrücken. Dadurch wird die Außenseite des Gelenks überlastet, wodurch es schließlich geschwächt wird oder bricht (siehe Abbildung 3).

Darstellung Falz

Scharniergelenk mit Aussparung

Scharniergelenk flächenbündig

Auch wenn aktive Gelenke äußerst nützlich sind, sie können hohe Anforderungen an das Spritzgussdesign stellen und erfordern Sorgfalt und Aufmerksamkeit beim Entwerfen des Spritzgussteils. Kunststoff muss durch den schmalen Spalt zwischen den Formhälften fließen können, der das Gelenk bildet. Diese Verengung am Gelenk hat einen erhöhten Druck auf der stromaufwärtigen Seite des Gelenks zur Folge, was zu Graten und vermindertem Druck auf der stromabwärtigen Seite des Gelenks und somit zu potenziellen Einspritzproblemen führt. Leider lässt sich dieses Problem nicht durch Angüsse an beiden Seiten des Gelenks lösen, da zwei am Gelenk aufeinandertreffende Kunststoffflüsse dieses erheblich schwächen würden.

Unsere Angebotsanalyse erkennt zwar nicht, dass es sich in Ihrem Entwurf speziell um ein Gelenk handelt, sie identifiziert jedoch potenzielle Formbarkeitsprobleme, die vor der Herstellung der Teile behoben werden können. Wenn Sie die Prototypen in der Hand halten, können Sie das Design des aktiven Gelenks weiter testen, bevor Sie zur Massenproduktion übergehen. Wenn Sie noch Fragen haben, helfen Ihnen die Mitarbeiter unseres technischen Kundendienstes gerne telefonisch unter der Rufnummer +49 (0) 6261 6436 947 weiter. Wenn Sie gut konzipierte aktive Gelenke näher betrachten wollen, holen Sie sich einen kostenlosen Designwürfel.